Transmission Medium(전송매체)

Transmission Medium

: 데이터 전송의 특성은 전송 매체와 신호에 따라 달라진다.

  • guided medium(유선 전송)
    • 주로 전송 매체에 의존한다.
  • unguided medium(무선 전송)
    • 주파수 폭에 의존한다.

데이터 속도와 거리를 정하는 요소

  • badnwidth(주파수 폭) : 주파수 폭이 클 수록 전송 속도가 높아진다.
  • attenuation(감쇄 효과) : 신호의 세기가 갈수록 줄어든다.
    • 유선 전송인 경우 감쇄효과는 크지 않다.
    • 무선 전송의 경우 전송 중에 낭비되는 에너지가 크다.
      • 특정한 방향이 아닌, 모든 방향으로 전달하는 주파수 이기 때문
      ⇒ 전송 거리에 제약이 있다.
  • interfernce(간섭)
    • 신호 전송 시 외부에서 들어오는 신호에 의해 간섭이 발생한다.
    • 이로 인해 신호에 노이즈가 발생.
    • 하지만 유선의 경우 노이즈가 별로 없다.

Twisted Pair

UTP(Unshielded twisted pair(UTP) 케이블

  • 절연체로 감싼 두 개의 컨덕터(tx, rx)로 이루어져있다.
  • 노이즈를 제거하기 위해 2-12 twists per foot 만큼 꼬아준다.

STP 케이블

  • 피복을 씌운 선이 두 개로 감겨있다.
  • 크로스트크현상?을 줄일 수 있다.
    • 크로스트크? : 하나의 신호가 인접한 다른 신호에 영향을 미친다.
  • 음성 신호, 전화선, 데이터 전송 등에 사용된다.

Coaxial

  • 케이블 표준
    • RG-8, 9, 11: 두꺼운 Ethernet
    • RG-58: 얇은 Ethernet
    • RG-59: TV
  • 주파수 폭 : 100KHz-500MHz
    • 대역폭이 STP보다 크다
      • 전송속도가 크다
  • Connector
    • AUI connector : 두꺼운 Ethernet
      • 외부의 영향을 차단한다.
    • BNC connector : 얇은 Ethernet

Optical Fiber

  • 신호를 빛의 형태로 바꿔주는 유리/플라스틱으로 만들어졌다.
  • 진공에서 초속 300,000km
    • 전송매체의 밀도가 높아질수록 속도가 줄어든다.
  • 빛의 특성을 가진다
    • 굴절성
    • 직진성

Unguided Media

  • 무선 통신이다.
  • 주파수에 따라 전해지는 특성이 다르다
    • 저주파일 수록 장애물의 영향을 적게 받는다
    • 고주파의 경우 장애물을 만나면 반사해버린다.
  • 주파수의 대역마다 사용하는 용도를 나누어 할당한다.

Wireless Propagation

GroundWave(지상파)

  • 저주파의 경우 휘거나 터널이나 지하로도 전파가 가능하다.
  • 지구의 윤곽을 따라 전파가 휘어 먼 거리 까지 전파할 수 있다.
    • 최대 2MHz 에서 일어난다.
    • ex : AM 라디오

 

Sky Wave(공중파)

  • 고주파의 경우 직진성을 가져 장애물에서 반사가 된다.
    • 상층 대기의 이온화 층에서 지구로 다시 반사된다.
    ⇒ 여러번 튕겨지며 많은 거리를 이동할 수 있다.
    • ex : 국제 방송과 같은 라디오, 단파 라디오 방송 등

 

Line of sight(LOS)

  • 장애물 없이 송신/수신 안테나가 마주보고 있는 것
  • 지구가 둥글기 때문에 안테나 사이의 거리에 제약이 있다.
  • 30MHz 이상의 주파수 대역을 가진다.

 

Radiation Pttern

  • 모든 방향으로 전송하면 전력이 사방으로 퍼진다.
    • 사방으로 골고루 퍼지는 것은 아님
  • Omni directional 안테나
    • 모든 방향으로 전송한다.
    • 구체의 전파 패턴으로 모든 방향에 고르게 전파한다.
  • Directional 안테나
    • 한 방향으로만 몰아서 전송한다.
    • 전송 거리가 늘어난다.

Statellite Communication(위성 통신)

  • Geosynchronous satellite
    • LOS를 활용하여 지상의 송신기들과 연결한다.
    • 빠른 통신을 위해 위성 각속도가 지구의 자전 각속도와 동일해야한다.
      • 위성이 항상 지구의 같은 지상 위에 존재하도록 움직인다.
    • 36,000km 상공의 궤도를 돈다.
    • 전 세계와의 통신을 위해 3개의 인공위성이 필요하다.

