Chapter4. Transmission Media(L1)

<Learning objectives>

 

1. signal, frequency, channel, bandwidth, data rate

- channel: data를 품고 있는 signal이 지나가는 논리적인 통로 -> 물리적 길 안에 여러 개의 channel 가지고 있음

- bandwidth(link의 성능)

* channel bandwidth의 upperbound

* signal을 만들 때 사용 - signal은 channel을 통해 가기 때문에 

* data rate 결정

** data rate: 항상 user의 입장

 

2. analog/digital signal

 

* transmission system: L1에 포함된 NIC카드 내 TX가 신호(사용하는 기기의 주파수 대역에 맞춰진 carrier signal)를 보내면 RX도 동작해야 함.

=> 서로 소통하는 NIC는 같은 NIC카드 가져야 함(같은 방식으로 동작해야 함)

 

 

sender가 receiver로 보내질 때 loss 없이 보내지는 것이 목표

(연결 방법 1) OS 없는 장비들

(연결 방법2) connector, curve

 

3. Electromagnetic spectrum

해당 주파수 스펙트럼으로 동작하는 유선 케이블의 종류, 무선 통신 종류

 

4. Physical transmission media

 

- Guided(유선)

: twisted pair, coaxial cable, optical fiber(비용: twisted<coaxial<optical)

=> 각 3개가 어떤 측면(Attenuation/Delay distortion/Noise)에서 어떤지 매핑하기

 

- Unguided(무선)

: Isotropic/Parabolic antenna

: Terrestrial microwave, Satellite microwave, Broadcast radio

: 3 wireless propagation(Sky wave propagation, Ground wave propagation, LoS propagation)

 

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Data

 

: 정보를 담은 객체

 

셀 수 있으면 digital-ex. 1~20 정수를 value로 가지는 데이터

셀 수 없으면(various=continuous=infinite) analog-ex. 1~20 실수를 value로 가지는 데이터

 

 

Data communication

 

Data는 TX(sender)에서 RX(receiver)로 전송됨

* one point to another = TX to RX

 

 

Signal

 

- <사전적 의미>

an action, sound, or movement that conveys a message, information or order; an information conveying mechanism: hand gesture, talking, traffic signal, etc..

: message, information, order 등을 전달하는 활동/소리/움직임

 

- An electromagnetic or electrical current that carries data from one system or network to another

: 0/1로 표현되어 전송되는 전기적 데이터

 

- Data is transferred from one point to another as signals by using an electric quantity(i.e. voltage, current, energy) that varies in time and space(or frequency).

 

- Analog signal(telephone) vs. Digital signal(computer)

 

- baseband signal

: unmodulated form(신호의 원래 모습)

: frequency signal 낮음

ex. 원래 새 소리

- carrier signal(or carrier)

: modulated form

: frequency signal 높음(주로 먼 거리를 가려고 하기 때문에)

ex. 주파수 범위를 토대로 변조된 새 소리(어떤 link를 쓰느냐에 따라 허용 주파수 범위가 달라지기 때문에)

ex. 전화기(작은 목소리로 말하더라도 전화의 주파수 범위에 맞춰 크게 들림)

 

 

 

signal 종류

 

analog signal

analog signal은 infinite한 값을 가짐

digital 신호 -> analog 신호 변환해 들려주는 기기

<장단점>

(+) lower bandwidth 필요

- speech bandwidth: 100~7000Hz -> baseband signal

- telephone bandwidth: 300~3400Hz -> carrier signal

- video bandwith: 4MHz

(+) digital signal에 비해 less affected by attenuation

* attenuation: "감쇄"(receiver가 너무 멀리 있으면 감쇄)

(-) digital signal에 비해 more noise distortion, interference

ex. lp판은 먼지, 온도 등에 민감

 

 

digital signal

 

 

- voltage는 5개의 discrete value를 가짐

- finite한 값을 가짐

- mors code, IRA, ASCII 등 사용해, text/character string들을 binary bit로 바꿔 만들어짐

* cannot be in character form

 

 

- TX의 digital 신호를 RX가 똑같이 받았으면 함

: 0/1이 각각 어떤 voltage로 읽힐 것인지는 sender&receiver의 공통적인 NIC 카드 내용에 따라 다름

 

- binary scheme 공통적으로 사용

: binary data는 digital voltage pulse로 바뀌어 전송

: 두 개의 voltage level-0과 1-을 통해 표현

: system마다 bit interval을 정함

* bit interval=0.02msec이면, 1 bit가 가는 데 0.02msec 걸린다는 뜻!

