2017-04-25 8. Multiplexing

Contents Concept of Multiplexing Frequency-Division Multiplexing 2017-04-25 Contents Concept of Multiplexing Frequency-Division Multiplexing Synchronous Time-Division Multiplexing Statistical Time-Division Multiplexing 이 장에서는 여러가지 다중화 방법에 대해 소개한다.

Concept of Multiplexing 2017-04-25 Concept of Multiplexing Multiplexing integrate n inputs into one signal shares limited media by multiplexing inputs. should not incur interferences The higher the data rate, the more cost-effective the transmission facility. 모든 단말과 단말사이가 하나의 선으로 연결될 수는 없는 일이다. 불가피하게 하나의 선을 여러 개의 단말이 공유해서 사용해야 하는데 이때 필요한 것이 다중화이다. 다중화(multiplexing)은 그림과 같이 여러 개의 입력을 하나로 만드는 것을 말한다. Demultiplexing은 반대의 동작을 말한다.

Frequency-Division Multiplexing(FDM) 2017-04-25 Frequency-Division Multiplexing(FDM) Each signal is modulated on a different carrier frequency The carrier frequencies are sufficiently separated that the bandwidths of the signals do not overlap. To prevent interference, the channels are separated by guard bands. 하나의 미디어를 공유하는 가장 쉬운 방법은 각자 carrier frequency를 달리하는 것이다. 이것이 바로 frequency-division multiplexing, 간단하게 FDM이라 부르는 것이다. 이 방법은 그림 8.2 (a)와 같이 전체 대역을 잘게 나누어 각 주파수 대역을 한 채널로 하여 통신하는 것을 말한다.

Frequency-Division Multiplexing 2017-04-25 Frequency-Division Multiplexing General Block Diagram for FDM 일반적인 FDM 시스템의 구조가 다음과 같다. N개의 입력을 받아들여 각자 다른 subcarrier를 이용하여 modulation한 후 이를 모두 더해 하나의 신호로 만들고 다시 fc로 modulation하여 전송한다. 그렇게 하면 이 신호의 frequency-domain에서의 모습은 그림 7.4.(b)와 같이 된다. 수신단에서는 demodulation 이후 bandpass filter 를 거쳐 각 신호를 분리해 낸다.

FDM of Three Voiceband Signals Problems of FDM systems Crosstalk: Significant signal overlap Intermodulation noise: Sum of f1 and f2, produce noise in f1+f2 frequency.

Synchronous Time-Division Multiplexing(TDM) 2017-04-25 Synchronous Time-Division Multiplexing(TDM) Multiple digital signals can be carried on a single transmission path by interleaving portions of each signal in time (time slot). Interleaving can be bit, byte, or blocks of bytes. 주파수를 나누어 채널을 할당하는 FDM방식에 반해 TDM방식은 시간을 나누어 채널을 할당한다. 구체적인 동작원리는 그림과 같다. 여러 개의 입력을 차례로 scan하여 각각의 source로부터 온 bit를 일렬로 세워 전송한다. 수신단에서는 이를 받아 차례대로 다른 buffer에 넣어주어 원래 신호가 복구되도록 한다. 이렇게 되면 그림 와 같은 bit stream이 만들어지게 된다. 작은 한 단위를 time slot이라고 하고 이것이 channel에 해당한다. 주기적으로 반복되는 time slot의 단위를 frame이라고 부른다.

Synchronous Time-Division Multiplexing(TDM) 2017-04-25 Synchronous Time-Division Multiplexing(TDM) 주파수를 나누어 채널을 할당하는 FDM방식에 반해 TDM방식은 시간을 나누어 채널을 할당한다. 구체적인 동작원리는 그림과 같다. 여러 개의 입력을 차례로 scan하여 각각의 source로부터 온 bit를 일렬로 세워 전송한다. 수신단에서는 이를 받아 차례대로 다른 buffer에 넣어주어 원래 신호가 복구되도록 한다. 이렇게 되면 그림 와 같은 bit stream이 만들어지게 된다. 작은 한 단위를 time slot이라고 하고 이것이 channel에 해당한다. 주기적으로 반복되는 time slot의 단위를 frame이라고 부른다.

