Cable Modem

Upstream: download를 위한 스트림

Upstream: upload를 위한 스트림

Headend scheduler에 의해서 데이터를 송수신할 Time slot을 관리한다.

  Headend scheduler는 그림과 같이 어떠한 Station이 데이터를 보내기 위한 time slot 요청이 들어오면 time slot을 할당(사용허가;Grant)해준다.

Cable spectrum division

  케이블에 Television data와 data channel을 함께 보내기 위해서는 cable spectrum은 세 갈래로 나뉘어야 하는데, User-to-network (Upstream), network-to-user (downstream), Television delivery로 구성된다.

User-to-network (Downstream): 5-40MHz (35MHz bandwidth)

Television Delivery (Downstream; TV): 50~550MHz (500MHz bandwidth)

Network-to-user (Upstream): 550~750MHz (200MHz bandwidth)

Multiplexing 관점에서는 TDM, Up/downstream을 나누는 관점에서는 FDM을 사용하고, Up/downstream의 내부에서는 TDM으로 데이터를 전송한다.

Q. Upstream은 왜 downstream에 비해 상대적으로 bandwidth가 좁은가?

A. 서버가 아닌 클라이언트이기 때문. 다운로드를 많이 쓰기 때문에 bandwidth를 downstream에 많이 할당한다.

Television에는 보통 64/256-QAM을 사용하고, Data transmission에는 QPSK나 16-QAM을 사용한다.

*QPSK (Quadrant-phase Shift Keying): 위상을 4개로 쪼개서 데이터 전달에 씀 (2비트)

 QAM (Quadrant Amplitude Modulation): 진폭과 위상 정보를 활용해서 데디터 전달에 씀 (4비트)

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Line

비대칭형 (upstream과 downstream의 크기가 다름)

Multiplexing에 FDM을 사용 (POTS - 음성데이터: 25KHz)

  그림과 같이, ADSL은 0-20kHz를 Voice(POTS)에 할당하고, 25-200kHz는 Upstream과 250-1000kHZ는 Downstream에 사용한다. upstream과 downstream 사이에는 약 50kHz의 간격이 있는데, 이는 Guard band로써 인접 주파수끼리 간섭을 제거하기 위해 띄어놓은 주파수이다.

Echo cancellation

  그림의 (b)는 Echo cancellation으로 Upstream과 downstream간에 guard band가 없이도 데이터 전송에 간섭 현상을 제거하는 방법이다. Upstream과 downstream은 서로 간섭을 받게 되는데, crosstalk이 생기는 downstream 데이터에서 겹치는 upstream의 데이터를 빼면 원래 downstream의 데이터만 남게 된다.

  이 방법으로써 frequency bandwidth를 온전히 다 사용할 수 있게 된다.

Discrete Multitone (DMT)

Gain이 떨어지는 구간에서는 더 낮은 주파수로 보내서 SNR을 높이는 방법이다.

캐리어 시그널을 여러 주파수로 보낼 수 있도록 하는 것 (Multiple carrier signals)

4KHz의 서브채널로 나누어서 subchaannel 별로 다른 carrier(QPSK, QAM 등)를 걸어준다.

이론상 15.36Mbps, 실제로는 1.5~9Mbps의 전송률을 가짐.

VDSL

HDSL & SDSL의 경우는 2B1Q 코딩을 사용는데, VDSL의 경우 DMT와 QAM을 사용함

서비스마다 밴드를 나눠서 사용한다.

  (a)에 오타가 있다 (TDD -> FDD)

  무선에서는 Downlink/uplink라고 부르며, 유선에서는 downstream/upstream이라고 부른다.

FDD vs TDD

Uplink와 downlink 모뎀을 분리할 수 있어 구현 입장에서는 좋다.

동기화 이슈가 없음

2G, 3G, LTE(OFDMA)들이 이 방식 사용

TDD

Uplink와 Downlink사이에 guard time이 보장되어야 한다.

UL/DL을 time sharing 함 (flexible UL/DL link)

Wi-Fi

Effective data rate: R = B / 2(Tp + Tb + Tg)

Actual data rate: A = B / Tb = 2R (1 + (Tp + Tg) / Tb)

 *Tb = 실제로 전송된 데이터,  Tp = propagtion delay, Tg = guard time

FDMA + FDD vs TDMA + FDD

  전자의 경우 up/downlink를 FDD로 나누고, FDMA방식으로 분배해서 제공하며, 후자는 up/downlink를 FDD로 구분하고 그 내에서 TDD로 사용자에게 대역 제공.

Multiplexing

1개의 link에 N개의 channel을 태워 전송하는 것을 이야기한다.