-> 1 bit : 0.02msec=x bit : 1sec -> x=10^6

해당 시스템의 data 처리 속도는 bit interval를 결정한다 !

 

- 큰 값들은 binary bit들의 묶음으로 표현됨

* symbol: signal을 이루는 기본 단위

ex1. "In a 1-bit system, a 0 represents a data value of 0, and a 1 represents a data value of 1."

-> "1 bit system=1 symbol"(하나의 symbol로 1-bit system 표현)

ex2. "In a 2-bit system, a 00 represents a data value of 0, and a 01 represents a data value of 1, a 10 represents a 2, and a 11 represents a 3."

-> "2-bit system = 1 symbol"(하나의 symbol로 2-bit system 표현)

ex3. "In a 16-bit system, the larges number that can be represented is 2^16-1, or 65535."

-> "16-bit system = 1 symbol"

-> ex3이 가장 발전된 형태이고, 

ex1의 1-bit system은 16개의 bit가 필요한 것 !!!

 

=> 중요한 것은 "1초당 전송한 symbol 개수가 많으면 고속이다" 라는 결론,

그리고 우리는 ex1으로 볼 것이기 때문에 너무 집중하지는 말자..

 

 

<장단점>

- 장점

(+) less noise, distortion, interference

* 0 또는 1로 이진분류하면 되기 때문에 오류가 나도 RX가 찍든가 해서 복원 가능

* noise는 transition spike(전압이 달라지는 지점)에만 붙기 때문에 판단 및 복원이 쉬움

 

(+) more accurate(secure)

* error detection과 correction 코드 -> 정확

* encryption 코드 -> 안전

(+) reproduce(찍어내기)가 쉬움

 

- 단점

(-) 높은 bandwidth 필요

(-) more affected by attenuation

(-) more complex

 

Analog signal vs Digital signal

 

	Analog signal	Digital signal
data value	continuous -> value 개수 무제한	discrete -> value 개수 제한
wave type	Sine Wave	Square Wave
representation
bandwidth	낮음	높음
parameters associated	Amplitude, Frequency, Phase	Bit rate, Bit interval
transmission quality (susceptible to: 영향 적게 받는)	(+) less attenuation (영향 적게 받음) (-) more noise interference (영향 많이 받음)	(+) less noise interference (영향 적게 받음) (-) more attenuation (영향 많이 받음)
data storage	wave form으로 저장	binary bit 형식으로 저장
transmission rate	느림	빠름
application	audio & video 전송할 때 사용	computing & digital electronics에서 사용

 

(시나리오1)analog와 digital 신호를 동시에 전송하는 상황

신호 세기, frequency 모두 같다고 가정할 때,

digital 신호로 받는 destination(RX)이 더 가까이 있어야 함 !!

 

(시나리오2) RX가 둘 다 멀리 있는 상황

둘 다 attenuation이 불가피하지만 digital 신호를 받는 곳에 signal을 증폭하는 L1 장비를 더 많이 두어야 함

(직진성 때문에 손실 쉽기 때문)

 

Modem & Codec

 

digital 신호끼리, analog 신호끼리 소통되는 것이 일반적이지만,

불가피한 경우 둘 사이의 소통이 일어나야 할 때도 있다. 그런 상황을 위해 modem과 codec이 나온 것.

 

- Modem: digital signal->analog signal

- Codec: analog signal->digital signal

 

Amplifier vs Repeater

 

: signal attenuation 등이 일어나면 감쇄되기 때문에 증폭을 해줘야 한다.

digital signal 증폭에는 repeater,

analog signal 증폭에는 amplifier가 사용된다. 따라서

 

- analog transmission system = analog signal을 처리하는 L1 장비(amplifier)가 있는 system

- digital transmission system = digital signal을 처리하는 L1 장비(repeater)가 있는 system

보통은 파란색

 

amplifier와 repeater은 L1에서 signal를 증폭시킴 !! 