Synchronous TDM TDM link control Link control as channel-wise Input 1 2017-04-25 Synchronous TDM TDM link control Link control as channel-wise Input 1 Input 2 Output 1 Output 2 Input 1 F1 f1 f1 d1 d1 d1 C1 A1 F1 f1 f1 d1 d1 d1 C1 A1 F1 Input 2 F2 f2 f2 d2 d2 d2 d2 C2 A2 F2 f2 f2 d2 d2 d2 d2 C2 A2 F2 Input Data Stream 여기서 data link layer에서 붙여지는 header등이 어디에 있는지 궁금할 수 있다. 한 마디로 얘기하자면 모든 것은 channel-based로 일어난 다는 것이다. 즉 하나의 multiplexer와 demultiplexer사이에는 어떤 flow control이나 error control이 필요하지 않다. 각 channel별로 이를 송신단과 수신단이 해결해 주기만 하면 된다. Multiplexing은 단지 한정된 media를 여러 stream이 공유하도록 해주는 mechanism일 뿐이다. f2 F1 d2 f1 d2 f1 d2 d1 d2 d1 C2 d1 A2 C1 F2 A1 f2 F1 f2 f1 d2 f1 d2 d1 d2 d1 d2 d1 C2 C1 A2 A1 F2 F1 Multiplexed Data Stream F = flag field d = one octet of data field A = address field f = one octet FCS field C = control field

Synchronous TDM Framing Pulse Stuffing Need to synchronize frames. 2017-04-25 Synchronous TDM Framing Need to synchronize frames. Add one control bit to each TDM frame. Typical example is 10101010… pattern of control bit Receiver searches for the pattern and makes a sync. for frames. Pulse Stuffing Each source has a different data rate. To multiplex the sources efficiently, dummy pulse stuffing is done to each data stream. 프레임과 프레임 사이를 구분하기 위한 방법이 마련되어야 TDM을 효과적으로 수행할 수 있다. 이를 위해서 각 프레임 처음에 control bit를 넣는다. 이 control bit는 101010…의 순으로 반복되며 이를 framing bit channel이라고도 부른다. Demultiplexer에서는 이 pattern을 찾는다. 몇 프레임 이상 이 패턴이 지속되면 그때부터, 프레임을 나누어 각 수신단에 신호를 전달한다. 만약 pattern이 깨지면, 다시 framing search mode로 들어간다. 각 데이터 source간의 clock이 다르기 때문에 sync를 맞추는데 문제가 생길 수 있다. 또한 또한 입력 data stream의 data rate가 간단한 유리수로 연관되어 있지 않을 수도 있다. 이런 경우에 대한 처방이 pulse stuffing이다.Pulse stuffing이라는 것은 dummy pulse를 많이 삽입하여 multiplexer의 output rate가 실제 입력 stream의 instantaneous rate의 합보다 크게 만드는 것이다.이렇게 하면 모든 source로부터의 stream이 간단한 정수배가 되어 조작하기 편리해진다. 다음장의 그림이 그 예를 보이고 있다.

Synchronous TDM Example of TDM 2017-04-25 Synchronous TDM Example of TDM TDM의 한 예가 위의 그림과 같다. 여기서는 11개의 data source가 있고 그 중 3개는 analog source, 나머지는 digital source라고 가정한다. Analog source의 경우, 먼저 sampling을 하는데, source 2가 다른 것들에 비해 2배 rate가 높으므로 다른 것들에 대해 2배로 자주 sampling한다. 이렇게 sampling된 신호는 16 kHz의 대역폭을 갖는다. 이 신호를 A/D 하는데 각 sample을 4bit로 만든다고 가정하면 64 kbps가 될 것이다. 이 것은 다시 16-bit buffer로 들어간다. Digital source의 경우를 보자 각각 7.2 kbps의 rate를 가지고 있다. 이것이 analog 쪽의 64 kbps와 multiplexing되려면 지금과는 다른 rate를 가지는 것이 편리할 것이다. 따라서 pulse stuffing을 통해 8kbps의 rate로 만든다. 이렇게 한 후에 2-bit buffer를 거쳐 multiplexing이 되어 모든 stream을 합하면 128 kbps가 된다.

