Signal Impairment: 신호 손상
자연현상, line의 문제, hardware의 제약 등으로 signal은 손상 될 수 있다
signal 손상의 3가지 종류에는 3가지가 있다
- attenuation: 감쇄
- distortion: 왜곡
- noise: 잡음
Attenuation
거리가 멀거나 저항을 극복하면서 신호가 약해지는 것
이를 해결하기 위해 중간중간에 증폭기를 달아서 신호를 증폭시켜서 해결한다
attenuation(힘의 손실) 계산
10 x log10 (P2/P1)
신호를 P1의 크기로 쐈는데 P2로 받았다고 할 때
만일 P2 = 0.5 P1이면
10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (0.5) = 10 x -0.3 = -3dB (약 2배)
신호나 소리는 무조건 크다고 좋은것이 아니다
-> 다른 신호에 noise가 될 수 있고 전력도 많이 소모하기 때문
따라서 신호나 소리는 절대적인 크기보다는 상대적인게 중요하기 때문에 dB 단위를 사용하여 상대적인 값을 표현한다
Distortion
왜곡은 신호의 모양이나 형태가 바뀌는 것으로 현실적으로는 복구가 어렵기 때문에 일단 신호를 수신하고 bit 단에서 문제를 해결한다
Noise
일반적으로 백색 잡음을 뜻하며 Noise는 다른 손상의 원인이 되기도 한다
SNR (Signal-to-Noise Ratio)
잡음 대비 신호의 크기를 뜻한다 (average signal power) / (average noise power)
SNR은 단순히 비율이고 상대적인 값인 SNRdB를 구하기 위해서는 아래 수식을 이용한다
여기서 SNR이 DB로 주어졌는지 그냥 SNR 값으로 주어졌는지를 잘 확인해야 한다
Data Rate Limits: 전송 속도 제한
전송 속도에는 최대 제한이 있는데 이를 결정하는 요인에는 아래의 3가지가 있다
- 사용가능한 대역폭
- 사용하는 신호의 level 수
- channel의 품질 (noise의 양, SNR)
그리고 위의 요인들을 활용해서 최대 전송 속도를 구하는 2가지 이론이 있다
- Nyquist 이론
- Shannon 이론
Nyquist bit rate
noise가 없는 channel(현존하지 않음)에서 max bit rate을 다음과 같이 정의한다
B: bandwidth / L: level 개수
위의 결과로 98.7개의 level이 필요하다고 했는데 level은 2의 제곱수만 가능하므로 가까운 64 level을 택해서 최대 속도를 낮추던가 128 level을 택해서 최대 속도를 늘려야한다
Shannon Capacity
noise가 있는 channel 에서는 Capacity라고 부르고 아래와 같이 정의한다
위 식에서는 bandwidth와 SNR을 사용하기 때문에 요인 3가지 (대역폭, level수, noise)를 모두 고려하였다
SNR은 noise 대비 신호의 세기인데 세기가 크면 level을 더 많이 나눌 수 있으니 level을 고려한 것으로 봄
여기서 SNR은 dB 단위가 아니기 때문에 dB 단위로 주어지면 변환 후 사용해야 한다
noise가 너무 많은 채널일 경우에는 SNR이 거의 0에 가까운 값이 된다
이때는 capacity도 0에 근접하게 된다. 즉 bandwidth가 넓다고 속도가 빨라지는 것은 아니다 (noise 도 고려해야함)
Data Rate Limits
현실에서는 noise가 있기 때문에 주로 Shannon을 사용하지만 역으로 특정한 최대 속도를 가지기 위해서 어떤 값을 설정해야하는지 정할 때느 Nyquist를 사용하기도 한다
Performance
그렇다면 실제로 성능은 어떻게 측정하는가?
- Bandwidth
- Throughput
- Latency(delay)
Throughput: 처리량
실제로 전송되는 데이터의 속도로 네트워크 혼잡도, 패킷 손실, 지연시간, 프로토콜 오버헤드 등을 반영한다
throughput은 결국 layer의 관점에 따라 다르다
이에 반에 capacity는 물을 흘려보내는 파이프 통으로 실제로 보낼 수 있는 양을 의미함
Latency(Delay): 지연
첫번쨰 bit가 출발해서 destination에 도착할 때까지의 시간
보통 저렇게 정의하지만 일반적으로 latency는 연구자가 다르게 정의하기는 함
그러면 latency를 어떻게 계산하는가
Latency = transmission delay + propagation delay + queuing delay + processing delay
-
transmission delay
패킷이 물리적 링크를 통과하는데 걸리는 시간 (패킷의 크기와 bps에 영향을 받는다)
편지를 쓰는 시간으로 생각하면 됨 (편지 크기랑 편지 쓰는 속도에 영향을 받음)
-
propagation delay
실제로 전파되는데 걸리는 시간 (거리와 전파 속도에 영향을 받음)
편지가 배달되는 시간이라 생각하면 됨 (목적지까지 거리랑 배달속도에 영향 받음)
-
queuing delay
특정 장치에 들어갈 때 queue에 머무는 시간
편지가 배달될 때 옥천 Hub에서 들어가는데 기다리는 시간 (가장 큰 영향을 미침)
-
processing delay
포괄적인 개념으로 어디로 보낼지 등을 판단하는데 걸리는 시간
편지 배달부가 편지를 주소를 보고 판단하는데 걸리는 시간
이렇게 bandwidth랑 delay는 성능을 결정하는데 중요한 요소이고 bandwidth x delay로 연결통로(pipe)의 Volumne이라고 말한다
Jitter
첫번째 data와 두번째 data 사이의 시간과 두번째 data와 세번째 data 사이의 시간
즉, jitter가 0이면 신호가 일정하게 들어온다는 것이다 (안정적)
실시간을 중요시하는 통신에서는 Jitter가 매우 중요하다
