Chapter 12 다중 접속 (Multiple Access)

12 장 다중접속(Multiple Access) 12.1 임의접속 12.2 제어접속 12.3 채널화 12.4 요약

두 개의 계층으로 나뉘어진 데이터 링크층 위 층 : 데이터 링크 제어 아래층 : 공유하는 매체에 대한 접근 제어 책임

다중 접속 프로토콜 다중접속(Multiple Access) 노드나 지국이 멀티포인트나 공통 링크를 사용할 때 링크에 대한 접속을 조절할 수 있는 다중접속 프로토콜이 필요

Topics discussed in this section: 12.1 RANDOM ACCESS 임의 접근(random access) 또는 회선경쟁(contention) 방식에서는 어떤 지국이든 다른 지국보다 우선하지 않으며 다른 지국에 대해 제어할 수 없다. 어떤 지국도 다른 지국이 전송하는 것을 허락하지도 않고 허락하지 않지도 않는다. 매 순간 전송할 데이터가 있는 지국은 전송할지 말지를 결정하기 위해 프로토콜에서 정해진 절차를 따른다. Topics discussed in this section: ALOHA Carrier Sense Multiple Access Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

12.1 임의접속(Random Access) 임의접속 충돌을 피하기 위한 절차 각 지국은 다른 어느 지국에 의해 제어받지 않은 매체 접근 권리를 가지고 있음 충돌을 피하기 위한 절차 언제 지국이 매체에 접속할 수 있는가? 만약 매체가 사용된다면 지국은 무엇을 할 수 있는가? 어떤 방법으로 지국은 전송의 실패와 성공을 파악할 수 있는가? 만약 매체 충돌이 발생한다면 지국은 무엇을 할 수 있는가?

임의접속(Random Access)(계속) 임의접속 방법의 진화

임의접속(Random Access)(계속) 최초의 다중접속 방법 ALOHA 9,600bps를 가진 무선 LAN에 사용되도록 설계

임의접속(Random Access)(계속) ALOHA 규칙 다중접속 : 송신할 프레임을 가진 모든 지국은 프레임을 송신 확인응답 : 프레임 전송 후 확인응답을 기다리고 시간 내에 확인응답을 받지 못하면 프레임을 잃어버렸다고 간주하고 재전송을 시도

Figure 12.3 순수 ALOHA 네트워크에서 프레임

Figure 12.4 순수 ALOHA Protocol의 절차

Example 12.1 무선 ALOHA 네트워크의 지국들은 최대 서로 600 km 떨어져 있다. 신호가 3 × 108 m/s의 속도로 전파한다면 Tp = (600 × 105 ) / (3 × 108 ) = 2 ms이다. 서로 다른 K 값에 대한 TB 값을 구할 수 있다. a. K = 1인 경우에는 범위는 {0, 1}이다. 지국들은 0 또는 1 중 하나를 난수로 취한다. 이는 TB는 0 ms 이거나 2 ms 라는 것을 의미한다.

Example 12.1(continued) b. K = 2인 경우에는 범위는 {0, 1, 2, 3}이다. 이는 TB는 난수로 어느 값을 선택하느냐에 따라 0, 2, 4 또는 6 ms 중 하나가 된다는 것을 의미한다. c. K = 3인 경우에는 {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}이 된다. 이는 TB는 난수로 어느 값을 선택하느냐에 따라 0, 2, 4, . . . , 14 ms 중 하나가 된다는 것을 의미한다. d. K > 10이 되는 경우에는 보통 10으로 한정한다는 것을 말할 필요가 있다.

Figure 12.5 Vulnerable time for pure ALOHA protocol

Example 12.2 순수 ALOHA 네트워크는 200비트 프레임을 공유하는 200 kbps 채널을 사용하여 전송한다. 충돌이 안 생기게 하기 위한 조건은 무엇인가? Solution 평균 프레임 전송시간 Tfr 는 200 bits/200 kbps 즉 1 ms이다. 취약 시간은 2 × 1 ms = 2 ms이다. 이는 특정 지국이 프레임을 전송하기 1 ms 이전부터는 아무 지국도 전송을 해서는 안되며 또한 이 특정 지국이 프레임을 전송하기 시작한 이후 1 ms가 지나기 전에는 다른 지국은 전송을 해서는 안된다는 것을 말한다.

Note The throughput for pure ALOHA is S = G × e −2G . 순수 ALOHA의 처리율 S = G × e −2G G = 1/2 일때 최대 처리율 Smax = 0.184 The throughput for pure ALOHA is S = G × e −2G . The maximum throughput Smax = 0.184 when G= (1/2).