Synchronous TDM Digital Carrier Systems Two standards 2017-04-25 Synchronous TDM Digital Carrier Systems Two standards originally from AT&T, used in North America and Japan from ITU-T For American Case(DS-1) , 24 channels in 1 frame 8 bits for each channel 1 framing bit for 1 frame so, 1 frame = 24*8+1 = 193 bits 8000 samples/sec rate (PCM for voice) --> 8000*193=1.544 Mbps Digital carrier system은 미국식과 세계에서 공용되는 ITU-T 방식 두 가지가 있다. 미국식의 경우는 한 프레임 당 24개의 channel이 있고 한 channel은 8bit로 이루어진다. 전체 프레임에 1 bit의 framing bit가 따르기 때문에 한 프레임의 크기는 24*8+1=193 bit이다. 원래 음성을 코딩할 때, 8000samples/sec의 속도로 PCM을 이용했기 때문에, DS-1의 경우 193*8000=1.544 Mbps의 rate를 갖는다. 이보다 높은 rate를 갖는 표준으로 DS-1C, DS-2, DS-3,DS-4등이 있다.

2017-04-25 Synchronous TDM

Digital Carrier Systems For voice each channel contains one word of digitized data Five out of six frames have 8 bit PCM samples Sixth frame is 7 bit PCM word plus signaling bit Signaling bits form stream for each channel containing control and routing info Same format for digital data 23 channels of data (56Kbps) 7 bits per frame plus an indicator bit Indicator bit indicates whether the channel, for that frame, contains user data or system control data. 24th channel is sync For faster and more reliable reframing

Digital Carrier Systems DS-1 can carry mixed voice and data signals 24 channels used No sync byte

ISDN User-Network Interface (TDM) 2017-04-25 ISDN User-Network Interface (TDM) ISDN User-Network Interface (UNI) Basic ISDN interface Primary ISDN interface Multiplex 2 B-channels (each 64 kbps), 1 D-channel (16 kbps) 3 channels in one frame, 48 bits for one frame. Frame duration is 250*10-6 sec. TDM을 활용하는 다른 예가 ISDN의 UNI이다. 이 interface는 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 basic ISDN interface이고 다른 하나는 primary ISDN interface이다. 전자의 경우, 3개의 channel을 multiplexing해서 전송한다. Multiplex되는 channel은 2개의 B channel(64 kbps), 1개의 D channel(16 kbps)이다. B channel에서는 user data를 주로 전송하며, D channel에서는 일반적으로 B channel의 호 설정을 위한 신호등이 전송된다. 여기서는 1 프레임이 48 비트로 구성되며, data rate는 192 kbps이다.

ISDN User-Network Interface (TDM) 2017-04-25 ISDN User-Network Interface (TDM) Primary ISDN interface Provides a synchronous TDM facility for access to ISDN Two data rates are defined 1.544 Mbps(American) : 24 B +1D(64Kbps) 2.048 Mbps(European) : 30B + 1D(64Kbps) Primary ISDN interface는 기존의 synchronous TDM 기술을 쓰던 기기가 ISDN 망에 접속할 때 사용한다. 여기에는 미국방식과 유럽방식의 두 가지가 있다. 전자는 1.544 Mbps의 data rate을 쓰며, 후자는 2.048 Mbps의 rate를 사용한다.

