[데이터 통신] 6. Bandwidth Utilization Multiplexing & Specturm Spreading

Bandwidth Utilization

• Bandwidth utilization is the wise use of available bandwidth to achieve specific goals.
• Two categories: multiplexing and spectrum spreading
• Efficiency can be achieved by multiplexing
• Privacy and anti-jamming can be achieved by spreading.
  • 주파수 도메인을 더 넓게 씀으로써 어떻게 보면 더 비효율적인 방법

 

6.1 Multiplexing

• Whenever the bandwidth of a medium linking two devices is greater than the bandwidth needs of the devices, the link can be shared. (device가 필요한 bandwidth < medium bandwidth)
• Multiplexing is the set of techniques that allows the simultaneous transmission of multiple signals across a single data link.

Categories of Multiplexing

FDM

Frequency Division Multiplexing(FDM)

• FDM is an analog multiplexing technique that combines analog signals
• Signals modulate different carrier frequencies
• Modulated signals are combined into a composite signal
• Channel - Bandwidth range to accommodate a modulated signal
• Channels can be separated by strips of unused bandwidth (guard band) to prevent signals from overlapping

하나의 link 형태로 transmission 되지만 내부적으로 보면 서로다른 여러개의 주파수 대역(bandwidth)을 사용하는 3개의 channel이 존재하는 것이고 이 channel 간 overlapping을 막기 위해서 간극(unused bandwidth)을 두는데 이를 guard band라고 한다.

 

FDM Process

• orginal analog 신호를 carrier frequency로 moulation하고 여러개의 modulated signal을 다 같이 합쳐서 composite signal을 보낸다.

 

FDM Demultiplexing Example

• 수신 측에 도착한 composite signal은 여러개의 주파수 성분들이 섞여 있게 되는데 각각의 modulation signal에 해당되는 bandpass filter를 통과 시키면 주파수에 해당되는 modulated signal들이 분리가 되고 이것들을 demodulator를 통과시키면 original analog signal들이 재생된다.

 

Example 6.1: FDM

Assume that a voice channel occupies a bandwidth of 4 kHz. We need to combine three voice channels into a link with a bandwidth of 12 kHz, from 20 to 32 kHz. Show the configuration, using the frequency domain. Assume there are no guard bands.

We shift (modulate) each of the three voice channels to a different bandwidth, as shown in Figure 6.6.

 

Example 6.2: FDM

Five channels, each with a 100-kHz bandwidth, are to be multiplexed together. What is the minimum bandwidth of the link if there is a need for a guard band of 10 kHz between the channels to prevent interference?

unused band를 guard band로 두어 전체 필요한 bandwidth가 늘어난다.

For five channels, we need at least four guard bands. This means that the required bandwidth is at least 5 × 100 + 4 × 10 = 540 kHz, as shown in Figure 6.7.

 

Example 6.3: FDM

Four data channels (digital), each transmitting at 1 Mbps, use a satellite channel of 1 MHz. Design an appropriate configuration, using FDM.

1Mbps -> 250kHz의 bandwidth 요구(1/4, due to 16-QAM is 4bit)

1MHz link를 통해서 4Mbps의 신호를 전달한다.

The satellite channel is analog. We divide it into four channels, each channel having a 250-kHz bandwidth. Each digital channel of 1 Mbps is modulated so that each 4 bits is modulated to 1 Hz. One solution is 16-QAM modulation. Figure 6.8 shows one possible configuration.

 

Analog Hierarchy

• Hierarchical system used by AT&T

멀리 있는 곳으로 동시에 여러 voice channel을 보낼 때 각각의 선로를 하나씩 보내는 것보다 이렇게 큰 group으로 묶어서 보내면 더 효율적이다(정보적으로 유리).

 

WDM

Wave(length) Division Multiplexing(WDM)

• Analog multiplexing technique to combine optical(광학의) signals
• Conceptually the same as FDM
• Light signals transmitted through fiber optic channels
• Combining different signals of different frequencies (wavelengths)

Prisms in WDM

• Combining and splitting of light sources are easily handled by a prism
• Prism bens(굴절시킨다) a light beam based on the incidence angle(투사각) and the frequency

TDM

Time Division Multiplexing

TDM is a digital process that allows several connections to share the high bandwidth of a link.

link의 high bandwidth를 공유하기 위한 몇가지 연결을 가능케 하는 digital process

multilevel mux

• Digital multiplexing technique for combining several low-rate channels into one high-rate one

