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5 장 . 다중화와 데이터 압축

정보통신개론조용만

정보통신개론

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개요 데이터의 전송효율을 극대화하는 방법

다중화 (Multiplexing) 링크의 이용효율을 높임 한정된 채널용량을 다수의 사용자가 가장

효율적으로 나누어 사용할 수 있도록 하기위해 통신회선을 공유하는 기법이다 . 이 기법은 한정된 채널크기에비해 크게 늘어나는 수요를 감당하기 위해 개발되었으며 여러개의 독립적인 신호를 전달하기 위하여 하나의 채널을 여러개의 서브채널로 나누는 것을 의미한다 .

압축기법 전송 시간을 줄이고 전송효율을 높임

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용어

채널 데이터통신에서 두 개 이상의 지점 사이의 전기적

또는 전자적인 신호의 전송 통로 경로 (Path), 링트 (link), 회로 (circuit), 회선 (line) 이라고도 부른다 . 이는 물리적인 전선이라는 뜻보다는 두 지점 사이의 논리적인 신호의 통로의 의미이다 . 따라서 한 전송선에 여러 개의 채널이 존재할 수 있다 .

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5.1 다중화 기법 (1/15) 정의

하나의 물리적 전송매체를 여러개의 논리적 통신 채널이 공유 (Share) 할 수 있도록 해주는 작업

여러 개의 저속 신호 채널들을 결합하여 하나의 고속 링크로 전송 수신측에서 본래의 신호채널로 분리하여 전달

고속단일링크

.

.

.

.

.

.

다중화장비

다중화장비

1입력

2입력

4입력

3입력

n입력

1출력

2출력

4출력

3출력

n출력공유채널

역다중화기다중화기

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5.1 다중화 기법 (2/15) 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

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5.1 다중화 기법 (3/15) 주파수 분할 다중화 방식 (Frequency Division

Multiplexing)- 넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용

채널 1

채널 n

채널 4

채널 3

채널 2

시간

보호대역 (Guard Band)

.

.

.대여폭(

주파수)

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정보통신개론

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5.1 다중화 기법 (4/15)

동작 과정 각각의 신호 소스가 다중화 되어 , 각 신호를 각기 다른

주파수 (f1,f2,...,f6) 로 변조하여 전송 각 변조된 신호는 채널 (Channel) 이라고 하는

일정량의 대역을 할당 보호 대역 (Guard Band) 을 사용하여 인접한 채널 간의

간섭을 막음 수신부에서는 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

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5.1 다중화 기법 (5/15)

시분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing)- 하나의 회선을 시분할하여 각각의 채널들이 타임슬롯

(time slot) 을 이용하여 전송채

널 1

채널

n

채널

4

채널

3

채널

2

시간

대여폭(주파수)

. . .

채널

1

채널

2

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5.1 다중화 기법 (6/15)

동작과정 다중화기는 각 터미널로부터 입력을 제공받아 그것을

세그먼트들로 나눔 각 세그먼트들을 고속의 공통채널 내에 번갈아 가며 할당하는

작업을 반복 반대편에서는 , 각 신호들이 디멀티플렉서에 의해 개별신호로 분리 분리된 신호는 각 터미널에게 보내짐

특징 주파수 분할 다중화 방식에 비해 각 터미널의 수가 동적으로 변함 가용 주파수 대역을 최적으로 사용하기 위해 시간간격을

조절하므로 융통성

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5.1 다중화 기법 (7/15) 동기식 TDM(Synchronous Time Division Multiplexing) : 각 프레임

내에서의 타임슬롯 (time slot) 위치가 항상 일정하게 고정 동작 과정

① 각 단말장치를 통해서 생성된 일련의 정보들이 버퍼에 저장② 타임 슬롯이 할당될 때 까지 각 터미널들은 버퍼에 생성된 정보들을 저장③ 정해진 순서를 기다려 타임 슬롯이 할당되면 저장된 버퍼의 데이터

프레임을 전송매체를 통해서 전송④ 전송된 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

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FDM

frequency

time

TDM

frequency

time

4 users

Example:

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5.1 다중화 기법 (8/15) 통계적 TDM(Statistical Time Division Multiplexing) : 타임슬롯

(time slot) 위치를 동적으로 결정 동작 과정

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

② 가장 최근에 버퍼에 저장된 데이터 프레임에 타임 슬롯을 할당하여 전송③ 수신부에서는 수신된 프레임의 주소영역에 따라 프레임을 분리

동기식 TDM 과 통계적 TDM 의 비교 통계적 시분할 다중화 방식이 회선을 더 효율적으로 사용

A채널

C채널

B채널

D채널

t0t2t3

동기식 시분할 다중화기

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7

D1 A2 B2

낭비되는 슬럿

통계식 시분할 다중화기

t0 t1 t2 t3 t4 t5

A1 B1A2 D1C1

여유 슬럿

A1 B1 C1C2 D2

t1

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5.1 다중화 기법 (9/15) 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

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5.1 다중화 기법 (10/15)

코드분할 다중화 방식 (CDM : Code Division Multiplexing) 정의

필요한 대역폭 보다 훨씬 넓은 대역폭으로 보내는 확산 대역 기술을 이용

잡음과 다중경로에 대한 면역성 동작 과정

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

② 일차 변조된 신호의 대역폭을 넓히기 위해 이차 확산 변조③ 수신측에서는 확산 변조된 신호를 원래의 신호로 복구하기 위하여

이차 복조 혹은 역 확산④ 역확산 된 신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기

때문에 일차복조 후 출력

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Spread Spectrum 의 기본 구조

5.1 다중화 기법 (11/15)

