[정보통신공학] CH 4 Transmission Media

 Signal, Frequency, Channel, Bandwidth, Data rate

 

1. Data, signal, Transmission

 (1) Data : 의미를 전달하는 엔티티 

    ① Analog - 간격 안의 연결된 값들     ex) sound, video(예전 테이프), voice, temperature

    ② Digital - 딱 끊어져 구별된 값들     ex) text, character, integers, video(현재 우리가 찍는 것) 

 (2) Signals: 전기적 또는 전자기적으로 데이터를 표현한 것. 주파수의 함수 (function of frequency)

 (3) Transmission(at L1) : 전파(propagation)와 신호의 처리로 데이터를 통신(signal)하는 것

    ① Signaling : 적절한 매체를 따른 신호의 물리적 전파

 

* delay

 - Transmission delay : bit -> signal 때의 delay

 - Queing delay : outbuffer -> router 의 delay

 - Processing delay : sinal ->bit 후 header 처리 때의 delay

 - Propagation delay : tx - rx 사이 signal travels 할 때의 delay

 

2. Signal - Frequency domain concepts

 (1) Signal은 여러개의 주파수로 이루어져 있다. 따라서 function of frequency

 (2) Frequency Spectrun : signal 안의 주파수들의 범위

 (3) Absolute bandwidth : 스펙트럼의 너비, signal을 구성하는 가장 낮은 주파수에서 가장 높은 주파수까지의 범위 

 (4) Effective bandwidth(or just bandwidth) : 대부분의 에너지를 포함하는 주파수의 좁은 범위

   -  BW는 Data rate을 제한함. 

 

3. Sine Wave

 (1) periodic signal

 (2) 3개의 매개 변수로 표현됨

  ① Peak amplitude

    - signal의 가장 크거나 강한 값

    - volt 단위로 측정

  ② Frequency

    - signal이 얼마나 빨리 반복하는지

    - 1초에 몇 cycle or Hz

    - Period(T)는 한번 반복하는데 걸리는 시간

    - T = 1/f 

  ③ Phase (상대적 개념)

    - 신호의 한 주기동안의 상대적 위치

    - 한 cycle 안에서의 정확한 위치 제공. degree or radians 사용

 

4. Wavelength (파장)

 (1) 파장은  한 cycle이 파지하는 거리

 (2) 신호의 속도 v, 한번 반복하는데 걸리는 시간 T.  파장 = vT

 (3) 파장 * 주파수 = 속도

 

 

 

 Analog / digital signal

 

1. Analog vs. Digital Signal

 (1) 데이터의 전송 수단

 (2) Analog signal (유무선)

   - 전자기파의 연속된 변화

   - speech bw: 100Hz to 7kHz

   - Telephone bw: 300Hz to 3400Hz

   - Video bw: 4mHz

 (3) Digital signal (유선 only)

   - voltage pulse의 연속 

   - 디지털 신호가 아날로그 신호보다 noise에 덜 민감함

 

analog signal vs. digital signal

 

2. (Analog/Digital) Data ↔ (Analog/Digital) Signal

 (1)  대개 디지털 데이터는 디지털 신호, 아날로그 데이터는 아날로그 신호를 사용.

 (2) 아날로그 데이터가 디지털 신호 사용 가능

   - Modem: 디지털 형식으로 온 데이터를 아날로그 전달 형식에 맞게 바꿔줌

 (3) 디지털 데이터가 아날로그 신호 사용 가능

   - Codec: 디지털 데이터를 encoding, decoding함.

**질문하기 modem codec

 

3. 전송 용어

3-1. Transmission Terminology

 - TX와 RX 사이의 데이터 전달은 전송 매채를 통해 발생한다

 - 전송 매체는 TX와 RX 사이(L2) 신호의 physical path이다.

 - 통신은 전자기파의 형태이다.

 - Guided media: twisted pair,  coaxial cable, optical fiber

 - Unguided media: 공기, 진공, 해수를 통한 전파

 

3-2. Transmission Terminology

 (1) Direct link

  - 신호 세기를 증가시키기 위한 L1의 장비인 amplifier, repeater, hub 이외의 중간 장치가 없는 것

 (2) Point-to-Point

 - 두 장치 사이의 direct link

 - 오직 2가지 장치만 sharing medium

 (3) Multi-point

 - 3가지 장치 이상이 같은 매체를 공유

 ex) access point

 

3-3. Transmission Terminology

 (1) Simplex

  - 신호 오직 한 방향으로만 전달

  - 한쪽은 TX 다른 한쪽은 RX

 (2) Half duplex

 - 두쪽 다 TX, RX가 될 수 있지만, 한번에 한 방향으로만 전달 가능

 (3) Full duplex

 - 두방향 동시에 신호 주고 받고 전달 가능

 

4. Channel capacity - Bandwidth and Data rate

 (1) (Channel) Bandwidth

  - 아날로그 장치: 초당 cycles 수로 표현, Hz

  - 디지털 장치: 초당 bit 수로 표현, bps

  - 더 큰 대역폭을 가진 인터넷 연결은 더 많은 데이터를 한 번에 옮길 수 있다. 따라서 데이터 전송 속도가 빨라진다.

