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Data Communications. 제 9 장 전송효율화기술. 목 차. 9.1 개요 9.2 다중화 기법 9.3 다중화 응용 ( 디지털 서비스의 계층구조 ) 9.4 데이터 압축. 9.1 개요. 데이터의 전송효율을 극대화하는 방법 다중화 링크의 이용효율을 높임 압축기법 전송 시간을 줄이고 전송효율을 높임. 9.2 다중화 기법 (1/16). 정의 여러 개의 저속 신호 채널들을 결합하여 하나의 고속 링크로 전송 수신측에서 본래의 신호채널로 분리하여 전달.
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Data Communications 제 9 장 전송효율화기술
목 차 9.1 개요 9.2 다중화 기법 9.3 다중화 응용 (디지털 서비스의 계층구조) 9.4 데이터 압축
9.1 개요 • 데이터의 전송효율을 극대화하는 방법 • 다중화 • 링크의 이용효율을 높임 • 압축기법 • 전송 시간을 줄이고 전송효율을 높임
9.2 다중화 기법 (1/16) • 정의 • 여러 개의 저속 신호 채널들을 결합하여 하나의 고속 링크로 전송 • 수신측에서 본래의 신호채널로 분리하여 전달
9.2 다중화 기법 (2/16) • 분류 • 주파수 분할 다중 방식 (FDM: Frequency Division Multiplexing) ; 하나의 회선을 다수의 주파수 대역으로 분할 • 시분할 다중 방식 (TDM: Time Division Multiplexing); 하나의 회선을 시간간격(time slot)으로 분할 • 코드분할 다중 방식 (CDM: Code Division Multiplexing); 확산 대역(spread spectrum)을 이용하여 다중화
9.2 다중화 기법 (3/16) • 주파수 분할 다중화 방식(Frequency Division Multiplexing) • 넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용
9.2 다중화 기법 (4/16) • 동작 과정 • 각각의 신호 소스가 다중화 되어, 각 신호를 각기 다른 주파수 (f1,f2,...,f6)로 변조하여 전송 • 각 변조된 신호는 채널(Channel)이라고 하는 일정량의 대역을 할당 • 보호 대역(Guard Band)을 사용하여 인접한 채널 간의 간섭을 막음 • 수신부에서는 이 보호대역을 이용해 신호를 각각 분리 • 특징 • 고전적인 다중화 방법 • 아날로그 형태로 전송 • 시분할 다중화 방식에 비해 비효율적 • TV, AM, FM 방송과 유선방송에 많이 사용
9.2 다중화 기법 (5/16) • 시분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing) • 하나의 회선을 시분할하여 각각의 채널들이 타임슬롯(time slot)을 이용하여 전송
9.2 다중화 기법 (6/16) • 동작과정 • 다중화기는 각 터미널로부터 입력을 제공받아 그것을 세그먼트들로 나눔 • 각 세그먼트들을 고속의 공통채널 내에 번갈아 가며 할당하는 작업을 반복 • 반대편에서는, 각 신호들이 디멀티플렉서에 의해 개별신호로 분리 • 분리된 신호는 각 터미널에게 보내짐 • 특징 • 주파수 분할 다중화 방식에 비해 각 터미널의 수가 동적으로 변함 • 가용 주파수 대역을 최적으로 사용하기 위해 시간간격을 조절하므로 융통성이 있음
9.2 다중화 기법 (7/16) • 동기식 TDM(Synchronous Time Division Multiplexing) : 각 프레임 내에서의 타임슬롯(time slot) 위치가 항상 일정하게 고정 • 동작 과정 • 각 단말장치를 통해서 생성된 일련의 정보들이 버퍼에 저장 • 타임 슬롯이 할당될 때 까지 각 터미널들은 버퍼에 생성된 정보들을 저장 • 정해진 순서를 기다려 타임 슬롯이 할당되면 저장된 버퍼의 데이터 프레임을 전송매체를 통해서 전송 • 전송된 프레임은 수신부에서 정해진 순서대로 분리 • 버퍼에 저장되는 단위 • 비트 삽입식(bit-interleaving) • 타임슬롯 크기가 비트단위 • 버퍼의 크기가 작아도 됨 • 문자 삽입식(character interleaving) • 타임슬롯 크기가 문자 단위 • 수신측에서 문자를 재구성하는데 오버헤드가 불필요