Example 12.3 Solution 프레임 전송 시간은 200/200 kbps 즉 , 1 ms이다. 어떤 순수 ALOHA 네트워크가 200 kbps의 공유 채널을 사용하여 200비트의 프레임을 전송한다고 한다. 만일 전체 시스템의 지국들이 다음의 프레임을 생성한다고 하면 처리율은 얼마가 되겠는가? a. 매 초 1000 프레임 b. 매 초 500 프레임 c. 매 초 250 프레임 Solution 프레임 전송 시간은 200/200 kbps 즉 , 1 ms이다. a. 시스템이 매초 1,000개의 프레임을 만들어 낸 다면 이는 매 1ms 마다 1개의 프레임이다. 부하는 1이다. 이 경우에는 S = G× e−2 G 즉, S = 0.135 (13.5%). 이는 처리율은 1000 × 0.135 프레임이다. 1000개 중에 135개만 전송에 성공한다.

Example 12.3(continued) b. 시스템이 매 초 500개의 프레임을 만들어 낸다면 이는 매 1 ms 마다 1/2개의 프레임이다. 부하는 1/2이다. 이 경우에는 S = G × e −2G 즉, S = 0.184 (18.4%)이다. 이는 처리율은 500 × 0.184 = 92 프레임이다. 500개 중 92개만 전송에 성공한다. 퍼 센트로 보 았을 때 이 경우가 최대 처리율의 경우라는 것 에 유의하라 c. 시스템이 매 초 250개의 프레임을 만들어 낸다면 이는 매 1ms 마다 1/4의 프레임이다. 부하는 1/4이다. 이 경우에는 S = G × e −2G 즉, S = 0.152 (15.2%)이다. 이는 처리율은 500 × 0.152 = 38프레임이다. 250개 중에 38개만 전송에 성공한다.

Figure 12.6 Frames in a slotted ALOHA network

Note The throughput for slotted ALOHA is S = G × e−G . 순수 ALOHA의 처리율 S = G × e −2G G = 1/2 일때 최대 처리율 Smax = 0.184 The throughput for slotted ALOHA is S = G × e−G . The maximum throughput Smax = 0.368 when G = 1.

Figure 12.7 Vulnerable time for slotted ALOHA protocol

Example 12.4 어떤 틈새 ALOHA 네트워크가 대역폭 200 kbps의 채널을 공유하여 200비트 프레임을 전송한다고 한다. 시스템 전체에서 다음과 같이 프레임을 생성할 때 그 처리율을 구하여라. a. 매 초 1000프레임 b. 매 초 500프레임 c. 매 초 250프레임 Solution 이 상황은 순수 ALOHA 대신에 틈새 ALOHA를 사용한다는 것을 제외하고는 앞의 예제와 유사하다. 프레임 전송 시간은 200/200 kbps 즉, 1 ms이다. a. 이 경우에는 G는 1이다. 그러므로 S = G× e−G or S = 0.368 (36.8 %)이다. 이는 처리율은 1000 × 0.0368 = 368 프레임이다. 1000개 중 368개만 살아남는다. 이 경우가 퍼센트로 보았을때 최대 처리율의 경우라는 것에 유의하라.

Example 12.4(continued) b. 이 경우에는 G는 1/2 이다. 그러므로 S = G × e−G 즉, S = 0.303(30.3%)이다. 이는 처리율은 500 × 0.0303 = 151 프레임이다. 500개 중 151개만 살아남는다. c. 이 경우에는 G는 1/4 이다 . 그러므로 S = G × e −G 즉, S = 0.195 (19.5%)이다. 이는 250 × 0.195 = 49 프레임이다. 250개 중 49개만 살아남는다.

임의접속(Random Access)(계속) 반송파 감지 다중접속(CSMA; Carrier Sense Multiple Access) 충돌 가능성을 줄이기 위해 개발 각 지국은 전송 전 매체의 상태를 점검 충돌 가능성을 줄일수는 있지만 제거는 할 수 없음 전파지연 때문에 출동 가능성은 존재

Figure 12.8 CSMA에서 충돌의 시간/공간적인 방법

Figure 12.9 CSMA에서 취약 시간

임의접속(Random Access)(계속) CSMA에서의 충돌

임의접속(Random Access)(계속) 지속성 전략(persistence strategy) 매체가 사용될 때 지국의 진행 절차를 정의 비지속성 지속성

임의접속(Random Access)(계속) 비지속성 전략(nonpersistent strategy) 회선을 감지해서 사용중이 아니면 즉시 전송 사용 중이면 임의의 시간 동안 대기하다 다시 회선을 감지 지속성 전략(persistent strategy) 1-지속성 : 회선이 사용중이 아니면 1의 확률로 프레임을 전송 P-지속성 : 회선이 사용중이 아니면 p의 확률로 전송하거나 1-p의 확률로 전송하지 않음 P가 0.2일때 회선이 사용중이 아니면 0.2(시간의 20%)확률로 전송하고 0.8(시간의 80%)의 확률로 전송을 중단

