Transmission Media

이태곤·2022년 11월 4일

Data Communication

목록 보기

8/15

1. Claases of transmission media

-> 송신기와 수신기 간의 물리적 경로로써 Physical Layer의 제어를 받는다.

-> 유, 무선 media 의 주파수 대역을 보여주고 있으며 주파수가 증가할수록 간격이 넓어진다는 특성을 가지고있다.

2. Guided Transmission Media

한 장치에서 다른 장치로 가는 통로를 제공한다.
종류 : Twisted Pair (TP), Coaxial cable, Optical fiber
- 각각의 주파수 특성 (신호 감쇄량 등) 이 다르다.
  -> TP : 저주파
  -> Optical fiber : 고주파
Twisted Pair (TP)
- 유선 Media 중에 저렴하고 널리 이용된다.
- 두 개의 선을 꼬아서 균형을 유지한다.
  - 신호선: 실제 data 를 송수신하는 carry signals
  - 기준선: 일정한 전압을 전송하는 ground reference
- 각 선마다 noise를 타는 정도가 다르다.
- 많이 꼬을수록 품질이 좋아진다.
- 속도가 저속이며 비교적 단거리에 이용된다.
- 선을 꼬는 이유?
  - 잡음에 영향 받는 시간의 반은 잡음원과 가깝고 반은 멀어지게되어 잡음원으로부터 누적된 갑섭은 0 이 된다.
    -> 잡음을 방지하기 위해!
    -> Cross talk 방지!
- UTP (Unshielded Twisted Pair)
  - 가격이 저렴하다.
  - 쌍선에 교류가 흐르게 되면 자기장이 발생하여 유도 전류가 생긴다.
    -> 주변에 방해를 일으킨다 -> Cross talk
    -> 해결 방안 : 쌍선 꼬으기, STP
- STP (Shielded Twisted Pair)
  - 가격이 UTP에 비해 비싸고 두껍고 무겁다.
- CAT5 vs CAT6
  
  -> 가장 많이 사용되는 케이블 종류로 CAT-6는 선 끼리의 간섭을 주기위해서 파티션이 있다.
- 핀 배치 방식 : Twisted Pair 안에 케이블들을 어떠한 방식으로 배치해야할까?
  - Straight through cable vs. Crossover cable
    -> Straight through : 라우터 - 스위치와 같이 연결방향이 다르기 때문에 바꺼줄 필요가 없을 때 사용한다.
    -> Crossover : 라우터 - 라우터와 같이 연결방향이 같아서 이를 바꿔줘야할 때 사용한다.
- UTP Performance
  
  -> gauge가 높으면 더 가는 선
  -> 선의 굵기가 가늘면 신호 감쇄량이 큼 <-> 선의 굵기가 굵으면 신호 감쇄량이 작음
  -> 주파수가 낮으면 신호 감쇄량이 적음 <-> 주파수가 높으면 신호 감쇄량이 큼
  -> 위 그래프를 통해 통신할 케이블의 굵기나 주파수를 결정할 수 있다.
Coaxial Cable
- TP보다 성능이 더 우수하며 굵은 굵기, 더 넓은 대역폭을 가지고있다.
  -> 가격이 더 비싸다.
- Amplifier, Repeater 에 이용
  -> Amplifier : 아날로그 신호 증폭기로 노이즈도 함께 증폭됨
  -> Repeater : 디지털 신호 증폭기로 노이즈가 제거됨
- Coaxial Cable performance
  
  -> TP에 비해서 고주파로 전송이 가능하다.
Optical Fiber
- 유리나 플라스틱으로 만들어 진다.
- 빛의 형태로 signals 을 전송한다.
- Cladding: 빛이 반사되는 구역
- Core: 빛이 통과하는 구역
- 입사각에 따라 굴절, 반사 또는 매질을 타고 이동한다.
- 입사각에 대한 조절로 빛을 media 끝까지 전송할 수 있다.
  - Multimode : 신호가 여러개이며 Core가 굵은 경우
  - Singlemode : 신호가 단일개이며 Core가 얇은 경우
  - Core의 밀도가 일정하며 여러 빛의 성분이 여러 Path로 수신측에 도달한다.
  - 여러 Path가 있기 때문에 수신측에 도착하는 시간이 제각각이다.
  - Destination이 달라질 수 있어서 잘 사용하지 않는다.
  - 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 않는다.
- Pros
  - Greater Capacity : 높은 Date rate
  - Smaller size and lighter weight : coaxial or twisted pair cable보다 더 얇다.
  - Lower attenuation : 데이터의 손실이 적다.
  - Electromagnetic isolation
  - Greater repeater spacing
- Cons
  - 구현이 어렵고 비용이 비싸다.
- Optical Fiber performance
  
  -> x축 Wavelength : 왼쪽 / 고주파, 오른쪽 / 저주파
  -> 1400nm 파장은 loss 가 크므로 사용하지 않는 것이 좋다.