9.2 다중화 기법 (8/16) • 통계적 TDM(Statistical Time Division Multiplexing) : 타임슬롯(time slot) 위치를 동적으로 결정 • 동작 과정 • 각 터미널에서 데이터가 발생하면 지정된 프레임 크기만큼 데이터를 모아 프레임 주소영역과 함께 임시버퍼로 저장 • 가장 최근에 버퍼에 저장된 데이터 프레임에 타임 슬롯을 할당하여 전송 • 수신부에서는 수신된 프레임의 주소영역에 따라 프레임을 분리 • 동기식 TDM과 통계적 TDM의 비교 • 통계적 시분할 다중화 방식이 회선을 더 효율적으로 사용
9.2 다중화 기법 (10/16) • 다중화 기법 비교
9.2 다중화 기법 (11/16) • 코드분할 다중화 방식(CDM : Code Division Multiplexing) • 정의 • 필요한 대역폭 보다 훨씬 넓은 대역폭으로 보내는 확산 대역 기술을 이용 • 잡음과 다중경로에 대한 면역성 • 동작 과정 • 송신측에서는 PSK(Phase Shift Keying : 위상변조)와 FSK(Frequency Shift Keying : 주파수 변조)를 사용하여 일차 변조 • 일차 변조된 신호의 대역폭을 넓히기 위해 이차 확산 변조 • 수신측에서는 확산 변조된 신호를 원래의 신호로 복구하기 위하여 이차 복조 혹은 역 확산 • 역확산 된 신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 일차복조 후 출력
9.2 다중화 기법 (12/16) • Spread Spectrum의 기본 구조
9.2 다중화 기법 (13/16) • CDM은 모든 사람이 같은 장소에서 서로 다른 언어를 사용하여 이야기하는 것으로 비유될 수 있음
9.2 다중화 기법 (14/16) • 장점 • 도청과 간섭을 방지 • 각 터미널에 개별 코드 할당 • 단점 • 수신부에서는 인코딩에 사용되는 코드를 알아야 함 • 배경잡음을 분리해야 하는 오버헤드 • 수신부는 디코딩을 적용하기 위해 송신부와 동기화를 이루어야 함
9.2 다중화 기법 (15/16) • 역 다중화(Inverse Multiplexing) • 고속의 데이터 스트림을 여러 개의 낮은 속도의 데이터 스트림으로 변환하여 전송
9.2 다중화 기법 (16/16) • 동작과정 • 송신측에서 먼저 역다중화기가 목적지로 데이터를 전송하는데 사용할 회선들을 설정 • 높은 비트 전송율의 디지털 스트림을 여러 개의 낮은 비트율의 회선으로 전송하기 위해 설정된 회선만큼의 개수로 분할 • 분할된 디지털 스트림은 각기 다른 회선을 통해 전송 • 수신측에서는 분할되어 들어오는 비트 스트림을 역다중화기가 받아서 하나의 높은 대역폭을 가지고 있는 회선을 통해 수신측 터미널 장비로 전송하기 위해 재조립 • 특징 • 역 다중화 과정에서 각 다른 채널을 통해 전송된 데이터의 지연에 민감 • 각 채널의 호 설정 기능 요구
9.3 다중화 응용 (1/20) • 디지털 서비스 계층 구조 • 종단 가입자에 연결된 64Kbps서비스부터 274.176Mbps 서비스 까지 5등급의 서비스 제공 • Digital Signal Service
9.3 다중화 응용 (2/20) • 각 단계별 서비스 • DS-0 : 64Kbps의 단일 디지털 채널을 제공 • DS-1 : 1.544Mbps을 제공 - 24 배의 64Kbps 에 8Kbps의 오버헤드 • DS-2 : 6.312Mbps을 제공 - 96 배의 64Kbps 에 168Kbps의 오버헤드 • DS-3 : 44.376Mbps을 제공 - 672 배의 64Kbps 에 1.368Mbps의 오버헤드 • DS-4 : 274.176Mbps을 제공 - 4032 배의 64Kbps 에 16.128Mbps의 오버헤드
9.3 다중화 응용 (3/20) • T 디지털 계층 (T-carrier) • 펄스 부호화 변조(PCM) 및 시분할 다중화(Time Division Multiplexing)를 사용 • 24개의 64Kbps 채널 들을 1.544 Mbps 광대역 신호에 실어 전송 • 북미 표준 • T1 프레임구조
