[데이터통신] 2.Physical Layer-2

2 . Physical Layer-2

Digital Modulation

: 아날로그 신호로 Bits를 표현

1. Baseband transmission: 신호의 주파수가 0에서 특정 maximum까지 차지 (유선의 경우 일반적)
2. Passband transmission: carrier signal의 Amplifier, phase, frequency로 비트 전달 (무선, 광 채널)

• Multiplexing: 서로 간섭을 일으키지 않고 여러 명의 sender가 link를 공유하는 기술 (TDMA, FDMA, CDMA)

Encoding scheme 선택 시 고려해야할 3가지

• NRZ: 양의 전압 1/ 음의 전압 0
  • 장점) Easy to engineer, Make a good use of bandwidth
  • 단점) unipolar일 때 DC component 존재, 동일한 이진수의 긴 시퀀스가 있는 경우 동기화 x
  • Magnetic recording에 쓰이지 signal 전송엔 안쓰임

Bandwidth efficient

• NRZ에서 Bit rate가 B라고 할 때 필요한 대역폭 H= B/2Hz 필요-> 이는 본질적인 제한
• 더 효율적인 방법: 한번에 4개 비트 전송 H=B/4Hz -> 요구되는 대역폭 감소

Clock Recovery

• NRZ가 0이나 1이 계속 반복될 경우 구분하기 힘듦
• 케이블을 하나 더 써서 클럭 신호를 보내는 건 비쌈

• Manchester Encoding

  데이터 xor 클럭 신호를 보냄, bit period 중간에 보냄
  0과 xor: 저->고 / 1과 xor: 고->저
  => NRZ에 비해 2배의 대역폭 요구-> 잦은 트랜지션
  

• Differential Manchester Encoding(Biphase 코드)

  극성(DC component)이 중요하여 개선, Midbit transition은 clocking할때만 쓰이고, 트랜지션 있으면0, 없으면 1을 나타냄

  • 단점) bandwidth를 더 요구함 비트 시간당 최소 한 번의 전환, 가능하면 두번, 최대 modulation율이 NRZ의 두배 이상
  • 장점) mid-bit transition에 동기화 - +5V와 -5V를 오고 가서 DC Component 없고, error detection있음

  

• NRZ-I

  1을 인코딩할 땐 전환, 0을 인코딩할땐 무전환
  =>길게 반복되는 0이 문제 (1은 문제 x)

• 4B5B

  4bit->5it mapping, 0이 3개 초과하지 않도록
  => 25%의 오버 헤드

• Scrambling

  데이터 전송 전에 Pseudorandom이랑 XOR
  추가 대역폭과 오버헤드가 없고 간섭 막아줌 그러나 긴 반복 패턴 제거 못함

Balanced Signals

: 양의 전압과 음의 전압을 비슷하게 가짐 -> 평균 =0
이 말은 DC성분이 없다는 말이고 음과 양이 골고루 존재해 클럭 복구 위한 전환에 도움

• Bipolar Encoding (전화망에선 AMI)

  1을 표현할 때 +1V와 -1V를 교대로 보내 평균이 0이 되게 함-> 전압레벨추가

• Multilevel Bipolar Encoding

  두 레벨보다 많이 사용함

  • 장점) DC component없고, lower bandwidth, easy error detection
  • 단점) Multilevel을 사용하면 NRZ만큼 효율적이지 않음
    => 각 symbol은 오직 한 개의 비트만 표현: +A, -A, 0
    Log23=1.58bits -> 0.58의 정보량은 낭비됨

• 8B/10B

  입력 비트가 출력 비트로 매핑되면서 인코더는 이전 심벌로부터의 격차를 기억해 출력 패턴을 격차를 줄이는 방향으로 선택

Passband Transmission

• ASK

  0과 1을 나타나기 위해 2가지 진폭 사용

• FSK

  두가지 이상의 주파수 사용

• PSK

  정해진 시간 간격으로 0이나 180도 위상 변경
  => QPSK: 하나의 시간 간격에 2비트 전송하게 위상을 45도, 135도, 225도, 315도씩 바꿈
  