 

Multipath Interference

  • Multi-path components
    • multi-path fading

    • 동일한 신호가 여러 경로에서 반사되어 들어온다.
      • line of sight 외의 신호들은 크기나 위상이 서로 달라진다.
      • 원래 신호에 간섭이 되어 버린다.

 

Analog and Digital Signals

Signal

  • Analog signal
    • 값의 종류가 무한대이다(연속적이다).
  • Digital signal
    • 값의 종류가 한정되어있다.

 

Periodic and Aperiodic Signals

Periodic signal(주기 신호)

  • 신호 패턴이 주기에 따라 반복된다.
  • Perod(주기, T) : 사이클이 반복되는 시간
  • Frequency(주파수, F) : 단위 시간 당 반복되는 사이클의 수
    • 주기와 역 관계에 있다.

 

Aperiodic Signal(비주기 신호)

  • 반복되는 패턴이 없다.
  • 푸리에 변환 : 어떤 비주기적 신호도 무한한 수의 주기적 신호로 이루어질 수 있다.

Analog Signals

  • sine 파동은 amplitude, period(or frquency), and phase에 의해 표현될 수 있다.
    • Amplitude : 어떤 한 점에서 신호의 값
    • Period(sec) : 사이클이 한 번 돌 때 까지의 시간
    • Frequency(Hz) : 1초에 반복되는 주기의 수

Phase(degrees, radians) : 위상

  • 시간이 0일 때 파동의 위치

Time and Frquency Domains

  • Time domain : 진폭과 시간 사이의 관계를 나타낸다.
  • Frequency domain : 진폭과 주파수 사이의 관계를 나타낸다.

 

Composite Signals

harmonic signals

  • 디지털 신호는 무한한 수의 홀수 개의 harmonic signals로 이루어져있다.
  • 아날로그 신호의 합으로 디지털 신호를 표현할 수 있다.

 

  • 하나의 신호 안에 주파수가 무한대이다
    • 정해진 만큼만 보낸다.
  • 하나의 신호를 보내기 위해 많은 대역폭을 소비한다.
    • 동시에 전송할 수 있는 양이 줄어든다.

bandwidth vs data rate

  • 여러개의 harmonic signal을 전송할 때
    • bandwidth는 최대 진동수와 최소 진동수의 차 이다
    • ex : (f, 3f, 5f)의 경우 bandwidth = 4f
  • 한 주기에 2개의 비트를 전송할 수 있다.
    • data rate(bps) = 2*f

Frequency Spectrum and Bandwidth

  • Frequency spectrum : 모든 frequency 컴포넌트의 모음
  • bandwidth : 전체 frequency의 폭
  • 신호 세기가 낮은 frequency 부분은 사용하지 않는다.
    • 대역폭이 줄어들어 더 많은 정보를 전송할 수 있다.

 

Digital Signal

  • 두 개의 신호 요소를 두어 0 또는 1을 주고받는다.
  • Bit interval : 한 비트가 전송 되는 간격
  • Bit rate : 단위시간당 전송 되는 비트 수

Encoding and Modulation

  • 아날로그 신호를 디지털로 Encoding하고 0, 또는 1의 값으로 Decoding 한다.
  • 데이터의 신호 변환 종류
    • 디지털→디지털 변환
    • 아날로그→디지털 변환
    • 디지털→아날로그 변환
    • 아날로그→아날로그 변환

Encoding

Terminology

  • unipolar : 같은 신호를 가지는 모든 신호 요소
  • polar : 포지티브 전기와 네거티브 전기에 의해 표현되는 논리 상태
  • data rate(bps) : 데이터가 이동되는 수치
  • duration or lenth of a bit
  • modulation rate(baud) : 단위 사간당 전송하는 신호의 수
    • modulation rate와 date rate는 일치하는 것은 아니다.
    • 이진 데이터 전송에서 modulation rate가 k 배가 되면 date rate는 $2^k$배 늘어남
  • mark and space : 이진 1과 0

디지털-디지털 변환

: 두 개의 다른 전기신호를 통해 0과 1의 이진 신호를 표현한다.