9.3 다중화 응용 (4/20) • Digital Service와 T 회선
9.3 다중화 응용 (5/20) • E 디지털 계층 • 유럽의 전송 규격으로 32개의 채널(30 데이터 채널 + 2 신호 채널)을 그룹화 해서 사용 • E1 프레임 구조 • E 회선
9.3 디지털 응용 (6/20) • T 디지털계층과 E 디지털 계층의 다중화 구조
9.3 디지털 응용 (7/20) • DSL(Digital Subscriber Line) • 기존의 전화망에서 적은 설비비용으로 초고속 통신을 제공 • FTTH(Fiber-To-The Home)실현의 과도기적 환경을 제공 • 정의 • 기존의 전화망에서 잠재적인 대역폭을 최대한 확장하며 누화를 제어 • MPEG전송을 지원하는 서비스와 POTS서비스를 동시에 제공 • xDSL은 전송속도, 전송거리, 상향과 하향 전송속도, 비율, 응용서비스 등에 따라 구분 • 종류 • ADSL(Asynchronous Digital Subscriber Line) • 인터넷접속, 주문형 비디오 , 홈쇼핑, 원격 LAN접속, 멀티미디어 서비스 등을 제공하기에 적합 • 전화국 쪽으로 낮은 상향(16~640Kbps)과 가입자쪽으로 높은 하향(1.5~9Mbps) 전송속도의 비대칭적인 전송속도 제공 • 스플리터(Splitter)라는 경계구간을 이용하여 전화신호와 데이터신호를 분리 • 가장 많이 상용화
9.3 디지털 응용 (8/20) • 종류 • ADSL(Asynchronous Digital Subscriber Line) • 인터넷접속, 주문형 비디오 , 홈쇼핑, 원격 LAN접속, 멀티미디어 서비스 등을 제공하기에 적합 • 전화국 쪽으로 낮은 상향(16~640Kbps)과 가입자쪽으로 높은 하향(1.5~9Mbps) 전송속도의 비대칭적인 전송속도 제공 • 스플리터(Splitter)라는 경계구간을 이용하여 전화신호와 데이터신호를 분리 • 가장 많이 상용화
9.3 디지털 응용 (9/20) • HDSL (High Rate Bit Rate Digital Subscriber Line) • 두 개의 트위스티드 페어를 이용하여 양방향 통신을 하는 대칭적인 전송형태 • 중계기 없이 최대 4.2Km의 통신거리를 제공 • 중계기 설치에 드는 비용이 들이 들지 않아 비용이 줄어 들어 T1보다 10%의 비트 에러율이 줌 • 광케이블에서 가입자 위치까지 대체 전송로로 사용될 것이라고 예측 • 변복조 기술로 2B1Q방식과 CAP방식을 사용 • RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line) • 트위스티드 페어를 이용하며 비대칭 양방향 통신 • 해당회선의 전송사의 특징에 따라 다양한 데이터 속도 지원 • 변복조 기술은 ADSL과 마찬가지로 DMT방식과 CAP방식을 사용
9.3 디지털 응용 (10/20) • SDSL (Single Line Digital Subscriber Line) • HDSL과 비슷 , SDSL은 하나의 트위스티드 페어를 이용 • ADSL보다 근본적인 누화 (Crosstalk)현상 때문에 허용거리가 짧음 • VDSL (Very High Rate Digital Subscriber Line) • 전화선을 이용한 서비스 중 가장 빠른 속도 제공 • HDTV 채널 서비스 제공, 스트릿 캐비닛(street cabinet)을 이용할 경우 300m내의 가구에 초고속 서비스 제공, HomePNA기술과의 연계 시도
9.3 디지털 응용 (11/20) • DSL기술의 비교
9.3 디지털 응용 (12/20) • SONET/SDH • 1980년대 미국과 유럽에서 각각 SONET(Synchronous Optical Network)와 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)라는 이름으로 광통신 전송에 대한 표준화 시작 • 개요 • SDH는 150Mbps급인데 비해 SONET는 50Mbps급 • 낮은 순위로 다중화 된 스트림을 합칠 때 클럭 신호의 차이 때문에 생기는 시간 차이를 보정해 주기 위해 각 프레임 사이에 조정비트를 삽입 • 높은 순위의 다중화를 준동기식다중화 또는 비동기식 다중화라 하고 이 로 인한 높은 순위의 다중화 전송률을 PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy)라 함 • 서로 다른 계층적 전송 하부시스템에 따르는 문제 등을 해결 • 외형상 구조가 대단히 단순