Figure 12.10 Behavior of three persistence methods

Figure 12.11 Flow diagram for three persistence methods

임의접속(Random Access)(계속) 충돌 검출 반송파 감지 다중 접송(CSMA/CD; Carrier sense multiple access with collision detection) 충돌을 처리하는 절차를 더함 충돌 발생시 재전송을 요구 두번 째 충돌을 줄이기 위해 대기 지속적인 백오프 방법에서 대기 시간 0과 2N×최대전송시간 사이만큼 대기(N: 전송 시도 회수)

Figure 12.12 Collision of the first bit in CSMA/CD

Figure 12.13 Collision and abortion in CSMA/CD

Example 12.5 어느 CSMA/CD를 사용하는 네트워크의 대역폭이 10 Mbps 이다. 최대 전파 시간(장치에서의 지연 시간을 포함하되 충돌을 알리는 데 걸리는 시간을 무시)은 25.6 μs이다. 최소 프레임의 크기는? Solution 프레임 전송 시간은 Tfr = 2 × Tp = 51.2 μs. 이는 최악의 경우에는 지국이 전송하면서 충돌 여부를 확인하기 위해서는 최소 51.2 μs 동안 기다려야 한다는 것을 의미한다. 프레임의 최소 크기는 10 Mbps × 51.2 μs = 512비트 즉, 64바이트이다. 이는 13장에서 보겠지만 실제로 표준 이더넷 프레임의 최소 크기이다.

Figure 12.14 Flow diagram for the CSMA/CD

Figure 12.15 Energy level during transmission, idleness, or collision

Figure 12.16 Timing in CSMA/CA

CSMA/CA에서는 IFS는 지국이나 프레임의 우선순위를 규정하는 것에도 사용될 수 있다. Note CSMA/CA에서는 IFS는 지국이나 프레임의 우선순위를 규정하는 것에도 사용될 수 있다. In CSMA/CA, the IFS can also be used to define the priority of a station or a frame.

it stops the timer and restarts it when the channel becomes idle. Note CSMA/CA 에서는 채널이 사용 중인 것을 감지하면 다툼 구간의 타이머를 다시 시작하지 않고 단지 멈춘 후에 채널이 휴지 상태인 것을 감지하면 다시 작동한다. In CSMA/CA, if the station finds the channel busy, it does not restart the timer of the contention window; it stops the timer and restarts it when the channel becomes idle.

Figure 12.17 Flow diagram for CSMA/CA

Topics discussed in this section: 12.2 CONTROLLED ACCESS 제어접근(controlled access)에서는 지국들은 서로 상의하여 어느 지국이 전송할 권리를 갖는지 찾는다. 지국은 다른 지국들에 의해 권리를 인정받을 때까지는 전송할 수 없다. 세 개의 널리 사용되는 제어 접근 방식을 논의한다. Topics discussed in this section: Reservation Polling Token Passing

12.2 제어 접속(Controlled Access) 어느 지국이 송신 권한을 가지고 있는지 서로 협력 예약(Reservation) 폴링(Polling) 토큰전달(Token passing)

Figure 12.18 Reservation access method 지국은 데이터를 송신하기 전에 예약을 필요로 함 N개의 지국이 존재하면 N개의 예약된 미니 슬롯(mini slot)들이 예약 프레임 안에 존재 예약을 한 지국은 데이터 프레임을 예약 프레임 뒤에 전송

제어접속(Controlled Access)(계속) 폴링(Polling) 주국과 종국으로 구성되어져 있는 토폴로지에서 동작 폴링(polling) 주국이 데이터 수신을 원할 때 종국 장치에게 문의 선택(selection) 주국이 데이터 송신을 원할 때 종국장치에게 알려줌 주국이 언제든지 송신할 것이 있을 사용 예정된 전송을 위해 주국은 종국의 준비 상태에 대한 확인 응답을 대기 주국은 전송 예정된 장치의 주소를 한 필드에 포함하고 선택 프레임(SEL)을 만들어 전송 폴 주국이 종국으로부터 전송을 요청하는데 사용

Figure 12.19 Select and poll functions in polling access method

제어접속(Controlled Access)(계속) 토큰 전달(Token passing) 토큰을 가진 지국이 데이터 송신할 권한을 가짐 토큰 전달 네트워크