Methodology

FDM (Frequency Division Modulation)

Frequency를 분할해서 Channel을 assign한다.

<FDM System>

  Receiver는 특이하게 Bandpass filter 라는 것을 사용하는데, 이는 특정 주파수만을 filtering해서 결과적으로 해당 채널의 signal만 추출할 수 있도록 해준다.

<FDM of Three Voiceband Signals>

  (a)를 보면, 음성 시그널은 가청주파수 대역 내에서 300~4000Hz 대로 진동한다. 이를 64KHz의 중심주파수 (Bandpass 방식)로 modulation한다. Fourier transform을 이용하면 영점좌표계를 중심으로 좌우에 스펙트럼이 분포된 것을 볼 수 있는데, 이는 중심주파수로부터의 offset을 활용한 주파수 분포로 볼 수 있다.

  중심주파수로부터 왼쪽에 위치한 주파수를 Lower sideband, 오른쪽에 위치한 주파수를 Upper sideband라고 한다.

Analog Carrier Systems

채널(Group)의 채널(Supergroup)의 채널(Mastergroup)

original signal이 여러번의 채널링을 거칠 수 있다

긴 거리의 링크는 FDM 계층 구조를 사용하여 데이터를 전송한다.

미국의 AT&T와 국제표준인 ITU-T는 서로 상이한 정의를 가지고 있다.

<그림은 AT&T의 Carrier system>

  1개의 group은 12개의 voice channel(each 4KHz)을 탑재할 수 있고, 이는 60~108KHz인 총 48KHz의 대역폭을 요구한다.

  Supergroup의 경우 5개의 group으로 이루어져 있고 총 60개의 채널을 탑재할 수 있다. 420~612KHz인 188KHz의 대역폭을 요구하는데, 토탈 240KHz(4*12*5)가 공식이긴 하나 약간 모자르다.

  Mastergroup은 10개의 Supergroup으로 이루어져 있고 600개의 채널을 탑재할 수 있다.

  ITU-T에서는 Mastergroup이 5개의 supergroup으로 이루어져 있어 약 1.2MHz(4*12*5*5)의 대역폭을 요구한다.

WDM (Wavelength Division Multiplexing)

파장을 나누어 Multiplexing하는 방법, Optical fiber에 쓰이는 방식

<Wavelength equation, 출처: http://ka.do/kR7>

FDM과 비슷한 방식이긴 하지만 frequency대신 wavelength를 나누어 사용함

<Wavelength Division Multiplexing>

  서로 다른 wavelength를 가진 데이터를 Multiplexing하여 전송하고, demodulation해서 정보를 획득함

<ITU WDM Channel spacing>

  wavelength equation에 c값으로 빛의 속도가 들어가고 광자의 진동수로 인해 높은 frequency에서 operation되는 것을 볼 수 있고, 주파수가 0.05THz(50GHz) 단위로 spacing이 되어 있다.

TDM (Time Division Modulation)

시간을 분할해서 Channel을 assign한다.

<Synchronous Time Division Multiplexing>

  위에 살펴본 FDM과는 다르게 주파수 대신 시간으로 Time slotting을 해서 전송하는 방식이다.

  Receiver측에서는 Modem이 demodulation을 하고 Operation scan을 진행하여 다시 여러개의 시그널로 나누게 된다.

TDM Link Control

TDM의 특징으로는 Header와 Trailer가 없다.

또한 Data Link control protocol이 필요가 없다.

Error control의 경우 각 채널에서 직접한다. (TDM이 error control에 관여하지 않음)

<Use of Data Link Control on TDM Channels>

  Time slot에 순차적으로 input signal을 돌려 넣어 보낸다.

Framing

  시작지점이 일치하지 않아 TDM시 잘못 읽어버리는 문제가 발생할 수 있는데, 이를 Framing을 통해 해결한다. Framing이란 1개의 control bit을 TDM frame에 삽입하여 Synchronous한 TDM을 만드는 방법을 의미한다.

Pulse stuffing

각각의 Time slot에 미달되는 데이터가 있으면, dummy bit를 추가하여 slot을 완성시킨다.

<TDM of Analog and Digital Sources>

문제점 1. 2KHz와 4KHz 신호에게 Time slot을 동일하게 분배해도 괜찮을까?

  - 기본적으로 각각의 input에게는 동일한 time slot이 돌아가게 된다. 그러나 4KHz 신호에 대해서는 2KHz의 신호보다 2배 높은 대역폭을 가지고 있으므로 Time slot 또한 2배로 늘려줘야 한다.