• Gray Code

  어떻게 비트가 심벌에 할당되는지 -> 인접한 심벌들이 1bit씩만 다르게 배치 - 그렇지 않으면? QAM-16에서 하나의 심벌이 0111일 때 인접한 심벌이 1000이 되면 하나의 심벌 에러가 많은 비트의 에러로 이어짐 - Gray code를 이용하면 심벌 하나를 잘못 복호화하더라도 1bit의 오류로 제한됨
  

Multiplexing

: 하나의 물리적인 중계 선에 간섭을 일으키지 않고 많은 통화들을 Multiplexing

FDMA (Frequency division multiplexing Access)

: 스펙트럼을 여러 개의 주파수 대역으로 구분하고 독점적으로 사용 ex) 라디오 방송

• 채널 사이에 간격(Guard band)가 존재하지만 인접한 채널 간에 어느 정도의 겹침은 존재 (전화망에서 사용)

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

: 디지털 데이터를 전송할 때 guard band 없이도 스펙트럼 분리

• 하나의 고속 스트림이 여러 개의 저속 스트림으로 분할되어 subcarrier를 통해 병렬로 전송
• DMT: OFDM의 구현 중 하나

TDMA (Time Division Multiplexing Access)

: 사용자들은 차례에 따라서(Round-Robin) 주기적으로 각자가 작은 연속된 시간 동안에 전체 대역폭 가짐

[Synchronous TDM] [Statistical (Asynchronous) TDM]
(=circuit switching) (=Packet switching)

• 전화나 셀룰러망에서 널리 쓰임
• FDM은 아날로그 회로가 필요하며 컴퓨터로 처리하기 힘들지만 TDM은 디지털 회로로 처리 가능하여 널리 쓰임

CDMA (Code Division Multiplexing Access)

• 무선 채널 할당 방식
• 간섭에 대한 신호 허용을 목적으로 하는 DSSS 형식

PSTN (공중 전화망)

:미리 설치가 되어있기 때문에 computer network의 백본으로 사용 가능

• 하지만 Local Cable은 voice 목적이기 때문에 적합하지는 않음
• 디지털화 되면서 local loop는 아날로그의 마지막 기술이 됨
• Switching office, local loops(modem), Trunk(multiplexing, high-speed link)로 구성됨
• Local Loop는 dial line-> ADSL -> FTTH -> WIMAX로 진화
  

DSL (Digital Subscriber Lines)

: 필터를 제거하고 1MHz를 지원하는 local loop를 DSL 스위치에 연결

ADSL (Asymmetric DSL)

: 1.1MHz대역을 256개의 4312.5Hz의 독립적인 대역으로 나눔

• OFDM이 이 채널로 데이터를 전송하는 데 사용되는데 ADSL에서 DMT(Discrete MultiTone)으로 불림
  => 전화 줄이 여러 개 있는 것처럼 parellel하게 전달
• 사용자들은 업로드보다 다운로드를 더 많이 하기 때문에 downstream에 더 할당->Asymmetric
• 각각의 채널 내에선 QAM을 사용해 4000심벌/초의 속도 사용 -> 높은 SNR: 15 bits/symbol, 낮은 SNR: 0,1,2

FttH (Fiber to the Home)

: 더 빠르고 나은 네트워크 서비스를 제공하기 위하여 local loop를 광섬유로 대체함

• PON(Passive Optical Network) 구조 사용
  

• Upstream시 충돌을 피하기 위해 Arbitration protocol 필요
  => 가정에서 전송하기 전에 미리 request packet을 보내고 End office에서 타임 슬롯을 배분, 이때 패킷을 보낼 때 충돌이 발생하면 다시 전달
• Discrete time slot을 동기화 하는 방법
  => 동기화를 위해 End Office까지의 거리를 측정하여 time slot이 시작되고 종료되는 거리를 측정하는 ranging process 있음

