Transmission media

유선 케이블

 

전기가 통한다 = 정보가 새어 나갔다.

 

lower frequency로 고속 구현하기는 일반적이지 않음 => 추가적 기술(crosstalk cancellation)이 필요

 

성능: Twisted Pair < Coaxial Cable < Optical Cable

 

Twisted Pair

 

 

: 꼬아진 두 개의 구리선 전압 차이로 신호를 생성

* interference가 들어왔을 때, 

twisted 되어있지 않으면 서로 받는 주파수가 다를 수 있음 => twist 시킴으로써 그 차이를 줄임!!

(+) 싸고 사용 쉬움

(-) 성능 안 좋고 좁은 범위만 커버 가능

 

<특성>

 

- 사용되는 distance, bandwidth, data rate 범위가 좁음

- interference 와 noise 영향 많이 받음

- applications

* analog&digital 기기 모두에서 가장 흔한 medium

* subscriber loop(댁 내 망): CO(회사의 첫 기기)와 CPE(댁 내 모뎀) 사이 연결선

* LAN에서 주로 사용. 100m선일 때 100Mbps(거리에 따라 noise, attenuation도 증가하므로 거리가 중요)

-> 거리를 더 짧게 구현한다면 10Gbps까지 가능

 

 

모든 조건이 같을 때 케이블 길이가 짧을수록 집단이 느끼는 총 data rate이 빨라짐(attenuation이 줄어들기 때문)

같은 주파수롤 써도 체감 data rate 빨라짐

 

<종류>- 포장 여부에 따라 attenuation이 달라짐

- U/UTP(Unshielded Twisted Pair)

: 감싸지 않음

 

- F/UTP

: 전체 묶어서 호일 하나로 감쌈

 

- SF/FTP

: 개별적으로 종이호일로 싸서 분리 + 전체 묶어서 호일 하나로 감쌈

 

- S/FTP(Shielded Twisted Pair)

: 개별적으로 braid로 싸서 분리 + 전체 묶어서 braid 하나로 감쌈

 

=> 결과만 이해할 것: "더 많이 shield될수록 -> attenuation이 적음 -> 더 빠른 주파수 rate 체감 가능, but 비쌈"

* crosstalk loss: 어떤 pair의 누화가 인접한 다른 pair에게 간섭을 주는 것 

 

즉, 다음과 같은 관계를 가진다.(중요)

 

- 송신한 신호 대비 수신한 신호 세기에 반비례(o)

- 똑같이 보냈는데 더 적게 받았으면 attenuation이 더 큼(o)

- Pt의 frequency가 클수록 Pr(수신 신호 세기)은 작고 Pc(crosstalk)는 큼

=> Pc < Pr 이 어느정도 유지된 상태에서 frequency 높여야 함

 

<Frequency에 따른 Attenuation & NEXT>

Coaxial Cable

- Twisted pair보다 더 먼 거리, 더 많은 station 지원, interference와 crosstalk 영향 덜 받음

- attenuation & noise 의 제한 받음

- 지원하는 app도 많음

* Television distribution

* Long distance telephone transmission(CATV) => 동시에 10000개 이상의 voice call 지원 가능

- 해저케이블이 coaxial cable로 구성됨 => 모든 국제 traffic은 해저케이블을 타고 나감

- Digital signal은 "closer spacing required for higher data rates"

=> attenuation이 더 일어났을 때 재생을 빨리 시켜버린다.

