데이터 통신 물리층

Published: April 11, 2019 by 아형

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물리층

물리층 개요

물리층의 주요 기능: 전송 매체를 통하여 전자기 신호 형태로 데이터를 전달하는 것.
다른 컴퓨터로 무언가 통신을 하는 것은 네트워크 연결을 통하여 데이터 전송으로 이루어 진다.

1. 데이터와 신호

데이터는 전송되고 수신되지만 매체는 데이터를 신호로 바꾸어야 한다. 데이터와 데이터를 표현하는 신호는 아날로그 또는 디지털 형태일 수 있다.

1.1 아날로그와 디지털 데이터

데이터는 아날로그 혹은 디지털
아날로그 데이터

- 연속적인 데이터
디지털 데이터

- 이산 값을 갖는 정보

1.2 아날로그와 디지털 신호

아날로그와 디지털 신호 정보와 마찬가지로 신호도 아날로그 혹은 디지털.

아날로그 신호
- 전체 시간동안 부드럽게 변화하는 연속적인 파형
디지털 신호
- 이산적이며, 1,0과 같이 제한된 수의 정의된 값만 가질 수 있다.

1.3 주기 신호와 비주기 신호

주기

- 측정 가능한 시간 내에 특정한 패턴을 갖추고 나서 그 이후 동일한 주기에 동일한 패턴이 반복되는 형태.

- 하나의 완성된 패턴은 사이클 이라 불린다.
주기신호

- 주기가 있는 신호
비주기 신호

- 시간이 지나는 동안 반복되는 사이클이나 패턴 없이 항상 변한다.
데이터 통신에서 흔히 주기 아날로그 신호를 사용하거나 비주기 디지터 신호를 사용한다.

2. 주기 아날로그 신호

아날로그 신호는 단순 신호와 복합 신호로 나뉜다. 정현파와 같은 단순 아날로그 신호는 더 이상 단순한 신호로 나뉠 수 없지만, 복합 아날로그 신호는 여러개의 정현파로 나뉠 수 있다.

2.1 정현파(sine wave)

주기 아날로그 신호의 가장 기본적인 형태
한 사이클을 진행하는 동안의 변화는 부드럽고 일정하며 연속적이고 흘러가는 듯한 흐름으 갖는다.
정현파는 최대 진폭, 주파수, 위상이라는 3가지 특성으로 정현파를 나타내게 된다.

- 최대 진폭 : 전송하는 신호의 에너지에 비레하는 가장 큰 세기의 절대값

- 주기 : 신호가 한 사이클을 완성하는데 필요한 시간의 양 (공식적으로 초 단위)
- 주파수 : 1초 동안 생성되는 신호 주기의 수 (매 초당 사이클 수인 헤르츠(Hz) 로 나타냄)
  - 주기 = 1 / 주파수, 주파수 = 1 / 주기
  - 주파수는 시간에 대한 짧은 기간 내의 변화는 높은 주파수를 의미한다. 긴 기간에 걸친 변화는 낮은 주파수를 의미한다.
  - 만약 신호가 전혀 변화하지 않으면, 주파수는 0이다. 신호가 순간적으로 변화하면, 주파수는 무한대이다.

주기와 주파수 단위

2.2 위상(phase)

시각 0시에 대한 파형의 상대적인 위치를 나타낸다. 시간 축을 따라 앞뒤로 이동될 수 있는 파형이 있다면, 위상은 그 이동된 양을 이르며 첫 사이클의 상태를 표시한다.

각도나 라디안으로 측정된다.

2.3 파장(wavelength)

\[파장 = 빛의 속도 / 주파수\]

단순 정현파의 주기 또는 주파수를 전송 매체를 통한 전파 속도와 연관시킨다.
신호의 주파수는 전송 매체와 무관하지만 파장은 주파수와 전송매체에 좌우된다.
단순 신호가 한 주기동안 진행할 수 있는 거리

2.4 시간 영역과 주파수 영역

시간 영역 도면
- 시간을 고려한 신호진폭의 변화를 보여준다.
주파수 영역 도면
- 진폭과 주파수 간의 관계를 보여준다.
- 진폭의 변화는 보여주지 못한다.
- 정현파는 뾰족점 하나로 표시된다.

2.5 복합신호

단순 정현파는 데이터 통신에 큰 쓸모가 없다. 아무 의미도 없이 아무 정보도 전송할 수 없다.

데이터를 통신하기 위해서는 복합 신호를 보내야 한다. 복합신호는 여러 개의 단순 정현파로 만들어 진다.

주기신호

복합신호가 주기적이면 분해하게 되면 이산 주파수를 갖는 순차적인 정현파들로 나뉘며, 복합신호가 비주기적이면 분해하면 무한 개의 연속적인 주파수를 갖는 정현파로 나뉜다.

