Section 01. 통신선
01. 통신선에 대한 이해
전송매체(transmission media): 신호를 한쪽에서 다른 쪽으로 전달하는데 사용되는 물질
- 무선 전송 매체: 공기. 파동이 공기를 통해 전달된다.
- 유선 전송매체: 통신선(communication line)
- 구리선, 광섬유, 등 …
- 통신선의 역할은 외부의 영향을 덜 받으면서도 최대한 멀리까지 번호를 전송하는 것이다.
- 통신할 때, 저항과 외부 간섭으로 데이터가 변형, 손실될 수 있어 통신선이 매우 중요하다.
02. 주요 통신선의 특징
- 꼬임선(twisted pair)
꼬임선: 두 개의 선을 꼬아서 사용
- 유선 전화기, 이더넷(대부분의 LAN)에서 사용
- 이더넷 선의 연결단자는 RJ-45
- 10 ~ 100Mbps의 속도, 100m ~ 1km까지 연결
- 비교적 외부 영향에 약하고, 도청이 쉬운 단점
- 동축선(coaxial cable)
동축선: 중앙에 구리선이 지나가고 이를 피복으로 감싼 형태
- TV의 안테나 연결, 혹은 케이블 TV 설치 시 볼 수 있다.
- +와 -를 담당하는 두 개의 선이 하나의 축으로 묶여 있다.
- 꼬임선보다 외부 영향에 강하고 더 멀리까지 데이터 전송 가능하지만, 구조가 복잡하여 만들기 어렵고 비싸며 선이 두껍고 무겁다.
- 연결 단자는 BNC 단자
- 10Mbps ~ 1Gbps의 속도, 1 ~ 10km까지 연결
- 광섬유(fiber optics)
광섬유: 머리카락보다 나르다란 선에 빛을 이용해 데이터를 전송
- 빛을 이용해 도청하기 어렵다. 성능이 좋지만 모든 선이 매끈하게 이어져야 하기 때문에 비싸고, 연결 비용이 많이 든다.
- 선 하나가 수 기가의 데이터를 수백km(먼 국가 사이)까지 전송 가능
- 전력선 통신(PLC; Power Line Communication)
전력선 통신: 통신선을 설치하기 어렵거나 가입자가 적을 것으로 예상되는 곳에 사용하기 위한 기술
- 전력선에 고주파를 전송하여 통신하는 방식
- power line: 콘센트처럼 전력을 공급받는 전력선
- 변압기를 통과할 때 신호가 손실되는 문제가 발생
- 변압기: 전압을 바꿔준다
Section 02. 무선 전송의 특징
01. 주파수 특성
고음(높은 주파수)은 저음에 비해 정보량이 많고, 직진하는 성향이 강하고, 물체를 만나면 반사되는 특징을 갖는다.
저음(낮은 주파수)은 퍼져나가는 성질(확산)이 강하며 투과성(물체를 만나면 뚫고 나가는 성질)이 좋다.
무선 통신 시스템은 낮은 주파수부터 높은 주파수를 사용하는 것까지 다양하다.
02. 주파수 스펙트럼
주파수 스펙트럼에는 일정영역마다 이름이 붙어 있다.
- X-ray 영역은 인체에 해로워 사용하지 않는다.
- 마이크로웨이브 오븐은 마이크로웨이브 주파수를 사용해 음식물을 가열하는 전자기기이다.
03. 주파수 영역별 특징
- 음파(acoustic) 영역
음파 영역은 가청 주파수 대역으로 인간이 들을 수 있는 소리 신호가 위해 있어 무선통신 시스템은 없다.
- 라디오(Radio frequency; RF) 영역
라디오 영역은 많은 통신기기가 위치하는 대역으로 대표적으로 AM, FM 라디오가 있다.
- 1Hz ~ 300MHz 대역
- RFID: 라디오 주파수를 사용해 사물을 식별(ID)하는 장치
- 자동차의 스마트키, 무선 조종기로 움직이는 장난감
- 마이크로웨이브(microwave) 영역
마이크로웨이브 영역은 라디오와 적외선 영역 사이의 주파수를 가진다.
- 300MHz ~ 30GHz
- 국가는 자유롭게 통신기기를 제작할 수 있는 영역을 만들어 주었다. 2.4GHz, 5GHz 원래는 돈을 받고 국가가 대역폭을 판매하지만, 중소기업의 경우 무선통신 기기를 팔기 어렵기 때문에.
- 전자레인지는 2.4GHz의 마이크로파를 쏴 음식을 데운다.