9.3 디지털 응용 (13/20) • 동기식 디지털 계위 • 장점 • 한번의 다중화와 역 다중화를 통해서 가입자까지 데이터를 전송 • 중간신호는 다중화 과정을 거치지 않아도 저속의 계위를 직접 수용 • 운용 및 보수(OAM : Operation, Administration, and Maintenance)가 용이 • 대역폭의 확장의 쉬움
9.3 다중화 응용 (14/20) • SONET • STS-1의 프레임 단위로 전송 • 프레임은 transport 오버헤드와 payload 영역으로 구성 • 125ms 마다 위에서 아래, 왼쪽에서 오른쪽으로 프레임 전송 • SONET STS-1 프레임 형식
9.3 다중화 응용 (15/20) • SDH • 최소 전송 프레임으로 STM-1 사용 • Payload를 가상으로 구분 • SDH VC-4 payload를 갖는 STM-1 프레임 형식
9.3 다중화 응용 (16/20) • 가상상자 (Virtual Container) • 상이한 속도 및 구조에 특성화된 신호들의 수송 • 경로 오버헤드(POH: Path Overhead)와 상자(C: Container)로 구성 • 포인터 (Pointer) • 정상 속도보다 빠르게 또는 느리게 수신되는 VC들을 수용 • 다중화 및 역다중화 기능을 용이 • 전송 장비들의 클럭 차이로 인해 발생할 수 있는 속도차를 해결 • SONET와 SDH의 비교 • SONET 및 SDH의 전송속도
9.3 다중화 응용 (17/20) • 기본 전송 프레임이 SONET은 STM-1의 155Mbps, SDH는 50Mbps급의 차이 • SDH는 체계적으로 다중화 하는 반면 SONET은 가상 계위 신호(VT:Virtual Tributary)라는 하나의 중간 단위 설정 • SDH와 SONET은 모두 계층화 개념, 프레임 사용, 동일한 포인터 기법등 개념 상의 차이는 없음
9.3 다중화 응용 (18/20) • 파장 분할 다중 방식 (WDM : Wavelength Division Multiplexing) • 손실이 적은 주파수 대역을 이용하여 파장이 다른 복수의 광 신호를 한 가닥의 광섬유에 다중화 • 특징 • 양방향 전송, 이종 신호의 동시 전송 가능 • 단일모드, 다중 모드 모두 사용 • 회선 증설이 용이, 대용량화 가능
9.3 다중화 응용 (19/20) • 네트워크 구조 • 방송 선택 네트워크 (Broad-and-Select Network) • 보내는 신호가 다른 모든 노드로 전달, 수신할 노드는 전자 신호로 변환 • 성형 또는 버스 토폴로지를 사용하여 네트워크를 구성
9.3 다중화 응용 (20/20) • 파장 라우팅 네트워크 (Wavelength Routing Network) • 논리적인 연결을 가지고 있는 두 노드 사이의 하나의 파장을 할당 • 겹치지 않는 경로에 대해 파장의 재사용 가능
9.4 데이터 압축 (1/9) • 압축기법 분류방식 • 압축한 데이터의 복원성에 따른 분류 • 무손실(lossless) 기법 • 압축에서 복원한 데이터가 압축전의 데이터와 완전히 일치 • 압축할 데이터에 어떤 변경이나 수정을 가하지 않음 • 손실(lossy) 기법 • 복원한 데이터가 압축전의 데이터와 일치하지 않음 • 연속매체를 압축하는데 적당 • 압축 매커니즘에 따른 분류 • Run-Length Encoding 방식 • 특정 문자나 데이터의 반복성을 이용 • Difference Mapping • 서로 인접한 데이터 값의 차이를 이용
