[데이터통신] 7. Transmission Media

SUbbb·2021년 10월 30일
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Classes of transmission media

Media에 적합한 physical layer를 설계해야 한다.

Electromagnetic Spectrum

유, 무선 각 media의 전송 가능한 주파수 대역을 보여주고 있다.
주의할 점은, 주파수가 증가할수록 간격이 급증한다는 것이다.

Guided Transmission Media (유선)

Types

  • Twisted Pair (TP)
  • 24-gauge: 0.5mm
  • 26-gauge: 0.4mm
  • AWG: American Wire Gauge (선 굵기)
  • 11.68mm = AWG 0
  • 0.127mm = AWG 36
  • Coaxial cable
  • Optical fiber
    • Frequency band, Attenuation, Repeater distance

Media에 따라 주파수의 특성이 다르다.

y축: dB (km당 신호감쇄량)

Twisted Pair

  • 유선 media 중 가장 싸고 널리 사용되는 media이다.
  • 두 개의 선이 꼬아진 형태
    • 신호선: carry signals (실제 data 송수신)
    • 기준선: ground reference (일정한 전압을 전송)
    • 선마다 noise를 타는 정도가 다르다.

두 선을 꼬아서 사용하는 이유
data 전송 시 신호선은 (A+△1A+\vartriangle1), 기준선은 (−A+△2-A+\vartriangle2)를 전송할 때,

  • receiver는 둘의 차이를 사용한다.
    A+△1−(−A+△2)=2A+(△1−△2)A+\vartriangle1-(-A+\vartriangle2)=2A+(\vartriangle1-\vartriangle2)
    △1−△2⇒\vartriangle1-\vartriangle2 \Rightarrow noise가 0이 되면 good이므로, "△1=△2\vartriangle1=\vartriangle2"일 수록 좋다.
  • 하지만 noise는 어느 방향에서 생길 지 모르기에 같게 해주는 것이 어렵다.
    • 그래서 두 선을 꼬아서 배치

Unshielded and Shielded Twisted Pair

Unshielded Twisted Pair(UTP)

  • 가장 싸다.

    • 쌍선에 대해, 교류가 흐르게 되면, 자기장이 발생한다.
    • 이때 발생한 자기장으로 인해 유도 전류가 발생하게 되어 주변 선에 방해를 일으킨다. (=Cross-talk)
    • 이를 해결하기 위한 방법
    1. 쌍선 꼬으기
    2. STP

Shieled Twisted Pair(STP)

  • thick and heavy
  • UTP보다 비싸다.

Twisted Pair Categories ans Classes

  • UTP: Unshielded Twisted Pair
  • FTP: Foil Twisted Pair
  • S/FTP: Shielded/Foil Twisted Pair

CAT5 vs. CAT6

가장 많이 사용되는 케이블 종류

CAT6에는 선끼리의 간섭을 줄이기 위한 일종의 파티션이 존재한다.

핀 배치 방식

TP안에 케이블들을 어떻게 배치할 것인가?
TIA/EIA 568A, TIA/EIA 568B(한국에서 많이 사용)

Wiring 방법

양쪽 끝단에서의 연결 방법
Straight through cable과 Crossover cable이 존재

어떤 경우에 어떤 방법을 선택해야 하는가?

  • Straight-Through는 송신용 line과 수신용 line의 역할을 가지는 line이 정해져 있다.
    • 따라서, 다른 유형의 장치끼리 호환이 가능하다.
  • Crossover은 예를 들어, 1번 line은 송신용 line, 3번 line은 수신용 line으로 정의하여 같은 유형의 장치끼리 호환이 가능하다.

UTP Performance

gauge가 높으면 더 가는 선

  • 주파수가 낮을수록, 신호 감쇄량이 적다.
  • 선의 굵기가 가늘수록, 신호 감쇄량이 크다.
  • 고주파일수록, 신호 감쇄량이 크다.
    해당 그래프를 보고, 통신할 케이블의 굵기나 주파수를 결정할 수 있다.

Coaxial Cable

동축 케이블, 먼 거리 통신 시 사용

  • Data 전송 시, 공유하는 line으로 동축 케이블을 많이 사용한다.

Coaxial Cable - Transmission characteristics

  • TP보다 더 굵은 굵기를 가진다.
  • TP보다 더 넓은 대역폭을 가진다. →\rarr 더 비싸다.
  • TP보다 우수하다.

Analog signals

  • Amplifier: Analog signal에 대한 증폭기, noise 또한 함께 증폭된다.

Digital signals

  • Repeater: Digital signal에 대한 증폭기, 신호에서 noise를 제거하고 새로운 신호를 반환한다.

