Design Factors Determining Data Rate and Distance

데이터 전송률과 전송 가능 거리를 결정짓는 주요 설계 요소

대역폭(Bandwidth)

대역폭이 넓으면 한 번에 보낼 수 있는 신호 “폭”이 커지고,
최대 전송률 $C = B \log_2(1 + \text{SNR})$ 도 선형적으로 증가

전송 손상(Transmission Impairments)

• 감쇠(신호 세기가 거리 따라 줄어듦)
• 감쇠 왜곡(주파수별 감쇠 차이로 파형 왜곡)
• 지연 왜곡(주파수별 전파 속도 차)

→ 거리가 늘어날수록 에러율이 급격히 올라감

간섭(Interference)

주파수 대역이 겹침
→ 서로 다른 송신기가 같은 채널을 쓰면 원신호가 왜곡될 수 있음

수신기(Receiver) 개수

하나의 송신 안테나를 여러 수신기가 동시에 듣게 되면,
각 경로마다 신호 감쇠가 추가로 발생

Guided

Point-to-Point Transmission Characteristics of Guided Media

bandwidth↑ → 데이터율↑
attentuation↓ → 장거리 전송↑
delay↓ → 실시간성↑
repeater spacing ↑ → 운영 비용↓

Twisted Pair

두 가닥의 절연된 구리선이 서로 꼬여(twist) 하나의 통신 회선을 이룸

꼬임(twist) 덕분에 외부 잡음이나 이웃 선로의 신호가 상쇄되어,
신호 품질 저하를 방지

여러 쌍(pair)을 하나로 묶어 케이블 형태로 제작하며, 건물 내 배선에 널리 사용

Unshielded and Shielded Twisted Pair

Unshielded Twisted Pair (UTP)

여러 쌍의 두 가닥 구리선이 각각 절연된 뒤,
전체를 플라스틱 재킷으로 감쌌으나 금속 차폐(shield)는 없음.

꼬임으로 잡음을 일부 억제하나, 고강도 전자기장 앞에서는 여전히 간섭에 취약.

꼬임이 촘촘할수록 EMI나 크로스토크가 서로 상쇄되는 효과가 커져서, 더 높은 주파수 대역을 안정적으로 쓸 수 있음
→ 데이터 전송률↑

Shielded Twisted Pair (STP)

UTP의 기본 꼬임 구조 위에 metal braid 또는 foil 차폐막을 더함

외부 EMI(외부 전자기 간섭)를 훨씬 효과적으로 차단
→ 데이터 오류 감소, 안정적인 고속 전송 지원.

Near-End Crosstalk (NEXT)

케이블 근처에서 일어나는 크로스토크로,
케이블을 통해 들어온 강력한 송신 신호가 같은 쌍의 수신측 와이어로 되돌아와 간섭을 일으키는 현상

→ 수신측에서 송신된 신호를 정확히 구분하기 훨씬 어려워짐

System A 기준 :
A가 아래쪽 선로로 송신하는 신호(Pt)의 일부가
위쪽 선로의 수신회로로 되돌아와서(near‑end) 들어옴.
이 누설 전력 = Pc

결국 A의 수신 와이어에는,
B에서 보내온 원하는 신호 Pr
A 자신이 보낸 신호 일부가 누설된 노이즈 Pc
두 개가 합쳐져 들어옴

→ Pr만 정확히 떼어내기가 어려워지고, 수신 신호 품질이 나빠짐

NEXT (dB) 값이 클수록 크로스토크 잡음이 적어짐

• attentuation : 주파수가 높아질수록 급격히 커져 신호가 약해짐
• NEXT : 주파수가 높아질수록 crosstalk 잡음이 점점 커짐. 값이 점점 감소

ACR(Attenuation‑to‑Crosstalk Ratio)

→ ACR이 클수록 잡음 대비 신호 우위가 크므로
데이터 전송 성능(속도·거리)이 좋아짐

Coaxial Cable

구조 (Structure)