Amplifier	Repeater
signal을 증폭하는 기능 !
amplitude 증가시킴	TX와 RX 사이 signal를 반복
analog signal을 증폭	digital signal를 반복
(+) analog 신호는 fade out 느림 -> 더 먼 거리 갈 수 있음 -> 개수 적음 -> 돈 덜 비쌈	(-) digital 신호는 fade quickly -> 개수 많이 둬야 함 -> 비쌈
signal과 noise 둘 다 증폭(noise 제거 기능 없음)	signal만 regenerate(noise 제거해 새것으로 만들어 전송)
(-) analog signal은 noise가 여기저기 붙기 때문에 noise만 뗄 수 없음 -> signal amplify할 때 noise 같이 증가 but,, amplifier 부분에 noise가 붙어 amplifier 부분이 더 증가 -> noise 비율(SNR) < amplifier 비율(SNR) (noise 제거는 불가)	(+) digital signal은 transition spike에만 noise가 붙기 때문에 뗄 수 있음 -> maximize SNR 가능

 

* SNR(Signal-to-noise): noise를 이기는 signal의 세기

항상 signal 세기는 원래 세기가 아니라 noise를 얼마나 이기느냐로 정의됨 !!

 

signal-frequency domain concepts

 

signal은 frequency를 표현한 함수 -> 많은 sine wave(frequency)로 이루어짐

 

- Absolute bandwidth

: 밑의 그림에서 f값

ex. 100MHz = 100Mbps

 

- (Effective) bandwidth

: signal의 bandwidth = signal이 얼마나 많은 데이터 표현 가능한지(data rate)

: 밑의 그림에서 f~7f 사이 폭(6f값)

ex. 6*100=600(MHz)=600Mbps

 

===> 따라서 f(Absolute bandwidth)가 커질수록 bandwidth가 커짐 !!

cf) channel bandwidth

: signal bandwidth 최대한도 결정하는 요인

* channel: 물리적 통로 안의 논리적 통로

signal들은 channel의 bandwidth 사용 -> signal bandwidth < channel bandwidth

 

=> 높은 frequency 쓸수록 높은 bandwidth 사용 가능

 

<sine wave>

 

- Peak amplitude(A)

: 최대 signal 세기

: 단위-volts

 

- Frequency(f)

: 단위 시간 안에 signal이 몇 번 반복되는지

: 단위 - Hz, cycles per second

: T(Period) = 1/f => 반복 한 번 당 걸리는 시간

 

- Phase

: 하나의 period 안에서 시간에 따른 상대적 위치

RX, TX 간 위상이 ㅠ/2만큼 깨짐 = 시간차가 ㅠ/2만큼 난다는 뜻(그림과 같음)

 

- Wavelength(파장)

: 하나의 cycle이 차지하는 distance(거리)

: 파장 = v의 속도로 T라는 시간 동안 간 거리(v*T)

λ=vT

λf=v

 

이 식은 antenna의 길이를 계산하기 위한 식이다.

frequency 조정이 mobility 등장을 만들어준 antenna 길이 감소와 어떻게 관련이 있는지 알아보자.

 

"higher frequency -> higher bandwidth -> higher data rate -> smaller device(mobility) -> cheaper"

higher frequency -> shorter wavelength -> more pressure(heat) -> more attenuation

 

그래서 frequency를 높게 하려는 것이다.

1번보다 2번일 때 antenna 길이가 작은 것을 통해 확인 가능하다.

 

 

Transmission(=Signaling)

 

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<아까 한 내용 복습>

Data transmission은 TX와 RX 간 이루어진다.

그 사이에 transmission medium을 지나는데, transmission medium 은 물리적 통로이고,

그 안에 다수의 논리적 통로 channel이 존재한다.

signal들은 channel bandwidth를 사용해 전달되기 때문에 "signal bandwidth <= channel bandwidth"

signal에 noise가 추가되어 있다면 signal bandwidth < channel bandwidth

 

- Guided media(유선)

- Unguided media(무선)

 

 

- transmission delay: signal(bit)을 bit(signal)로 변환하는 데(electrical/optical/wireless signal로 바꾸는 데) 걸리는 시간

- propagation delay: 1bit가 sender->receiver로 전송되는 데 걸리는 시간  => 거리가 멀어지면 delay 커짐

amplifier나 repeater 사용

 

link 성능의 영향을 받음

 

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Line Configuration

 

<Direct link>

: "sw 처리해주는 OS 장비(L2, router 등) 없이 연결됨" = "bit-signal 변환 일어나지 않는 방식"

* L2,3 장비들은 bit <-> signal 변환을 지원하지만

L1 장비는 제공하지 않는다.

* connector, curve는 OS 없고 물리계층만 있는 장비

 

<Topology>

: medium에서 station의 물리적 배열

primary host에는 Hub, bridge, L2 switch 등이 있다..