Unipolar

  • 1 또는 0의 양극성 데이터만을 전송한다.
  • dc-component :
    • dc-component를 없애주는게 좋다
  • synchronization 동기화 문제 
    • clock skew(drift) : 송신자가 비트를 보내는 시간과 수신자가 비트를 인식하는 시간에 차이가 날 수 있다.
      • ppm(part per million) : 백만 클럭마다 한 비트가 빨리가거나 늦게 갈 수 있음을 표현하는 단위
      • 시간이 많이 지나고 클럭 수가 점점 차이 나게 되면 비트를 잘못 읽어들일 수 있다.
    • 엣지가 발생하는 시점에서 다시 동기화 해준다.
      • 송신자 클럭과 수신자 클럭이 같아지도록 한다.
      • 엣지가 발생하지 않는 신호의 경우 동기화가 어렵다.
        • 일정 시간 내에 반드시 엣지가 발생하도록 인코딩 하는 방법이 있다

      •  

 

 

 

NRZ

  • NRZ-L
    • 감쇄현상이 발생해 레벨 값이 불분명해질 수 있음
  • NRZ-I 인코딩
    • 레벨 체인지가 일어나면 1, 일어나지 않으면 0
    • 감쇄현상이 줄어든다.
    • 비트가 0으로 계속되면 비트 시작점을 찾기가 어려워 동기화가 힘들다

Biphase

  • 동기화 문제 해결
  • 절반 비트 단위로 결정한다.
  • manchester
    • 비트 중앙에서 레벨 체인지가 발생
      • 음수에서 양수로의 전환 : 1
      • 양수에서 음수로의 전환 : 0
    • 매 비트마다 레벨 체인지가 발생하도록 한다.
  • differential manchster
    • 비트 시작점에서 트랜지션(레벨체인지)가 있느냐 없느냐에 따라 인코딩
      • 트랜지션 있으면 0, 없으면 1
      • 비트 중앙에서는 반드시 레벨체인지가 일어난다.
    • 동기화를 위한 것
    • 단점
      • 매 비트가 0일 때 레벨 체인지가 두 번씩이나 발생한다.

Bipolar

  • 0: 0볼트
  • 1: +볼트 또는 -볼트
    • 인접한 볼트와는 다른 값을 가지도록 한다.
  • dc 컴포넌트가 존재하지 않는다.
    • 평균 볼트가 0?
  • 0 비트가 계속되면 동기화 문제가 발생한다.

MLT-3

  • 0, +, - 세 가지 활용
  • 0: 레벨 체인지 없음
  • 1: 레벨체인지
    • 번갈아가며 -로 바뀌거나 +로 바뀜
  • 데이터가 0이 계속 전송되면 동기화 지점을 찾기 힘들다

4B/5B 인코딩

  • 4비트를 5비트로 바꾸어 연속적인 0비트 흐름을 없앤다
  • 동기화 문제가 발생하지 않는다

Analog-to-Digital Conversion

PCM(Pulse Code Modulation)

  • ex: 음성데이터를 인터넷에서 전송할 때 사용

  • 아날로그의 경우 값이 무한개이다.
  • Sampling : 일정한 시간 간격으로 값을 나누어 추출한다.
    • 더 잘게 나눌 수록 원래 아날로그 값에 가까워지지만 보내야 할 샘플의 양이 많아지게 된다.
    • ⇒ 원래 아날로그 정보를 되도록 손실 없도록 유지하며 효율적으로 샘플링 할 수 있도록 한다.
    • Sampling Rate : Nyquist theorem
      • 아날로그 신호 최대 주파수의 2배로 샘플링을 한다.
    • 비트 수 : 샘플링 수 * 샘플 당 비트의 수
  • Quantization : 최소값과 최대값을 일정한 단계로 나눈다.(255단계)
    • 일정한 시간에 측정된 무한한 아날로그 수를 정해진 정수 값으로 표현하기 위해 가까운 쪽으로 근사시킨다. (반올림 시킨다고 생각)
  • binary encoding : 각각의 값들을 2진수로 표현한다.

Linear and non-linear encoding

  • 값의 변화가 적을 때 : non-linear encoding이 더 정확하다

Digital-to-Analog Conversion

  • Carrier signal : 중심이 되는 신호
  • 변환 방법 : 중심 신호(carrier frequency, $f_c$)를 이용해 데이터를 변환한다.
    • ASK : 값의 크기
    • FSK : 서로 다른 두 개의 주파수를 이용해 변환
    • PSK : 위상을 달리 해서 디지털 데이터 표현
    • QAM : 위의 세 방법을 결합해서 쓴다

Bit Rate and Baud Rate

  • Baud rate
    • 데이터 비트를 표현하는데 필요한 초당 신호 유닛의 개수
  • Bit rate
    • 초당 전송되는 비트의 수
    • Baud rate x 신호 요소 당 비트의 수
  • 주로 Baud ≤ Bit rate

ASK(Amplitude Shift Keying)

: 값의 크기를 가지고 0과 1을 표현

  • 진폭이 작으면 0, 크면 1
  • on-off keying : 0일 때 아예 진폭이 없는 신호

  • 전송하며 값이 줄어들기 때문에 감쇄 현상이 발생한다.