• Inner conductor (중심 도체)
  전송되는 신호(전기 신호)가 흐르는 금속 심선

• Insulation (절연체)
  중심 도체와 바깥 도체 사이를 전기적으로 분리해 주는 플라스틱 층

• Outer conductor (바깥 도체 / 브레이디드 실드)
  중심 도체를 감싸는 금속 튜브로, EMI을 차단하는 역할

• Outer sheath (외피 / 재킷)
  – 전체 구조를 보호하는 플라스틱 재킷으로, 습기·마모·충격을 막아 줌

TV 안테나·케이블 방송, 장거리 전화 회선, LAN에 사용

Coaxial Cable : Transmission Characteristics

• 높은 대역폭
  twisted pair보다 감쇠가 적어
  더 높은 주파수 신호를 안정적으로 전송 가능

주파수가 높아질수록 선로 손실(감쇠)이 커지고, 외부 잡음 간섭도 누적
→ 일정 간격마다 신호를 보강해 주어야 함

전송 방식별 보강

아날로그 전송 시 : 증폭기(Amplifier)
디지털 전송 시 : 중계기(Repeater) 사용

Optical Fiber

구조 (Structure)

• 코어(Core)
  빛을 전송하는 중심부로,
  굴절률(refractive index)이 클래딩(cladding)보다 높음
  유리(실리카)나 특수 플라스틱으로 만들어짐

• 클래딩(Cladding)
  코어를 둘러싼 외피로, 코어보다 굴절률이 낮아 내부 빛이
  전반사(total internal reflection)로 손실 없이 가도록 함

• 재킷(Jacket)
  가장 바깥쪽 보호층으로,
  케이블 물리적 손상이나 환경(습기·마찰 등)으로부터 클래딩을 보호

전반사(Total Internal Reflection)
코어와 클래딩의 굴절률 차이를 이용해, 빛이 코어–클래딩 경계에서 임계각(critical angle) 이상으로 입사하면 전부 내부로 반사됨
→ 빛(정보)이 코어 안을 통해서만 전송됨

Optical Fiber: Benefits

용량(Capacity)이 매우 큼

• 수백 Gbps 급 데이터 전송

• 넓은 대역폭 활용
  빛(THz 대역)을 신호 매질로 쓰기 때문에,
  수 MHz~수 GHz에 머무르는 구리 기반 매체보다
  훨씬 더 많은 주파수 자원을 사용 가능

Small size & Light weight

케이블 직경이 작아서 가늘고 가벼움

Low attenuation

장거리 전송에 적합

EMI Isolation

• 외부 전자기 간섭을 받지 않음
  금속 도체가 아니라 유리·플라스틱 매질이기 때문에
  전자파 간섭, impulse noise, crosstalk의 영향을 받지 않음

• 높은 보안성
  도청하려면 광섬유 자체를 물리적으로 절단해 빛을 빼내야 하는데,
  절단 지점에서 신호가 유실되므로 무단 감청이 불가

Greater repeater spacing

• 운영 비용 절감
  증폭기·리피터 설치 대수를 줄일 수 있어
  장비 비용·전력·유지보수 비용이 크게 낮아짐

• 오류 발생 지점 감소
  중계기나 증폭기가 적을수록 장애 발생 확률도 줄어들어
  네트워크 신뢰도가 올라감

Categories of Application

optical fiber를 사용하는 대표적인 다섯 가지 응용 분야

• Long‑haul trunks
  국가 간·대륙 간 해저 케이블, 대규모 통신 사업자 망

• Metropolitan trunks
  한 도시 전체, 도심과 교외 주요 거점을 연결

• Rural exchange trunks
  농어촌 지역의 교환국(지역 교환기) 간 연결

• 가입자 회선 (Subscriber loops)
  지역 교환국에서 최종 사용자(가정·사무실)까지를 연결

• LAN(로컬 네트워크)
  캠퍼스, 빌딩, 데이터센터 내부

Wireless (unguided)

Wireless(unguided) Transmission Frequencies

• 30 MHz – 1 GHz (라디오 대역)
  전파가 여러 방향으로 넓게 퍼져나감(omnidirectional)
  장애물에도 잘 회절(diffract)되어 넓은 지역 커버 가능

• 1 GHz – 40 GHz (마이크로파 대역)
  빔을 좁게 조준(Highly directional) 가능
  장애물 회절이 줄고 직진성이 강함
  ex. point‑to‑point 통신, 위성 통신
  

