Multiplexing

MUX(Multiplexer)
n개의 입력 라인으로부터 데이터를 결합하거나 다중화하여, 더 높은 capacity의 데이터 링크로 전송
FDM, TDM, WDW(Wavelength-Division Multiplexing)
DEMUX(Demultiplexer)
다중화된 데이터 스트림을 수신하고, 채널에 따라 데이터를 분리(demultiplex)하며, 해당 출력 라인으로 데이터를 전달

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FDM(Frequency-Division Multiplexing) ⭐

여러 개의 신호를 동시에(simutaneously) 전송 가능
각 신호는 서로 다른 캐리어 주파수로 변조
캐리어 주파수는 충분히 떨어져 있어 신호 대역폭이 크게 겹치지 않음
여러 개의 아날로그 또는 디지털 신호가 동일한 전송 매체 위에 다중화되어야 함
🎈 Subcarrier
각 신호 m_i(t)는 주파수 f_i의 carrier에 변조됨(각 carrier 위에 실려 전송) 
🎈Baseband / Composite baseband signal
결과적으로 변조된 아날로그 신호들이 합쳐져 Composit baseband signal mb(t)를 형성
🎈Channel
캐리어 주파수를 중심으로 하는 특정 bandwidth
간섭을 방지하기 위해, 채널 간 guard band(사용되지 않는 스펙트럼 영역)을 둠

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전송 매체를 통해 전송되는 복합(Composite) 신호는 아날로그
하지만 입력 신호는 디지털일 수도, 아날로그일 수도 있음
디지털 인풋의 경우, 인풋 신호는 modem을 통해 아날로그로 변환되어야 함
어느 경우든, 각 인풋 아날로그 신호는 적절한 주파수 대역 fi로 이동하기 위해 변조

[transmitter 시점]

인풋 신호 m_i(t)는 주파수 f_i 중심으로 이동되어, FDM 신호 s_i(t)가 됨
모든 FDM 신호들은 합쳐져 composite baseband m_b(t) 생성
⭐ FDM signal s(t)의 전체 bandwidth B는 guardband까지 포함

 
[receiver 시점]

FDM 신호는 복조(demodulation)되어 복합 베이스밴드 신호 m_b(t)를 복원
그런 다음, 이 신호는 n개의 bandpass filter를 통과
각각의 필터는 주파수 f_i 중심에 맞춰져 있고, 대역폭 B_i를 얻음

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Frequency Domain

# input의 0~4 부분이 baseband

Time Domain

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Analog Carrier Systems

장거리 링크는 FDM 계층 구조(hierarchy) 사용
AT&T(USA) 및 ITU-T(국제) 방식의 변형
Group → Supergroup → Mastergroup
original 신호는 여러 번 변조될 수 있음
 
1. Group
12개의 voice channel(각 4kHz) = 총 48kHz 필요
주파수 범위 60kHz ~ 108kHz
2. Supergroup
5개의 Group을 FDM하여 총 60채널 지원
캐리어 주파수 범위 420kHz ~ 612kHz
3. Mastergroup
10개의 Supergroup을 FDM하여 총 600채널 지원

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WDM(Wavelength Division Multiplexing)

서로 다른 주파수를 갖는 multiple beams 사용
1 wavelength = 1 chl
optical fiber link를 통해 전송됨 160개의 채널 * 10Gbps = 1.6 Tbps
기본 구조는 FDM과 유사
Dense Wavelength Division Multiplexing(DWDM)
: 더 많은 채널을 더 촘촘히 배치 cf. CO-OFDM

 
# 참고

# ITU WDM 채널 간격 표준에 따르면 50 GHz 채널 간격은 모두 포함

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TDM(synchronous Time-Division Multiplexing) ⭐

TDM은 medium의 실제 가능한(achievable) data rate(or bandwidth)가 전송될 디지털 신호의 data rate를 초과할 때 가능
여러 개의 디지털 신호(혹은 디지털 데이터를 포함하는 아날로그 신호)는 각 신호의 일부를 시간상으로 번갈아(interleaving) 하나의 전송 경로로 전송
interleaving은 하나의 큰 데이터 flow를 구성하기 위해 각 신호의 데이터를 잘게 나누어 정해진 시간순으로 끼워 넣는 방식 →  비트/ 바이트 혹은 더 큰 단위도 가능 
Time slot = chls
 

인풋 신호 m_i(t)는 디지털 데이터를 전송하며 일반적으로 디지털 신호
수신된 데이터는 버퍼에서 일시적으로 버퍼링(bufferd)됨(일반적인 버퍼 크기 1bit or byte)
버퍼들은 순차적으로 스캔되어 composite digital data stream m_c(t) 구성
스캔 작업은 각 버퍼가 데이터가 넘치기 전에 비워질 수 있을 만큼 충분히 빠르게 수행
 → m_c(t) ≥ ∑ m_i(t)
m_c(t)는 직접 전송되거나, 모뎀을 통해 아날로그 신호로 변조되어 전송 가능
두 경우 모두 전송은 동기식(synchronous)으로 이루어짐