3. Unguided Media

Radio wave 를 사용하여 신호를 공기로 전파하는 물리적 매체 (선)이 없는 scheme.
signal에 대한 보호가 전혀 없어 noise, interference, distortion 에 취약하다.
Propagation methods
- Ground Propagation
  -> 지면의 굴곡을 통해 이동 하며 가장 낮은 주파수를 사용하며 먼 이동거리를 가진다.
  -> 라디오 / TV 지상파에 이용
- Sky Propagation (Antenna <-> Antenna)
  -> 주파수 무선파가 상층 대기권에 반사, 전리층과 지상을 왔다 갔다하며 낮은 출력으로도 원거리 전파를 가능하게 한다.
  -> 아마추어 무선방송에 이용
- Line-of-Sight Propagation (Antenna <-> Antenna)
  -> 30 MHz 이상에서 사용되며 전리층에 반사되지 않으므로 위성을 이용하여 지표 반대편까지 전송이 가능하다.
  또한, 전송, 수신 안테나는 가시범위내에 있어야한다.
  -> 무선 데이터통신
Wireless transmission
- Radio wave
  - 3kHz ~ 1GHz
  - 신호가 전방향 (Omnidirectional)으로 전파
  - broadcast (일대다)
- Microwave
  - 1GHz ~ 300GHz
  - Undirectional (단방향 전파)
  - Antenna transmits microsaves
    -> Parabolic dish antenna, Horn antenna
  - point to point (일대일)
- Infrared
  - 300GHz ~ 400THz
  - 직진성, 고주파로 파장이 짧아 신호가 멀리 가지 못함
  - 벽을 뚫을 수는 없다.
- Terrestrial microsaves
  - Parabolic dish antenna
  - 직선으로 전파
  - Long haul telecommunications service(voice and television transmission) 에 사용됨
- Satellite Microwave
  - 정지된 위성과 통신하며 장거리 신호를 중계할 수 있다.
  - Uplink : Earth station 은 위성에 신호를 전송하여 통신한다.
  - Downlink : 위성은 이 신호들을 Earth station 에 전송하여 통신한다.
  - 주파수 bandwidth에 따라 4/6 GHz BAND (C band), 12/14 GHz BAND (Ku band), 19/29 GHz BAND (Ka band) 으로 나뉜다.
  - Satellite classification
    1. LEO: (Low Earth Orbit)
      600 ~ 1,500 km 의 낮은 궤도를 도는 위성 지구와 Sync를 맞추지 않는다.
    2. MEO: (Medium Earth Orbit)
      10,000 ~ 20,000 km 궤도, 많이 사용하지 않으며 GPS 가 있다.
    3. GEO: (Geo-synchronous Earth Orbit)
      35,786 궤도,지구 자전속도와 동일하게 위성이 이동하여 마치 정지된 것처럼 보임 -> 정지궤도위성 (지구와 Sync를 맞출 수 있음
Trilateration on a plane

-> 3개의 위성으로부터 위치정보를 받음으로써 현재 위치를 결정할 수 있다.
Refraction
- 물리적인 매체 (선)이 없기 때문에 굴절이 발생할 수 있다.
- 전파속도 : 3×10^8 m/s in vacuum
Optical & Radio Horizons
- Radio horizon > Optical horizon
- Visibility of light : 빛의 최대 도달 거리
- Visible distance of radio wave: 전파의 최대 도달 거리
LOS (Line of Sight) Transmission
- Free space loss
  - signal은 거리에 비례해서 퍼진다.
  - 저주파에 대해 큰 손실 (긴 파장)
  - 가장 이상적인 공간 : 우주
  - Pr = Pt / d^2, where (Pt : 송신 power, Pr : 수신 power)
    -> 수신 power는 송신 power의 거리의 제곱으로 약해진다.
- Atmospheric Absorption
  - 물방울 (흡수량 : 15GHz~22GHz) 과 산소 (30GHz~60GHz), 비, 그리고 안개 등이 radio signal을 흡수한다.
- Multipath
  장점일 수도 있지만, 단점이 될 수도 잇다.
  signal이 반사되어 여러 개의 복사본이 수신될 수도 있다.
- Refraction
  - signal의 부분, 전체 손실이 발생할 수도 있다.
Multipath Propagation
- Reflection
  -> 신호가 신호의 파장에 비해 큰 표면에 마주칠 때 발생
- Diffraction
  -> radio wave의 파장에 비해 큰 관통이 불가능한 물체의 가장자리에서 발생
- Scattering
  -> 수신 신호가 신호의 파장보다 크기가 작은 물체를 칠 때 발생 (모서리에서 발생)
- Intersymbol interference(ISI)
  - 하나 또는 이상의 지연된 pulse 복사본이 이어지는 bit의 primary pulse와 동시에 도착할 수도 있다.
  
  -> 1이 먼저 도착해야 하지만 2가 더 빨리 도착 => 수신측에서의 충돌이 발생할 수 있다.
  -> 해결방법 : 주파수 대역을 나누어 천천히 전송한다.
Fading
- Fast fading: 움직임의 영향 -> 신호가 움직임으로 인해 주파수에 변화를 가함 ⇒ multipath에 영향
- Slow fading: 주변 환경의 영향 -> 공간적인 요소가 신호 감쇄에 영향을