⇒\Rightarrow 이때 Coaxial Cable을 사용

LAN의 대표적인 network: Ethernet
초창기 Ethernet: bus구조 (thin, thick cable로 2개 존재)

Coaxial Cable Performance

  • f(MHz) 단위
    • TP에 비해 더 높은 주파수 대역까지 전송이 가능하다. (TP는 f(kHz) 단위)

Optical Fiber (광섬유)

  • glass or plastic으로 구성됨
  • 빛의 형태로 signals을 전송한다.
  • Cladding: 빛이 반사되는 구역, Core: 빛이 통과하는 구역

  • 서로 매질이 다른 A와 B가 맞닿는 interface에서 입사각에 따라 reflection이 발생한다.

Refraction of light

  • 입사각에 따라 굴절이 일어나거나, 반사되거나, 매질을 타고 이동하기도 한다.
  • 입사각에 대한 조절로 빛을 media 끝까지 전송할 수 있다.

Multimode는 Core가 굵은 경우, Single mode는 신호가 1개이고 굵기가 얇은 경우

  • Step-index: Core의 밀도가 일정, 여러 빛의 성분이 여러 Path로 수신측에 도달하는 것
    • Path가 다르기 때문에 수신측에 도착하는 시간이 달라진다.
      - Source와 Destination이 달라질 수 있어서 많이 사용하지 않는다.
  • Graded-index: 여러 빛의 성분이 여러 Path로 수신측에 도달하지만, Core에서 Cladding 방향으로 매질의 밀도가 점점 낮아진다.
    • 신호가 퍼지지 않고 일정 구간마다 모이게 된다.
    • Step-index보다 좋은 성능을 보인다. (source와 destination이 달라지지 않음)

Optical Fiber Performance

x축이 주파수가 아닌 파장이기 때문에 오른쪽으로 갈수록 저주파, 왼쪽으로 갈수록 고주파이다.

  • 파장이 1400nm1400nm인 구간은 Loss(=attenuation)이 높기 때문에 피해야 한다.

  • 각 Cell의 중심에는 Base Station이 위치하고, 각 Base Station별로 서로 다른 주파수 대역을 사용해야 혼선이 생기지 않는다.
    • 하지만 조금 떨어진 영역끼리는 같은 주파수 대역을 사용할 수 있다. (=Frequency Re-use)
    • 주파수가 높으면, BS가 많아야 한다. (=Cell의 수 증가)
    • Cell-size는 지역마다 다르고, Cell-size는 곧 동시 사용 가능한 장치의 수와 비례한다.

Optical Fiber-Benefits

Greater Capacity

  • 더 높은 Date rate으로 전송이 가능하다.

Smaller size and lighter weight

  • coaxial or twisted pair cable보다 더 얇다.

Lower attenuation

  • 데이터의 손실이 적다.

Electromagnetic isolation
Greater repeater spacing

⇒\Rightarrow 하지만 구현이 어렵고 비용이 비싸다는 단점이 존재한다.

Unguided Media

Unguided Media

  • radio waves를 사용하여 신호를 공기로 전파하는 선이 없는 scheme
  • cable과 달리, signal에 대한 보호가 전혀 없어 noise, interference & distortion에 쉽게 노출될 수 있는 취약점이 있다.

  • Radio wave
    • 3kHz ~ 1GHz
    • 신호가 전방향으로(omnidirectional) 전파된다.
  • Micro wave
    • 1GHz ~ 300GHz
    • 단방향으로 방향성이 존재한다.
  • Infrared light
    • 300GHz ~ 400THz
    • 직진성을 가지고, 고주파로 파장이 짧아 신호가 멀리 가지 못한다.

Propagation methods

  • Line-of-sight (LoS): 눈에 보여야 통신이 가능

Radio Waves

  • 3kHz ~ 1GHz의 파장을 가진다.
  • 전방향으로 퍼지는 omnidirectional

Micro Waves

  • 1GHz ~ 300GHz의 파장을 가진다.
  • 단방향으로 퍼지는 unidirectional
  • antenna는 micro waves를 전송

Unidirectional antenna
Parabolic dish antenna와 Horn antenna로 2가지가 존재

Infrared

  • 300GHz ~ 400THz로 고주파 →\rarr short-range communication
  • 벽을 뚫을 수는 없다.

Terrestrial Microwave

Parabolic dish shaped antenna (≈\approx 10 ft dia=diameter 3m)
Maximum distance between antennas

d=7.14Kh=7.14(4/3)h(h:antenna height)d= 7.14\sqrt{Kh} = 7.14\sqrt{(4/3)h}\\ (h: antenna\,height)

Satellite microwave

위성 통신

  • 4/6 GHz BAND
  • 12/14 GHz BAND (Ku band)
  • 19/29 GHz BAND (Ka band)

주파수 bandwidth에 따라 나뉜다.

