Chapter 3. Introduction to Physical Layer

3.1 데이터와 신호

물리층 통신은 신호의 교환을 의미

데이터 → 전송되고 수신됨

전송매체

→ 데이터를 신호로 바꿈

→ 신호의 종류 ① 아날로그 ② 디지털

3.1.1 아날로그와 디지털 데이터

데이터

①     Analog – 연속적 정보      

–      ex) 목소리

②     Digital – 이산적 정보

–      ex) 0과 1의 형태로 컴퓨터의 기억장치에 저장되는 데이터

3.1.2 아날로그와 디지털 신호

아날로그(주기), 디지털(비주기) → 데이터를 전송하는데 있어서

 

 

3.2 주기 아날로그 신호

아날로그 신호 ① 단순 신호(정현파) ② 복합 신호(여러 개의 정현파로 나뉨)

3.2.1 정현파

-      최대 진폭(Peak amplitude)

→ 전송하는 신호의 에너지에 비례하는 가장 큰 세기의 절댓값

→ 흔히 전압으로 측정(V)

-      주기(signal이 한 cycle을 완성하는데 필요한 시간)와 주파수(1초 동안 생성되는 신호 주기의 수)

-      f=1/T ,  T=1/f

3.2.2 위상

– 시각 0시에 대한 파형의 상대적 위치

3.2.3 파장

-      주파수와 전송매체에 좌우된다

-      단순 신호가 한 주기동안 진행할 수 있는 거리

3.2.4 시간 영역과 주파수 영역

3.2.5 복합 신호

데이터를 통신하기 위해서는 복합 신호를 보내야 한다.

복합 신호

-      단순 정현파들로 만들어 진다.

-      주기적 일수도 비주기적 일수도 있다.

3.2.6 대역폭

복합 신호에 포함된 주파수 영역

3.3 디지털 신호

3.3.1 비트율

-      신호가 L개의 준위를 가지면 각 준위는 개의 비트를 보냄

-      디지털 신호는 비주기적이여서 주기 or 주파수 사용X

-      주파수 대신 비트율(bit rate) 사용

비트율

→ 시간 당 비트 간격의 개수

→ 1초 동안 전송된 비트의 개수

→ bps

3.3.2 비트 길이

- 한 비트가 전송 매체를 통해 차지하는 길이  

3.3.3 복합 아날로그 신호로서의 디지털 신호

디지털 신호

-      복합 신호(퓨리에 해석에 의해)

-      대역폭은 ∞

a.     주기적

         -      만약!(굉장히 드문 일)

         -      대역폭은 ∞, 이산적 주파수

b.     비주기적

        -      대역폭은 ∞, 연속적 주파수

3.3.4 디지털 신호의 전송

① 기저대역 전송

-      디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 앟고 있는 그대로 전송

-      주파수 0부터 시작하는 대역폭을 갖는 ‘저대역 통과 채널’ 필요

        → 오직 하나의 채널만을 위해 전용으로 사용되는 매체 필요

                 a . 넓은 대역폭을 갖는 저대역 통과 채널

                 -      비주기 signal을 있는 그대로 보내려면 0~∞ 연속된 전체 스펙트럼을 보내야함

                        → sender와 receiver 사이에 ∞의 대역폭을 갖는 전용 회선 필요

                 -      디지털 신호의 모양을 유지

                b . 제한적 대역폭을 갖는 저대역 통과 채널

                 -      디지털 신호와 근사한 모양의 아날로그 신호를 보냄

                        ㄱ.   대략적인 근사값

                        ㄴ. 더 나은 근사값

                         - 1차, 3차 조파

                         - 1차, 3차, 5차 조파

② 광대역 전송(변조)

-      디지털 신호를 전송하기 위해 아날로그 신호로 전환

-      변조를 하면 bandpass channel을 사용하여 전달 가능

-      bandpass channel: 주파수 0부터 시작X (기저대역 전송과 다른 점)

저대역 통과 채널은 fc (낮은 주파수)가 0부터 시작하는 bandpass channel

 

3.4 전송장애

신호는 완전하지 못한 전송매체를 통해 전송 → 장애 발생

3.4.1 감쇠(attenuation)

-      에너지 손실을 의미

-      signal 이 매체를 통해 이동 시 매체의 저항을 이겨 내기 위해 에너지 손실

-      signal의 일부 전기적 에너지가 열로 바뀜

-      따라서 신호fmf 증폭시키는 증폭기 사용

-      데시벨

       ㄱ.   신호의 손실된 세기나 획득한 세기를 보이기 위해 사용

       ㄴ.    dB= 10log10P1 P2  (신호의 전력)

       ㄷ.   감쇠되면 (-), 증폭되면(+)

       ㄹ.    dB= 20log10V1 V2  (신호의 전압)

       ㅁ.  dBm= 10log10Pm (mW)

3.4.2 일그러짐(distortion)

-      신호의 모양이나 형태가 변하는 것을 의미

-      distortion은 복합 신호를 발생시키거나 다른 주파수의 신호를 만든다.

