[Computer Network1] 08 - Multiplexing

해당 글은 건국대학교 김기천 교수님의 컴퓨터네트워크1 수업 내용을 정리한 글입니다.

 

Multiplexing

 

multiplexing

 

위 그림이 multiplexing을 가장 잘 설명하는 그림입니다. 왼쪽에는 n개의 입력 장치가 있고, 가운데에 있는 multiplexer는 n개의 신호를 받아서 하나의 링크(link)로 합칩니다. 이때 링크는 물리적으로 하나의 선이지만, 논리적으로는 n개의 채널(channel)을 수용합니다. 오른쪽에는 demultiplexer가 합쳐진 신호를 다시 n개의 개별 신호로 분리하여 각 목적지로 보냅니다.

 

multiplexing 방법에는 크게 1) FDM(Frequency division multiplexing)과 2) TDM(Time division multiplexing)이 있습니다:

FDM and TDM

 

그림 (a)의 FDM은 가로축이 주파수(frequency)이고 세로축이 시간(time)입니다. 모든 신호가 동시에 전송되지만, 서로 다른 주파수(frequency)를 사용하기 때문에 섞이지 않습니다. 한편, 그림 (b)의 TDM은 channel들이 시간 순서대로 나뉘어있습니다. 이는 모든 신호가 전체 주파수 대역을 다 쓰지만, 시간을 아주 잘게 쪼개어 자기 차례에만 데이터를 보내는 것입니다.

 

FDM(Frequency division multiplexing)

 

아래의 그림은 FDM이 어떻게 구현되는지를 나타내는 그림입니다:

FDM

 

(a)의 transmitter에서는 각 입력 신호 m이 subcarrier modulator를 통과하면 각 신호는 서로 다른 주파수 f1, f2, ... 으로 변조되어 주파수 축상에서 위치가 이동됩니다. 이후 summation network 단계에서 변조된 신호들이 하나로 더해져서 복합 신호가 되고, 송신기를 통해 전송됩니다.

 

(b)의 spectrum에서는 주파수 영역에서 신호들이 f1, f2, 등을 중심으로 종 모양으로 퍼져있음을 알 수 있습니다. 이때 신호 사이사이에 빈 공간이 신호들 사이의 간섭을 막아줍니다. 또한 B를 overall bandwidth, B1, B2, ... 를 sub-bandwidth라고 부릅니다.

 

(c)의 receiver에서는 받은 신호를 bandpass filter를 통과시키며, 필터는 특정 주파수(예: f1)만 통과시키고 나머지는 걸러냅니다. 그 후 demodulation하여 원래 신호로 복원합니다.

 

아래의 그림은 음성 통신에서의 FDM의 예시입니다:

example FDM

 

Analog Carrier Systems

 

과거에 장거리 전화를 위해서 FDM기술을 사용했는데, FDM의 계층적인 구조를 사용했습니다. 이는 수천 통의 전화를 효율적으로 묶기 위한 표준입니다. AT&T(USA)와  ITU-T(국제) 표준이 존재합니다:

• Group: 가장 기본 단위입니다. 12개의 음성 채널을 묶습니다. 각 음성 채널이 4kHz이므로 총 48kHz 대역폭을 사용합니다.
• Supergroup: 5개의 group을 다시 FDM으로 묶습니다. 총 60개의 음성 채널을 나릅니다.
• Mastergroup: 10개의 supergroup을 묶어 600개의 음성 채널을 지원합니다.

 

아래는 표준들의 spec입니다:

AT&T and ITU-T standards

 

WDM(Wavelength Division Multiplexing)

 

전기 신호가 아닌 빛(light)을 이용한 FDM 기술입니다. 서로 다른 주파수(즉, 서로 다른 색깔)의 빛을 하나의 광섬유(optical fiber)에 쏘아 보냅니다. 용량은 FDM에 비해 훨씬 큽니다(상용 시스템의 경우 160개의 채널에 채널당 10Gbps). 서로 다른 파장(주파수)의 빛을 이용해서 데이터를 보내는 것이기 때문에 FDM과 근본 기술은 같다고 볼 수 있습니다. 파장 간격을 아주 좁게 배치하여 채널 수를 극대화한 DWDM(Dense WDM)과 같은 기술도 존재합니다. 아래는 WDM의 그림입니다:

WDM

 

왼쪽의 여러 광원이 각기 다른 파장의 빛을 내면, multiplexer가 프리즘과 같은 역할을 하여 이 빛들을 하나의 광섬유에 합칩니다. 수신측에서는 합쳐진 빛을 다시 파장별로 분리하여 데이터를 전송받을 수 있습니다.

