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[Network] 2. 물리계층

24 Sep 2023 - juno

#network  #data-communication 

데이터 통신 강의 2주차 정리 물리계층

2. 물리계층

2.1 물리계층

물리계층의 정의/역할

  • 데이터를 전송하기 위한 전송매체의 기계적 규격을 정의, 전기적 신호의 전송규격을 정의

전송매체

  • (데이터를 전송하는데) 전류나 전압을 변화시키는 효과를 이용
  • 전류나 전압이 흐르는 매개체
  • 유선(전선, 구리선) vs 무선(공기매체)

2.2 유선전송매체

Twisted pair (TP선)

  • 두개의 구리도선을 꼬아서 엮은 전송매체
  • 외부 잡음 감소 효과
  • STP: Shielded TP UTP: Unshielded TP
  • 전화선, LAN선, 신용카드결제기, 건물내부통신선 …
  • 적은비용, 적은 데이터 전송률, 짧은 범위, 쉬운 설치
  • UTP1 ~ UTP8까지 존재 UTP1(전화선) -> UTP5(가장 대중적, 100Mbps~1Gbps) -> UTP8(40Gbps)

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Coaxial Cable (동축케이블)

  • 장거리 전송용으로 성능이 좋은 전송매체
  • TV선, 장거리 다회선 전화선, LAN/MAN
  • 잡음에 강하고 좋은 대역폭을 가짐

  • 높은 주파수 범위의 반송파 지원

    *반송파: 신호를 보다 멀리 보내기 위해 사용하는 고주파신호, 이 신호를 섞어서 신호를 변조하여 보낸다.

Fiber (Optics) Cable (광케이블)

  • 광섬유(유리or플라스틱)를 이용하여,빛에 데이터를 실어서 전송하는 전송매체
  • 빛의 특성: 전자기적인 에너지 형태, 진공상태에서 전송속도(30만 km/s, 30cm/1ns)
  • 공기(물)와 같은 밀도가 높은 곳을 통과할 때는 속도가 감소됨
  • 장점: 잡음에 대한 저항력, 낮은 신호감쇄, 높은 대역폭 단점: 고비용, 설치와 관리 어렵 
    *대역폭: 한번에 보낼 수 있는 데이터의 크기
  • 전파방식: Single mode vs Multi mode(Step index, Graded index)

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2.3 무선전송매체

무선 전송매체의 전파 유형

  • 지면 전파: 대기권의 낮은 부분으로 전자기파를 전파하는 방식(below 2 MHz)

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  • 공중 전파: 안테나로 전파하거나, 전리층에서 반사(굴절)하는 방식으로 전파(2 to 30 MHz)

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  • 가시선 전파: 안테나간 높은 주파수로 전파, 전선연결이 불가능한 경우 안테나가 서로 보이는 경우 사용가능(above 30 MHz)

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Radio wave

  • 마이크로파에 비해 낮은 대역
  • 고체(벽), 진공, 대기를 모두 통과
  • 3KHz ~ 300MHz, 전방향 전파(다향성)
  • 같은 주파수를 사용하여 전송하는 안테나에 방해 받을 수 있음

  • 라디오, TV, 호출기, broadcasting(1:N)에서 활용됨

    *broadcasting: 송신 호스트가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송되는 방식

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Micro wave

    ex) WIFI, Bluetooth, 전자레인지
  • 300MHz ~ 300GHz의 주파수를 갖는 전자기파
  • 단방향 전파(지향성), 가시선 전파, 벽을 통과하지 못함

  • 접시형 안테나로 전파를 집중시켜 전송할 수 있음(SNR🔺, 전파정확성🔺)

    *SNR(Signal Noise Ratio): 신호대 잡음비, 잡음이 신호에 얼마나 영향을 끼지는지, 수신측에 도착한 신호의 신호전력 대 잡음전력의 비율
  • 지향성, 동시에 여러 전송기가 여러 수신기에서 간섭없이 전송할 수 있게 해줌
  • 지상마이크로파, 위성마이크로파

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Infrared (적외선)

    ex) 리모컨
  • 단거리전파에 적합(ex 리모컨 <-> 가전제품, 노트북 <-> 프린터)
  • 지향성, 저가, 소형, 설치용이
  • 초고주파 주파수대역(300GHz ~ 400THz)
  • 고체 물체를 통과하지 못함 (= 단점이자 장점(보안성,간섭))

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2.4 전송매체

주파수대에 따른 전파구간과 전송매체

    유선통신 & 무선통신용 주파수 스펙트럼
    * 주파수의 단위: Hz(헤르즈)
    KHz(=1,000Hz), MHz(=1,000,000Hz), GHz(1,000,000,000Hz), THz ...

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2.5 신호전파와 데이터 전송

전기적 신호와 데이터의 표현

  • 데이터 전송: 이진 데이터를 전기적 신호로 표현하고, 전파

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2.6 신호변환기술

신호와 전송

    - 신호(Signal) -> 데이터(Data)로 변환

신호변환

    - 아날로그 신호 <-> 아날로그 데이터
    - 아날로그 신호 <-> 디지털 데이터
    - 디지털 신호 <-> 아날로그 데이터
    - 디지털 신호 <-> 디지털 데이터

전송

    - 아날로그 전송
    - 디지털 전송

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2.7 신호(Signal)

개요

  • 신호는 송신기에서 생성되며, 전송매체를 통해서 전송됨
  • 신호를 시간함수(Time domain)와 주파수 함수(Frequency doamin)로 표현

Time domain(시간함수)

  • Analog signal -> continuous(연속적, 주기성)
  • Digital signal -> Discrete(비연속적, 비주기성)
  • 신호는 같은 패턴이 주기적으로 반복되는 주기(T)
  • peak amplitude(A), frequency(F) Phase(?)