• 3×10¹¹ Hz – 2×10¹⁴ Hz (적외선 대역)
  파장이 짧아 좁은 빔 전송 가능, 통신 거리는 수십 미터 이내로 제한
  벽을 통과하지 못하고 직진성 위주
  ex. 리모컨

Terrestrial Microwave (지상파)

• dish 안테나를 가장 많이 사용
• 지름이 약 3m 정도로 비교적 크기 때문에 전파를 좁은 beam 형태로
  정밀하게 제어하고 원하는 방향으로 강력하게 방출 가능
• 두 개의 통신 장치가 고정된 상태로,
  서로 간에 장애물 없이 직접적으로 시야가 확보된 상태 (line‑of‑sight)에서만 정상적으로 작동

• 일반적으로 산꼭대기나 건물 옥상처럼 지면으로부터 높이 설치
• 빔이 지표면·장애물에 막히지 않도록 케이블 대신 탑(towers) 간의 연속 릴레이(relay)로 연결

Terrestrial Microwave Applications

장거리 통신용으로 활용

동축 케이블(coaxial)이나 광섬유(optical fiber)의 대안으로
케이블 공사가 어려운 구간(산악 지형, 바다 횡단 등)에 유리

전달되는 서비스 종류

음성(voice)·텔레비전(TV)

중계기(repeater) 간격과 전파 경로

중계기 수는 비교적 적음
하지만 LOS 확보 필수

주파수 대역 및 데이터 속도

1 GHz ~ 40 GHz 대역
주파수 상승 → 지원 가능한 대역폭·전송 속도 증가

손실(loss) 및 감쇠(attenuation) 원인

거리에 따른 전파 감쇠
날씨로 인한 전파 흡수·산란

Satellite Microwave (위성 통신)

지상국 간에 전파를 중계해 주는 ‘공중 릴레이’ 역할을 위성에 맡기는 방식

위성의 역할 : Microwave 릴레이 스테이션

• 지상국 A에서 발사된 마이크로웨이브 신호를 위성이 수신
• 위성 내부의 트랜스폰더(transponder)가 수신 주파수를 증폭
• 다른 주파수(≠수신 주파수)로 다시 송신

이 과정을 통해 지상국 A ↔ 위성 ↔ 지상국 B 사이에 통신 링크가 형성됨

트랜스폰더 채널(Transponder Channel)

• 위성에는 여러 개의 트랜스폰더가 탑재돼,
  사용자는 각기 다른 ‘수신 대역 ↔ 송신 대역’을 할당받음
• 지상국이 특정 트랜스폰더 채널의 수신 주파수로 올리면,
  위성은 미리 정해진 송신 주파수로 되돌려 보내줌으로써 통신이 이뤄짐

Transponder Channel 수가 많을수록 동시에 더 많은 통화·데이터 세션을 처리 가능

지상국(Earth station)–위성–지상국 통신의 두 가지 방식

Point‑to‑Point Link

• Uplink (송신 경로)
  지상국 A에서 위성으로 신호(마이크로웨이브)를 쏴 올림

• 위성 처리
  위성 트랜스폰더가 그 신호를 받아 증폭·변환한 뒤 (주파수를 바꿔),
  → 같은 주파수 대역이면 수신부가 자기 자신이 보낸 신호를
  다시 받아버려(루프백) 제대로 동작하지 못함

• Downlink (수신 경로)
  위성에서 지상국 B로 다시 쏘아줌

• 결과
  지상국 A와 지상국 B가 마치 ‘중계기’를 거쳐 1:1로 연결된 형태

Broadcast Link

• Uplink
  하나의 지상국(Transmitter)에서 위성으로 신호를 올림

• 위성 처리
  트랜스폰더가 수신한 신호를 복수의 다운링크 채널로 증폭·변환

• Downlink
  여러 개의 지상국(Receivers)으로 동시에 신호를 뿌려 주는 형태

• 결과
  한 번 올린 신호를 위성이 동시에 다수의 지상국에 재전송해,
  지상→위성→다수 지상 간의 방송(Broadcast)용으로 쓰임

Satellite Microwave Applications

위성 통신이 주로 쓰이는 네 가지 대표적인 용도

장거리 전화 통화 (Long‑distance telephone transmission)