  - 대역폭은 data rate의 최대치이다.

 (2) Data (transfer) rate <= BW

  - 데이터가 통신될 수 있는 속도는 대역폭보다 클 수 없다. 대역폭은 매체와 TX에 제약을 받음

  - 큰 BW(bps) -> 높은 data rate (bps)

 

* 대역과 대역폭 구분하기 - 대역은 특정 주파수 범위를 뜻하고 대역폭은 그 범위에서 전송할 수 있는 최대 주파수 대역폭. 예를 들어 2~6GHz 대역에 대한 대역폭이 1GHz라면, 이 대역에서는 1GHz 이하의 주파수 신호만 전송 가능. 이는 일반적으로 대역폭이 클수록 더 많은 정보를 전송할 수 있게 되는 것을 의미.

 

*주파수의 "대역"에 따라 신호가 갖게 되는 특성이 다르다.

 - AM: 526.5 ~ 1606.5 kHz (BW: 10kHz)

 - FM: 88~108 MHz (BW: 200kHz)

 - Cellular, Wifi: 300MHz ~ 30GHz

 

 - 주파수가 높을 수록 한 번에 전송할 수 있는 정보의 양이 더 많아지기 때문에, 더 넓은 대역폭을 쓸 수 있게 됨. 주파수가 높을 수록 대역폭이 넓어짐. Shannon의 정리에 따르면, 이론적으로는 주파수가 무한히 높아질 수록 무한대의 대역폭을 사용할 수 있음. 하지만 현실에서는 한계가 있음

 

- Shannon의 법칙에 따르면, BW과 SNR이 함께 높으면 data rate이 높아짐.

 + SNR(Signal to Noise Ratio): 받은 signal의 강도가 달라붙은 noise의 강도보다 높아야 함. 단순히 그냥 signal의 강도를 높이는 것이 아니라, 붙은 noise의 강도에 비해 signal의 강도를 높이는 것이 SNR을 높이는 것

 

 

 

 Transmission Impairments: Attenuation, Delay disortion, Noise

 

1. Transmission Impairments

 (1) 보낸 신호와 받은 신호는 다름

  ① 아날로그 - 신호의 질 저하 

  ②디지털 - 비트 에러

 

 (2) 원인

  ① Attenuation(감쇠): 신호의 진폭 감소

  ② Delay(Phase) distortion: phase의 변화, 아날로그 신호에서의 신호 저하, 디지털 신호에서의 비트 에러

  ③ Noise: 원치 않는 부가적인 신호

 

2. Attenuation

 - 신호 전송 거리, 주파수가 높으면 더 감쇠가 잘 발생함. 하지만 매체를 잘 만들면 감쇠를 발생시키지 않을 수도 있음 

 - 받은 신호는 에러 없이 받은 noise 보다 충분히 더 높아야 함(SNR)

 - 디지털 신호가 감쇠에 더 취약함

* amplifier: 신호 증폭 O, 잡음 제거 X, 신호 재생산 X, 아날로그에서 이용

  repeater: 신호 증폭 O, 잡음 제거 O, 신호 재생산 O, 디지털에서 이용

 

3. Delay(Phase) Distortion

 - 신호가 도착하는 속도가 조금씩 다른 현상 

 (1) 오직 유선에서만 발생하는 현상

 (2) 전파 속도는 주파수에 따라 달라짐

 (3) 신호의 다양한 주파수 요소들이 RX에 각각 다른 시간에 도착

  -> 다른 주파수들 사이에 phase shift 유발

 

4. Noise

 (1) TX와 RX 사이 추가된 원치 않는 부가 신호

 (2) Thermal: 전자의 열적 운동 때문

 (3) Intermodulation: 한 매체에서 공유된 원래 신호의 합, 차, 곱의 생산 -> 새로운 신호 생산 (내가 생성 X)