 

TDM(Time division multiplexing)

 

이는 디지털 전송 기술에 많이 사용합니다.

TDM

 

(a) transmitter에서는 입력 신호들이 들어오면 잠깐 buffer에 저장한 후, scan operator가 각 버퍼에서 정해진 양만큼의 데이터를 순서대로 가져와 프레임(frame)을 만듭니다. 해당 결과물은 TDM stream이 되어 전송됩니다.

 

(b) TDM frames는 하나의 프레임 안에 슬롯 1, 2, ..., N이 순차적으로 배치된 모습을 보여줍니다. 동기식 TDM은 순서가 고정되어 있어서, 보낼 데이터가 없어도 그 자리를 비워둔 채(empty) 보냅니다. n개의 slot이 존재하므로, n명의 user가 사용할 수 있음을 추론할 수 있습니다.

 

(c) receiver는 transmitter의 역순입니다. 받은 데이터를 다시 스캔하여 각 채널의 버퍼로 분배합니다.

 

TDM은 몇 번째 슬롯은 누구 것인지가 이미 정해져있기 때문에, 주소 정보를 담은 헤더(header)또는 trailer가 필요 없습니다. 또한 flow control이 존재하지 않습니다. TDM 라인은 정해진 속도(고정 데이터 전송률)로 계속 돌아가며, 수신 측이 데이터를 못 받아도 멈출 수 없고, 송신 측 데이터가 없으면 빈 슬롯을 보내야 하기 때문입니다.

 

ex

 

위 그림은 TDM의 예시입니다. 물리적으로는 TDM으로 비트가 전송되지만, 그 슬롯 안에 담기는 데이터는 HDLC 같은 데이터 링크 프로토콜을 사용할 수 있습니다(TDM을 사용하는 데에 있어서 link control이 필요없다는 얘기입니다). (b)와 (c)에서는 입력 데이터들이 패킷으로 잘게 쪼개져서 TDM 프레임 속에 섞여 들어가는 모습을 보여줍니다.

 

Framing

 

header가 없고, flow control을 안해도 된다고 해서 동기화를 하지 않아도 된다는 것은 아닙니다. framing은 어디서부터가 첫 번째 채널인지를 알게 하는 동기화 기술입니다. TDM frame 자체에는 별도의 flag 문자가 없고, 모든 frame마다 1비트의 제어 비트를 추가합니다.

 

수신 측에서는 어디가 frame의 첫 번째인지를 찾아야 합니다. 0과 1이 끊임없이 들어오는 상황에서, 어디서 끊어 읽어야 첫 번째인지 모르면 순서가 다 밀리게 됩니다. added digital framing 은 여러 프레임의 끝에 1비트씩 control bit를 넣어두고, 일정한 간격(프레임 간격)마다 규칙적으로 변하는 비트의 위치를 찾습니다. 데이터 부분은 불규칙하게 변하겠지만, 이 제어 비트 위치만큼은 약속된 패턴(예: 101010)을 유지할 수 있습니다.

 

Pulse stuffing

 

또한 서로 다른 장비(Source)들의 클럭(clock) 속도가 아주 미세하게 다를 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 TDM의 출력 속도를 입력 속도들의 합보다 약간 빠르게 설정하고, 부족한 부분에는 의미 없는 비트(dummy bit/Pulse)를 강제로 끼워 넣습니다. 수신 측에서는 약속된 위치의 이 비트를 제거하고 데이터를 읽습니다.

 

아래는 TDM의 예시입니다:

ex

 

하나의 프레임은 24개의 채널로 구성됩니다. 그리고 각 채널은 8비트로 구성됩니다. 프레임의 맨 앞에는 1비트의 프레이밍 비트가 붙습니다. 따라서 데이터 비트의 수는 24 channels x 8bits/channel = 192bits 이고, 총 프레임 비트는 192bits + 1framing bit = 193bits 입니다.

 

SONET/SDH

 

기존의 구리선 기반 전송보다 훨씬 빠른 광섬유(optical fiber) 기반의 고속 전송 표준입니다. 미국은 SONET(Synchronous Optical Network), 국제적으로는 SDH(Synchronous Digital Hierachy)라고 부릅니다.

