전송 효율화 기술 (8~9 장 )

전송 효율화 기술(8~9장) 정종필 컴퓨터공학과 한국산업기술대학교

목차 1. 개요 2. 다중화 기법 3. 다중화 응용 (T-carrier, E-carrier, DSL) 4. 데이터 압축 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

개요 • 데이터의 전송효율을 극대화하는 방법 • 다중화(Multiplexing) • 링크의 이용효율을 높임 • 압축기법(Compression) • 전송할 데이터의 양을 줄임  전송 시간을 줄임 • 결국 전송효율을 높임 • Multiplexing 의 정의 • 여러 개의 저속 신호 채널들을 결합하여 모아서 하나의 고속 링크로 전송 • 수신측에서 본래의 신호채널로 분리하여 전달 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 분류 (데이터를 구분하는 방법이 분류 기준) • 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) 및 코드를 이용하여 다중화 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 주파수 분할 다중화 방식(FDM) • 넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 동작 과정 • 각각의 소스에서 나온 각 신호를 Subcarrier Modulator에 의해 각기 다른 주파수 (f1,f2,...,fn)로 변조 • 각 변조된 신호에는 채널(Channel)이라고 하는 일정량의 대역을 할당 • 보호 대역(Guard Band)을 사용하여 인접한 채널 간의 간섭을 막음 • 다중화(Multiplexing) 하여 보냄 • 수신부에서는 이 보호대역을 이용해 신호를 각각 분리 • 특징 • TV, AM, FM 방송과 유선방송(케이블 TV)에 많이 사용 • 시분할 다중화 방식에 비해 비효율적 • Channel allocated even if no data 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 시분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing) • 하나의 회선을 시분할하여 각각의 채널들을 타임슬롯(time slot)을 이용하여 전송 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 동작과정 • Multiplexer(다중화기)는 각 소스로부터 입력을 제공받아 그것을 세그먼트들로 나눔 • 각 세그먼트들을 고속의 공통채널 내에 번갈아 가며 할당하는 작업을 반복 • 반대편에서는, 각 신호들이 Demultiplexer에 의해 개별신호로 분리 • 분리된 신호는 각 목적지에게 보내짐 • 특징 • 각 소스-목적지의 수를 동적으로 변하게 할 수 있음 • FDM에서는 불가능 • 가용 주파수 대역을 최적으로 사용하기 위해 시간간격을 조절할 수 있으므로 FDM에 비해 융통성이 있음 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 동기식 TDM (Synchronous Time Division Multiplexing) • 각 프레임 내에서의 타임슬롯(time slot) 위치가 항상 일정하게 고정 • 동작 과정 • 각 송신부와 수신부는 타임슬롯 시간을 미리 정함 • 각 송신부를 통해서 생성된 일련의 정보들이 버퍼에 저장 • 타임 슬롯이 할당될 때 까지 각 송신부들은 생성된 정보들을 버퍼(Buffer)에 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 – Flexible • 문자 삽입식(character interleaving) • 타임슬롯 크기가 문자 단위 • 수신측에서 문자를 재구성하는데 오버헤드가 불필요 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 통계적 TDM (Statistical Time Division Multiplexing) • Asynchronous Time Division Multiplexing • 타임슬롯(time slot) 위치를 동적으로 결정 • Statistical TDM allocates time slots dynamically based on demand • 동작 과정 • 각 송신부에서 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 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 동기식 TDM과 통계적 TDM의 비교 • 통계적 시분할 다중화 방식이 회선을 더 효율적으로 사용 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 (Review) • Multiplexing – Sharing a Medium • FDM Review 1 • 예제 : 케이블 텔레비젼 • 동축선은 대략 500Mhz정도의 대역폭을 가짐 • 텔레비전 채널은 전송을 위해 6Mhz의 대역폭이 필요함 • 그러므로 83개의 채널을 전송 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 (Review) • FDM Review 2 • Time-domain Diagram • Frequency-domain Diagram 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 (Review) • TDM Review • Synchronous TDM 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 (Review) • Statistical TDM 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 코드 분할 다중화 방식(Code Division Multiplexing) • 필요한 대역폭 보다 훨씬 넓은 대역폭으로 보내는 확산 대역 (Spread Spectrum) 기술을 이용 • An advanced technique that allows multiple devices to transmit on the same frequencies at the same time using different codes • 동작 과정 • 송신측에서는 FSK (Frequency Shift Keying) 및 PSK (Phase Shift Keying : 위상변조)를 사용하여 일차 변조 • 일차 변조된 신호의 대역폭을 넓히기 위해 이차 확산 변조 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