 (4) Crosstalk: 혼선. 다른 선에서부터 온 신호에 영향을 받는 것

 (5) Impulse: 짧은 시간동안 상대적으로 높은 진폭의 불규칙한 pulse 또는 spike로 구성된 연속적이지 않은 noise

  - 외부 전자기적 간섭

  - 아날로그 데이터: 작은 혼란

  - 디지털 데이터: 주된 에러의 원인 -> impulse noise는 디지털 신호에 더 좋지 않음

 

5. Characteristics and quality of data transmission

 (1) 매체와 신호로 결정되는 데이터 전송의 특성과 품질

  ① guided(유선): 매체는 전송의 특징을 결정짓는데 더 중요

  ② unguided(무선): 안테나에 의해 생성되는 신호의 대역폭이 더 중요

    - 낮은 주파수의 신호는 전방향(omnidirectional)

    - 높은 주파수의 신호는 단방향(unidirectional)

 (2) 핵심 설계는 data rate과 distance

 

6. Design Factors to determine data rate & distance 

 - data rate과 distance에 영향을 미치는 것들

 (1) BW

  - 더 높은 대역폭은 더 높은 data rate을 가능하게 한다.  

 (2) Transmission impairments

  - attenuation, attenuation distortion, delay distortion, noise

  - 손상은 거리를 제한함

 (3) Interference (crosstalk)

  - 겹치는 주파수 대역에서 competing 신호로부터 온 간섭은 신호를 외곡시키거나 파괴함

 (4) Number of receivers

  - 한 shared link에서 각각의 attachment는 attenuation과 distortion을 가져옴. 이것은 거리와 데이터 전송 속도를 제한함

  - 더 많은 receiver은 더 많은 attenuation을 가져옴.

 

 

 Electromagnetic spectrum

 

 

- 점점 고주파수로 가는 이유: 앞의 주파수들을 다 사용했기 때문

- 고주파수로 갈수록 coverage와 antenna의 크기가 작아짐

- 높은 주파수를 사용한다는 것은 더 큰 대역폭을 handling 할 수 있다는 것. 따라서 더 높은 data rate을 구현할 수 있음

 

 

 

 

 Physical transmission media

 

• Guided

[Guided Transmission Media]

(1) Twisted pair

(2) Coaxial pair

(3) Optical fiber

+ 3으로 갈수록: frequency, data rate, BW, distance 높음. error rate, delay, attenuation 낮음. 원래 주파수가 높으면 attenuation이 높지만 여기서는 잘만든 media를 사용하기 때문에 예외임. 성능이 좋음. 비쌈. 항상 가성비를 따져야 함

 

P2P Transmission Characteristics of Guided Media

 

1. Twisted Pair

 (1) TP는 가장 싸고 guided transmission medium에서 가장 많이 쓰임

   - 절연체로 싸인 구리선이 일정하게 꼬여있음. 꼬여있는 한 쌍이 하나의 communication link

   - 한 쌍이 케이블 하나로 묶임

   - 많이 꼬면 길이가 줄어들기 때문에 인접한 한쌍 간 crosstalk 간섭이 줄어듦

 (2) 장단점

   - 싸고 쉬움

   - 성능이 낮고 범위가 짧음

 

1-1. Twisted Pair -  Characteristics & applications

 (1) 아날로그 전달

  - amplifiers가 5~6km 마다 필요

 (2) 디지털 전달

  - 아날로그, 디지털 데이터 둘 다에서 사용

  - repeater이 2~3km 마다 필요. 더 짧게 많이 필요

 (3) 거리, 대역폭, 전송 속도에 제한있음 

 (4) interference와 noise에 민감

 (5) applications

  - 아날로그 & 디지털 신호의 매체로 가장 흔히 사용

  - 집 사이와 지역 사이의 telephone nw에서 사용

  - 건물 안에서 private branch exchange(PBX) 개인 전화국(123-0000이면 0000만 누르면 됨) 

  - LAN에서 주로 100Mbps~ 10Gpbs

 

1-2. Unshielded and Shielded TP

 (1) Unshielded Twisted Pair(UTP)

  - 전화선

  - 가장 쌈

  - 설치와 작업이 쉬움

  - 외부 전자기적 간섭에 취약

 (2) Shielded Twisted Pair(STP)

  - metalic braid 또는 sheating이 interference 줄여줌

  - 더 높은 속도에서 나은 성능

  - 더 비쌈

  - 다루기 힘듦

  - FTP, F/UTP, S/FTP

 

1-3. Twisted Pair Categories and Classes

- insertion loss: 보낸 것에 비해 얼마나 받았는지. 작을 수록 좋음. Pt/Pr비례<- 거리에 비례

- NEXT loss: 보낸 세기에 비해 crosstalk 얼마나 큰지. crosstalk 제거 능력. 클수록 좋음.Pt/Pc 비례 <-거리와 비례하지 않음. 1/주파수 에 비례. 저주파수일 수록 crosstalk 제거 용이

- ACR: 수신측에서 crosstalk을 제거하는 능력이 감쇠한 양보다는 커야 신호를 제대로 받을 수 있음. 클수록 좋음.

