(Bandwidth Utilization: Multiplexing and Spreading) Chapter 6 대역폭 활용: 다중화와 스펙트럼 확장 (Bandwidth Utilization: Multiplexing and Spreading)

6 장 다중화(Multiplexing) 6.1 다중화 6.2 확산 대역 방식 6.3 요 약

대역폭 활용은 특정 목적을 달성하기 위해 이용 가능한 대역폭을 효율적으로 사용하는 것이다 대역폭 활용은 특정 목적을 달성하기 위해 이용 가능한 대역폭을 효율적으로 사용하는 것이다. 효율은 다중화(multiplexing)를 통해 달성할 수 있으며 프라이버시와 방해전파 방지는 스펙트럼 확장(Spectrum Spreading)을 통해 달성한다.

Topics discussed in this section: 6.1 다중화 두 장치를 연결하는 매체의 전송용량이 두 장치가 필요로 하는 전송량보다 클 경우에는 언제든지 그 링크를 공유할 수 있다. 이처럼 다중화(multiplexing)는 단일 링크를 통하여 여러 개의 신호를 동시에 전송할 수 있도록 해주는 기술이다. 데이터통신과 전기통신이 증가함에 따라 통신량도 증가한다. Topics discussed in this section: 주파수 분할(Frequency-Division) Multiplexing 파장 분할(Wavelength-Division) Multiplexing 동기 시분할(Synchronous Time-Division) Multiplexing 통계 시분할(Statistical Time-Division) Multiplexing

6.1 다중화 다중화 시스템 기본 형식 단일 데이터 링크를 통해 여러 개의 신호를 동시에 전송하기 위한 기술

다중화 (계속) 다중화기(MUX, Multiplexer) 다중복구기(DEMUX, Demultiplexer) 링크(Link) 전송 스트림을 단일 스트림으로 결합(many to one) 다중복구기(DEMUX, Demultiplexer) 스트림을 각각의 요소로 분리(one to many) 전송 스트림을 해당 수신장치에 전달 링크(Link) 물리적인 경로 채널(Channel) 한 쌍의 장치간에 전송을 위한 하나의 경로

6.1 다중화 다중화의 범주

6.1.1 주파수 분할 다중화 FDM : Frequency-Division Multiplexing 링크의 대역폭이 전송되는 조합 신호의 대역폭 보다 클 때 적용할 수 있는 아날로그 기술 신호가 겹치지 않도록 보호대역(guard band)만큼 떨어져 있어야 한다.

FDM은 신호들을 합성하는 아날로그 다중화 기술이다. 6.1.1 주파수 분할 다중화 FDM은 신호들을 합성하는 아날로그 다중화 기술이다. FDM is an analog multiplexing technique that combines analog signals.

6.1.1 주파수 분할 다중화 FDM 처리 과정 각 전화기는 비슷한 범위의 주파수 대역의 신호 발생 이 신호는 서로 다른 반송 주파수로 변조된다(f1, f2, f3)

주파수 분할 다중화(계속) 다중화 복구 과정(Demultiplexing) 개개의 신호를 분리하여 수신기에 전달

Example 6.1 음성 채널이 4 kHz의 대역폭을 차지한다고 가정하자. 주파수 20 kHz에서부터 32 kHz에 걸친 대역폭을 사용하는 링크를 통해 세 개의 음성 채널을 합해서 보낸다고 하자. 주파수 영역을 이용하여 구성을 나타내어라. 보호 대역은 없는 것으로 간주한다. Solution 다음 그림과 같이 세 개의 음성 채널을 서로 다른 대역폭으로 이동(변조)시킨다. 첫 번째 채널에는 20에서부터 24 kHz의 대역을 사용하고, 두 번째 음성 채널에는 24에서부터 28kHz의 대역을, 그리고 세 번째에는 28에서부터 32 kHz의 대역을 사용한다. 그런 다음 3개의 신호를 합한다.

Example 6.1

Example 6.2 각각 100 kHz의 대역폭을 갖는 다섯 개의 채널을 함께 다중화해서 보낸다. 만일 서로 간의 간섭을 피하기 위해 채널 사이에 10 kHz의 보호 대역이 필요하다면 최소 얼마만큼의 대역폭이 필요한가? Solution 5개의 채널의 간섭을 피하기 위해 최소 4개의 보호 대역이 필요하다. 따라서 필요한 대역폭은 그림 6.7에 보인 것처럼 최소 5 × 100 + 4 × 10 = 540 kHz이다.

