9장: 전송효율화기술

9.1 개요

 

데이터의 전송효율을 극대화하는 방법

 

다중화

링크의 이용효율을 높임

 

압축기법

전송 시간을 줄이고 전송효율을 높임

 

 

9.2 다중화 기법

 

정의

여러 개의 저속 신호 채널들을 결합하여 하나의 고속 링크로 전송

수신측에서 본래의 신호채널로 분리하여 전달

 

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

 

 

주파수 분할 다중화 방식(Frequency Division Multiplexing)

넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용

 

동작 과정

①각각의 신호 소스가 다중화 되어, 각 신호를 각기 다른 주파수 (f1,f2,...,f6) 로 변조하여 전송

②각 변조된 신호는 채널(Channel)이라고 하는 일정량의 대역을 할당

③보호 대역(Guard Band)을 사용하여 인접한 채널 간의 간섭을 막음

④수신부에서는 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

 

 

시분할 다중 방식 (Time Division Multiplexing)

하나의 회선을 시분할하여 각각의 채널들이 타임슬롯(time slot)을 이용하여 전송

 

동작 과정

①다중화기는 각 터미널로부터 입력을 제공받아 그것을 세그먼트들로 나눔

②각 세그먼트들을 고속의 공통채널 내에 번갈아가며 할당하는 작업 반복

③반대편에서는, 각 신호들이 디멀티플렉서에 의해 개별신호로 분리

④분리된 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

 

 

동기식 TDM(Synchronous Time Division Multiplexing)

각 프레임 내에서의 타임슬롯(time slot) 위치가 항상 일정하게 고정

 

동작 과정

①각 단말장치를 통해서 생성된 일련의 정보들이 버퍼에 저장

②타임 슬롯이 할당될 때까지 각 터미널들은 버퍼에 생성된 정보들을 저장

③정해진 순서를 기다려 타임 슬롯이 할당되면 저장된 버퍼의 데이터 프레임을 전송매체를 통해서 전송

④전송된 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

 

 

통계적 TDM(Statistical Time Division Multiplexing)

타임슬롯(time slot) 위치를 동적으로 결정

 

동작 과정

①각 터미널에서 데이터가 발생하면 지정된 프레임 크기만큼 데이터를 모아 프레임 주소영역과 함께 임시버퍼로 저장

②가장 최근에 버퍼에 저장된 데이터 프레임에 타임 슬롯을 할당하여 전송

③수신부에서는 수신된 프레임의 주소영역에 따라 프레임을 분리

 

동기식 TDM과 통계적 TDM의 비교

통계적 시분할 다중화 방식이 회선을 더 효율적으로 사용

 

다중화 기법 비교

방 식	장 점	단점
동기식 TDM	•모든 프로토콜에 투명성을 가짐	•타임슬롯, 즉 대역폭이 낭비
비동기식 TDM	•대역폭의 이용효율이 높음	•흐름제어가 필요하며 흐름제어를 위한 프로토콜에 의존적 •데이터 트래픽 발생비율이 고르게 분포되어있을 때 전송지연 및 성능저하 야기

 

코드분할 다중 방식 (CDM: Code Division Multiplexing)

 

정의

필요한 대역폭 보다 훨씬 넓은 대역폭으로 보내는 확산 대역 기술을 이용

잡음과 다중경로에 대한 면역성

 

동작 과정

①송신측에서는 PSK(Phase Shift Keying : 위상변조)와 FSK(Frequency Shift Keying : 주파수 변조)를 사용하여 일차 변조

②일차 변조된 신호의 대역폭을 넓히기 위해 이차 확산 변조

③수신측에서는 확산 변조된 신호를 원래의 신호로 복구하기 위하여 이차 복조 혹은 역 확산

④역확산 된 신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 일차복조 후 출력

 

Spread Spectrum의 기본 구조

 

CDM은 모든 사람이 같은 장소에서 서로 다른 언어를 사용하여 이야기하는 것으로 비유될 수 있음

 

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

 

다중화 기술 적용 예

다중화 기술	적용 예
주파수 분할 다중화(FDM) 방식	▪ 구식 아날로그 전화망 ▪ 아날로그 이동 전화(AMPS 등)
시분할 다중화(TDM) 방식	▪ 전화망(PSTN) ▪ 전용회선(T1, E1 등) ▪ 동기 디지털 계위 전송망(SDH) ▪ 유럽 디지털 이동통신(GSM)
통계적 다중화(S-TDM) 방식	▪ LAN 등 ▪ 인터넷(IP) ▪ 초고속 국가망(ATM, Frame Relay)
코드 분할 다중화(CDM) 방식	▪ 국내 디지털 이동통신 ▪ 군용 무선통신(미국)
직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 방식	▪ WiBro, WiMAX ▪ LTE, LTE-A

 

역 다중화(Inverse Multiplexing)

고속의 데이터 스트림을 여러 개의 낮은 속도의 데이터 스트림으로 변환하여 전송

 