입력펄스 출력펄스

일차변조

f0 f0송신부 수신부

일차변조 이차변조( )확산변조

이차변조( )역확산

일차변조

이차복조

신호의 스펙트럼

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5.1 다중화 기법 (12/15)

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

채널

시간

주파수

K1 K2 K3 K4 K5 K6

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5.1 다중화 기법 (13/15)

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

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5.1 다중화 기법 (14/15)

역 다중화 (Inverse Multiplexing) 고속의 데이터 스트림을 여러 개의 낮은 속도의 데이터

스트림으로 변환하여 전송

1 채널

n채널

2채널

3채널

4채널

A고속단일링크 B고속단일링크역다중화장비

역다중화장비

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5.1 다중화 기법 (15/15) 동작과정

① 송신측에서 먼저 역다중화기가 목적지로 데이터를 전송하는데 사용할 회선들을 설정

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

③ 분할된 디지털 스트림은 각기 다른 회선을 통해 전송 ④ 수신측에서는 분할되어 들어오는 비트 스트림을 역다중화기가

받아서 하나의 높은 대역폭을 가지고 있는 회선을 통해 수신측 터미널 장비로 전송하기위해 재조립

특징 역 다중화 과정에서 각 다른 채널을 통해 전송된 데이터의

지연에 민감 각 채널의 호 설정 기능 요구

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공간분할 다중화 (SDM)

통신상에서 물리적으로 구분되는 여러 회선을 통해 여러 개의 신호를 보내는 것이다 . 결국 하나의 회선으로 하나의 신호가 전달되는 것이므로 엄밀하게 말하면 다중화 (Multiplexing) 라고 할 수 없다 .

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5.2 데이터 압축 (1/9) 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

압축 매커니즘에 따른 분류 Run-Length Encoding 방식

특정 문자나 데이터의 반복성을 이용 Difference Mapping

서로 인접한 데이터 값의 차이를 이용

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Run-Length Encoding 방식

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5.2 데이터 압축 (2/9) 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 ) 7 의 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

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5.2 데이터 압축 (3/9) 허프만 (Huffman) 방식

평균적인 코드의 길이를 줄이는 통계적인 압축방식 압축 과정

① 각 문자의 출현 빈도수를 구함② 출현 빈도가 가장 적은 문자들끼리 연결해 2 진 트리를 만듬 .

트리로부터 대표값을 얻음③ 파일의 문자들을 대표값으로 압축파일 생성

압축 과정 예 100 바이트의 크기를 가지며 6 개의 문자로 구성된 파일 각 문자의 출현빈도

문 자 빈 도

A 2

B 18

C 9

D 30

E 9

F 36

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5.2 데이터 압축 (4/9) 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

104

38 66

20

11

B

E

A C

D F

A = 0110

B = 00

C = 0111

D = 10

E = 010

F =11

0 1

0

0

0

01

1

1

1

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5.2 데이터 압축 (5/9) 압축 전과 압축 후의 파일 크기 비교

빈도를 계산할 때와 실제로 압축할 때 파일을 두번 읽어서 처리속도가 늦음

압축 파일과 트리에 대한 정보 값을 저장하므로 효율이 낮음

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

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5.2 데이터 압축 (6/9) LZW 압축기법

연속된 문자열들에 대한 표를 만들고 같은 문자열이 발견되면 표를 참조 압축 동작 과정

① 기억장소 내에 문자열에 대한 표를 만듬② 파일에서 연속된 두 문자를 읽어 해당 문자열이 기억장소 내의 작성된

표에 존재하는지를 검사③ 문자열이 존재하지 않으면 문자열에 대한 정보를 보관하고 출력파일 (

압축파일 ) 에는 해당 문자가 위치하는 주소를 기록④ 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 두개의 문자열이 존재 하지 않을 때는 압축할

수 없음

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5.2 데이터 압축 (7/9) 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 25:1 의 압축률 프레임에 모든 프레임에 대한 압축의 정보를 그대로 유지 데이터 양이 많다는 단점

M-JPEG (Motion JPEG) 동영상의 한 프레임을 JPEG 로 압축 , 재생 MPEG 에 비해 효능 및 화질이 떨어짐

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5.2 데이터 압축 (8/9) H.261

동영상 압축 알고리즘 높은 압축률 (100:1~2000:1) 과 실시간 압축을 지원 ISDN 채널 용량은 64Kbps~1.92Mbps 를 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

기본 아이디어 : 프레임과 프레임 사이의 공간적인 여분내에 반복성 제거

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5.2 데이터 압축 (9/9) MPEG-1

영상데이터를 1/10~ 1/20 으로 압축 최소한 초당 1.5MB 의 비디오 데이터를 전송 해야 함 네트워크의 심한 부하를 초래 가능

MPEG-2 1/20~1/100 의 데이터 압축률 1280*1024 의 고해상도를 지원 데이터 전송시 6Mbps~11Mbps 의 네트워크 지원이

필요 MPEG4 와 MPEG7

한국이 표준화를 주도