SONET/SDH (TDM) SONET/SDH Signal Hierarchy 2017-04-25 SONET/SDH (TDM) SONET/SDH Due to the appearance of an optical fiber, it needs to specify the higher-speed digital transmission SONET(Synchronous Optical Network) is proposed by BellCore and standardized by ANSI. A compatible version, referred to as Synchronous Digital Hierarchy(SDH) has been published by ITU-T in Recommendations G.707, G.708, G.709. Why hierarchy? Signal Hierarchy SONET은 Synchronous Optical Network의 약자이다. 이것은 처음에 BellCore가 제안했고, ANSI로 표준화되었다. 이것에 적합한 ITU-T version이 Synchronous Digital Hierarchy(SDH)이다. SONET이 나오게 된 것은 optical fiber로 인해 고속 통신이 가능해지면서 그 통신의 specification을 하기 위해서이다. SONET과 SDH에서 제안한 signal hierarchy가 표와 같다. STS : Synchronous Transport Signal OC : Optical Carrier

SONET Frame Format

Statistical Time-Division Multiplexing 2017-04-25 Statistical Time-Division Multiplexing Characteristics In Synchronous TDM many slots are wasted Statistical TDM allocates time slots dynamically based on demand Multiplexer scans input lines and collects data until frame full First-come, first-served basis. The data rate on the multiplexed line is less than the sum of the data rates of he attached devices. Synchronous TDM과 달리 Statistical TDM은 time slot구조가 정해져 있지 않다. 여기서는 먼저 도착하는 data를 먼저 보내준다는 간단한 방식을 따르게 된다. 따라서 synchronous TDM처럼 어느 채널에는 전송할 데이터가 남았는데 slot이 꽉 차서 나중에 전송되는데 반해 어느 채널에서는 보낼 데이터가 없어 그냥 빈 slot이 전송되는 일이 없어지게 된다. 다시 말해 효율적으로 channel을 사용할 수 있다.

Statistical Time-Division Multiplexing 2017-04-25 Statistical Time-Division Multiplexing Synchronous TDM과 달리 Statistical TDM은 time slot구조가 정해져 있지 않다. 여기서는 먼저 도착하는 data를 먼저 보내준다는 간단한 방식을 따르게 된다. 따라서 synchronous TDM처럼 어느 채널에는 전송할 데이터가 남았는데 slot이 꽉 차서 나중에 전송되는데 반해 어느 채널에서는 보낼 데이터가 없어 그냥 빈 slot이 전송되는 일이 없어지게 된다. 다시 말해 효율적으로 channel을 사용할 수 있다.

Statistical TDM Performance 2017-04-25 Statistical TDM Performance Example of Performance (with buffering) Capacity = 5000 bps Capacity = 7000 bps input output backlog output backlog 6 5 1 6 9 5 5 7 2 3 5 3 5 7 5 5 7 * 10 sources each with 1000 bps 2 5 2 2 2 4 2 이 표는 statistical TDM이 동작하는 한 예를 보여주고 있다. 여기서 input은 10개의 line이고 각 line은 1000 bps의 peak data rate를 가진다. Multiplex되고 난 후의 line의 capacity가 5000 bps와 7000 bps이 경우 두 가지가 나와 있다. 10 5 5 7 3 8 5 8 7 1 4 5 7 5 6 5 8 6 1 5 4 1

Performance Output data rate less than aggregate input rates May cause problems during peak periods Buffer inputs Keep buffer size to minimum to reduce delay

Asymmetrical Digital Subscriber Line ADSL Originally targeted for VoD and related services. Link between subscriber and network Use FDM Uses currently installed twisted pair cable To carry voice-grade signals (0-4KHz). Can carry broader spectrum 1 MHz or more

ADSL Design Asymmetric Frequency division multiplexing Range 5.5km Greater capacity downstream than upstream Frequency division multiplexing Lowest 25kHz for voice Plain old telephone service (POTS) Voice : 0-4KHz, others: to prevent crosstalk between voice and data. Use echo cancellation or FDM to give two bands Range 5.5km

ADSL Channel Configuration

xDSL High data rate DSL: symmetric : 1.544Mbps (2.048) Single line DSL: symmetric : 1.544Mbps (2.048) Very high data rate DSL : asymmetric: 13 Mbps – 52 Mbps (downstream) 1.5Mbps – 2.3 Mbps (upstream) Distance : 1.4 Km