 

Optical Fiber

 

: 전압이 흐르면 빛을 방출하는 반도체 기술

 

 

- Light Emitting Diode(LED): 더 싸고 오래 감

- Injection Laser Diode(ILD): 성능 더 좋음(data rate 더 큼)

 

	Twisted Pair	Coaxial Cable	Optical Fiber
LAN (Residential network, Enterprize network Data center)	o (Twisted Pair 사용해 residential network 구현 가능)	o	o
WAN	x	o	o
submarine cable	x	o	o
Analog signal을 쓸 때는 amplifier, digital signal을 쓸 때는 repeater 사용

 

=> Twisted pair은 주로 좁은 지역에서, coaxial, optical은 넓은 지역에서도 사용

 

 

- diameter: 약 0.0125cm

- 다양한 glasses & plastics로 구성됨

 

<장점>

- 용량 큼 -> 적은 repeater & 높은 성능

: data rate "수백Gbps/수십~수백 km" 커버 가능 -> 수천 km 가야 한다 해도 repeater 간격 길게 해 비용 감소 가능 & 성능 good

- 사이즈 작음 & 가벼움

: coaxial과 twisted pair보다 얇음

- Attenuation 적음

- 전기적 고립

 

<활용>

: 네트워크 코어에서 optical fiber이 가장 많이 쓰임

 

- long-haul trunks(장거리 통신)

: 1500km 거리를 20000~60000개의 voice channel이 공유 가능

- metropolitan trunks(대도시): 좁은 공간에 인구밀도 높음

: 12km라는 짧은 거리를 100000개의 voice channel이 공유

- rural exchange trunks(소도시): 넓은 공간에 인구밀도 낮음

: 40~160km라는 거리를 5000개의 voice channel이 공유

- Subscriber loops

- LAN & WAN

 

<종류>

성능: single mode fiber < multimode fiber

	single mode fiber	multimode fiber
core 크기	작음(9 micrometer)	큼(62.5 micrometer)
사용 기술	lasers	LED
loss	적음	큼
bandwidth	큼	작음
커버 가능 distance	긴 거리(60km~)	짧은 거리(~1km)
installation cost	비교적 높음	비교적 낮음
connector 비용	비교적 높음	비교적 낮음
주로 사용되는 곳	WAN, MAN, Access, Campus	LAN, CO

simplex vs duplex "connector"

무선 케이블

 

<Wireless Transmission Frequencies>

 

: 무선 통신 기기의 주파수 대역

 

-> 모두 전파 방식이 고주파로 LoS(Line of Sight), 즉 눈에 보이는 곳에서 통신

세 종류 중 대표적인 broadcast radio, microwave, antenna에 대해 살펴보자.

 

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Antenna

 

: 전자기적 에너지를 모으거나 방사하기 위해 사용(전기적 에너지 -> 전자기적 에너지 바꿔서 주변으로 방사)

: 송수신 시 같은 antenna 사용

 

1. Isotropic antenna

: 모든 방향으로 똑같이 방사(이론적인 모델)

 

2. Omnidirectional antenna

: 수직/수평 중 어느 한쪽 plane(평면)으로 360도 방사

=> 수신자가 어디에 있는지 모를 때, 혹은 송신자가 어디에 있는지 모를 때 사용

 

omnidirectional antenna

 

3. Directional antenna

: 한 평면이지만 360도 가 아니라 한 쪽(180도?) 

한 방향으로 큰 힘 방사 -> 성능 향상 & interference 감소

: Satellite TV, Sector cells in cellular NWs 등에 사용

 

 

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Microwave

 

: directional

"higher frequency -> shorter wavelength -> shorter antenna -> smaller device"이기 때문에

주파수가 클수록 작은 기기를 만들 수 있음

 

- 보통은 반지름이 3m인 접시 모양

- LoS(Line of Sight) transmission을 위해 antenna 고정돼 있고, 좁은 beam에 집중

- 높은 곳에 위치

- 장거리 전송을 위해 microwave relay tower 존재

 

1. Terrestrial Microwave Applications

- coaxial cable, optical fiber 대신 장거리 통신할 때 사용

- voice와 TV 전송 모두에 사용

- repeater 적게 요구하지만 LoS(Light-of-Sight) transmission 요구

- higher data rate(1-40GHz), higher frequencies

- 야외에서 사용하므로 attenuation 불가피

- 같은 회사 다른 건물을 연결할 때 사용 하기도 함

2. Satellite Microwave

- microwave relay 진행 -> 받은 신호의 주파수 대역과 다른 주파수 대역으로 보냄

- 두 개 이상의 지상 station을 연결하기 위해 사용

- point-to-point, multipoint 두 형식 다 가능

"GPS"

미국의 것을 전세계가 빌려쓰는 것이므로, 미국이 빌려주지 않으면 쓸 수 없게 됨..