TDM: Time Slots and Frames

• In synchronous TDM, the data rate of the link is n times faster, and the unit duration is n times shorter

A1, B1, C1은 각각 1초에 1 byte씩 전달한다고 치면, link에서는 1초에 3byte가 전달되어야 하기 때문에 각각의 ㅕunit(1byte) 들은 1/3 s 안에 출력이 되어야 한다.(즉, 3배 빠른 속도로)

 

Example 6.7: TDM(중요)

• Four 1-Kbps connections are multiplexed together. A unit is 1 bit(위에서는 바이트였고 여기서는 비트 단위). Find (a) the duration of 1 bit before multiplexing, (b) the transmission rate of the link, (c) the duration of a time slot, and (d) the duration of a frame?

a) The duration of 1 bit is 1/1 Kbps, or 0.001 s (1 ms).

b) The rate of the link is 4 Kbps.

c) The duration of each time slot 1/4 ms or 250 μs.

d) The duration of a frame 1 ms.

 

Interleaving

• 얼마정도의 단위로 multiplexing을 할 것인가
• Interleaving can be done by bit, by byte, or by any other data unit
• The interleaved unit is of the same size in a given system

100byte씩 보내면 100byte씩 받아서 전달하고 1bit씩 보내면 1bit씩 받아서 전달하는.

 

Example 6.8: TDM

• Four channels are multiplexed using TDM. If each channel sends 100 bytes/s and we multiplex 1 byte per channel, show the frame traveling on the link, the size of the frame, the duration of a frame, the frame rate, and the bit rate for the link.
• interleaving: 1byte = 8bit
  • so, 800 bps

• The multiplexer is shown in Figure 6.16. Each frame carries 1 byte from each channel; the size of each frame, therefore, is 4 bytes, or 32 bits. The frame rate is 100 frames per second. The duration of a frame is therefore 1/100 s. The link is carrying 100 frames per second, and since each frame contains 32 bits, the bit rate is 100 × 32, or 3200 bps.

 

Example 6.9: TDM

A multiplexer combines four 100-kbps channels using a time slot of 2 bits. Show the output with four arbitrary inputs. What is the frame rate? What is the frame duration? What is the bit rate? What is the bit duration?

interleaving: 한 라인에서 2bit씩 묶어서 전달

4개의 line -> 4x2bit = 8 bit

• 한 frame에 8bit
• 100kbps를 2bit씩 가져오니까 50000개의 frame 필요
• 50000 x 8 = 400kbps

Figure 6.17 shows the output for four arbitrary inputs. The link carries 50,000 frames per second since each frame contains 2 bits per channel. The frame duration is therefore 1/50,000 s or 20 μs. The frame rate is 50,000 frames per second, and each frame carries 8 bits; the bit rate is 50,000 × 8 = 400,000 bits or 400 kbps. The bit duration is 1/400,000 s, or 2.5 μs.

 

Empty Slots

• Synchronous TDM is not efficient in many cases
  • 아래 그림과 같이 data의 빈도가 channel마다 다른 경우 synchronous TDM을 하면 link에 빈 공간이 생김
• Statistical TDM can improve the efficiency by removing the empty slot from the frame

Data Rate Management

• To handle a disparity in the input data rates
  • 서로 다른 input data rate을 가지는 input에 대해서 multiplexing하는 방법
• Multilevel multiplexing, multiple-slot allocation and pulse stuffing
• Multilevel multiplexing

• Multiple-slot allocation / Pulse stuffing

Frame Synchronizing

• Synchronization between the multiplexing and demultiplexing is a major issue in TDM

각각의 frame에 1 bit를 add하여 synchronization pattern을 만들어 중어 frame이 제대로 도착했는지 확인한다.

 

Example 6.10: TDM

• We have four sources, each creating 250 characters per second.(character 단위 interleaving) If the interleaved unit is a character and 1 synchronizing bit is added to each frame, find (a) the data rate of each source, (b) the duration of each character in each source, (c) the frame rate, (d) the duration of each frame, (e) the number of bits in each frame, and (f) the data rate of the link.

1. The data rate of each source is 2000 bps = 2 Kbps.

2. The duration of a character is 1/250 s, or 4 ms. (1character/250cps)

3. The link needs to send 250 frames per second.

4. The duration of each frame is 1/250 s, or 4 ms.

5. Each frame is 4 x 8 + 1 = 33 bits.

• synchronization bit = 1

6. The link sends 250 frames per second, and each frame contains 33 bits. This means that the data rate of the link is 250 × 33, or 8250 bps.