첫째 조파(harmonic), 기본 주파수 : 복합 주기 신호를 분해하여 복합 주기 신호와 주파수가 같은 정현파
주파수 3f의 정편파는 기본 주파수의 3배가 되는 주파수를 가지며 제 3주파라고 한다. 진폭은 1/3 이다.

비주기신호

비주기신호의 주파수 분해는 연속된 곡선으로 표시된다.

2.6 대역폭(bandwidth)

대역폭 : 신호에 포함된 최고 주파수와 최저 주파수의 차이

3. 디지털 신호

디지털 신호는 2개보다 더 많은 준위(level)을 가질 수 있다. 이 경우 각 준위로 1개보다 많은 비트를 보낼 수 있다. 일반적으로 신호가 L개의 준위를 가지면 각 준위는 log(2)L개의 비트를 보낸다.

준위가 높을 수록 정확도는 낮아지지만 빠르다.
준위가 낮을 수록 정확도는 높지만 느리다.

3.1 비트율(bit rate)

대부분의 디지털 신호는 비주기적이여서 주기나 주파수를 사용할 수 없다. 주파수 대신 비트율이라는 용어가 사용된다. 비트율은 시간당 비트 간격의 갯수이다.

비트율 : 1초 동안 전송도니 비트의 수 (bps로 표현된다.)

3.2 비트 길이

한 비트가 전송 매체를 통해 차지 하는 길이
비트길이 = 전파 속도 * bit duration

3.3 복합 아날로그 신호로서의 디지털 신호

디지털 신호는 복합신호이다. 다시 말하면, 디지털 신호의 대역폭은 무한대이다.

각 대역폭은 무한이지만 주기 신호는 이산 주파수를, 비주기 신호는 연속 주파수를 갖는다.

3.4 디지털 신호의 전송

A지점에서 B지점으로 디지털 신호를 어떻게 보낼 것인가?

기저대역 전송 또는 광대역 전송 방식으로 디지털 신호를 전송할 수 있다.

1. 기저대역 전송

기저대역(baseband) 전송 : 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 않고 있는 그대로 채널을 통해 전송하는 것
주파수 0부터 시작하는 대역폭을 갖는 저대역 통과 채널이 필요하다. 이는 오직 하나의 채널만을위해 전용으로 사용되는 매체를 필요로 함을 의미한다.
무한 대역폭을 갖는 저대역-통과 채널이 이상적이지만 실생활에서는 그와 같은 채널을 만들 수 없다.

넓은 대역폭을 갖는 저대역-통과 채널

비주기 신호를 보내기 위해선 주파수 0부터 무한대까지의 연속된 전체 스펙트럼을 모두 보내야 한다. 이는 송신자와 수신자 사이에 무한대의 대역폭을 갖는 전용 회선이 있다면 가능하다. 다행히 주파수 경계 지점에서 진폭은 매우 작아 무시 할 수 있다. 이는 동축 케이블이나 광섬유 같은 매우 넓은 대역폭을 가진 매체를 사용하면 두 지국 사이에서 매우 높은 정밀도의 통신이 가능하다는것을 의미하다.

LAN에서 많이 사용
약간의 오차는 추론 가능

제한적인 대역폭을 갖는 저대역-통과 채널

디지털 신호와 근사한 모양의 아날로그 신호를 사용한다.

대략적인 근사값

비트율 N의 디지털 신호가 있다고 가정하면신호와 대략 비슷하게 만든 아날로그 신호를 전송하려면 디지털 신호 변화의 최대 갯수를 갖는 경우를 고려해야 한다. 주파수 f=N/2의 아날로그 신호가 필요하다.

보다 나은 근사값

아날로그 신호를 디지털 신호의 모양에 보다 근접하게 하기 위해서는 더 많은 조파가 필요하다. 대역폭을 증가 시킬 필요가 있는 것이다.

기저 대역 전송에서는 요구 대역폭은 비트율에 비례한다.

더 빠르게 비트를 전송하기 위해서는 더 많은 대역폭이 필요하다.

2. 광대역 전송 (변조)

디지털 신호를 전송하기 위해 아날로그 신호로 변환하는것을 의미한다. 변조를 하면 띠대역 통과 채널을 이용하여 전송할 수 있는데, 띄대역 통과 채널은 주파수 0부터 시작하지 않는다.

가용 채널이 띠대역 통과 채널이라면 채널에 디지털 신호를 직접 보낼 수 없고 전송하기 전 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어야 한다.

4. 전송 장애

신호가 매체를 통해 전달될 때 장애가 발생한다. 보통 감쇠, 일그러짐, 잡음 세 종류의 장애가 발생한다.

4.1 감쇠

감쇠는 에너지 손실을 의미한다. 신호가 일부 저항으로 인하여 전기적 에너지가 열로 바뀐다. 이러한 손실을 줄이기 위해 신호를 증폭시키는 증폭기가 사용된다.

