Multiplexing

Multiplexing

MUX(Multiplexer)는 여러개의 입력을 결합하여 단일 데이터 스트림으로 만들고 DEMUX(Demultiplexer)는 수신된 데이터 스트림을 각 채널별로 분리함

그림과 같이 Multiplexing은 다수의 입력 데이터를 하나의 고속 데이터 링크를 통해 전송하는 것이다. 

FDM(Frequency Division Multiplexing) : 주파수 기반으로 신호를 나누는 방식. 입력신호를 주파수 채널에 맞춰서 변조함. 변조한 신호를 아날로그 방식으로 전송. 그래서 주파수 대역이 커야 함.

TDM(Time Division Multiplexing) : 시간 기반으로 신호를 나누는 방식 입력 신호를 고유한 시간 슬록에 할당해서 이것을 기반으로 데이터를 전송

 

Analog Carrier Systems

미국의 AT&T와 국제표준화 기구인 ITU-T에서 사용하는 기술

장거리 링크에서 FDM 계층 구조가 사용된다. 

Group → Supergroup → Mastergroup로 갈수록 주파수 범위가 커지고 채널도 많이 지원해 줌. 이런 단계로 대역폭이 효율적으로 사용됨.

 

WDM(Wavelength Division Multiplexing) 

여러 개의 서로 다른 파장의 신호를 하나의 optical fiber를 통해 동시에 전송

특징

• optical fiber link(광섬유 링크)에서 사용 - 빠르고 지원해 주는 채널 많음
• FDM과 구조적으로 비슷

DWDM(Dense Wavekength Division Multiplexing)

더 많은 채널을 좁은 간격에 배치하여 더 성능 좋음

 

TDM Link Control

데이터 전송이 정해진 time slot에 따라서 이뤄지기 때문에 전송속도가 고정되어 있고 header, trailer도 필요 없다. 또한 flow, error control도 간단한 구조로 구성되어 있다. 

Flow control : 데이터 수신 불가시에 해달 채널의 흐름만 일시적으로 중단. 해당 채널은 비어있더라도 전체 전송률은 유지함.

error control : 독립적인 채널에서 이뤄지기에 전체 프레임을 재전송할 필요 없음. 각 채널에서 개별적으로 error control

 

Framing

TDM Link를 관리하기 위해서 별도의 프로토콜이 필요하지 않음. 하지만 frame 동기화를 위한 메커니즘은 필요

TDM frame은 동기화나 flag 문자가 없다. 이러한 동기화를 해결하기 위한 것으로 Framing이 있다.

Fraiming은 TDM frame의 위치를 식별하고 동기화를 유지하도록 사용하는 기술이다. 

 

가장흔한방식이 framing을 추가하는 것이다. 아래는 동작 방식이다. 

• 각 TDM frame에 1개의 control bit를 추가함. 이 control bit는 프레임 위치를 식별하고 동기화를 유지하는데 사용함
• frame 간 식별 가능한 bit 패턴(일반적인 패턴 말고 특이한 패턴)을 사용해서 control channel로 동작
• bit stream을 예상한 패턴과 비교하여 지속적으로 확인되면 동기화 완료

Framing은 TDM frame을 식별하고 동기화를 유지하기 위한 기법이지만 문제가 발생한다.

만약 A가 초당 1000비트를 전송하고 B가 초당 990비트를 전송한다면 B가 데이터를 다 채우기 전에 TDM frame이 끝나면서 데이터가 누락될 수 있다. 즉 빈 slot을 만들게 될 수 있다. 이러한 동기화 문제를 해결하기 위한 기술이 바로 Pulse Stuffing이다. 