9.4 데이터 압축 (1/9) • 패턴 치환 (Pattern Substitution) • 자주 있는 패턴의 데이터 블록을 하나의 압축 부호어로 할당 • 허프만(Huffman) 기법 • 출현 빈도가 높은 문자에 짧은 부호, 낮은 문자에 긴 부호어 할당 • LZW (Lempel-Ziv-Welch) 압축 기법 • 통계적 성질을 이용하여 일정 패턴을 생성해 압축 • 데이터 압축 기법 • Packed decimal 압축기법 • ASCII 코드 대신 BCD(Binary-coded-decimal)을 사용하여 한바이트로 두문자를 전송하여 압축 효과 • 예) 7의 경우 ASCII 코드 “011 0111” , BCD 코드 “0111” 전송 • Relative Encoding 압축기법 • 특정 기준 값과의 차이만을 전송 • Character suppression 압축기법 • 연속적으로 반복되는 문자들을 하나의 문자와 길이로 대체 • 예) aaaaabbbbcccddddeeeee -> a5b4c3d4e5
9.4 데이터 압축 (3/9) • 허프만(Huffman) 방식 • 평균적인 코드의 길이를 줄이는 통계적인 압축방식 • 압축 과정 • 각 문자의 출현 빈도수를 구함 • 출현 빈도가 가장 적은 문자들끼리 연결해 2진 트리를 만듬. 트리로부터 대표값을 얻음 • 파일의 문자들을 대표값으로 압축파일 생성 • 압축 과정 예 • 100바이트의 크기를 가지며 6개의 문자로 구성된 파일 • 각 문자의 출현빈도
9.4 데이터 압축 (4/9) • 가장 빈도수가 낮은 것을 묶어 하나의 노드를 만들고 빈도의 합을 구함 • 만들어진 노드를 새로운 문자로 간주하고 과정 반복 • 트리 구조를 완성한 뒤 각 문자에 고유의 대표 값(왼쪽 0, 오른쪽 1)을 부여
9.4 데이터 압축 (5/9) • 압축 전과 압축 후의 파일 크기 비교 • 빈도를 계산할 때와 실제로 압축할 때 파일을 두 번 읽어서 처리속도가 늦음 • 압축 파일과 트리에 대한 정보를 값이 저장하므로 효율이 낮음
9.4 데이터 압축 (6/9) • LZW 압축기법 • 연속된 문자열들에 대한 표를 만들고 같은 문자열이 발견되면 표를 참조 • 압축 동작 과정 • 기억장소 내에 문자열에 대한 표를 만듬 • 파일에서 연속된 두 문자를 읽어 해당 문자열이 기억장소 내의 작성된 표에 존재하는지를 검사 • 문자열이 존재하지 않으면 문자열에 대한 정보를 보관하고 출력파일(압축파일)에는 해당 문자가 위치하는 주소를 기록 • 문자열이 이미 기억장소 내에 존재한다면 출력파일에 그 문자열의 주소를 기록 • 장점 • 파일을 한번 읽으므로 속도가 빠름 • 트리에 대한 정보저장 필요가 없어 압축 효율이 높음 • 단점 • 파일의 크기가 작을 때는 효율이 떨어짐 • 파일의 다른 부분에 연속된 두 개의 문자열이 존재 하지 않을 때는 압축할 수 없음
9.4 데이터 압축 (7/9) • 정지/동영상 압축기법 • 중복성을 제거하는 것과 가시성의 원리를 사용 • JPEG (Joint Photographic Experts Group) • ISO 산하 TC97/SC2 연구단체에서 제정 • 정지 영상을 처리 • 손실 기법과 무손실 기법을 수학적으로 구현 • 평균 25:1의 압축률 • 프레임에 모든 프레임에 대한 압축의 정보를 그대로 유지 • 데이터 양이 많다는 단점 • M-JPEG (Motion JPEG) • 동영상의 한 프레임을 JPEG로 압축, 재생 • MPEG에 비해 효능 및 화질이 떨어짐
9.4 데이터 압축 (8/9) • H.261 • 동영상 압축 알고리즘 • 높은 압축률(100:1~2000:1)과 실시간 압축을 지원 • ISDN 채널 용량은 64Kbps~1.92Mbps를 지원 • MPEG (Moving Picture Expert Group) • 디지털 비디오, 오디오의 압축, 해제에 대한 표준 개발 • 표준화 작업 • MPEG1 : 저장매체의 동영상 압축표준 • MPEG2 : 디지털 방송에 필요한 고화질 영상압축표준 • MPEG4 : 사물이나 사람을 각각의 객체로 분할해 압축하고 표현하는 표준 • MPEG7 : 디지털 멀티미디어 데이터 검색을 위한 표준 • 기본 아이디어 : 프레임과 프레임 사이의 공간적인 여분 내에 반복성 제거
9.4 데이터 압축 (9/9) • MPEG-1 • 영상데이터를 1/10~ 1/20으로 압축 • 최소한 초당 1.5MB의 비디오 데이터를 전송 해야 함 • 네트워크의 심한 부하를 초래 가능 • MPEG-2 • 1/20~1/100의 데이터 압축률 • 1280*1024의 고해상도를 지원 • 데이터 전송시 6Mbps~11Mbps의 네트워크 지원이 필요 • MPEG4와 MPEG7 • 한국이 표준화를 주도