다중화 기법 • 코드 분할 다중화 방식(Code Division Multiplexing) • CDM은 모든 사람이 같은 장소에서 서로 다른 언어를 사용하여 이야기하는 것으로 비유될 수 있음 • 장점 • 도청과 간섭을 방지 • 각 터미널에 개별 코드 할당 • 단점 • 수신부에서 인코딩에 사용되는 코드를 알아야함 • 배경잡음을 분리해야하는 오버헤드 • 수신부는 디코딩을 적용하기 위해 송신부와 동기화를 이루어야 함 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

역다중화 (Inverse Multiplexing) • 역 다중화(Inverse Multiplexing) • 고속의 데이터 스트림을 여러 개의 낮은 속도의 데이터 스트림으로 변환하여 전송 • 역다중화 송신기는 수신 신호를 구성 요소로 분리하여 수신기로 전달하고, 수신기는 그 신호를 다시 다중화하여 보낸다. As a general rule, inverse multiplexing across up to 8 T-1 (1.544 Mbps) lines is said to be less expensive, but more efficient than the cost of renting a T-3 (45 Mbps) line 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

디지털 서비스의 계층구조 • 전화나 휴대폰을 위한 Wired Line 설비 • 아날로그 회선  디지털 회선으로 발전 • 최초의 디지털 음성 전송 실현 • 1960년대 미국 벨 사에서 주도한 T급 회선 • 기본 회선: T1 (1.544 Mbps) • 최근에는 인터넷 접속에 보편적으로 이용 • 디지털 서비스 계층 구조 • 종단 가입자에 연결된 64Kbps서비스 부터 274.176Mbps 서비스 까지 5등급의 서비스 제공 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

디지털 서비스의 계층구조 • 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 • 디지털 서비스 계층 구조 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

T 디지털 계층 (T-carrier) • T-carrier • 펄스 부호화 변조(PCM) 및 시분할 다중화(Time DivisionMultiplexing)를 사용 • 24개의 64Kbps 채널 들을 1.544 Mbps 광대역 신호에 실어 전송 • 북미 표준 • USA/Canada/Japan use one system • T-1 Frame 구조 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

T 디지털 계층 (T-carrier) • 사람의 음성은 보통 4KHz 주파수 범위에 있는데 이를 디지털 신호로 변환하기 위해서는 초당 약 8,000 개의 샘플링이 필요 • 그러면 각 샘플링 구간의 간격은 125 micro second (1 초 / 8,000 = 0.000125) - 한 펄스(샘플)가 차지하는 시간은 5.2 micro second 라고 하므로 24 개의 서로 다른 소스(음성 채널)로 부터의 펄스 신호를 동시에 보내는 게 가능 (0.000052*24 = 0.000125) - 펄스 한 개에 8 bit를 사용하고, 한 프레임에 24개의 채널을 동시에 수용하며, 1 bit 를 동기 신호(sync) 로 사용하면 한 프레임은 193 bit를 사용 (8 * 24 + 1 =193 bit) - 초당 8,000 프레임을 전송하면 전송 속도는 1,544,000 bps = 1.544Mbps (193*8,000) 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

T 디지털 계층 (T-carrier) • Digital Service와 T 회선 • Example… • 새로운 TDM 시스템을 디자인하려고 한다. 채널당 5 bit 로 이루어진 샘플을 만들고 T-1과 비슷한 구조를 사용하여 30개의 음성채널을 지원해야 한다고 할 때 필요한 전송 속도는? • (30 * 5 + 1) * 8000 = 1208000 bps = 1.208 Mbps 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

E 디지털 계층 (E-carrier) • E-carrier • 유럽의 전송 규격으로 32개의 채널(30 데이터 채널 + 2 신호 채널)을 그룹화 해서 사용 • E1 프레임 구조 • Digital Service와 E 회선 1 frame = 32 time slot = 256 bit = 125 us Time slot 0 Time slot 16 Time slot 1~15, 17~31 8bit Framing & Synchronous & Alarms 8bit Signaling 8bit code 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

T & E 디지털 계층 • T 디지털계층과 E 디지털 계층의 다중화 구조 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