  • 주파수(F): 1초당 주기의 반복횟수, 단위 Hz

      ex) 1초당 주기가 5번 반복됨 == 5Hz
      1초당 주기가 1000번 == 1KHz
      1MHz == 1초당 주기가 1,000,000번

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신호

  • 진폭: 신호의 높이.(전압 Volt, 전류 Amperes, 전력 Watts)

    ex) 3V, 0.7W, 1.5mA(밀리암페어)

  • 주기: 반복되는 패턴(cycle)을 완성하는데 걸리는 시간(단위: 초)

    ex) 1s, 100ms(0.1초), 300µs(마이크로세컨드 == 1/1,000,000초)

  • 주파수: 1초당 주기의 반복횟수(단위: Hz)

    ex) 1Hz, 3Hz, 1KHz(== 1000Hz), 310MHz(==310,000,000Hz)

* 참고: 주파수와 주기는 역수 관계 -> 주파수 = 1/주기

  정현파가 2KHz의 주파수를 가지면 주기 == 1/2K == 1/2000 == 2*1/1000 == 2*milli == 2ms
  정현파의 한 사이클이 25ms일때 주파수 == 1/25ms == 1/25*milli == 1/25*1/1000 == 1000/25 == 40Hz
  • 위상: 시간 0에 대한 파형의 상대적인 위치(= 동일 주파수에서 시간차로 어긋나는 각도)

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주파수관점에서의 신호분석(Frequency Domain)

  • 저주파 신호: 데이터를 멀리, 많이 보낼 수 없다는 한계점
  • 고주파 신호: 데이터를 많이 보낼 수 있다. ex) 반송파
  • 송신기: 입력신호를 반송파로 만들어 전송하는 기술이 필요 -> 저주파를 고주파에 혼합
  • 수신기: 수신된 반송파에서 원래신호를 분리해내는 기술필요 -> 고주파 성분을 제거(퓨리에변환함수)

Pasted Graphic 2

2.8 신호변환

디지털변환(Digital Modulation)기법

  • 디지털 데이터 -> 디지털 신호 변환
  • RZ, NRZ, NRZI, Manchester, Differential Manchester, Biploar …

Pasted Graphic 3

  • (b) Non-Return to Zero(NRZ): 1 == high, 0 == low
  • (c) NRZ Invert (NRZI): (신호중간지점) 1 == Invert, 0 == No change

  • (d) Manchester: 1 == (신호중간지점) 1 == high->low, 0 == low->high

                    (Clock 신호와 XOR연산에 맞춤)
  • (e) Bipolar encoding(AMI): 1 == +v -> -v 또는 -v -> +v, 0 == 0

아날로그 변환(Analog Modulation) 기법

  • 디지털 데이터 -> 디지털 신호 -> 아날로그신호 변환
  • ASK (Amplitude Shift Keying): 1 == 진폭 high, 0 == 진폭 low
  • FSK (Frequency Shift Keying): 1 == 고주파, 0 == 저주파
  • PSK (Phase Shift Keying)
    • BPSK(Binary PSK): 0, 180 degree
    • QPSK(Quadrature PSK): 45, 135, 225, 315 degree

Pasted Graphic 4

PMC(Pulse Code Modulation) 기법

  • 아날로그신호 -> 디지털데이터 : PCM, Delta Modulation

  • 변환과정: ①샘플링 -> ②양자화 -> ③인코딩

    * 샘플링: 특정주기마다 값을 추출
* 양자화: 추출한 (PCM)값을 레벨에 따라 레벨링하여 코드로 구분
  • 양자화 레벨🔺 -> 정밀도🔺 -> 인코딩비트수🔺 -> 전송량🔺

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다중화(Multiplexing)

  - "1송신기 - 전송매체 - 1수신기" 이렇게 되면 전송매체가 너무 놀아나게 된다 ->  다중화기법의 등장
  • 전송매체의 효율적 이용을 위해 동시에 여러신호를 전송하는 기법

  • FDM(Frequency Division Multiplexing): 주파수 분할

    ex) 라디오, TV - 방송국에선 하나의 안테나로 여러 채널의 방송을 동시에 보내고 시청자는 여러 채널줄 하나의 (주파수)채널을 선택해서 시청함

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  • TDM(Time Division Multiplexing): 시간 분할

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2.9 전송장애(전송오류)

전송장애 원인

  1. 신호감쇠(Attenuation)
    • 전파거리에 따른 에너지(신호세기) 손실
    • 증폭기/리피터로 신호증폭

    • 감쇠 측정단위: dB

       * 디지털에서는 증폭기를 사용할수 X, 에러도 증폭됨



  1. 왜곡(Distortion)
    • 신호모양/형태가 변화되어 뒤틀어짐

  2. 잡음(Noise)
    • 열잡음, 유도선 잡음, 혼선, 충격잡음

  3. 간섭

    • 신호의 수신을 방해하는 에너지로 인한 장애

       * 이러한 신호들이 에러인지 아닌지는 디지털 계층에서 확인하게됨

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2.10 물리계층의 대표장비

증폭기(Amplifier)

    - 감쇠된 신호크기를 증폭시켜 원래의 신호크기로 키워주는 장치
    - 감쇠 측정단위: dB
    - 아날로그 전용

리피터(Repeater)

    - 수신한 신호를 다시 인코딩(재생)하여 송신하는 장치
    - 리피터로 신호재생
    - 디지털 전용

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끝

reference

교수님 강의