2 . Physical Layer-1

데이터 전송의 이론적 분석(푸리에 변환), 채널을 통해 전송될 수 있는 한계(최대 데이터 전송률)를 살펴본다. 유도전송매체(동선, 광섬유), 무선(지상파), 그리고 위성의 전송 매체에 대하여 살펴본다. 아날로그 신호가 디지털 비트로 전환되고 복구되는 Digital Modulation과 어떻게 동일한 전송 매체에 같은 시간에 간섭없이 수용되는지에 관한 Multiplexing 방법을 살펴본다.

The Physical Layer

Data link layer에 bit-by-bit 전송을 에러 없이 전송하는 기능/ 0을 보내면 0, 1을 보내면 1이 전송돼야함

데이터 전송

  • Analog data -> Digital Signal: Codec
  • Digital data -> Analog Signal: Modem
  • Analog signal -> Analog Transmission: Amplifier
  • Analog/Digital signal -> Digital Transmission: Repeater

푸리에 이론

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주기 T를 가진 임의의 주기 함수 g(t)를 사인과 코사인들의 합으로 구성할 수 있음
an,bn=n번째 harmonic항의 사인과 코사인 진폭
=> 주기 T가 알려져 있고 진폭이 주어지면 시간에 대한 원래 함수를 구할 수 있음

Time to Frequency conversion

: Time Domain H(t)에 있는 문제를 더 쉽게 활용하기 위해서 푸리에를 사용하여 Frequency Domain H(f)로 바꿈

$[O(t)=(HF)(t)]=[O(f)=F(f)H(f)]$

Physical Layer 용어 정리

Frequency(Hz): 단위 시간 당 진동 또는 패턴 수
Power Spectrum (= Signal bandwidth): 파워의 분포도 √(a^2+b^2 )
Media Bandwidth: 통과시킬 수 있는 부분, 0부터 전력이 반이 되는 부분까지
Baud rate: 초당 얼마나 많은 Symbol을 보내는가
Bit-rate: 1초에 보낼 수 있는 데이터의 비율 Bit-rate =Baud-rate*log2 # of levels
Ex) 0,1,2,3 volt가 사용되면 signal element는 2비트 carry

Nyquist Theorem

Maximum data rate = $2H\log_{10}V bits/sec$
noise를 고려하지 않음
위의 정리에 따라, 손실없이 환원하려면 고주파보다 2배로 sampling해야함!

Shannon’s Theorem

Maximum data rate = $B\log_{2}(1+S/N)$
SNR(signal-to-noise ratio) = $10\log_{10}S/N$//dB
$S/N = antilog (SNR/10)$

유도 전송 매체

  1. 자기 매체
    높은 대역폭이나 비트당 전송 비용이 중요한 경우에는 비용 면에서 효율적=> 하지만 운송 비용 생각
  2. 트위스트 페어
    전선을 꼬아 놓으면 전자파가 상쇄되어 전선의 방사 줄임 Ex) 전화 시스템(Repeater 필요), 아날로그/디지털 전송
    • 카테고리 3: 완만히 꼬인 2개의 절연된 전선=> 4개의 쌍이 여덟 개의 전선을 유지 => 다중 회선 전화 사용 가능(voice grade)
    • 카테고리 5: cm당 더 많은 꼬임 => 먼 거리에서 적은 혼선과 양질의 신호 보장, 고속 컴퓨터 통신에 적합 (data grade)
    • UTP: 전선과 절연체로 구성된 카테고리 6을 통해 참조되는 반면 카테고리 7은 개별 연선에 차폐 기능이 있음
  3. 동축케이블
    트위스트 페어보다 차폐성이 우수하고 고속으로 더 먼거리 전송 가능

    • 50옴: 디지털 전송(Cable TV, LAN)에서 일반적, Baseband - 75옴: 아날로그 전송과 케이블 TV, Broadband

      원래 전화 시스템에서 사용되었지만 광섬유가 대체, 하지만 케이블 TV와 대도시 네트워크에서 널리 쓰임

  4. 전력선(power line)
    데이터 통신에 재사용되는 와이어링은 전화, 케이블 TV뿐만 아닌 더 대중적인 전력선(가장 중요한 Physical link)
    데이터 신호는 저주파의 전력 신호에 중첩되어 두 신호가 동시에 전력선을 사용
  5. 광섬유
  • Light source, transmission medium, detector 로 구성
  • 네트워크 백본에서 장거리 전송이나 고속 LAN, FttH(Fiber to the Home)과 같은 고속 전송망 등에 사용
    Attenuation in decibels = $10*log10(transmitted
    power/recived power(손실률))$

광섬유 vs 동선

장점: 높은 대역폭, 낮은 저항으로 인한 리피터, 간섭 영향 적음, 얇고 가벼움, 보안이 우수함 단점: 데미지 입기 쉬움, 본래 빛은 단방향 (양방향 위에선 두개의 광섬유 Or 두개의 대역폭), 피버 인터페이스 비쌈

무선 전송

전자기파 스펙트럼 (Electromagnetic Spectrum)

