본 포스팅은 McGraw-Hill Education의 Data Communications and Networking, 5th Edition By Behrouz .A Forouzan 을 참고하였습니다.
.
6.1 다중화
두 장치를 연결하는 매체의 대역폭이 필요로 하는 대역폭보다 클 경우에는 언제든지 그 링크를 공유할 수 있다. 다중화(multiplexing) 기술은 단일 링크를 통하여 여러 개의 신호를 동시에 전송할 수 있도록 해주는 기술이다.
우리는 새로운 채널이 필요할 때마다 개별적인 링크를 계속적으로 추가하거나 더 높은 대역폭의 링크를 개설하여 여러 신호를 같이 전달 할 수 있다. (광섬유, 지상마이크로파, 인공위성 마이크로파 등)
다중화 된 시스템에서는 n개의 장치가 당인 링크의 대역폭을 공유하게된다.
위 그림에서는 그 기본 구조를 보여주는데, 왼편의 장치들은 MUX로 데이터 스트림을 보내고, MUX는 그 스트림들을 1개의 스트림으로 조합하여 DEMUX로 보낸다. DEMUX는 다시 이 스트림을 요소별로 분리하게 된다.
밑에서 다중화 하는 기본적인 기법 세 가지(FDM, WDM, TDM)를 살펴보도록하자.
6.1.1 주파수 분할 다중화 (FDM)
주파수 분할 다중화 (FDM, frquency-division multiplexing)는 전송되어야 하는 신호들의 대역폭을 합한 것보다 링크의 대역폭이 클 때 적용할 수 있는 아날로그 기술이다.
FDM에서는 각 장치로부터 받은 신호를 각기 다른 반송 주파수로 변조하여, 링크를 통해 이동할 수 있는 하나의 복합신호로 합쳐지게 된다. 반송 주파수들은 변조 신호들을 수용할 수 있도록 충분히 떨어져있다.
FDM은 다음 두가지 조건을 만족시켜야 원래의 신호로 복구 가능하다.
- 채널들은 사용하지 않는 대역폭 만큼 서로 떨어져야한다
- 반송 주파수는 원래의 데이터의 주파수와 간섭이 없어야 한다
FDM은 주로 아날로그 신호를 조합하는 아날로그 다중화 기술이다.
FDM 다중화 과정
6.1.2 파장 분할 다중화 (WDM)
파장 분할 다중화 (WDM, wavelength division multiplexing)는 광섬유의 고속 데이터 전송률을 이용하기 위해 설계되었다. 광섬유의 데이터 전송률은 금속 전송 매체에 비해 높기 때문에 다중화를 통해 여러 회선을 연결할 수 있다.
WDM은 빛 신호를 이용한다는 점 외에는 FDM과 개념적으로 같다. 서로 다른 주파수의 신호를 결합하는 것은 같지만, 대신 FDM에 비해 주파수가 매우 높다.
MUX에서 다중의 빛들을 하나의 단일 빛으로 결합하고, DEMUX를 통하여 빛을 분해한다.
6.1.3 시분할 다중화 (TDM)
시분할 다중화(TDM, time-division multiplexing)는 링크의 높은 대역폭을 여러 연결이 공유할 수 있도록 하는 디지털 처리방식이다. FDM과 다르게 대역폭을 공유하는 것이 아니라 시간을 공유한다.
TDM은 여러 개의 저속 채널을 하나의 고속 채널로 조합한 디지털 다중화 기술이다. TDM은 동기방식과 통계 방식이라는 두 가지 방식으로 나눌 수 있는데 먼저 동기식 TDM을 먼저 알아보도록 하자.
동기식(Synchronous) TDM
동기식 TDM에서 각 연결은 데이터가 없어도 해당 출력 창구를 갖는다. 각 연결의 데이트 흐름은 각 단위별로 나눠어 있고, 링크는 각 연결로부터 한 단위씩 합해서 하나의 프레임을 만들어 낸다.
동기 TDM에서 출력 링크의 데이터 전송률은 데이터 흐름을 보잘하기 위해서 각 연결의 데이터 전송률의 최소 n배가 되어야한다. 위 그림의 경우 3 배가 되어야 할 것이다.
즉 링크의 데이터 전송률은 n배 빠르고, 단위 지속시간은 n배 짧다.
- 끼워넣기 (interleaving)
동기식 TDM은 MUX와 DEMUX에서 매우 빠르게 도는 스위치로 표현할 수 있다.
스위치는 서로 같은 속도로 돌지만 방향은 서로 반대이다. MUX 쪽에서 스위치가 연결 앞에서 열리게 되며, 그 연결이 경로에 한 단위(time slot)를 전송할 기회를 얻게 된다. 이러한 과정을 interleaving이라고 한다.
- Empty slot
동기식 TDM은 효율적이지 못하다. 전송할 데이터가 없으면 출력에서 해당 slot은 비게된다.
위 그림과 같이 frame에 데이터가 다 차지 않고 비연속적인 데이터를 가질 수 있다.
다음에 배울 통계식 TDM에서는 이와 같은 빈틈을 제거하여 효율을 높힐 수 있다.
- 데이터 전송률 관리
다단계 다중화 (multilevel multiplexing)
TDM에서 입력 측의 데이터 전송률이 서로 다른 경우 어떻게 해결해야하는가? 3가지 방법이 존재한다
- 다단계 다중화 (multilevel multiplexing)
- 어느 입력의 데이터전송률이 다른 것들에 비해 정수배 빠를 때 합쳐버림
- 다중- 틈새 할당 (multiple-slot multiplexing)
- 어느 입력의 데이터전송률이 다른 것들에 비해 정수배 느릴 때 나눠버림
- 펄스 채워 넣기 (pulse stuffing)
- 공 비트를 끼워넣어 패딩을 채워 bps를 맞춘다
- 프레임 동기화
TDM을 구현할 때 MUX와 DEMUX 사이의 동기를 맞추기 위해 프레임 구성 비트를 프레임 사이에 끼워넣는다.
DEMUX가 들어오는 채널에 동기를 맞추어 time slot을 정확하게 분리해낼 수 있도록 일정 패턴에 따라 만들어 진다.
통계적 시분할 다중화
통계식 시분할 TDM에서는 대역폭 효율을 높이기 위해 빈 slot을 동적으로 할당하여 채운다.
대신 각 프레임의 slot 수는 입력 회선 수보다 적고, DEMUX에서 각 회선으로 돌아가기 위해 주소가 필요하다.