데시벨 : 2개의 서로 다른 점에서 두 신호 또는 하나의 신호에 대한 상대적 세기를 측정한다.
- 신호가 감쇠되면 음수이고, 증폭되면 양수이다.
- \[dB(데시벨) = 10 * log_{10}{p2\over p1}\]
- db(데시벨) = 10*log(p2/p1) (전압을 사용하여 정의 하였을 때)

4.2 일그러짐

일그러짐은 신호의 모양이나 형태가 변하는 것을 의미한다. 반대되는 신호를 발생시키거나 전혀 다른 주파수 신호를 만든다.

각 신호는 매체를 통과하면서 전파속도를 가지며, 도착지에 도착할때는 지연을 갖는다. 지연이 주기시간동안 정확하지 않으면 지연의 차이는 위상의 차이를 야기한다. 수신자의 신호 구성 요소는 송신자가 보낸 신호와 다른 위상을 갖는다.

4.3 잡음

열 잡음, 유도된 잡음, 혼선, 충격 잡음 과 같이 여러 형태의 잡음은 신호를 변화시킨다.

신호 대 잡음 비 (SNR) : 잡음의 전력에 대한 신호 전력의 비율

\[SNR = {average\;signal\; power \over average\; noise\; power}\]
\[SNR_{dB} = 10 log_{10}SNR\]
잡음이 없는 채널의 SNR과 SNR_db는 무한대이다. 하지만 이상적인 값일 뿐이다.

5 데이터 전송률의 한계

데이터 전송률은 다음의 세 요소에 의해 좌우된다.

가용 대역폭
사용 가능한 신호 준위
채널의 품질

5.1 무잡음 채널 : 나이퀴스트 비트율

잡음이 없는 채널의 경우 나이퀴스트 비트율이 이론적인 최대 전송률을 정의한다. \(Bit\ Rate = 2 * bandwith*log_2L \,(bandwith : 대역폭, L : 데이터를\ 나타내는데\ 사용한\ 신호\ 준위\ 갯수)\)

5.2 잡음이 있는 채널 : 섀넌 용량

실제 무잡음 채널은 없다. \(Capacity = bandwith * log_2{(1+SNR)}\)

용량은 bps 단위의 채널 용량이다.
섀넌 수식에는 준위 갯수가 필요 없다.
SNR의 값이 높을 때
- \[C = B * SNR_{dB}/3\]

실제에 있어서는 어떤 신호 준위의 어떤 대역폭이 필요한지 알기 위해 두 가지 방법을 모두 사용한다.

섀년 용량은 전송률의 상한값을 알려주고, 나이퀴스트 공식은 몇 개의 신호준위가 필요한지 알려준다.

6. 성능

6.1 대역폭

이 용어는 두 가지 다른 값을 측정하는 다른 뜻으로 사용될수 있다.

헤르츠 단위의 대역폭
- 복합 신호에 포함된 주파수 영역
- 채널이 통과시킬 수 있는 주파수 영역
비트율 단위의 대역폭
- 채널이나 링크 또는 네트워크가 통과시킬수 있는 초당 비트 수

헤르츠 단위의 대역폭이 늘어나면 비트율 단위의 대역폭이 늘어난다. 둘 사이의 관계는 기저대역 전송을 하느냐 변조 전송을 하느냐에 좌우된다.

6.2 처리율

처리율은 어떤 지점을 데이터가 얼마나 빠르게 지나가는가를 측정하는 것이다. 어느 링크가 B bps 대역폭을 가질 수 있으나 이 링크를 사용하여 항상 B 보다 작은 Tbps의 처리율만 가능하다.

6.3 지연

지연은 발신지로부터 첫 번째 비트가 목적지를 향해 떠난 후 온전히 전체 메시지가 모두 목적지에 도착할 때까지 소요된 시간이다. \(지연 = 전파\ 시간 + 전송\ 시간 + 큐\ 시간 + 처리\ 시간\)

전파 시간

비트가 발신지로부터 목적지까지 이동하는데 소요되는 시간
\[전파\ 시간 = {거리 \over 전파\ 속도}\]

전송 시간

첫 번째 비트가 송신자를 떠난 시간과 마지막 비트가 수신자에게 도달한 시간의 차이.
\[전송\ 시간 = {메세지\ 길이 \over 대역폭}\]

큐 시간

도중 또는 종단 장치들이 메시지를 처리하기 전까지 메시지를 가지고 있는 시간
큐 시간은 일정하게 정해져 있지 않고 네트워크의 부하에 따라 바뀐다.

6.4 대역폭-지연 곱

대역폭-지연 곱은 링크를 채울 수 있는 비트의 수를 의미한다.

6.5 파형 난조

서로 다른 데이터 패킷이 서로 다른 지연 시간을 가지게 되어 수신자 쪽의 음성이나 화상처럼 시간에 민감한 응용 시스템이 겪는 문제.