• 원래는 8kbps일텐데 각 frame 별로 synchronization bit가 매 frame 마다 1 bit씩 붙는데 frame은 250개 이므로 8250bps가 되었다.

 

Digital Hierarchy

DS and T Line Rates

24 channel 단위

 

T-1 Line for Multiplexing Telephone Lines

why 1.544Mbps?

• 8000번 sampling 되고 한 sample 당 8bit이고
• 1초에 한 sample씩을 24개를 묶어서 하나의 frame으로 보내게 됨.
• 이러한 frame을 8000개가 있어야 하고
• 한 frame 당 synchronizing bit가 1bit씩 붙어서 8000kbps가 추가된다.

따라서 24 x 64kbps + 8kbps

 

T-1 Frame Struture

목소리가 8000번 sampling되어 각 sample은 channel에 저장되고 한 비트당 1 sync bit이 붙어 1 frame에 193bit를 나르게 된다. 따라서 8000 x 193 bps = 1.544 Mbps

 

E Line Rates

• European use a version of T lines called E lines

30 channel 단위로 묶어서 frame 형성

 

Statistical TDM

• 데이터가 간헐적으로 올 때 데이터가 없을 때가 많음.

• Synchronous TDM과 다르게 statiscal TDM은 각 slot의 위치가 정해져 있지 않아 해당 데이터가 어느 line으로부터 온 것인지 분간이 힘들다.
  • 그래서 어디서 온지를 알려주는 주소를 override해 주어야 함. -> tradeoff(빈 공간 vs. 주소 붙이기)

 

• 데이터가 간헐적으로 오는 경우(like 인터넷) Statistical 이 효율적이고 촘촘하게 오는 경우는 Synchronous가 효율적이다.

 

• Addressing is required in Statistical TDM
• Slot size: the ratio of the data size to address size must be reasonable to make transmission efficient
• No synchronization bit: no need for frame-level sync.
  • frame level에서 시간 맞춰 딱딱 오는 것이기 때문
• Bandwidth: normally less than the sum of the capacities of each channel

 

6.2 Spread Spectrum

bandwidth를 넓혀주는 형태

• Combine signals from different sources to fit into a larger bandwidth to prevent eavesdropping(도청) and jamming(전파 방해) by adding redundancy
• bandwidth 활용 측면에서는 bad이지만 도청이나 감청을 막기 위해서 사용된다.

FHSS

• Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

original 신호를 frequency modulation을 시키는데 random한 code generation 기법에 의해서 일정한 주기로modulation 주파수를 다르게 하는 기법을 말한다.

이 과정을 통해 신호를 만들어 signal의 주파수를 넓혀준다.

 

Frequency Selection in FHSS

• 미리 약속된 k-bit patterns(In Frequecny table)
• 매 hop마다 pattern에 의해 계속 주파수를 바꿔가면서 해당 주파수에 의해 modulation을 하고
• 이 k-bit patter을 알고있는 수신자들은 어떤 주파수를 왔다갔다 하는지 알기 때문에 data를 recovery하는 것이 가능하지만
• 우리가 원하지 않는 수신자는 pattern으로 부터 무지하기 때문에 original 신호를 복구하지 못한다.

 

Frequency Cycles

이렇게 되면 주파수를 효율적으로 못 쓸 것 같다는 생각이 들지만 아래 경우를 봐보자.

 

Bandwidth Sharing

일반적으로 spreading spectrum이라는 것은 주파수를 넓게 쓰는 것이지만

적절한 logic에 의해서 서로 간 input의 충돌이 없도록 잘 조화로운 design을 하면 bandwidth utilization 측면에서 그렇게 손해가 없도록 할 수 있다.

 

DSSS

• Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
• Replace each data bit with n bits using a spreading code
• Each bit is assigned a code of n bits called chips

DSSS Example

Chip generator에서 제공하는 spreading code를 곱해줘서 bandwidth가 spreading 된 spread signal을 만들어 낸다.

물론 이러한 기법은 bandwidth를 많이 차지하게 되고 이걸로 인해서 bandwidth utilization 측면에서도 나쁘지만 우리가 의도하지 않은 수신자들이 데이터를 받아보거나 해킹하는 것을 방지할 수 있다.