 

- Point-to-point(P2P)

: TX와 RX 간 일대일 direct link 존재

ex. TX가 RX에게 보내면 일단 RX에는 문제 없이 도착

-> RX가 다른 TX들에게 어떻게 줄지는 그후 문제

 

- Multi-point

: 2개 이상의 TX가 RX를 공유할 때

1.  의도치 않은 broadcasting -> 누가 받아야 하는지 결정하기 위한 addressing 필요

2. 두 개가 동시에 TX이면 충돌 발생 -> Media Access Control 필요(시간 벌기 위해)

 

 

===> P2P는 문제가 생겨도 두 개 사이에서만 생기지만,,

Multi-point는 문제가 생기면 공유하는 기기 수만큼 생기기 때문에 타격이 크다.

 

Transmission Modes

 

<Simplex> - 방송

: 한 쪽은 TX만, 한 쪽은 RX만 존재 -> 역할 명확 -> 데이터 전송 방향 정해져 있음

 

<Duplex> 

Simplex와 달리 양쪽으로 통신 가능하지만

- Half duplex: 한 번에 하나씩만(only one logical channel)

일차선 도로라고 생각하면 됨(one-lane, two-way bridge) -> 누군가 오고 있으면 못 감

 

- Full duplex: 한 번에 두 개 동시 가능

이차선 도로라고 생각하면 됨(two lane, two-way bridge) -> 누가 오고 있어도 갈 수 있음

ex. TCP는 full duplex -> 받은 것 처리하는 동시에 보낼 수 있음(모듈이 따로 존재하기 때문)

 

 

channel capacity-Bandwidth and Data rate

 

<(Channel) Bandwidth>

larger bandwidth -> faster data rate

* bandwidth = maximum data rate

 

cf) analog device의 bandwidth 단위 = Hz

digital device의 bandwidth 단위 = bps

 

<Data rate <= Bandwidth>

: frequency 높으면 -> bandwidth(bps) 크면 -> data rate(bps) 빠름

* transmission impairment -> SNR 떨어짐 -> 이걸 막기 위해 높은 frequency 씀 -> bandwidth 크게 -> data rate 빠르게

 

ex. 1Gbps라는 data rate을 원한다면, channel bandwidth가 최소 1Gbps가 되어야 함

=>

1. frequency spectrum이 frequency가 큰 쪽(예컨대 2GHz~3GHz)에 있어 bandwidth(폭)가 충분히 넓어야 함

2. noise, attenuation 등으로 인한 신호 감쇄를 방지하기 위해, SNR(noise를 이겨내는 신호) 확보해두어야 함 !!

 

 

ex. 

<channel의 폭(bandwidth) = service quality>

A = B = C = 6MHz

 

다음과 같이 주파수 bandwidth(data rate)

AM < FM < Cellular/wifi

 

AM: 526.5~1606.5 kHz (channel BW: 10kHz)

FM: 88~108 MHz(channel BW: 200kHz)

Cellular, wi-fi: 300MHz~30GHz

* 4세대, 6세대 wifi: dual band router 사용 -> 두 개의 bandwidth(2.4GHz, 5GHz) 중 선택 가능

- 2.4GHz는 lower frequency -> further range, vulnerable to interference

- 5GHz는 higher frequency -> shorter range, less vulnerable to interference

 

 

* cf) higher frequency -> shorter wavelength -> higher pressure(heat) -> lower voltage -> higher attenuation -> 부딪히면 주저앉음(직진성 강함) 

 

Transmission Impairments

transmission impairment를 없애야 SNR 높일 수 있다..

 

<원인>

1. Attenuation: reduction of the amplitude of signal(신호 세기가 줄어드는 것)

 

<attenuation을 결정짓는 요인>

- signal의 전송 거리에 비례(특히 유선 medium에서)

: RX가 디지털신호일 때, RX가 더 멀리 있으면 attenuation 증가

- frequency에 비례

: 한 쪽의 TX가 더 높은 주파수를 쓴다면 RX에 도착하는 signal이 더 약함

- 케이블 종류 => 막판 뒤집기!

똑같은 거리의 똑같은 주파수여도 케이블 종류에 따라 달라짐

ex. optical fiber은 frequency 높음, 하지만 attenuation이 다른 종류를 썼을 때보다 훨씬 적음

 

Q1) RX까지의 거리가 똑같을 때, frequency가 어때야 attenuation이 많을까?

=> 높아야 attenuation 많음

 

Q2) frequency가 똑같을 때 RX까지의 거리가 어때야 attenuation이 많을까?

=> 멀어야 많음

 

Q3) RX까지의 거리도 다르고 frequency도 다르면?