FSK(Frequency-Shift Keying)

: 주파수로 1과 0 표현

  • 전송이 되면서도 주파수는 변하지 않는다.
    • 감쇄현상이 적다.
  • 그러나 이동하면서 전송하는 경우 :
    • 주파수가 변해버린다. ⇒ 도플러 효과

 

PSK(Phase-Shift Keying)

: 위상 변화로 표현

  • 0은 0도에서, 1은 180도에서 시작한다.
  • 위상이 많아지면 신호의 수도 많아진다.
    • BPSK : 2개의 각도를 사용해 2 종류의 신호를 보낸다.
    • QPSK : 4개의 각도를 사용해 4 종류의 신호를 보낸다.

 

QAM

  • ASK, PSK를 함께 자주 사용한다.

 

 

Error Detection

  • single-bit error
    • 데이터 유닛에서 한 비트가 바뀐 경우
    • 평행 통신에서 자주 발생한다.
  • burst error
    • 데이터 유닛에서 두 개 이상의 비트가 바뀐 경우
    • 연속적인 통신에서 자주 일어난다.
    • Length fo burst error : 가장 오른쪽 에러비트부터 가장 왼쪽 에러 비트 까지의 길이
    • 노이즈가 발생한 순간에 전송된 비트가 영향을 받는다.

error derection

  • 수신된 비트의 에러를 확인하려면 전송하는 n-bit 데이터 뿐만이 아니라 error check code를 추가로 붙여준다
    • error check code : 에러가 있는지 검출하는 값
    • 이를 확인해서 수신된 데이터에 에러가 있는지 판단할 수 있다.
    • 에러의 위치까지는 알 수 없음
  • error detection code : 에러가 존재하는지 확인
    • 해당 신호는 버림
  • error correction code : 에러가 어디에 존재하는지 확인
    • 에러를 수정하여 사용
    • 오버헤드가 커져 자주 사용하진 않는다.

VRC(Vertical Redundancy Check)

Parity check

  • parity 비트는 모든 데이터 유닛에 추가된다.
  • odd parity : 1인 비트 수가 홀수개가 되도록 함
  • even parity : 7비트를 전송할 때 parity비트를 추가하여 1인 비트의 수를 짝수개가 되도록 하여 전송
    • 송신자는 1인 비트의 수를 세어 짝수개면 정상, 홀수 개면 에러인 것을 확인할 수 있다.
    • 비트 두 개가 에러가 나면 검출해내지 못한다.

 

LRC

  • 일정한 길이의 비트로 쪼개어 세로로 나열한 뒤, 대응되는 비트끼리 계산해 parity code를 보낸다.
  • burst error가 쉽게 고쳐질 수 있다.

  • 2-D parity check : VRC와 LRC를 함께 사용할 수 있다.

CRC(Cyclic Redundancy Check)

  • 이진 나눗셈에 기반한다.
    • M: k비트 메시지
    • F : n비트 FCS(프레임 체크 시퀀스)
    • P : (n+1) 비트의 미리 정해진 나누는 수
    • F : $(M*2^n/P)$의 나머지
    • T : (M | F); (k+n) 비트의 전송 데이터
  • divisor에 따라 에러 검출능력이 많이 달라진다.
    • 나눗셈을 해서 나머지가 0이면 에러가 없다는 것
  • 이진 나눗셈으로 계산한다.
    • xor로 뺄셈한다
  • polynomial notation
    • 변수가 x인 다항식의 계수로 표현
  • CRC generator
  • : 이진 나눗셈에 기반한다
  • CRC checker
    • (Received data) / P
    • R이 0이 아닌 경우 에러

 

 

  • Polynomial notation(다항식 개념)
  • divisor polynomial
    • x에 관한 다항식으로 표현된다.

 

Checksum

  • 상위 계층의 프로토콜에서 사용된다.(인터넷 checksum)
  • 송신
    • 데이터를 각각 n 비트인 k 개의 섹션으로 나눈다.
    • 합계를 구하기 위해 모든 섹션을 1의 보수를 이용해 더한다.
    • checksum : 합계의 보수(complement)
    • 데이터와 checksum을 보낸다
  • 수신
    • 데이터를 각각 n 비트인 k 개의 섹션으로 나눈다.
    • 합계를 구하기 위해 모든 섹션을 1의 보수를 이용해 더한다.
    • 합계의 보수를 취한 후 결과가 0이면 에러
          •  

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