  • 주파수(f): Electromagnetic wave의 초당 진동수
  • 파장($\gamma$): 주파수의 연속된 최댓값(또는 최솟값)들 사이의 거리
  • 광속(c): 3x10^8m/sec (동선이나 광섬유에선 2/3로 느려짐)

$\gamma*f=c$

  • Given the width of a wavelength, d\gamma, the corresponding frequency bandwidth

$df=cd\gamma/\gamma^2$

  • 대부분의 전송은 고효율을 위해 좁은 주파수 대역을 사용하지만 FHSS와DSSS과 같은 두 가지 변형은 넓은 대역 사용

Spread Spectrum

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WLAN과 WPAN등의 무선 네트워크를 사용할 때 multipath fading과 noise을 피하기 위해 사용(시그널 간 간섭 해결)

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

:송신기가 한 주파수에서 다른 주파수로 초당 수백 번의 주파수 도약 => 송신 신호의 검출을 어렵게 하고, 비슷한 전파를 보내 통신 방해 불가 직접파가 수신기에 처음 도달하기 때문에 multipath fading 방지 (반사파는 나중에 도달-> 이미 수신기 주파수 변경)

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

:넓은 주파수 대역에 신호를 확산시킴
=> 다수의 신호가 같은 대역폭을 공유 -> 대역폭효율적
// CDMA: 다수의 신호가 다수의 서로 다른 부호 부여 받음 image

Pseudorandom Numbers
:c(t)가 1과 -1로 구성되었을 때

1. c(t)*c’(t)=0(cross-correlation) //*은 inner product
2. c(t)*c(t+d)=0(autocorrelation)
  [ delay된 경우 ]
  (x,y) 내적 = x∙y/|x||y| => 복원 c(t)*c(t)/|c(t)^2|
  내적해서 normalization
  -> !!! 1:같다 -1:정반대 0:상관관계x !!!
  b xor c xor c -> (c xor c)=1 -> b
  b xor c xor c’ -> (c xor c’)=0 -> 0 없어진다

어떻게 FHSS와 DSSS가 Multipath fading 간섭을 없애는가?

  • FHSS는 주파수 대역을 변경하여 주어진 주파수 대역의 작은 부분만 간섭됨
  • DSSS는 직교 속성을 사용해 늦게 도착한 신호를 필터링
  • Multipath fading은 일부 wave가 저지대 대기층(low-lying atmospheric)에서 굴절 될 수 있기 때문에 심각한 문제

통신 위성(communication satellites)

: 하늘에 있는 커다란 microwave repeater Transponder(여러 개의 자동 무선 레이더)를 가짐, 각각의 Transponder는 스펙트럼의 일부분 감시함 Bent pipe 운영: 각 트랜스폰더는 스펙트럼의 일부를 listen한 다음 다른 주파수에서 증폭 된 신호를 rebroadcast하여 간섭을 방지 벤 알렌 벨트: 어떠한 위성이라도 이 안에 있으면 지구의 전자장으로 인한 고 에너지로 충전되어 떠돌아다니는 입자들 때문에 빨리 파괴될 수 있음-> 안전하게 동작하는 세가지 영역 생김 (GEO, MEO, LEO)

정지 위성 (GEO)

고궤도에서 날고 있는 위성들 Interference를 피하기 위해서 360도의 적도에서 두 개의 인공 위성이 2도보다 가까워져선 안됨 => 2도 간격으로 배치하면 한 번에 360/2=180개의 정지 위성만 가능

  • VSAT (Very small Aperture Terminal): 저렴한 micro-station, 서로 간에 직접 통신할 만한 출력 x-> 허브를 이용해 고증폭 안테나를 사용하여 VSAT 간의 통신 중계
  • Large delay, Broadcast 특성상 암호화와 빠르고 쉬운 배포 필요

중궤도 위성 (MEO)

: 지구를 한바퀴 도는데 6시간 걸림 GEO들 보다 고도가 낮기 때문에 지상에 작은 안테나가 필요하고 약한 송신 전력 요구 Ex. 네비게이션, GPS

저궤도 위성 (LEO)

: 빠른 이동때문에 많은 수의 LEO가 필요 하지만 지구에 가깝기 때문에 많은 전력이 필요하지 않고 왕복 지연 시간은 밀리초밖에 안됨

  • 이리듐 프로젝트: 66개의 위성 이용, 6개의 necklace가 각각 11개의 위성을 가져 지구를 커버함

    • 통신 인프라가 부족한 곳에 서비스 제공
    • Real-time 어플리케이션에는 작은 지연이 있지만 잦은 handoff가 발생해 괜찮음
    • 우주 공간에 멀리 떨어져 있는 가입자 간의 통신은 위성에서 위성으로 중계

  • Globalstar 프로젝트: 48개의 LEO 위성 기반, 이리듐(통화를 위성 내에 정교한 교환 장비 요구)과는 다르게 bent pipe를 이용해 교환함 -> Easy to manage

위성 VS 광 케이블(Fiber)

주류 통신은 cellular radio와 함께 지상파 광섬유이지만 일부 특수 용도의 경우 위성이 더 좋음 위성을 사용할 땐 빠른 설치가 필요할 때, 지상 인프라 구축이 미비한 지역에서, broadcasting이 꼭 필요한 경우에 사용