동작 과정

①송신측에서 먼저 역다중화기가 목적지로 데이터를 전송하는데 사용할 회선들을 설정

②높은 비트 전송율의 디지털 스트림을 여러 개의 낮은 비트율의 회선으로 전송하기 위해 설정된 회선만큼의 개수로 분할

③분할된 디지털 스트림은 각기 다른 회선을 통해 전송

④수신측에서는 분할되어 들어오는 비트 스트림을 역다중화기가 받아서 하나의 높은 대역폭을 가지고 있는 회선을 통해 수신측 터미널 장비로 전 송하기 위해 재조립

 

특징

역 다중화 과정에서 각 다른 채널을 통해 전송된 데이터의 지연에 민감

각 채널의 호 설정 기능 요구

 

 

9.3 다중화 응용

 

디지털 서비스 계층 구조

종단 가입자에 연결된 64Kbps서비스부터 274.176Mbps 서비스 까지 5등급의 서비스 제공

Digital Signal Service

 

각 단계별 서비스 (외울 필요 X)

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 오버 헤드

 

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

 

Digital Service와 T회선

표준	Service	line	속도(Mbps)	채널수
북미 (North America)	DS-1	T1	1.544  (64*24 +8)	24
	DS-1C		3.152	48
	DS-2	T2	6.312  (64*96 +168)	96 (24 *4)
	DS-3	T3	44.736 (64*672 + 1368)	672 (96*7)
	DS-4E		139.264	1920
	DS-4	T4	274.176 (64*4032 + 16128)	4032 (672*6)

 

E 디지털 계층

유럽의 전송 규격으로 32개의 채널(30 데이터 채널 + 2 신호 채널)을 그룹화 해서 사용

E1 프레임 구조

 

E 회선

표준	Line	속도 (Mbps)	데이터 채널 수
ITU-T	E-1	2.048	30
	E-2	8.448	120
	E-3	34.368	480
	E-4	139.264	1920
	E-5	565.148	7680

 

T 디지털계층과 E 디지털 계층의 다중화 구조 

 

SONET/SDH

1980년대 미국과 유럽에서 각각 SONET(Synchronous Optical Network) 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 이로 인한 높은 순위의 다중화 전송률을 PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy)라 함

서로 다른 계층적 전송 하부시스템에 따르는 문제 등을 해결

외형상 구조가 대단히 단순

 

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

 

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

 

SDH
최소 전송 프레임으로 STM-1 사용

Payload를 가상으로 구분

SDH VC-4 payload를 갖는 STM-1 프레임 형식

 

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

SONET		SDH	선로 속도 (Mps)
북미 STS level	북미 OC(Optical Carrier) level	유럽 STM level
STS-1	OC-1	-	51.84
STS-3	OC-3	STM-1	155.52
STS-12	OC-12	STM-4	622.08
STS-48	OC-48	STM-16	2,488.32
STS-192	OC-192	STM-64	9,953.28

 

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 기법 등 개념 상의 차이는 없음

 

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

 

 

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

 

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

 

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

 

압 매커니즘에 따른 분류

Run-Length Encoding 방식

특정 문자나 데이터의 반복성을 이용

Difference Mapping

서로 인접한 데이터 값의 차이를 이용

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

 

허프만(Huffman) 방식

평균적인 코드의 길이를 줄이는 통계적인 압축방식

압축과정

① 각 문자의 출현 빈도수를 구함

② 출현 빈도가 가장 적은 문자들끼리 연결해 2진 트리를 만듬. 트리로부터 대표값을 얻음

③ 파일의 문자들을 대표값으로 압축파일 생성

 

문 자	빈 도
A	2
B	18
C	9
D	30
E	9
F	36

 

압축 과정 예

100 바이트의 크기를 가지며 6개의 문자로 구성된 파일

각 문자의 출현빈도

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

 

압축 전과 압축 후의 파일 크기 비교

문 자	빈 도	원래크기	압축된 크기	차이
A	2	8*2=16	4*2=8	8
B	18	8*18=144	2*18=36	108
C	9	8*9=72	4*9=36	36
D	30	8*30=240	2*30=60	180
E	9	8*9=72	3*9=27	45
F	36	8*36=288	2*36=72	216
계	104	104*8=832	240	592

 

빈도를 계산할 때와 실제로 압축할 때 파일을 두 번 읽어서 처리속도가 늦음

압축 파일과 트리에 대한 정보를 값이 저장하므로 효율이 낮음

 

LZW 압축기법

연속된 문자열들에 대한 표를 만들고 같은 문자열이 발견되면 표를 참조

압축 동작 과정

① 기억장소 내에 문자열에 대한 표를 만듬

② 파일에서 연속된 두 문자를 읽어 해당 문자열이 기억장소 내의 작성된 표에 존재하는지를 검사

③ 문자열이 존재하지 않으면 문자열에 대한 정보를 보관하고 출력파일 (압축파일)에는 해당 문자가 위치하는 주소를 기록

④ 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

 

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

 

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

MPEG21 : MPEG 관련 기술을 통합하여 디지털콘텐츠 제작 및 유통, 보안 등의 모든 과정을 관리할 수 있게 하는 기술 표준

기본 아이디어 : 프레임과 프레임 사이의 공간적인 여분 내에 반복성 제거

 

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

 

MPEG7

동영상 데이터 검색과 전자상거래 등에 적합하도록 개발된 차세대 동영상 압축 기술