T & E 디지털 회선 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

DSL (Digital Subscriber Line) • DSL (Digital Subscriber Line) • 1989년 벨코어 사에서 처음으로 발표 • 기존의 전화망에서 적은 설비비용으로 초고속 통신을 제공 • FTTH (Fiber-To-The Home) 실현의 과도기적 환경을 제공 • 기존의 전화망에서 잠재적인 대역폭을 최대한 확장하며 누화(crosstalk)를 제어 • 누화(漏話)는 인접 회선의 다른 신호에 영향을 미치는, 통신 신호의 전기 또는 자기장에 의해 발생되는 일종의 교란이다 • 전자파 장애 (EMI) 라고도 함 • 데이터 전송을 지원하는 서비스와 POTS (Plain Old Telephone Service) 서비스를 동시에 제공 • DSL은 회선이 아니라 기존 전화 회선의 Local Loop에 적용되는 한 쌍의 모뎀 장비 • Local Loop: Link between subscriber and network 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

DSL (Digital Subscriber Line) • DSL 의 변복조 방식 • 디지털 정보  아날로그 신호 (?) • 비교적 통신선로에 유연한 단순한 신호로 변조하고 원격지에서는 이를 다시 복조한다. • 주로 사용하는 기법 • 2B1Q • DMT (Discrete Multitone) • CAP (Carrierless Amplitude Phase Modulation) • QAM (Quadrature Amplitude Modulation)과 비슷한 방식 • DSL 을 위한 Multiplexer • DSLAM (Digital Subscribe Line Access Multiplexer) 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

DSL (Digital Subscriber Line) • 종류 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

Multiplexing vs. Multiple Access • Multiplexing • 동일 지점에서 데이터를 모아 송출할 때 이용 • TDM, FDM, CDM • Multiple Access • 독립된 각 터미널에서 송출되는 데이터를 전파가 전달되는 공간에서 효율적으로 다중화하는 기술 • TDMA, FDMA, CDMA • Multiplexing vs. Multiple Access • 다중화기술과 다원접속기술은 거의 동일 • 차이는 송신측이 한곳 또는 여러 곳이라는 점에 있음 • 송신측이 한곳인 경우: Mulplexing • 송신측이 여러곳인 경우: Multiple Access 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

Multiplexing vs. Multiple Access 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

Duplexing • Duplexing • 양방향통신 구현 방법 • 이때 기지국과 터미널 같은 주종관계가 성립하는 경우… • 주에서 종으로의 회선을 하향회선 • 종에서 주에로의 회선을 상향회선 • 종류 • FDD(Frequency Division Duplex : 주파수분할 이중채널) • TDD(Time Division Duplex : 시분할 이중채널) • TDD방식은 상향과 하향회선의 트래픽이 비대칭인 서비스에 대해 채널을 상향과 하향회선에 자유로이 분배 가능 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

Duplexing 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

Multiplexing, Multiple Access, Duplexing 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