 

Pulse Stuffing

TDM에서 data source 간 동기화 문제를 해결하기 위한 기술

• 전송 데이터 속도 설정 : 전송할 때 TDM 출력 속도를 framing bit를 제외한 모든 입력 데이터 속도의 합보다 높게 설정
• dummy bit 추가 : 각 신호에 dummy bit를 추가해서 모든 clock신호와 속도를 맞춤. dummy bit는 데이터에 영향을 주지 않음.
• frame 내에 고정 위치에 삽입 : TDM frame내에 고정된 위치에 추가된 dummy bit를 삽입해서 수신 측에서 쉽게 인식하고 제거 가능

이러한 방식으로 data source 속도 차이를 조정하여 동기화 가능

 

SONET/SDH

ANSI에서는 Synchronous Optical Network라고 정의

ITU-T에서는 Synchronous Digital Hierarchy라고 정의

이것은 광섬유 기반의 고속 데이터 통신을 표준화한 것이다. 그래서 데이터를 효율적으로 전송하고 국제적으로 호환가능한 네트워크 인프라를 제공하는 것이 목적이다.

 

Cable Modems : Cable tv network를 통해 인터넷을 지원하는 장치

데이터 전송을 위해 두 개의 채널 사용

Downstream : Headend → Subscriber

• cable scheduler가 데이터를 작은 패킷 단위로 전송
• active subscriber가 downstream capacity 공유
• 또한 subscriber들에게 upstream time slot할당

Upstream : Subscriber → Headend

• 사용자가 time slot을 요청하면 headend scheduler가 time slot 할당
• headend sheduler가 subscriber에게 사용할 슬롯을 알려줌

각 채널은 사용자들끼리 공유하고 statistical TDM을 통해 대역폭을 분배함

 

Cable Spectrum Division

TV와 data channel을 둘 다 지원하기 위해서 cable spectrum은 세 가지로 나뉜다. 

• User-to-network data(upstream)
• Television delivery(downstream)
• Network to user data(downstream)

Asymmetrical Digital Subscriber Line(ADSL)

subscriber와 네트워크 간 연결을 제공하는 기술이다.(기존에 설치한 twisted pair cable사용)

• Downstream 대역폭이 upstream 대역폭보다 큼(Asymmetric 설계)
• FDM사용 - 주파수 대역을 나눠서 데이터와 음성 서비스를 동시에 지원

Discrete Multitone(DMT)

ADSL와 같이 비대칭 네트워크에서 활용하는 기술로 주파수 대역을 세분화해서 노이즈를 피하고 성능을 유지시키는 방식

Multiple carrier signals을 다른 주파수에서 사용함

SNR이 높으면 많은 비트 할당, 낮거나 잡음이 많으면 적게

 

xDSL

twisted pair기반 인프라를 활용하여 효율적이고 고속 데이터 전송을 지원

• High Data Rate DSL(HDSL) : 2B1Q 코딩을 사용해서 dual twisted pair케이블을 활용
• Single line DSL : 2B1Q 코딩을 사용해서 dual twisted pair케이블 기반이고 에코 제거 기술을 통해 효율성을 높임
• Very Hogh Data Rate DSL(VDSL) : DMT/QAM 방식을 사용하여 높은 데이터 속도 제공

 

FDMA(Frequency-Division Multiple Access)

주파수 분할 다중 접근 방식으로 station 간의 spectrum을 공유하기 위한 기술

• 각 subchannel은 single station을 dedicate함
• subchannle을 사용하지 않으면 낭비됨
• 전용 subchannel 방식이므로 오버에드 절약
• subchannel 간 간섭을 최소화하기 위한 guard band필요

전용 subchannel을 사용하기 때문에 안정적이고 간단한 운영이 가능하지만 사용하지 않는 channel이 있을 경우 리소스 낭비

TDMA(Time-Division Multiple Access)

시간을 나눠서 여러 station이 전송을 공유하기 위한 기술

• 하나의 time slot은 single station을 dedicate함
• continuous하게 데이터를 전송하지 않고 주어진 time slot에서만 전송
• 간섭을 방지하기 위한 guard time 필요

time slot으로 나누기 때문에 주파수 대역을 효율적으로 사용가능하고 다수의 가입자가 동시에 접속할 수 있음.