[Network] 물리층 개요

물리층?

물리적 매체를 통해 비트 스트림을 전기 혹은 광학 신호로 전달하는 책임
-> 정보가 전송되기 위해서 전송 매체를 통해 전달하기 적합한 형태의 전자기 신호로 변환 되어야 한다.

• 송신측(부호화): 데이터 -> 신호
• 수신측(복호화): 신호 -> 데이터

1. 아날로그와 디지털

• 데이터와 신호가 가질 수 있는 두 가지 형태임.

아날로그 데이터는 연속적 이고, 디지털 정보는 이산적 이다.

1. 주기신호와 비주기신호

1) 주기신호 (Periodic Signal)
측정 가능한 시간 내에 특정 패턴을 갖추고, 그 다음 주기에 동일한 패턴이 반복되는 경우

• 주기 신호는 연속적인 반복 패턴(cycle)으로 구성됨.
  

2) 비주기 신호 (Aperiodic/Nonperiodic Signal)
시간이 지나는 동안 반복되는 사이클이나 패턴 없이 항상 변화하는 신호

푸리에 변환 (Fourier Transform)
: 어떤 비주기 신호도 무한 개의 주기 신호로 나뉠 수 있음

_데이터 통신에서는 주로 주기 아날로그 신호 혹은 비주기 디지털 신호 를 사용함!

2. 아날로그 신호 (Analog Signal)

1. 단순 신호와 복합 신호

1) 단순 신호: 더 이상 단순한 신호로 나뉠 수 없는 신호
- 진폭, 주기/주파수, 위상 3가지 특성을 표현되는 정현파 (Sine wave)
2) 복합신호 (Composite Signal): 여러 개의 정현파로 나뉠 수 있음.

2. 최대 진폭 (Amplitude)

: 전송하는 신호의 에너지에 비례하는 가장 큰 세기의 절댓값

3. 주기(Period)와 주파수(Frequency)

• 주기(T) : 신호가 한 사이클을 완성하는데 필요한 시간 (초)
• 주파수(f): 1초동안 생성되는 신호 사이클의 수 (Hz)

  주기와 주파수는 역관계: f = 1/T, T=1/f

• 주기와 주파수 단위
  

4. 위상 (Phase)

시각 0에 대한 파형의 상대적인 위치. 시간축을 따라 앞뒤로 이동할 수 있는 파형에서 그 이동양을 각도로 표시한다.

• a: 진폭 0, 진폭 증가
• b: 최대 진폭, 진폭 감소
• c: 진폭 0, 진폭 감소

5. 파장 (Wavelength)

단순 신호가 한 주기동안 진행할 수 있는 거리

• 파장은 주파수와 전송매체에 좌우됨.
• 파장 = 전파속도 * 신호주기 = 전파속도 / 주파수
  

6. 시간 영역과 주파수 영역

1. 시간영역도면 (Time-domain Plot)

• 진폭 대 시간 도표: 시간에 대한 신호 진폭의 변화 보여줌
• 위상과 주파수는 명확히 측정X
• 둘 이상의 신호들의 영향을 이해하는데 유용

2. 주파수 영역도면 (Frequency-domain Plot)

• 합성된 정현파들의 상대적인 최대 진폭과 주파수 간의 관계를 보여줌
• 위상 표현X
• 아날로그 신호를 가장 잘 표현할 수 있음.

7. 복합신호

단일 주파수의 정현파는 데이터 통신에 부적합함.
--> 여러 개의 단일 정현파로 만들어진 복합신호 를 보내야한다!

• 푸리에 분석: 모든 신호는 정현파의 집합으로 분해 가능
  • 주기 복합신호의 경우에는, 주기들이 정수 값을 갖는 순차적인 단순 정현파들로 분해 가능
  • 비주기 신호의 경우, 연속적인 실수값을 갖는 주파수와 진폭으로 된 무한의 정현파들로 분해.
• 직각파 (Square Wave)
  

푸리에 분석에 근거하여, 기본 주파수를 기본으로 하여 홀수 조파들을 무한히 합한 구성.
- 더 많은 홀수 조파들을 합칠수록 직각파와 더 비슷해짐.

8. 대역폭

: 해당 범위의 최고 주파수 - 최저 주파수

• 전송 매체의 대역폭 (아날로그 대역폭, Hz): 전송 매체가 통과시킬 수 있는 주파수 영역
• 신호의 대역폭: 주파수 스펙트럼의 폭, 주파수 구성요소들의 범위
• 디지털 대역폭 (bps): 매체가 통과시킬 수 있는 최대 비트율

3. 디지털 신호 (Digital Signal)

• 무한 대역폭을 갖는 복합신호
• 전송매체가 넓은 대역폭을 가질수록 전송시 덜 왜곡됨.
• 제안 대역폭을 갖는 매체일지라도, 디지털 신호의 전송은 가능 (매체의 최소 대역폭 확인 필요)

준위마다 1비트를 보냄.

준위마다 2비트 보냄.