Figure 12.20 Logical ring and physical topology in token-passing access method

제어접속(Controlled Access)(계속) 토큰 전달 절차

Topics discussed in this section: 12.3 채널화(CHANNELIZATION) 채널화(Channelization)는 링크의 가용 대역폭을 지국들 사이에서 시간적으로, 주파수상으로 또는 부호화를 통해 다중 접근하는 것이다. 본 절에서는 FDMA, TDMA 및 CDMA의 세 가지 채널화 프로토콜을 논의한다. Topics discussed in this section: Frequency-Division Multiple Access (FDMA) Time-Division Multiple Access (TDMA) Code-Division Multiple Access (CDMA)

이 방법들의 응용에 대해서는 휴대 전화를 논의하는 16장에서 논의한다. Note 이 방법들의 응용에 대해서는 휴대 전화를 논의하는 16장에서 논의한다. We see the application of all these methods in Chapter 16 when we discuss cellular phone systems.

채널화(channelization)(계속) 주파수 분할 다중접속(FDMA) 사용 사능한 대역폭은 모든 지국들에 의해 공유 각 지국들은 할당된 대역을 사용하여 데이터를 전송 각각의 대역은 특정 지국을 위해 예약되어 있음 FDMA에서 대역폭은 채널들로 나누어진다.

Figure 12.21 Frequency-division multiple access (FDMA)

FDMA에서는 공유 채널의 가용 대역폭을 보호대역으로 분리된 대역들로 나누게 된다. Note FDMA에서는 공유 채널의 가용 대역폭을 보호대역으로 분리된 대역들로 나누게 된다. In FDMA, the available bandwidth of the common channel is divided into bands that are separated by guard bands.

채널화(channelization)(계속) 코드 분할 다중접속(CDMA) 링크이 전체 대역폭을 하나의 채널에서 점유 모든 지국들은 시분할 없이 동시에 데이터를 송신 가능 CDMA는 하나의 채널로 모든 전송을 동시에 운송한다.

Figure 12.22 Time-division multiple access (TDMA)

TDMA에서는 대역폭은 여러 지국들이 시간 상에서 공유하는 단일 채널이다. Note TDMA에서는 대역폭은 여러 지국들이 시간 상에서 공유하는 단일 채널이다. In TDMA, the bandwidth is just one channel that is timeshared between different stations.

채널화(channelization)(계속) 코드 분할 다중접속(CDMA) 링크이 전체 대역폭을 하나의 채널에서 점유 모든 지국들은 시분할 없이 동시에 데이터를 송신 가능 CDMA는 하나의 채널로 모든 전송을 동시에 운송한다. In CDMA, one channel carries all transmissions simultaneously.

Figure 12.23 Simple idea of communication with code

Figure 12.24 Chip sequences

Figure 12.25 Data representation in CDMA

Figure 12.26 Sharing channel in CDMA

Figure 12.27 Digital signal created by four stations in CDMA

Figure 12.28 Decoding of the composite signal for one in CDMA

Figure 12.29 General rule and examples of creating Walsh tables

The number of sequences in a Walsh table needs to be N = 2m. Note 월쉬 표의 수열의 개수는 N = 2m 이어야 한다. The number of sequences in a Walsh table needs to be N = 2m.

a. 2 지국 네트워크의 경우에는 [+1 +1] 과 [+1 −1]. Example 12.6 다음 네트워크에 대한 칩을 구하라. a. 2개 지국 b. 4개 지국 Solution 그림 12.29의 W2 와 W4 의 행을 사용할 수 있다. a. 2 지국 네트워크의 경우에는 [+1 +1] 과 [+1 −1]. b. 4 지국 네트워크의 경우에는 [+1 +1 +1 +1], [+1 −1 +1 −1], [+1 +1 −1 −1], [+1 −1 −1 +1].

Example 12.7 네트워크에 90개의 지국이 있을 때의 최소한 몇 개의 수열이 있어야 하는가? Solution 수열의 개수는 2m이어야 한다. 여기서 m = 7로 잡으면 N = 27 즉, 128이다. 이들 중 90개의 수열을 사용한다.

Example 12.8 수신 지국은 채널의 전체 데이터를 수신 지국의 칩으로 곱한 다음에 지국의 수로 나누면 특정 지국이 전송한 데이터를 수신할 수 있는 것을 증명하라. Solution 여기서는 앞 예제의 4개 지국에 대해 1번 지국을 예로 들어 증명한다. 채널의 데이터 D = (d1 ⋅ c1 + d2 ⋅ c2 + d3 ⋅ c3 + d4 ⋅ c4)이다. 1번 지국이 전송한 데이터를 받고자 하는 수신자는 이 데이터에 c1 을 곱한다.

Example 12.8(continued) 이 결과 값을 N으로 나누면 d1을 얻는다.

12.4 요약 Q & A

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