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Frame

데이터는 프레임 단위로 구성, 각 프레임은 일정한 time slot cycle을 포함
각 프레임에는 하나 이상의 slot이 각 데이터 소스에 할당
slot length: transmitter의 버퍼 길이와 동일, 비트 혹은 바이트 단위

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TDM Link Control

헤더와 트레일러 없음
데이터 링크 제어 프로토콜 불필요
Flow control
- multiplexed line의 data rate는 고정되어 있음
- 하나의 채널 수신자가 데이터를 받을 수 없는 경우에도, 다른 채널들은 계속 전송되어야
- 이 경우, 해당 source는 전송을 중지하고, 해당 slot을 비워둠(empty slots)
Error control: 오류는 각 채널별로 개별적으로 탐지 및 처리

위 그림과 같이 데이터가 더 없는 경우엔 time slot을 비워둠
output line의 경우 자신에 맞는 time slot만 확인

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Framing

TDM 프레임을 감싸는 flag나 SYNC 문자 없음
그럼에도 불구 송신기와 수신기 사이의 clock 동기화 메커니즘은 필요

• TDM의 문제

여러 데이터 소스들의 동기화 문제
클럭 간의 차이가 동기화의 손실 유발 가능
서로 다른 소스들의 data rate가 간단한 정수비로 표현 X
 

• 해결책: Pulse Stuffing

framing bit를 제외한 output data rate가 input data rate의 합보다 더 크도록 설정
각 input 신호에 추가적인 더미 비트나 펄스를 삽입해 로컬 클럭에 맞춰줌
삽입된 펄스는 프레임 내 정해진 위치에 넣고, DEMUX에서 제거

 

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DS-1 Transmission format(북미 및 국제 TDM 캐리어 표준 중)

첫 번째 비트는 framing bit; 동기화를 위해 사용됨
총 6프레임 중 5프레임에서 8-bit PCM 데이터 포함
6번째 프레임마다 8비트 중 7비트만 PCM에 사용, 8번째 비트는 signaling bit
→  bit ~7: data, bit 8: control
프레임 주기: 125 마이크로초
→ 1초당 8000개의 샘플(frames) 전송
→ 1프레임은 125 마이크로초

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Cable Modems

• Downstream(subscriber에게 전송되는 방향)

Cable scheduler가 데이터를 작은 패킷 단위로 전송
upstream time slot을 subscribers에게 할당

• Upstream(subsciber가 데이터를 보내는 방향)

User는 공유된 업스트림 채널에서 time slot 요청
Headend scheduler가 사용자에게 사용 가능한 슬롯 알려줌

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Cable Spectrum Division

cable television programming(방송)과 데이터 채널(인터넷)을 동시에 지원하기 위해, cable spectrum은 세 개의 구간으로 나뉨

• User-to-network data(upstream): 5 ~ 40 MHz
• Television delivery(downstream): 50 ~ 550 MHz
• Network-to-user data(downstream): 550 ~ 750 MHz

 

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ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Line)

subscriber와 network 간의 link
기존에 설치된 twisted pair cable 사용
Downstream가 훨씬 더 큰 bandwidth

# 참고
# HDSL(High data rate DSL), SDSL(Sing line DSL),
# VDSL(Very high data rate DSL)

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Multiple Channel Access

송신기/수신기들 간 channel capacity 공유

• FDD: Frequency-Division Duplex
• TDD: Time-Division Duplex
• FDMA: Frequency-Division Multiple Access
• TDMA: Time-Division Multiple Access

# simplex: unidirectional/ half duplex: Bidirectional/ full duplex: omnidirectional

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FDD

두 station은 full-duplex 연결, 각 station은 서로 다른 주파수 대역으로 전송
두 frequency band는 guard band로 분리됨
Subchannel: 두 주파수 대역의 조합

FDD + FDMA, TDMA 가능
예시)
F1은 DL → 유저 여러 명에게(FDMA or TDMA)
F2은 UL → 유저 여러 명에게(FDMA or TDMA)
 

TDD

TCM(Time-Compression Multiplexing)라고도 불림
시간마다 한 방향씩 번갈아 가며 전송, DS/US가 시간마다 교대
데이터는 burst 형태로 전송

TDD 역시 FDMA or TDMA와 조합 가능

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FDMA

여러 station 간 spectrum을 공유하는 기술
base station이 전체 사용 가능한 bandwidth 내에서 station 별로 bandwidth 할당
각 subchannel은 하나의 스테이션에게 전용으로 할당
해당 subchannel 사용하지 않으면 그 capacity는 낭비
서브채널 간 간섭을 줄이기 위해 guard band로 분리
MUX, DEMUX 없음(연결 X), 무선 시스템에 사용