Example 6.2

Example 6.3 4개의 디지털 채널이 1 Mbps의 채널을 사용하는 위성을 사용하여 각각 1 MHz의 전송속도로 전송한다. FDM을 사용하여 적절한 구성을 설계하라. Solution 위성 채널은 아날로그이다. 각각 250-kHz 대역폭을 갖는 4개의 채널로 나눈다. 1 Mbps의 디지털 채널을 4비트가 1 Hz에 해당되도록 변조한다. 16-QAM 변조가 한 가지 방법이다. 그림 6.8이 가능한 한 가지 구성을 보여준다.

Example 6.3

6.1.1 주파수 분할 다중화 아날로그 계층구조 - 전화회사 AT&T에 의해 사용되는 계층 시스템

6.1.1 주파수 분할 다중화 FDM의 다른 응용 라디오 TV : 채널당 6MHz 1 세대 이동전화 : 사용자마다 60 kHz AM : 방송국당 10 kHz FM : 방송국당 200 kHz TV : 채널당 6MHz 1 세대 이동전화 : 사용자마다 60 kHz (수신 : 30 kHz, 발신 : 30 kHz)

Example 6.4 고급 이동 전화 시스템(AMPS, Advanced Mobile Phone System)은 두 개의 대역을 사용한다. 첫 번째 대역은 824에서 849 MHz로 전송에 사용되고, 869에서 894 MHz는 수신에 사용된다. 각 사용자는 각 방향으로 30 kHz의 대역을 사용한다. 3 kHz의 음성 신호가 FM 변조를 통해 30 kHz의 변조 신호를 만들어 낸다. 얼마나 많은 사람이 동시에 이동전화를 사용할 수 있을까? Solution 각 대역은 25 MH이다. 25 MHz를 30 kHz로 나누면 833.33이 나온다. 실제로는 이 대역을 832 채널로 나눈다. 이 중에서 42개의 채널은 제어 목적으로 사용되고 이동전화 사용자들에게는 790개의 채널이 제공된다.

6.1.2 파형 분할 다중화 WDM : Wavelength-Division Multiplexing 기본 개념은 FDM과 같으며, 광섬유의 고속 전송률을 이용하기 위해 설계

6.1.2 파형 분할 다중화 WDM 다중 빛 소스를 단일 빛으로 결합 단일 빛은 다중 빛 소스로 분리 프리즘 이용 : 임계각과 주파수 기반

WDM은 광섬유 신호를 조합하기 위한 아날로그 다중화 기법이다. 6.1.2 파형 분할 다중화 WDM은 광섬유 신호를 조합하기 위한 아날로그 다중화 기법이다. WDM is an analog multiplexing technique to combine optical signals.

6.1.3 시분할 다중화 송신과 수신장치에 의해 요구되는 데이터 전송률 보다 전송 매체의 데이터 전송률이 클 때 적용되는 디지털 처리 기술

TDM은 여러 개의 저속 채널을 하나의 고속 채널로 조합한 다중화 기술이다. 6.1.3 시분할 다중화 TDM은 여러 개의 저속 채널을 하나의 고속 채널로 조합한 다중화 기술이다. TDM is a digital multiplexing technique for combining several low-rate channels into one high-rate one.

6.1.3 시분할 다중화 시간 틈새(time-slot)와 프레임(frame)

동기 TDM에서는 링크의 전송률은 n 배 빠르고 , 단위 기간은 n 배 짧다. 6.1.3 시분할 다중화 동기 TDM에서는 링크의 전송률은 n 배 빠르고 , 단위 기간은 n 배 짧다. In synchronous TDM, the data rate of the link is n times faster, and the unit duration is n times shorter.

Example 6.5 그림 6.13에 있는 각 입력 연결의 데이터율은 1 kbps이다. 한 번에 한 비트씩 다중화된다고 하면(단위는 비트이다), (a) 각 입력 틈새, (b) 각 출력 틈새, (c) 각 프레임의 지속기간(duration)은 얼마인가? Solution 다음과 같이 답할 수 있다. a. 다중화기 전의 1비트의 기간은 1 Kbps 또는 0.001초(1 ms)

Example 6.5 (continued) b. 각 출력 시간 틈새의 기간은 입력 시간 틈새의 1/3이다. 즉 출력 시간 틈새는 1/3 ms. c. 각 프레임은 3개의 출력 시간 틈새를 운반한다. 그러므로 프레임 기간은 3 × 1/3 ms 또는 1ms이다. 프레임 기간은 입력 단위 기간과 동일하다.