=> attenuation 어떤지 비교 불가

 

- 원래 TX가 의도한 대로 복원하려면 attenuation이 어느 정도 선에서 일어나야 함

 

digital signal의 attenuation을 예로 들어보면,

주파수 성질대로 attenuation 일어남 -> transmission 부분에서 attenuation 발생 -> 급속하게 변조 발생 -> 증폭하면 어디가 0이고 1인지 알 수 없게 됨 -> 반드시 regeneration 거쳐야 함

=> 따라서 attenuation이 너무 심하면 안 된다 !

 

 

 

2. Delay distortion: phase(신호의 상대적 위치) shifts

 

signal은 여러 개의 주파수를 조합하여 만들어짐 -> 각 주파수 별로 velocity가 다름 -> 다시 조합했을 때 phase 어긋남(특히 higher frequency쪽이 강렬하게 증가/감소하기 때문)

 

3. Noise: unwanted additional signal

 

- Thermal

: 발열 ex. 데이터센터

- Intermodulation

: signal 만들어 보냈는데 통로 내 여러 개의 channel이 각각 다른 frequency 사용 -> 여러 개가 합쳐지는 일 발생 가능 -> 다른 signal 방해

- Crosstalk

: 한 쪽 signal이 다른 signal과 엉뚱하게 엉켜 합쳐짐

=> intermodulation&crosstalk는 interference

* intermodulation: 통로 내 channel들이 합쳐짐

* crosstalk: 엉뚱한 channel들끼리 합쳐짐

- Impulse

: 불연속적인 소리가 갑자기 강력하게 영향 줌

ex. lightening, solar flame, aurora

* analog signal은 별 영향 없음

* digital signal은 원래 noise 영향을 덜 받지만,, impulse의 영향은 중대하게 받음 -> 복원이 어려우므로 2계층에서 다시 받는 방법 뿐..

 

medium의 종류에 따라 channel의 bandwidth(data rate, distance) 어느정도 결정한다고 했었다.

- guided: 유선이므로 조절이 어느정도 가능 -> medium 종류가 가장 많이 결정

- unguided: 조절이 불가능 -> signal 본연의 bandwidth에 의존

 

=> 이 세 가지를 감소시켜야 impairment 줄여 SNR 높이기 가능

 

Design factors to determine data rate & distance

 

- Bandwidth

: higher bandwidth -> higher data rate

- Transmission impairments

: attanuation, delay distortion, noise

: Impairment는 신호가 갈 수 있는 distance를 제한(distance 줄어듦 -> repeater 개수 증가 -> 비용 증가)

- Interference(crosstalk)

: crosstalk 얼마나 없앴는지에 대한 지표 -> 값 클수록 많이 없앤 것이므로 good

- Number of receivers

: P2P냐, multi-point냐(topology)에 관한 것

: multi-point topology일 때,,

* receiver(RX)가 많으면 점점 가다가 attenuation 발생해 마지막 receiver 못 받을 수 있음

* 정해진 receiver 수가 찼는데 또 추가되어야 한다면, LAN segmentation을 통해 다른 그룹을 두어야 함.(for attenuation preventation)

number of receivers

 

Electromagnetic Spectrum

 

higher frequency = higher energy = more power = shorter wavelength = shorter antenna = smaller device = less coverage

 

Guided Transmission Media

 

<성능을 좌우하는 지표(parameter)>

1. frequency band 어디?

2. 구현 가능한 bandwidth?

3. attenuation을 얼마나 이겨낼 수 있니?

4. 얼마의 distance 갈 수 있니?

5. 몇 개의 repeater 필요하니?

6. error rate은 얼마?

7. cost는 얼마?

8. RX의 개수는?

 

위 지표들에 따라 평가된 성능은

 

Twisted pair < Coaxial cable < Optical fiber

 

따라서 다음과 같은 표를 얻을 수 있다.

P2P Transmission Characteristics of Guided Media

 

여러 가지 L2프로토콜(Ethernet, ATM 등)에서 다 씀.

But 어느 프로토콜인지는 신경쓰지 않고 그 특정 케이블 종류에만 집중할 것이다.

 

attenuation은 거리, 주파수에 비례

 

* 동일한 주파수로 쐈을 때 Twisted pair 보다 coaxial cable이 더 attenuation 적음

-> 동일 거리 동일 주파수로 가면 (상위계층이 느끼는) data rate이 빠르다

 

* 밑으로 갈수록 repeater에 들어가는 비용이 적은 대신 cable 자체가 비쌈..