 NEXT-insert

Goal : Pr > Pc 

 

1-4. Signal Power Relationships (from system A point)

 - Pr은 거리에 영향을 받음. 멀수록 약하게 도착 by attenuation

 

 

2. Coaxial Cable

 (1) TP에 비해 더 거리가 길고 많은 station을 지원함

 (2) applications

  - television distriution

  - 장거리 전화 전달 : 동시에 10000 voice 전달가능. 광섬유로 대체 가능

  - 짧은 computer system links 거리

  - LAN

2-1. Coaxial Cable - Transmission Characteristics

(1) TP에 비해 interference와 crosstalk에 덜 민감

(2) interference와 noise에 제약 받음

(3) 아날로그 신호

 - amplifiers는 약 9km씩 마다 필요

 - 더 높은 주파수에 필요한 더 가까운 간격

 - 사용할 수 있는 주파수 ~500MHz

(4) 디지털 신호

 - repeater은 약 1km 마다 필요: 아날로그 신호보다 attenuation이 더 많으므로, 더 많은 repeater 필요

 -  높은 속도에 필요한 더 가까운 간격

 

3. Optical Fiber

 광섬유는 얇고 유연한 매체임. 광선을 guide 함.

 - 직경: 2 ~ 125 ㎛

 - 광섬유를 만드는데 다양한 유리와 플라스틱 사용

 - 원통 모형 3가지 부분으로 나뉨 - core, cladding, jacket

 - 장거리 통신에서 널리 이용

 - 성능, 가격, 장점이 널리 이용가능하게 만듦

 

3-1. Optical Fiber - Transmission Characteristics

 (1) Types of light source

  - 전압이 발생할 때 빛을 방출하는 반도체 장치

  - LED(Light Emit Diode): 쌈, 더 오래 지속, 품질은 ↓

  - ILD(Injection Laser Diode): 데이터 전송 속도 빠름

 

3-2. Optical Fiber - Benefits

 (1) 큰 용량

  - 데이터 전송 속도: 수십키로 동안 수백Gbps

 (2) 작은 크기, 가벼운 무게

  - coaxial or twiste pair보다 얇음

 (3) 더 적은 attenuation 

 (4) 전자기적 격리

  - interference, impulse noise, crosstalk에 취약하지 않음

 (5) repeater의 간격을 키울 수 있음

  - 10s/100s of kms

  - 더 적은 repeater은 비용과 에러가 더 적다는 것을 의미 - > 성능↑

 

3-3. Optical Fiber - Applications

 (1) Long haul trunks

  - 약 1500km 길이

  - 20000 ~ 60000 voice channel

 (2) Metropolitan trunks

  - 약 12km 길이

  - 한 trunk group 당 100000 voice channel

 (3) Rural exchange trunks

  - 40-60km

  - 5000 voice보다 적은 channel

 (4) 전화 회선 (subscriber loops)

 (5) LANs

 

 

- 싱글 모드 광섬유: 광섬유 케이블 내부를 지나가는 광 파동이 단 하나의 모드로만 이루어진 광섬유임. 이것은 광 파동이 직선적으로 통과하기 때문에 손실이 적고, 멀리까지 신호 전달이 가능함. 광통신 네트워크의 장거리 통신에 사용됨

 

- 멀티 모드 광섬유: 광섬유 케이블 내부를 지나가는 광 파동이 여러 개의 모드로 이루어진 광섬유임. 이것은 광 파동이 구부러지면서 여러 방향으로 흐를 수 있기 때문에, 거리가 가까운 지역 간 통신에 주로 사용. 광섬유 내부에서 신호가 손실되고 왜곡되는 현상이 일어날 수 있음.