Example 6.6 그림 6.14는 각 입력에서 오는 데이터와 출력 데이터 스트림을 갖는 동기 TDM을 보여준다. 데이터 단위는 1 비트이다. (a) 입력 비트 지속시간, (b) 출력 비트 지속시간, (c) 출력 비트율, (d) 출력 프레임율을 구하라. Solution 다음과 같이 답할 수 있다. a. 입력 비트 기간은 비트율의 역이므로 1/1 Mbps = 1 μs. b. 출력 비트 지속시간은 입력 비트 지속시간의 1/4이므로 1/4 μs.

Example 6.6 (continued) 출력 비트율은 출력 비트 지속시간의 역이므로 4 Mbps. 이는 출력 비트율이 입력 비트율의 4배 라는 점에서부터도 알아낼 수 있다. d. 프레임율은 항상 입력 비트율과 같다. 그러므로 프레임율은 매 초 1,000,000 프레임이다. 각 프레임에 4 비트를 보내므로 앞의 질문의 답을 프레임율에 프레임당 비트 수를 곱하여 확인할 수 있다.

Figure 6.14 Example 6.6

Example 6.7 4 개의 1 kbps 연결이 다중화되고 있다. 각 단위는 1 비트이다. (a) 다중화 전의 1 비트의 지속시간, (b) 링크의 전송속도, (c) 시간 틈새의 지속시간, (d) 프레임의 지속시간을 구하라. Solution 다음과 같이 답할 수 있다. a. 다중화 전의 1 비트 지속시간은 1 / 1 kbps이므로 0.001 s (1 ms). b. 링크의 전송속도는 각 연결에서의 전송 속도의 4 배이므로 4kbps.

Example 6.7 (continued) c. 각 시간 틈새의 지속시간은 다중화 전의 각 비트 지속시간의 ¼이므로 250 μs. 이는 링크의 전송 속도인 4 kbps 로부터도 계산할 수 있다. 즉, 비트 기간은 데이터율의 역이므로 ¼ kbps 인 250 μs. d. 프레임의 지속시간은 항상 다중화 이전의 입력 비트율과 같아서 1 ms이다. 이는 다른 방법으로도 구할 수 있다. 이 경우의 각 프레임은 4개의 시간 틈새를 가지고 있다. 그러므로 프레임의 지속시간은 250 μs의 4배인 1 ms이다.

6.1.3 시분할 다중화 끼워넣기(interleaving) 스위치가 장치들을 일정한 비율로 정해진 순서대로 이동한다.

Example 6.8 TDM을 사용하여 4개의 채널을 다중화 한다. 각 채널이 100 byte/s의 속도로 전송하고 각 채널마다 1 바이트씩 다중화하는 경우에 대해 링크 상에 움직이는 프레임, 프레임 크기, 프레임 지속간, 프레임 속도, 링크의 비트 전송률을 보여라. Solution 다중화기는 그림 6.16에 있다. 각 프레임은 각 채널로부터 1바이트씩 전송한다. 따라서 프레임의 크기는 4바이트 또는 32비트이다. 각 채널이 매초 100바이트를 전송하며 프레임은 각 채널로부터 1 바이트씩 나르므로 프레임 속도는 매 초 100 프레임이어야 한다. 그러므로 프레임의 지속시간은 1/100초 이다. 링크는 매초 100개의 프레임을 나르며 각 프레임은 32비트이므로 비트 전송률은 100 × 32 또는 3,200 bps이다. 이 속도는 실제 각 채널의 전송률인 100 * 8 = 800bps의 4배이다.

Figure 6.16 Example 6.8

Example 6.9 어떤 다중화기가 시간틈새마다 2비트씩 실어서 4 개의 100 kbps 채널을 다중화 한다. 임의의 4개의 입력에 대해 해당 출력을 보여라. 프레임 속도는 얼마인가? 프레임 지속시간은 얼마인가? Solution 그럼 6.17에 임의의 입력에 대한 출력을 보여준다. 채널당 2비트씩 포함하므로 링크는 매 초 50,000 프레임을 전달한다. 그러므로 프레임 지속시간은 1/50,000초 또는 20 마이크로초이다. 프레임 속도는 매 초 50,000 프레임이며, 각 프레임은 8 비트를 보낸다. 비트 전송률은 50,000 × 8 = 400,000 비트 또는 400 kbps이다. 비트 지속시간은 1/400,000초 또는 2.5 마이크로초이다.

Figure 6.17 Example 6.9

6.1.3 시분할 다중화 빈 틈새(Empty slots) 발신자가 전송할 데이터가 없다면 해당 틈새가 비게 된다.