  그래야 대역폭이 2배니깐.

문제점 2. bitrate가 모자른 신호의 경우 time slot에 태우기 전 어떻게 해야할까?

  - Pulse stuffing을 하면 된다. 8Kbps의 신호를 받아야 하는데 7.2Kbps의 신호를 받은 경우, 나머지 0.8Kbps를 pulse stuffing을 통해 dummy bit로 채워줘서 전송하면 scan operation시 synchronization에 관한 문제가 발생하지 않는다.

<North American and ITU-T's TDM Carrier Standards>

  NA TDM Carrier Standard 의 경우 DS-1/2/3이 각각 Voice channel을 24, 96, 672개씩 태울 수 있다.

  ITU-T의 Carrier Standard는 Level 5에서 7680개의 voice channel을 태울 수 있다.

DS-1 Transmission Format

<DS-1 Tranmission Format>

  DS-1 Transmission format의 특이점으로는 각 채널이 8개의 Time slot으로 이루어져 있다는 점과 맨 앞 1칸을 비워서 sync를 맞추는 용도로 사용한다는 것이다.

  또, 24번 채널은 Signaling 전용으로 사용되는 경우가 있다.

  1-7번 비트는 56Kbps의 서비스에 사용되고, 2-7번비트는 비교적 낮은 9.6Kbps, 4.8Kbps, 2.4Kbps의 서비스에 사용된다.

  총 193bits를 125microsec에 보내는데, 1.544Mbps (193/125)의 전송률을 보이는 것을 알 수 있다.

SONET/SDH

ANSI(NA)에서는 Synchronous Optical Network, ITU-T에서는 Synchronous Digital Hierarchy로 부른다.

광 네트워크는 속도가 느린 대신 많은 Multiplexing이 가능해져서 백본 등 용도에 적합하다.

SONET/SDH에는 header 정보가 들어간다.

Data rate(총 데이터의 양) - Payload rate(실제 의미있는 데이터의 양) = overhead

<SONET/SDH Frame Formats)

  SONET의 STS-1 frame format은 특이하게 section overhead라는 부분과 line overhead, path overhead가 존재하며 section overhead와 line overhead를 합쳐 transport overhead라고 부른다. 총 810옥텟(6480비트, 90*9)의 크기를 가지고 있으며 section overhead를 제외한 부분을 payload라고 부른다.

  반면 STM-N은 STS-1에 비해 간단하게 section overhead를 제외하고는 line overhead가 존재하지 않는다.

Error Control Techniques

Positive ACK / Negative ACK

ARQ (Automatic Repeat Request)

Stop-and-wait ARQ

ACK가 damaged된 경우??

이미 받았는데 또 보내는 경우이므로 receiver는 다른 숫자(alternate)의 ACK를 보냄

Go-back-N ARQ

Sliding-window에 사용하는 방식 (가장 많이 사용되는 error control)

오류난 frame으로부터 N개를 다시 재전송

Selective-reject ARQ (Selective retransmission)

못 받은 frame만 재전송

못 받은 프레임은 건너뛰고 후의 프레임들은 buffering해 놓음

SREJ보내는 시점부터 요청한 frame이 도착할 때까지의 시간 사이에 도착한 frame은 buffering

잘 받으면 RR을 날림 (홀/짝수 프레임마다) 

HDLC (High level Data Link Control)

Station types

Primary: 컨트롤을 하는 스테이션

Secondary: primary에 의해 컨트롤 당하는 스테이션

Combined: 주거니받거니 가능한 스테이션

Link Configuration

Unbalanced: 1개의 primary, 다수의 secondary

Balanced: 2개의 combined station

Data Transfer modes

NRM, ABM, ARM(거의 안씀)

NRM (Normal Response Mode)

Unbalance configuration에서 사용

primary가 transfer를 초기화함

8-bit control field를 사용

N(s) = sender의 window, N(r) = receiver의 window

앞의 bit에 따라 information, supervisory, unnumbered가 구분됨

I-frame 의 경우 보내면서 받을 수 있음 (상대에게 데이터를 받으며 ARQ를 보내야 할 때 사용)

S-frame 의 경우 받기만 가능

Bit stuffing

일반적 데이터를 flag로 오인하여 처리하지 않도록 하기 위해 bit-stuffing 기법 사용

1이 5번 연속 나타날 경우 0을 삽입

Control Field (P/F field)

Poll/Final, P가 1인 경우 primary -> secondary로 response request(응답 요청)를 함

F가 1인 경우 secondary -> primary로 응답하며 설정하고 보냄

Information field and Frame check sequence field (FCS)

HDLC Commands