WiMAX

: Wireless local loop를 위한 protocol

• Twisted local loop에 비해 저렴한 대안
• Directional property 때문에 높은 타워가 필요하고 dry climate 여야함

Trunk (=High speed link)

: local loop와는 다르게 digital signal을 carry

• 하나의 trunk를 통해 많은 conversation을 어떻게 전달할 것인가? -> FDM, WDM, TDM

WDM (Wavelength Division Multiplexing) (p.152)

: 높은 FDM에서의 FDM 방식 (for fiber optics)

• FDM과의 차이점은 optic system은 수동적이고 신뢰도가 높음
  

TDM

: TDM은 디지털 데이터만을 처리하고 local loop는 아날로그 신호를 사용하기 때문에 end office에서는 A->D의 전환이 필요하며 여기서 각각의 local loop가 output trunk로 결합됨

• Codec

  end office에서 Analog-> digital해주는 장비

• PCM(Pulse Code Modulation) : Analog-> digital 샘플링

  코덱은 초당 8000개의 샘플을 만드는데 4KHz의 전화 채널 bandwidth를 만드는데 충분

• PCM -> TDM

T1 Trunks (p.148)

: 일본과 북미에서 쓰이는 Multiplexing 방법

1G: Analog Voice

AMPS (Advanced Mobile Phone System)

각 지역을 셀로 나누고 인접한 셀은 같은 주파수를 가지지 않음 -> 주파수 재활용

• 각 셀은 Base station이 있고, 이 BSs 모두 MTSO or MSC에 연결되어 있음
• Hand off: 핸드폰이 한 셀에서 다른 셀로 이전할 때 스위칭(by MTSO), 30msec소요, base station은 무선 중계기 역할
• Soft handoff: 경계 넘어가기 전에 미리 채널 요구
• 양방향 통신을 위해 FDD(Frequency Division Duplex by FDM)을 이용해 채널 분리
• 832의 채널이 사용되는데 이는 4개의 채널로 분류
• 셀당 가용 음성 채널 수 = 45개 (인접 셀 같은 주파수 불가)
• 전화 동작 방식: Home MTSO에게 Request보내고 Home MTSO가 현재 Callee가 있는 Cell MTSO에 voice 전달
• Ppt 126 GSM 참고

2G: Digital Voice(=PCS)

GCM (The Global System for Mobile Communications)

2G 표준화의 대표

• FDM+TDM 사용, AMPS와 비슷함(cells, freq. reuse, handoff), FDD 사용

• SIM 등장: 가입자 정보와 계정정보 담음
  

• 단말은 base station과 Air interface를 통해 교신
• Cell base station은 각각 BSC에 연결, BSC는 무선 자원과 hand-off 관리
• BSC는 MSC에 연결, 통화의 경로를 설정하고 PSTN에 연결
• MSC는 통화 경로 설정을 위해 단말의 위치 파악 필요
  • VLR: 관리하는 셀들과 연결되어 있는 단말들을 관리하는 DB, 걸려온 전화를 정확한 위치로 연결
  • HLR: 단말의 마지막 알려진 위치를 알려주는 DB

Air Interface for GSM

• AMPS(30KHz)보다 더 많은 대역폭이 할당(200KHz)돼 더 많은 사용자 이용 (교재 165p)

3G: Digital Voice and Data

CDMA는 3G 기술의 핵심

• Mobile phone network의 CDMA에서 두가지 핵심

1. Asynchronous CDMA: 이전에는 Base station에서 칩 시퀀스를 같은 시간에 전송할 수 있었고 직교가 되도록 만들 수 있었지만 각 단말이 독립적으로 전송할 때 동기화하는 건 어려움
   => 0은 아니지만 매우 작은 값을 갖게 함
2. Power control: 수신 신호의 세기에 반비례해 송신 신호를 조절