-> 우리나라에서는 KPS(한국형 위성항법시스템) 개발 필요성 강조되는 중

 

현재 우리나라의 위성은 8개 !

-> KPS 개발된다면, GPS 서비스 제한 상황에서도 독자적인 고정밀의 PNT(Positioning, Navigation, Timing) 서비스를 계속 사용 가능

 

 

- 최적의 frequency: 1~10GHz

* 1GHz 이하 => 자연의 소리

* 10GHz 이상 => atmospheric absorption & precipitation

 

- frequency 범위

* uplink(지구->위성): 5.925~6.425GHz

* downlink(위성->지구): 3.7~4.2GHz

 

!!! 단 해당 bandwidth를 사용하라는 뜻이지, bandwidth가 딱 이만큼은 아니라는 것을 알아둬야 한다 !!!

-> 이거보다 적은 주파수를 사용할 수 있고 많은 주파수를 사용할 수 있지만 후자는 추가 기술 사용해야 한당

 

다운로드 횟수가 더 많기 때문에 보통 downlink의 bandwidth가 더 높다.

-> uplink speed < downlink speed

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Broadcast radio

 

: omnidirectional

 

- Radio: 3~300GHz 주파수를 커버하는 모든 기기를 radio라고 함

- Broadcast radio: 30MHz~1GHz

* FM radio, UHF, VHF television band

* Data networking applications

- LoS(Line of Sight)로만 통신 가능

* LoS: TX와 RX가 서로를 볼 수 있는 것

- (모든 무선통신 공통) multipath interference이 신호 품질을 떨어뜨림

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wireless propagation의 종류에는 다음과 같이 세 개가 있다.

Ground wave propagation (~2MHz)	Sky wave propagation (2~30MHz)	Line-of-Sight(LoS) propagation (30MHz~)
- 지구의 곡률을 따라감 - AM radio * AM: lower frequency -> lower energy -> 곳곳을 지나갈 수 있음	- amateur radio & international broadcasts (BBC/Voice of America) * FM: higher frequency -> higher energy -> 빨리 끊겨버림

 

여태까지 말한 세 개의 wireless propagation(Antenna, Microwave, Broadcast radio)는 모두 LoS를 따른다.

- Radio LoS: Microwave, Broadcast radio => 조금 굽음

- Optical LoS: Antenna => 거의 직선으로 떨어짐

 

AM: lower frequency -> lower energy -> 곳곳을 지나갈 수 있음

FM: higher frequency -> higher energy -> 빨리 끊겨버림

 

<LoS의 한계>

Line-of-Sight Transmission

 

- Free space loss

: 멀리 갈수록 attenuation

 

- Atmospheric Absorption

: 진공 상태가 아니므로 물/공기에 흡수

 

- Multipath

: 의도하지 않은 것도 반사되어서 도착 -> 원래 신호를 방해

 

- Refraction

: 밀도가 높으면 굽어짐

 

 

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<4장 정리>

- 어느 frequency 대역에서 만든 signal인지에 따라서 구현할 수 있는 대역폭이 다르다.

higher frequency -> 작은 기기

 

- 좋은 케이블일수록 attenuation이 작음

frequency 똑같을 때 거리가 멀수록 attenuation 더 일어남.

같은 종류의 케이블을 썼을 때 더 고주파인 쪽이 attenuation 더 일어남. -> 더 많은 repeater/amplifier 사용해야

 

- 어떤 케이블을 쓰든 analog signal과 digital signal을 보낼 수 있음

TX가 무슨 carrier signal을 만들었는지에 따라 다름