Satellite classification

LEO: (Low Earth Orbit)

  • 낮은 궤도를 도는 위성 (sync X)
  • 600 ~ 1,500 km

MEO: (Medium Earth Orbit)

  • 많이 사용하지 X
  • GPS가 해당

GEO: (Geo-synchronous Earth Orbit)

  • 지구와 sync를 맞춤 = 지구 자전속도와 동일하게 위성이 이동하여 마치 정지된 것처럼 보임 (정지궤도위성)
  • 35,786 km

Trilateration on a plane

3개의 위성으로부터 위치 정보를 얻으면 현 위치를 결정할 수 있다.

  • Two-dim OR Three-dim

LEO satellite system

ISL: InterSatellite communication Link

Refraction

선이 없기 때문에 굴절이 발생할 수 있다.
전파의 속도: (진공상태) 3×1083\times10^8

Optical & Radio Horizons

Radio horizon이 Optical horizon보다 더 멀리 도달
d=3.57hd=3.57Khd=3.57(Kh1+Kh2)=7.14Khd = 3.57\sqrt{h}\\d = 3.57\sqrt{Kh}\\d=3.57(\sqrt{Kh_1} + \sqrt{Kh_2})=7.14\sqrt{Kh}
  • Visibility of light: 빛의 최대 도달 거리
  • Visible distance of radio wave: 전파의 최대 도달 거리
    • h1=h2=hh_1 = h_2 = h, 두 antennas 간의 최대 거리

LOS (Line Of Sight) Transmission

Free space loss

  • signal은 거리에 비례해서 퍼진다.
  • 저주파에 대해 큰 손실 (긴 파장으로 인해)

Atmospheric Absorption

  • 물방울과 산소가 radio signal을 흡수
  • 물은 15 GHz ~ 22 GHz에서 흡수량이 크다.
  • 산소는 30 GHz ~ 60 GHz에서 흡수량이 크다.
  • 비와 안개 또한 radio waves에 영향을 끼친다.

Multipath

  • 장점일 수도 있지만, 단점이 될 수도 잇다.
  • signal이 반사되어 여러 개의 복사본이 수신될 수도 있다.

Refraction

  • signal의 부분 또는 전체 손실이 발생할 수도 있다.

Free space Loss

Free space(=이상적인 공간(ex. 우주)) Loss

PtPr=(4πd)2λ2=(4πfd)2c2\frac{P_t}{P_r} = \frac{(4\pi d)^2}{\lambda^2} = \frac{(4\pi fd)^2}{c^2}

(PtP_t: 송신 power, PrP_r: 수신 power, dd: antennas 사이의 전파 거리)

PtPr=d2⇒Pr=Ptd2\frac{P_t}{P_r} = d^2 \Rightarrow P_r = \frac{P_t}{d^2}

수신 power는 송신 power의 거리의 제곱으로 약해진다.

antenna의 size ↓ ⇒\darr \, \Rightarrow 주파수 ↑ ⇒\uarr \, \Rightarrow 파장 ↓\darr

Multipath Propagation

Reflection (반사)

  • 신호가 신호의 파장에 비해 큰 표면에 마주칠 때 발생

Diffraction (회절)

  • radio wave의 파장에 비해 큰 관통이 불가능한 물체의 가장자리에서 발생

Scattering (뿌려짐)

  • 수신 신호가 신호의 파장보다 크기가 작은 물체를 칠 때 발생 (ex. 모서리에서 발생)

The Effects of Multipath Propagation

Intersymbol interference(ISI)
: 하나 또는 이상의 지연된 pulse 복사본이 이어지는 bit의 primary pulse와 동시에 도착할 수도 있다.

  • 거리 상으로는 (1)이 먼저 도착해야 하지만, (2) path를 이용해 data가 더 빨리 도착한다면, 수신측에서의 충돌이 발생할 수 있다.
  • 해결방법
    • 연속적으로 전송하지 않고, 천천히 전송
    • 주파수 대역을 나누어 전송하는데 각 data를 천천히 전송

Land Propagation

실질적 환경
수신 signal power

Pr=GtGrPtLP_r = \frac{G_tG_rP_t}{L}

Gr, GtG_r, \,G_t는 거의 상수, LL은 channel에서의 propagation loss

L=LPLSLFL = L_PL_SL_F

LPL_P: Path loss (거리와 비례)
LSL_S: Slow fading
LFL_F: Fast fading

Fading

  • Fast fading: 움직임의 영향
    • 신호가 움직임으로 인해 주파수에 변화를 가함 ⇒\Rightarrow multipath에 영향
  • Slow fading: 주변 환경의 영향
    • 공간적인 요소가 신호 감쇄에 영향을 줌
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