- 이동통신, GPS, 인공위성, 무선 LAN(와이파이) 등
- 이동통신 주파수 현황
- 적외선 이상 영역
적외선 영역을 사용하는 대표적인 통신 장비는 리모컨이다.
유선 전송매체인 광섬유는 자외선, 가시광선, 적외선의 주파수 영역을 모두 사용한다.
Section 03. 다중접속
01. 다중접속의 필요성
전파는 귀중한 전파 자원이다.
전파는 국가에서 관리하며, 국가의 허가 없이 마음대로 무선 통신 기기를 제작하거나 판매할 수 없으며, 휴대폰 서비스를 하는 국내 통신 3사는 막대한 금액을 지출하여 통신 대역폭을 경매 받아 서비스를 하는 것이다.
귀중한 전파 자원을 한 사람만 사용하는 것은 낭비이기에 동일한 주파수 대역에서 다수의 사용자가 서비스에 접속할 수 있도록 하는 기술이 필요하다.
⇒ 다중 접속(Multiple Access) 기술
02. 주파수 분할 다중접속(FDMA)
주파수 분할 다중접속(FDMA; Frequency Division Multiple Access)는 사용 가능한 전체 대역폭을 잘게 쪼개어 사용자에게 나누어 주는 것이다.
주로 아날로그 데이터를 전송할 때 사용했다.
- 라디오, TV에서 사용
- 방송 전체 대역폭을 나누고, 각 방송사는 할당된 주파수 대역으로 방송을 송출한다. 이렇게 나누어진 한 개의 작은 대역폭이 채널이다.
- 1세대 무선통신망, 1G에서 사용했다.
⇒ 한 사람이 채널 하나를 독접하고 있어 주고받는 데이터가 없어도 채널을 공유하지 못한다.
⇒ 대역폭 낭비
03. 시간 분할 다중접속(TDMA)
시간 분할 다중접속(TDMA; Time Division Multiple Access)은 하나의 채널을 여러 사람이 나누어 쓰는 방식이다.
디지털 신호에만 적용 가능하다.
A, B, C 3명이 번갈아 가면서 짧은 시간 동안 데이터를 전송하는 방식
이 시간은 아주 짧은 시간이기 때문에 이용자는 체감하지 못한다.
- 운영체제의 시분할 시스템과 같은 원리
- 유럽의 디지털 이동통신 서비스 방식인 GSM(Global System for Mobile Communications)에서 사용
04. 코드 분할 다중접속(CDMA)
코드 분할 다중접속(CDMA; Code Division Multiple Access)은 하나의 데이터 덩어리를 여러 명이 공유하는 방식이다.
우리나라에서 세계 최초로 상용화하여 수출까지 한 방식이며, 일반인이 이해하기 어려운, 독특한 방식이다.
칩 모형(설명을 위해 저자가 만든 것)
A, B, C 세 사람은 칩(chip)이라 불리는 같은 크기의 판을 갖는다.
이때, 칩에 있는 어떤 구멍도 다른 칩과 겹치지 않는다.
데이터를 보내려 할 때, A, B, C는 각자의 칩에 뚫린 구멍에 보내려는 데이터를 쓴다. 겹치는 구멍이 없기 때문에 같이 데이터를 작성해도 데이터가 겹치는 일은 없게 된다.
같은 공간에 같은 통신사를 사용하는 스마트폰이 있다면, 모두에게 같은 데이터를 전달한다.
전달된 데이터에 칩을 겹쳐서 구멍으로 보이는 것이 자신의 데이터가 된다.
모든 사람에게 같은 데이터가 전달되지만 칩의 구멍 위치를 모를 경우 자신의 데이터를 알 수 없다는 특징으로 도청에 강하다.
코드 분할 다중접속 방식의 가장 큰 장점은 보안이다. 칩의 구멍만 노출되지 않는다면 도청이 불가하다.
칩 시퀀스(chip sequence): 코드 분할 다중 접속에서 칩의 구멍의 역할을 담당하는 코드
- 유심 칩 안에는 칩 시퀀스가 저장된다.
Section 04. 변조
02. 디지털-아날로그 변조
디지털-아날로그 변조는 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어 보내는 것이다.
- 진폭변이 변조(ASK: Amplitude-Shift Keying): 디지털 신호가 0일 때는 신호가 없고, 1일 때 특정 신호 전송
- 주파수편이 변조(FSK; Frequency-Shift Keying): 서로 다른 주파수를 사용해 0과 1을 전송
- 위상편이 편조(PSK; Phase-Shift Keying): 위상이 서로 다른 주파수를 이용