대륙 간·국제 간 음성 통화를 위한 backbone(주요 간선)

기업 전용 네트워크 (Private business networks)

다국적 기업 등에서 지점 간 전용 회선처럼 사용

위치 결정 시스템 (Global positioning)

GPS

텔레비전·멀티미디어 방송 (Television distribution)

TV 콘텐츠의 대규모 배포

기존 방식 : 방송국 → 지상 중계국 → 각 가정 안테나
DBS 방식 : 방송국 → 위성 → 각 가정 소형 접시 안테나

위성이 트랜스폰더(transponder)인 이유

상·하향 신호의 분리 (Duplexing)

위성은 동시에 지상국으로부터(업링크) 들어오는 신호를 받고, 또 다른 지상국으로(다운링크) 내보내야 함

같은 주파수로 보내고 받으면, 수신기로 들어온 신호가
자기 자신의 송신 주파수와 겹쳐서 서로 방해(interference)하기 쉬움

지상국 간 상호 간섭 방지

수많은 지구국(uplink Earth station)이 위성으로 신호를 올릴 때,
같은 채널(트랜스폰더)을 공유하는 다른 지상국들의 송신과 섞이지 않도록
업링크 주파수를 위성 내부에서 다른 대역의 다운링크 주파수로 일괄 변환

ex. 하나의 트랜스폰더 채널 : 14.00–14.36 GHz → 12.00–12.36 GHz

그 안에서 A, B, C 지상국이 각각 14.05 GHz, 14.10 GHz, 14.20 GHz 에 반송파를 띄우면, 이들 모두가 동일한 트랜스폰더에 실려 올라감

Satellite Microwave Transmission Characteristics

위성 통신에서 쓰이는 주파수 특성

최적 전송 대역: 1~10 GHz

• 1 GHz 이하 : 자연계 잡음(noise)이 커서 신호 대 잡음비(SNR)가 떨어짐

• 10 GHz 이상 : 대기 중 수증기·산소 분자에 의한 흡수(attenuation)가 급격히 증가하고, 강우(rain fade)에도 취약해져 장거리 전송이 어려움

C‑밴드(C‑Band, 4/6 GHz 대역)

업링크(uplink): 지상 → 위성 구간에서 5.925 – 6.425 GHz
다운링크(downlink): 위성 → 지상 구간에서 3.7 – 4.2 GHz

Ku‑밴드(12/14 GHz 대역)

C‑밴드 채널 수가 포화되면서,
12 – 14 GHz 대역의 트랜스폰더가 추가로 개발·투입됨
강우 감쇠(rain fade)에 더 민감하다는 단점이 있음

Broadcast Radio (방송용 라디오)

라디오(Radio) : 3 kHz에서 300 GHz에 걸친 전자기 스펙트럼 전체

방송용 라디오(Broadcast Radio) : 30 MHz – 1 GHz 구간

30 MHz에서 1 GHz 사이의 전파를 이용해,
넓은 지역을 향해 사방으로(omnidirectional) 신호를 송출하는 방식

대역 안에 FM 라디오, VHF/UHF 텔레비전을 포함

제한 사항

• 시야선(LoS: Line of Sight)
  지평선 너머나 높은 빌딩 뒤 등에서는 수신 감도가 급격히 떨어집니다.

• 멀티패스 간섭(multipath interference) 문제
  전파가 땅, 물 표면, 건물 등에 반사되면서 수신 안테나에 여러 경로로 도달하여 수신 신호의 세기를 불안정하게 만들고,
  간섭을 일으켜 수신 품질이 불안정해짐

Infrared (적외선 통신)

적외선 빛을 이용한 근거리 무선 링크 방식

트랜시버(Transceiver) 방식

LED/VCSEL 같은 광원에서 적외선 펄스를 내보내고,
포토다이오드로 수신 신호를 감지하여 디지털 데이터를 주고받습니다.
“송신 ↔ 수신” 모두를 수행하는 트랜시버 모듈을 각 장치에 달아 통신합니다.