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 • 약 50%의 압축률 • 손실(lossy) 기법 • 복원한 데이터가 압축전의 데이터와 일치하지 않음 • 연속 (음향, 동영상, 비디오) 매체를 압축하는데 적당 • 압축/복원한 데이터를 보거나 들을 때 원래것과 동일하다고 느낄 수 있게 압축을 함 • 압축율 • 영상 – 30분의 1까지 압축 • 음성 – 6분의 1까지 압축 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축기법 분류방식 • 압축 매커니즘에 따른 분류 • Run-Length Encoding • 특정 문자나 데이터의 반복성을 이용 • Character suppression • Difference Mapping • 서로 인접한 데이터 값의 차이를 이용 • Pattern Substitution • 자주 있는 패턴의 데이터 블록을 하나의 압축 부호어로 할당 • Huffman • 출현 빈도가 높은 문자에 짧은 부호, 낮은 문자에 긴 부호어 할당 • LZW (Lempel-Ziv-Welch) • 통계적 성질을 이용하여 일정 패턴을 생성해 압축 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축 방법 1 - Packed decimal • 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 • 압축 방법 2 - Relative Encoding • 특정 기준 값과의 차이만을 전송 • 영상 프레임에 적용 • This method of encoding will work well as long as changes between successive frames are not too large 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축 방법 2 - Relative Encoding (계속) 5 7 6 2 8 6 6 3 5 6 5 7 6 2 8 6 6 3 5 6 5 7 6 2 8 6 6 3 5 6 6 5 7 5 5 6 3 2 4 7 6 5 7 6 5 6 3 2 3 7 6 5 8 6 5 6 3 3 4 7 8 4 6 8 5 6 4 8 8 5 8 4 6 8 5 6 4 8 8 5 8 4 6 8 5 6 4 8 8 5 5 1 2 9 8 6 5 5 6 6 5 1 3 9 8 6 5 5 7 6 5 1 3 9 7 6 5 5 8 6 5 5 2 9 9 6 8 9 5 1 5 5 2 9 9 6 8 9 5 1 5 5 2 9 9 6 8 9 5 1 First Frame Second Frame Third Frame 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0-1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0-1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Encoded difference between 1st and 2nd frames Encoded difference between 2nd and 3rd frames Now Run-Length Encode 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축 방법 3 - Character suppression • 연속적으로 반복되는 문자들을 하나의 문자와 길이로 대체 • Run-Length 의 대표적인 방법 • Example] • 111110000003355  15063252 • HHHHUFFFFFFFFFFFFFFGGG  4H1U14F3G • Generate integers for number of 0's then for number of 1's then for 0's etc - One Way • 00000011110000000000001101111111 - bit stream • 6 4 12 2 1 7 - integer code • 0110, 0100, 1100, 0010, 0001, 0111 - binary code • Compression ratio = 1.33 - BETTER!! 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축 방법 4 – Huffman • 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 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축 방법 4 – Huffman • 압축 과정 예 (계속) • 가장 빈도수가 낮은 것을 묶어 하나의 노드를 만들고 빈도의 합을 구함 • 만들어진 노드를 새로운 문자처럼 간주하고 과정 반복 • 트리 구조를 완성한 뒤 각 문자에 고유의 대표 값(왼쪽 0, 오른쪽 1)을 부여 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축 방법 4 – Huffman • 압축 전과 압축 후의 파일 크기 비교 • 단점 • 빈도를 계산할 때와 실제로 압축할 때 파일을 두번 읽어서 처리속도가 늦음 • 압축 파일과 트리에 대한 정보를 값이 저장하므로 효율이 낮음 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축 방법 4 – Huffman • 4 Symbol Case 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 압축 방법 5 – LZW (Lempel-Ziv-Welch) Algorithm • Dictionary-based compression alogorithm • 압축 동작 과정 • 기억장소 내에 문자열에 대한 표를 구성 • 파일에서 연속된 두 문자를 읽어 해당 문자열이 기억장소 내의 작성된 표에 존재하는지를 검사 • 문자열이 존재하지 않으면 문자열에 대한 정보를 표에 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 • 압축 효율이 높음 (Powerful encoding technique) • 단점 • 파일의 크기가 작을 때는 효율이 떨어짐 • 파일의 다른 부분에 연속된 두 개의 문자열이 존재 하지 않을 때는 압축할 수 없음 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • 정지/동영상 압축 기법 • 중복성을 제거하는 것과 가시성의 원리를 사용 • JPEG (Joint Photographic Experts Group) • ISO 산하 TC97/SC2 연구단체에서 제정 • 정지 영상을 처리 • 손실 기법 - 평균 25:1의 압축률 • 압축의 정보를 많이 유지  데이터 양이 많다  압축률 낮음 • “.jpg” • M-JPEG (Motion JPEG) • 동영상의 한 프레임을 JPEG로 압축, 재생 • MPEG에 비해 효능 및 화질이 떨어짐 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 JPEG 압축 원리 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

데이터 압축 • H.261 • ITU-T (CCITT의 후신) • 동영상 압축 알고리즘 • 높은 압축률(100:1~2000:1)과 실시간 압축을 지원 • MPEG (Moving Picture Expert Group) • 1998년에 설립된 동화상 전문 단체, ISO의 후원 • 디지털 비디오, 오디오의 압축, 해제에 대한 표준 개발 • 표준화 작업 • MPEG1 : CD를 포함한 저장매체의 동영상 압축표준 • MPEG2 : 디지털 방송(HDTV)에 필요한 고화질 영상압축표준 • MPEG4 : 사물이나 사람을 각각의 객체로 분할해 압축하고 표현하는 표준 • MPEG7 : 디지털 멀티미디어 데이터 검색을 위한 표준 • 기본 아이디어 : 불필요한 반복성 제거 한국산업기술대학교 컴퓨터공학과

전송 효율화 기술 (8~9 장 )

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