5 장 . 다중화와 데이터 압축

1. 5장. 다중화와 데이터 압축 정보통신개론 조용만

2. 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 정보통신개론

3. 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. 정보통신개론

4. 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 공유채널 역다중화기 다중화기 정보통신개론

5. 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 정보통신개론

6. 5.1 다중화 기법 (3/15) • 주파수 분할 다중화 방식(Frequency Division Multiplexing) - 넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용 채널 n . . 대여폭(주파수) . 채널 4 보호대역 (Guard Band) 채널 3 채널 2 채널 1 시간 정보통신개론

7. 정보통신개론

8. 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 정보통신개론

9. 5.1 다중화 기법 (5/15) • 시분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing) - 하나의 회선을 시분할하여 각각의 채널들이 타임슬롯(time slot)을 이용하여 전송 정보통신개론

10. 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 정보통신개론

11. 5.1 다중화 기법 (7/15) • 동기식 TDM(Synchronous Time Division Multiplexing) : 각 프레임 내에서의 타임슬롯(time slot) 위치가 항상 일정하게 고정 • 동작 과정 • 각 단말장치를 통해서 생성된 일련의 정보들이 버퍼에 저장 • 타임 슬롯이 할당될 때 까지 각 터미널들은 버퍼에 생성된 정보들을 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 • 문자 삽입식(character interleaving) • 타임슬롯 크기가 문자 단위 • 수신측에서 문자를 재구성하는데 오버헤드가 불필요 정보통신개론

12. Example: 4 users FDM frequency time TDM frequency time 정보통신개론

13. 5.1 다중화 기법 (8/15) • 통계적 TDM(Statistical Time Division Multiplexing) : 타임슬롯(time slot) 위치를 동적으로 결정 • 동작 과정 • 각 터미널에서 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 • 동기식 TDM과 통계적 TDM의 비교 • 통계적 시분할 다중화 방식이 회선을 더 효율적으로 사용 정보통신개론

14. 5.1 다중화 기법 (9/15) • 다중화 기법 비교 정보통신개론

15. 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 • 송신측에서는 PSK(Phase Shift Keying : 위상변조)와 FSK(Frequency Shift Keying : 주파수 변조)를 사용하여 일차 변조 • 일차 변조된 신호의 대역폭을 넓히기 위해 이차 확산 변조 • 수신측에서는 확산 변조된 신호를 원래의 신호로 복구하기 위하여 이차 복조 혹은 역 확산 • 역확산 된 신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 일차복조 후 출력 정보통신개론

16. 5.1 다중화 기법 (11/15) • Spread Spectrum의 기본 구조 정보통신개론

17. 5.1 다중화 기법 (12/15) • CDM은 모든 사람이 같은 장소에서 서로 다른 언어를 사용하여 이야기하는 것으로 비유될 수 있음 정보통신개론

18. 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 정보통신개론

19. 5.1 다중화 기법 (14/15) • 역 다중화(Inverse Multiplexing) • 고속의 데이터 스트림을 여러 개의 낮은 속도의 데이터 스트림으로 변환하여 전송 정보통신개론

20. 5.1 다중화 기법 (15/15) • 동작과정 • 송신측에서 먼저 역다중화기가 목적지로 데이터를 전송하는데 사용할 회선들을 설정 • 높은 비트 전송율의 디지털 스트림을 여러 개의 낮은 비트율의 회선으로 전송하기 위해 설정된 회선만큼의 개수로  분할 • 분할된 디지털 스트림은 각기 다른 회선을 통해 전송 • 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 정보통신개론

21. 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. 정보통신개론

22. 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 정보통신개론

23. Run-Length Encoding 방식 정보통신개론

24. 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) 7의 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 정보통신개론

25. 5.2 데이터 압축 (3/9) • 허프만(Huffman) 방식 • 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 정보통신개론

26. 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 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 정보통신개론

27. 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 정보통신개론

28. 5.2 데이터 압축 (6/9) • LZW 압축기법 • 연속된 문자열들에 대한 표를 만들고 같은 문자열이 발견되면 표를 참조 • 압축 동작 과정 • 기억장소 내에 문자열에 대한 표를 만듬 • 파일에서 연속된 두 문자를 읽어 해당 문자열이 기억장소 내의 작성된 표에 존재하는지를 검사 • 문자열이 존재하지 않으면 문자열에 대한 정보를 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 • 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 정보통신개론

29. 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 25:1의 압축률 • 프레임에 모든 프레임에 대한 압축의 정보를 그대로 유지 • 데이터 양이 많다는 단점 • M-JPEG (Motion JPEG) • 동영상의 한 프레임을 JPEG로 압축, 재생 • MPEG에 비해 효능 및 화질이 떨어짐 정보통신개론

30. 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~1.92Mbps를 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 정보통신개론

31. 5.2 데이터 압축 (9/9) • MPEG-1 • 영상데이터를 1/10~ 1/20으로 압축 • 최소한 초당 1.5MB의 비디오 데이터를 전송 해야 함 • 네트워크의 심한 부하를 초래 가능 • MPEG-2 • 1/20~1/100의 데이터 압축률 • 1280*1024의 고해상도를 지원 • 데이터 전송시 6Mbps~11Mbps의 네트워크 지원이 필요 • MPEG4와 MPEG7 • 한국이 표준화를 주도 정보통신개론