Line‑of‑Sight 요구

장애물이 있으면 빛이 차단되므로 통신이 끊김

벽·장벽 비투과(Non‑Penetrating)

장애물을 통과하지 못하므로,
실내 좁은 공간이나 개별 방(Room‑to‑Room) 통신에만 적합

면허·주파수 할당 불필요

지상파(ground‐wave) 전파

• 지표면을 타고 전파
  지형 굴곡을 무시하고 수십~수백 km 전달이 가능.
  (빛은 지구 곡률 때문에 수평선 너머로 가지 못함)

• 주파수 대역
  최대 2 MHz까지 전파 가능

• 대표적 ex. AM 라디오
  넓은 지역 커버리지가 필요한 AM 라디오에 쓰임

지형 굴곡을 무시하고 수십~수백 km 전달이 가능
대역폭(전송률)이 매우 좁음(고음질 오디오나 데이터 통신엔 부적합)

스카이웨이브 (sky‑wave) 전파

• 주파수 대역
  약 2 MHz에서 30 MHz 사이

• 전파 경로
  지상 송신 안테나에서 발사된 전파가 상층 전리층에 도달.
  전리층의 이온화된 입자에 반사 또는 굴절되어 다시 지표면으로 되돌아옴.
  원하는 지역에 도달하면 그곳 안테나가 수신.
  충분한 신호 세기라면 이 과정을 여러 번 반복(hop)하며 장거리 전송 가능.

• example
  국제 방송, 군용·해양 통신 등

Line‑of‑Sight (LOS) Transmission

• 주파수 대역
  약 30 MHz 이상 고주파 (UHF TV, 셀룰러, 마이크로웨이브, 위성 링크)

30 MHz 이상 대역에서는 ground wave, sky wave 방식이 모두 불가능.
→ 오직 송·수신 지점이 서로 바라보는 (Line‑of‑Sight) 방식으로만 통신이 이루어져야 함

LOS 통신 신호 품질에 영향을 미치는 요인

Free‑Space Loss (자유 공간 경로 손실)

송신 안테나에서 나온 전파가 멀어지면, 에너지가 넓은 면적으로 분산되어 세기가 감소하는 현상

Atmospheric Absorption (대기 흡수 손실)

전파가 대기 중의 수증기(물 분자) 와 산소 분자에 흡수되어 에너지가 열로 바뀌며 감쇠되는 현상

Multipath (다중경로 페이딩)

전파가 지면, 건물 벽, 수면 등에 반사되면서 여러 개의 경로를 통해 수신안테나에 도달해, 각 경로마다 도달 시간·세기가 달라지는 현상

Refraction (굴절)

전파가 대기 밀도 혹은 습도가 다른 기층(layer) 경계면을 통과할 때,
빛처럼 꺾여서 진행 방향이 바뀌는 현상

자유 공간 손실(Free‑Space Loss, FSPL)

장거리 링크일수록(거리↑) 또는 고주파 대역일수록(f↑) 손실이 커짐

다중경로 간섭(multipath interference) 예시

마이크로웨이브 직진(LOS) 링크

• 위성 안테나나 고정된 지상 기지국 사이의 마이크로웨이브 통신
• 직접 경로(direct path) 외에도, 지표면에 반사되어
  수신안테나로 들어오는 반사파(reflected path) 가 존재
  → 이 두 신호가 약간 시간 차를 두고 겹쳐 들어오면 :
  위상이 맞으면 신호가 증폭(보강)되고,
  어긋나면 신호가 약해지는 fading 발생

이동(셀룰러) 무선

• 도심 속 자동차나 이동 단말과 기지국 사이의 통신
• 건물 외벽, 자동차, 가로등 등 여러 물체에 의해 신호가 다양한 경로로 반사·굴절되어 수신기에 도달
  → 이렇게 서로 다른 경로를 통해 도착한 신호들은
  각각 조금씩 다른 지연(delay)과 위상을 가지기 때문에,
  다중경로 페이딩(multipath fading)과
  ISI(Inter‑Symbol Interference)를 일으켜 통신 품질을 떨어뜨림