3.4.3 잡음(noise)

-      열 잡음

-      유도된 잡음

-      혼선

-      충격 잡음

-      SNR(신호-대-잡음 비)

       a.     SNR= average signal poweraverage noise power= 평균 신호전력평균 잡음 전력

       b.     잡음에 대한 signal의 비

       c.      높은 SNR → signal이 noise에 의해 덜 망가짐

                 낮은 SNR → signal이 noise에 의해 더 망가짐

       d.    SNRdB=10log10SNR

 

3.5 데이터 전송률의 한계

데이터 전송률을 좌우하는 요소 3가지

1.      가역 대역폭

2.      사용 가능한 신호 준위

3.      channel의 품질(잡음의 정도)

 

데이터 전송률을 계산하는 2가지 수식

1.      Nyquist 수식 – 잡음X channel

2.      Shannon 수식 – 잡읍O channel

 

3.5.1       무잡음 채널: 나이퀴스트 비트율

Bit Rate=2×Bandwidth×log2L

Bandwidth: 채널의 대역폭

L: 데이터를 나타내는데 사용한 신호의 준위 개수

-      대역폭이 주어지고 목표 bitrate를 맞추기 위해 L을 증가시키는 것

        → 수신자에게 부담을 줌    

        이유:  수신자가 구분해야 하는 준위가 많아져 → 시스템 신뢰도 하락

3.5.2       잡음이 있는 채널: 섀넌 용량

-      현실세계에서 무잡음 channel은 존재 X

-      Capacity=bandwidth×log2(1+SNR)

-      섀논 수식에는 신호의 준위 개수 X

        → 몇 개의 준위를 사용하든 channel의 전송한계 이상의 전송률 달성X

        → channel의 특성을 정의

        → 전송 방법 정의 X

                -      SNR의 값이 매우 높으면 SNR+1≒SNR

                -        C=B×SNRdB3

3.5.3 두 가지 한계를 사용하기

Ex. 3.41

1MHz의 대역폭을 갖는 채널이 있다. 이 채널의 SNR=63. 적절한 전송률? 신호 준위?

① 상한(최대 전송률) 구하기(by. Shannon 수식)

        C=B×log21+SNR

        C=1MHz×log264

        C=6Mbps

② 더 나은 성능을 위해 조금 낮은 값. 예를 들어 4Mbps 선택

        4Mbps=2×1MHz×log2L

        2=log2L  → L=4

        → Shannon 용량은 상한 값을 알려주고, Nyquist 수식은 몇 개의 signal준위가 필요한지 말해준다.

 

3.6 성능

3.6.1 대역폭

- Hz 단위의 Bandwidth

                  - 복합 신호에 포함된 주파수 영역 or 채널이 통과시킬 수 있는 주파수 영역

- Bitrate 단위의 Bandwidth

- 관계

                 - Hz 단위 Bandwidth 가 늘어나면 Bitrate 단위 Bandwidth도 늘어남

                 - 기저대역 전송이냐 광대역 전송이냐에 좌우

3.6.2 처리율(throughput)

- 어떤 지점을 데이터가 얼마나 빠르게 지나가는가

- 대역폭: 링크의 잠재 성능 측정치

  처리량: 얼마나 빠르게 실제로 데이터를 전송할 수 있는지

3.6.3 지연(delay)

- 전체 message가 모두 목적지에 도착할 때까지 소요된 시간

- 지연 = 전파 시간 + 전송 시간 + 큐 시간 + 처리 시간

                 a. 전송 시간(transmission time)

                 - 첫 bit가 송신자를 떠난 시간과 마지막 bit가 수신자에 도착한 시간에는 차이가 생김

                 - 전송시간=메세지 크기대역폭

                 b. 전파 시간(propagation time)

                 - bit가 발신지로부터 목적지까지 이동하는데 소요되는 시간

                 - 전파 시간=거리전파 속도

                 c. 큐 시간(queueing time)

                 - 도중 or 종단 장치들이 메시지를 처리하기 전까지 메시지를 가지고 있는 시간

3.6.4 대역폭 – 지연 곱

link의 두 가지 성능 지표

①    대역폭

②    지연

-      링크를 채울 수 있는 비트의 개수

-      데이터를 모아서 보내고 다음 데이터를 모아 보내기 전까지 기다린다면 중요한 지표

3.6.5 파형 난조