 

SONET frame은 다음과 같이 생겼습니다:

SONET/SDH frame formats

 

Cable Modems

 

가정에서 쓰는 인터넷, 그중에서도 케이블 TV망(HFC)을 이용한 방식입니다. coaxial cable 하나를 동네 여러 집이 공유하며, downstream과 upstream으로 나눌 수 있습니다. 1) downstream은 방송국에서 각 가정으로 쏘는 데이터를 말하며, 모든 집이 같은 신호를 받습니다. 2) upstream은 가정이 방송국으로 보내는 데이터로, 보낼 데이터가 있는 집에만 time slot을 할당해 줍니다. 아래는 cable modem scheme입니다:

cable modem scheme

 

이때 사용자가 마음대로 데이터를 보내면 옆집과 충돌할 수 있습니다. 따라서 먼저 요청(request)하면, 방송국(headend) 스케줄러가 허가(grant)를 내려주는 방식입니다.

 

케이블 하나 안에서 주파수를 나눌 수 있습니다:

• user-to-network data(upstream): 5-40MHz. 낮은 주파수는 잡음이 많지만, 업로드는 속도가 느려도 되니 여기에 배치합니다.
• television delivery(downsteam): 50-550MHz. 기존 TV 방송용
• network to user data(downstream): 550-750MHz.

아래는 cable modem의 그림입니다:

ex

 

Asymmetrical Digital Subscriber Line(ADSL)

 

이는 기존에 깔려있던 전화선(Twisted pair)을 그대로 이용해서 고속 인터넷을 쓰게 만든 기술입니다. 비대칭은 다운로드(downstream) 속도가 업로드(upstream) 속도보다 훨씬 빠르다는 것을 의미합니다(일반적인 가정 사용자는 업로드보다 다운로드를 훨씬 많이 하기 때문에). FDM을 사용하며 전화선 하나를 주파수별로 쪼개서 사용합니다. 1) 0-4kHz는 일반 전화(POTS)용으로 남겨둡니다. 그래서 인터넷을 하면서 전화도 쓸 수 있는 것입니다. 2) 나머지 주파수 대역을 인터넷 데이터용으로 사용합니다.

 

ADSL

 

(a) 일반적인 FDM방식으로, POTS를 위한 0-4kHz 대역, upstream을 위한 25-200kHz 대역, downstream을 위한 250kHz-1MHz 대역(upstream보다 훨씬 크다)으로 나눠집니다.

 

(b) Echo cancellation을 적용한 방식으로 upstream과 downstream 대역을 겹치게 설계하고, 해당 기술로 내 신호를 지워서 대역 효율을 높이는 방식입니다(정확히 뭔 소리인지 모름).

 

Discrete Mulltitone(DMT)

 

ADSL이 낡은 구리선에서도 빠른 속도를 내는 방법이 DMT입니다. 이는 넓은 주파수 대역을 통째로 사용하는게 아니라, 4kHz 폭의 좁은 채널 256개로 잘게 쪼갭니다.

DMT

 

통신을 시작하기 전에 모뎀이 256개의 채널을 모두 테스트합니다. Line gain이 좋은(잡음이 적은) 채널은 비트를 많이 실어 보내고, 잡음이 심한 채널은 비트를 적게 싣거나 아예 끕니다. 이렇게 상황에 맞춰서 최적화하기 때문에 낡은 선에서도 안정적인 통신이 가능합니다. 

 

xDSL

 

ADSL 외에도 다양한 DSL 기술들이 있습니다.

• High data rate DSL(HDSL)/Single line DSL(SDSL): 이는 대칭형입니다. upstream과 downstream의 속도가 같습니다.
• Very high data rate DSL(VDSL): 엄청 빠르지만, 전송 거리가 짧습니다.

Duplexing

 

말하기(송신)와 듣기(수신)을 어떻게 동시에 할까? 에 대한 답입니다. (a) FDD(Frequency-Division Duplex)는 송신용 주파수와 수신용 주파수를 아예 따로 사용합니다. (b) TDD(Time-Division Duplex)는 주파수는 하나만 사용하며, 시간차를 두고 번갈아 가며 송수신합니다.

 

Mutiple Access

 

여러 사용자가 기지국 하나를 어떻게 공유할까? 에 대한 답입니다. (a) FDMA(Frequency-Division Multiple Accesss)는 서로 다른 주파수 band를 할당합니다. 가장 단순하지만, 한 명이 통화를 안 해도 그 주파수는 비어 있게 되어 낭비가 심합니다. (b) TDMA(Time-Division Multiple Access)는 주파수는 통째로 공유하되, 시간(time slot)을 나눠 갖습니다. 슬롯간 충돌을 막기 위해 guard time이 존재합니다.