데이터 전송율 관리 입력 측 데이터율 이 서로 다른 경우 해결 방법 ① 다단계 다중화(multilevel multiplexing) ② 다중-틈새 할당(multiple-slot allocation) ③ 펄스 채워 넣기(pulse stuffing)

데이터 전송율 관리(계속) 다단계 다중화 어느 입력의 데이터 율이 다른 것들에 비해 정수 배 만큼 빠를 때 사용하는 기술

데이터 전송율 관리(계속) 다중-틈새 할당(multiple-slot allocation) 입력회선에 한 개 보다 더 많은 틈새를 할당하는 것

데이터 전송율 관리(계속) 펄스 채우기(pulse stuffing) 가장 높은 데이터 율에 맞추기 위해 공 비트를 끼워 넣는 것 비트 패딩, 비트 채우기 라고도 함

6.1.3 시분할 다중화(계속) 프레임 동기화(Frame synchronization) 프레임 구성비트(framing bits)

Example 6.10 각각 매 초 250개의 문자를 생산하는 4 개의 채널이 있다. 끼워 넣는 단위가 문자이고 1 비트의 동기화 비트가 각 프레임에 더해진다면, (a) 각 채널의 데이터 전송률 , (b) 각 채널의 각 문자의 지속시간, (c) 프레임 속도 (d) 각 프레임의 지속시간, (e) 각 프레임의 비트 수, (f) 링크의 전송률을 구하라. Solution 다음과 같이 답할 수 있다. a. 각 채널의 데이터 전송률은 250 × 8 = 2000 bps = 2 kbps.

Example 6.10 (continued) b. 각 채널은 매 초 250개의 문자를 보낸다. 그러므로 문자의 기간은 1/250 s 또는 4 ms 이다. c. 각 프레임은 각 채널로부터 하나의 문자를 받으므로 각 채널로부터의 전송 속도를 유지하기 위해서는 링크는 매초 250개의 프레임을 보내야 한다. d. 각 프레임의 지속시간은 1/250초 또는 4 ms이다. 프레임 시간은 각 채널로부터 전송되는 문자의 지속기간과 같다는 것을 주목하라. e. 각 프레임은 4개의 문자 외에 1비트의 동기화 비트를 보낸다. 이는 각 프레임은 4 × 8 + 1 = 33 비트를 보낸다는 것을 말한다.

Example 6.11 100 kbps의 전송률을 갖는 채널과 200 kbps의 전송률을 갖는 채널을 다중화해야 한다. 어떻게 가능하겠는가? 프레임 속도는? 프레임 기간은? 링크의 전송률은? Solution 한 개의 시간 틈새를 첫 번째 채널에 할당하고 두 개의 틈새를 두 번째 채널에 할당할 수 있다. 각 프레임은 3 비트를 보낸다. 첫 번째 패널로부터 1 비트를 보내므로 프레임 속도는 매 초 100,000 frames/s × 3 비트/프레임 또는 300 kbps이다.

6.1.3 시분할 다중화(계속) 디지털 신호(Digital Signal) 서비스 디지털 신호의 계층 구조

6.1.3 시분할 다중화(계속) DS와 T회선 전송속도

6.1.3 시분할 다중화(계속) 전화선을 다중화하는 T-1 회선

6.1.3 시분할 다중화(계속) T-1 프레임 구조

6.1.3 시분할 다중화(계속) E 회선 전송속도 유럽은 E 회선으로 불리는 T-회선 버전을 사용

6.1.3 시분할 다중화(계속) 동기식과 통계식 TDM TDM 틈새(동기와 통계적) 비교

Topics discussed in this section: 6.2 확산 대역 방식 확산 대역 방식(SS: Spread Spectrum)에서 서로 다른 소스로부터 오는 신호를 보다 큰 대역폭에 맞추기 위해 조합하지만, 목적은 엿듣기와 도청을 막기 위한 것이다. 이 목적을 달성하기 위해 확산 대역 기술에 여분의 정보를 추가한다. Topics discussed in this section: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Direct Sequence Spread Spectrum Synchronous (DSSS)

6.2 확산 대역 방식 무선 통신 응용을 위해 설계 여분의 정보 추가

6.2.1 주파수 도약 대역 확산 방식 FHSS: Frequency hopping spread spectrum

6.2.1 주파수 도약 확산 대역 방식 FHSS에서 주파수 선택

6.2.1 주파수 도약 확산 대역 방식(계속) FHSS 사이클

6.2.1 주파수 뛰기 확산 대역 방식(계속) 대역폭 공유

6.2.2 직접 순열 확산 대역 방식 DSSS: Direct Sequence Sprad Spectrum 각 데이터 비트를 확산코드를 사용하여 n개의 bit로 대체

6.2.2 직접 순열 확산 대역 방식(계속) DSSS 예

6.3 요 약 Q & A

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