준위의 수가 L이라고 하면, 각 준위에 $\log_{2}{L}$ 비트를 보낼 수 있다.
즉, n개의 비트를 어느 한 준위에 실어 보내기 위해 필요한 준위의 수는 $2^n$개이다.

1. 비트 간격과 비트율

대부분 디지털 신호는 비주기적

• 주기나 주파수의 특성을 표현할 수 없어 비트간격과 비트율 사용.
  • 비트율(bps): 1초동안 전송된 비트의 수
  • 비트간격: 하나의 단일 비트를 전송하는데 드는 시간
    

2. 디지털 신호의 전송 방법

: 디지털 신호는 주기적이든 비주기적이든, 주파수 0부터 무한대까지 이르는 복합신호이다.

(1) 기저대역 (Baseband) 통신

디지털 신호 그대로 (=아날로그 신호로 바꾸지 않고) 채널을 통해 전송하는 방법.

• 기저대역 전송을 위해서는 저대역 통과 채널(low-pass channel) 필요
  * 저대역 통과 채널: 주파수가 0부터 시작하는 대역폭을 갖는 채널
  

[1] 넓은 대역폭을 갖는 저대역 통과 채널 (Wide bandwidth low-pass channel)

• 무한대 혹은 매우 넓은 대역폭을 갖는 저대역 통과 전용 전송매체 사용
• LAN: 매체 대역폭의 전체를 전용을 사용

[2] 제한적인 대역폭을 갖는 저대역 통과 채널 (Narrow bandwidth low-pass channel)

원래의 디지털 신호화 근사한 모양의 아날로그 신호를 사용한다.
=> 아날로그 신호로 "변환" 하는 것은 아님!!

• 많은 수의 조파를 이용하면 더 근접한 아날로그 신호를 사용할 수 있게 되지만, 그만큼 요구 대역폭이 증가하게 된다.

(2) 광대역 (Broadband) 통신

디지털 신호를 전송하기 위해 아날로그 신호로 변환 하여 전송하는 방법

띠대역(bandpass)통과 채널을 사용하여 전송 가능. -> 띠 대역 채널은 주파수 0부터 시작하지 않음.

가용 채널이 띠대역 통과 채널이라면 채널에 디지털 신호를 직접 통과시킬 수 없다. 전송하기 전에 아날로그 신호로 바꾸고 보내야함 !
ex) 디지털 휴대전화

4. 전송장애

신호가 매체를 통해 전송할 때 생기는 장애

1. 감쇠 (Attenuation)

에너지 손실. 신호가 매체를 통해 이동할 때 매체의 저항을 이겨내기 위해 에너지 손실이 발생함. 이러한 손실을 줄이기 위해 신호를 증폭시키는 증폭기 사용.

• 데시벨: 신호가 손실된 정도 혹은 획득한 정도
  - 2개의 다른 점에서 두 신호 혹은 한 신호의 상대적 길이를 측정한다. 신호가 감쇠하면 음수, 증폭하면 양수값을 가진다.

  dB = 10 * $\log_{2}{(P2/P1)}$

2. 왜곡 또는 일그러짐 (Distortion)

신호의 모양이나 형태가 변하는 것을 의미함. 신호를 구성하는 각 주파수의 전파 속도 차이로 인해 신호의 강도를 잃어버리는 장애.

3. 잡음 (Noise)

외부 신호로 인해 생기는 전송 장애. 열잡음, 유도된 잡음, 혼선, 충격잡음 등

• 신호 대 잡음 비 (SNR, Signal-to-Noise Ratio)

  SNR = average signal power (신호) / average noise power (잡음)

• 높은 SNR: 신호가 잡음에 의해 덜 망가짐.
• 낮은 SNR: 잡음으로 인해 신호가 더 망가짐.

5. 데이터 전송률의 한계

전송률을 결정짓는 주요 요소
: 채널을 통해 매 초 몇 비트를 얼마나 빨리 데이터를 전송할 수 있는가?

• 가용 대역폭
• 사용 가능한 신호 준위
• 채널의 품질 (잡음의 정도)

데이터 전송률을 계산할 수 있는 두 가지 수식: 나이퀴스트 비트율, 섀넌 용량

1. 나이퀴스트 전송률 (Nyquist Bit-rate)

잡음이 없는 채널의 이론적인 최대 전송률 정의.

전송률 (초당 비트 수, bps) = 2 x 대역폭 (채널 대역폭, Hz) x $log{2}{L}$ (L: 신호 준위 개수)

2. 섀넌 용량 (Shannon Capacity)

잡음이 있는 채널에서의 최대 전송률 결정 - 채널의 특성 정의

용량 (채널 용량, bps) = 대역폭 (채널 대역폭, Hz) x $log{2}{(1+SNR)}$

실제로 어떤 신호 준위와 어떤 대역폭이 필요한지 알기 위해 두 방법 (나이퀴스트, 섀넌) 모두 사용함.
-> 섀넌은 용량의 상한값을 알려주고, 나이퀴스트는 몇 개의 준위가 필요한지 알려준다!