 

 

• Unguided

[Wireless Transmission Frequencies]

① 30MHz ~ 1GHz(Broadcast Radio): 전방향 application에 적절. radio range

② 1GHz ~ 40GHz(Microwave): 마이크로웨이브 주파수. 직선 광선. p2p 적합. 위성 통신에 주로 이용 

③ 3 x 10^11 Hz ~ 2 x 10^14 Hz: Infrared portion(가시광선 다음 영역). local p2p. multipoint application

 

[Wireless Transmission]

(1) Antennas : 같은 안테나가 TX, RX 둘 다로 사용될 수 있음

(2) Terrestrial Microwave : 지상

(3) Satelite Microwave  : 위성

(4) Broadcast radio

 

 

1. Types of Antennas

 (1) Isotropic antenna

  - 모든 방향으로 동일한 power 방사

  - 실제 방사 패턴: 구

 (2) Omnidirectional(전방향) antenna

  - 한 평면에서 대부분의 전력을 방사하는 안테나(수직 또는 수평)

  - 라디오 방송 안테나, 휴대전화 안테나, 워키토키, 와이파이, 무선 전화기, GPS

 (3) Directional antenna

  - 한 방향에서 큰 power을 내는 안테나. 전송, 받기에서 증가된 성능. 원치 않는 interference 감소

  - parabolic(포물선) 안테나, horical, horn antenna

 

2. Terrestrial Microwave

 - 대부분은 parabolic "dish" type

 - 전형적 크기는 직경 3m

 - 안테나 방향 고정. 좁은 광선에 집중. LoS(Line of SIght transmission)

 - 상당히 높은 곳에 위치

 - 일련의 microwave relay tower은 장거리 통신에 이용

 

2-1. Terrestrial Microwave Applications

 - coaxial cable, optical fiber을 대체하여 장거리 통신에 사용

 - voice, TV transmission에 사용

 - amplifiers와 repeater 거의 필요x. line of sight transmission 필요

 - 1~40GHz에서, 더 높은 주파수는 더 높은 전송 속도를 가짐

 - 주된 loss는 attenuation(by 거리, 강수, interference)

 

3. Satelite Microwave 

 - 통신 위성은 사실상 microwave relay station

 - 2개 이상의 ground stations와 연결

 - 한 주파수 대역에서 amplifies되거나 repeats된 신호를 전달 받고, 다른 주파수로 보냄 (uplink  ≠ downlink)

 

3-1. Satelite Microwave - transmission characteristics

 (1) 위성 전달의 최적 주파수는 1~10GHz

  - 1GHz 미만은 많은 자연으로부터 온 noise

  - 10GHz 이상은 대기 흡수로 부터 attenuation

 (2) 위성이 쓰는 주파수 범위

  - 5.925 ~ 6.425 GHz : uplink(earth to satelite), 높은 주파수, 짧은 대역폭

  - 3.7 ~ 4.2 GHz : downlink(satelite to earth), 낮은 주파수, 넓은 대역폭, 속도 더 빠름

  -  down이 더 빠르니까 반대일 것 같지만, 높은 주파수는 많은 에너지가 필요하기 때문에 높은 에너지를 만들어서 올려보내는게 더 쉽기 때문

 

4. Broadcast radio

 (1) Broadcast Radio는 전방향. microwawve는 단방향 & 전방향

 (2) 라디오가 주로 사용하는 주파수 범위는 3kHz - 300GHz

 (3) 방송 라디오 (30MHz - 1GHz)

  - FM radio, UHF, VHF television band

 (4) LoS에 제한

 (5) multipath interference에 영향 받음 -> fading

  - 땅, 물, 인조물에서 반사

 

5. Wireless propagation

무선 전파 방법 3가지

(1) Ground wave propagation (~2MHz)

 - 땅의 윤곽을 따름

 - AM radio

(2) Sky wave propagation (2 ~ 30MHz)

 - amateur radido & 국제 방송

(3) LoS propagation (30MHz ~)

 - broadcast, microwave

 

6. LoS Propagation - Refraction(굴절)

 (1) 매체의 밀도에 따라 전자기파 속도가 다르기(속도 변화에 의해) 때문에 발생 

 (2) 점차 구부러짐

  - 높이가 높아지면서 대기의 밀도는 낮아짐. 따라서 땅으로 향할 때 조금씩 땅쪽으로 굽어짐. 밀도가 높은 곳으로 가면 속도 감소. 밀도가 높은 쪽으로 굽어짐

 

7. LoS - optical LoS & radio LoS

- optical: 주파수 높음 - 가시광선, 자외선, 적외선

 - radio: 주파수 낮음(30MHz ~ 30GHz) - broadcast radio, microwave 

 

8. Line-of-Sight transmission

 - 무선 LoS 전달의 손상 (무선에서 발생할 수 있는 신호의 손상)

 (1) free space loss: 거리와 함께 신호 손실

 (2) atmosheric absorption: 수증기과 산소가 흡수

 (3) multipath: 서로 방해

 (4) refraction: 밀도 차이로 인해 신호가 굽음(밀도 큰 쪽으로 굽음). 밀도가 클수록 속도가 낮기 때문