데이터와 신호
- 응용층, 전송층, 네트워크층, 데이터 링크층 통신은 논리적
- 물리층 통신은 물리적(실질적, 유형화)
- 물리층 통신은 신호를 교환
- 데이터는 전송되고 수신되지만 매체는 신호로 변환
- 데이터와 데이터를 표현하는 신호는 아날로그 또는 디지털일 수 있음
신호
- 물리층에서 네트워크를 통해 전달되는 것은 신호(signal)
- 메세지를 보내면 신호로 바뀌고 수신할 때 신호가 메세지로 바뀜
- 신호는 아날로그 또는 디지털일 수 있음
- 아날로그 신호는 많은 수의 값을 가짐
- 디지털 신호는 제한된 수의 값을 가짐
아날로그 신호
아날로그 주기 신호(Periodic signal)
- 주기라는 연속적으로 반복된 패턴으로 구성
아날로그 비주기 신호(Aperiodic signal)
- 시간에 따라 반복된 패턴이나 사이클이 없다
데이터 통신에서는 보통 주기 아날로그 신호 사용
아날로그는 단순 신호와 복합 신호로 나뉜다.
정현파(sine wave)는 주기 아날로그 신호의 가장 기본적인 형태
정현파는 진폭, 주파수, 위상이라는 3가지 특성으로 표현
최대 진폭은 전송하는 신호의 에너지에 비례하는 가장 큰 세기의 절대값
전기 신호의 경우, 최대 진폭은 전압(v)으로 측정
주기(Period)와 주파수(Frequency)
- 주기(T): 하나의 사이클을 완성하는데 필요한 시간(초 단위)
- 주파수(f): 주기의 역수(1/T), 1초동안 생성되는 신호 주기의 수, 주파수 = 1/주기, 주기 = 1/주파수, f = 1T, T = 1/f
위상(Phase)
- 시간 0 시에 대한 파형의 상대적인 위치
- 시간 축을 따라 앞뒤로 이동될 수 있는 파형에서 그 이동된 양
- 첫 사이클의 상태를 표시
- 각도나 라디안(360도는 2ㅍrad)으로 측정
파장(wavelength)
- 파장은 전송 매체를 통과하는 신호의 또 다른 특징
- 신호의 주파수는 전송 매체와 무관하지만 파장은 주파수와 전송 매체에 영향
- 파장은 전파 속도와 주기가 주어지면 계산 가능
- 파장을 λ, 전파 속도를 c(빛의 속도), 주파수를 f 라 하면
정현파의 시간 영역과 주파수 영역 도면
시간 영역 도면(time-domain plot)
- 시간에 대한 순간적인 진폭
주파수 영역 도면(frequency-domain plot)
- 주파수에 대한 최대 진폭
복합신호와 대역폭
단순 주파수 정현파는 데이터 통신에 유용하지 않다.
단순 정현파로 전달할 수 있는 정보는 제한적임
여러 개의 단순 정현파로 만들어진 복합 신호가 필요하다.
복합 신호의 대역폭(bandwidth)은 신호에 포함된 최고 주파수와 최저 주파수의 차이이다.
- 복합신호가 1000MHz와 5000MHz 사이의 주파수를 포함한다면 대역폭은 4000MHz가 된다.
디지털 신호
정보는 디지털 신호(digital signal)에 의해 표현될 수 있다. 예) 1은 양의 전압으로 0은 제로 전압으로 부호화 할 수 있다.
디지털 신호는 두 개의 준위보다 더 많을 수 있다. 이 경우 각 준위(레벨)은 1비트 이상을 보낼 수 있다.
비트율
비트율(bit rate)
- 디지털 신호를 표현하는데 사용(디지털 신호는 대부분 비주기적)
- 1초동안 전송된 비트의 수
- bps(bit per sencond)
- Kbps에서 K는 Kilo(1000을 의미)
- Mbps: M > Mega(10^6=100만을 의미)
- Gbps : G => Giga(10^9을 의미)
*예제) 텍스트 자료를 매 초당 100 페이지를 다운 받는다고 하자. 각 페이지는 줄 당 80개의 문자로 된 24개의 줄로 되어있다. 한 문자 당 8 비트를 필요로 한다면 요구되는 채널의 비트율은 얼마인가?
답: 100*24*80*8 = 1536000bps = 1536Kbps = 1.536Mbps
비트 길이
비트 길이(bit length)
- 한 비트가 전송매체를 통해 차지하는 길이: bit length = 1/ bit rate
*예제) 위의 예제의 비트 길이는 얼마인가?
답: 1/1536000 = 0.651 microseconds = 0.651 μs = 651 ns
디지털 신호의 전송
기저대역 전송(Baseband Transmission)
- 베이스 밴드(baseband)라고도 함
- 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 않고 있는 그대로 채널을 통해 전송
광대역 전송(wideband Transmission)
- 디저털 신호를 전송하기 위해 아날로그 신호로 변경(변조)해서 사용
전송 장애
신호가 매체를 통해 전송할 때 생기는 장애
감쇠는 에너지 손실을 의미
- 매체를 통해 이동할 때 매체의 저항을 이겨내기 위해 약간의 에너지가 손실
- 증폭기를 이용하여 신호를 다시 증폭
감쇠(dB, decibel)
데시벨
- 신호의 손실된 강도(strength)나 획득한 강도를 보이기 위해 사용
- 2개의 다른 점에서 두 신호 또는 하나의 신호의 상대적 길이를 측정
- 신호가 감쇠하면 음수, 증폭되면 양수
* dB = 10 log10(p2/p1) *p1과 p2는 신호의 전력
*예제) 신호가 전송매체를 통해 이동하고 있고 전력(power)이 절반으로 줄었다고 하자. 이것은 P2는 (1/2)P1임을 의미한다. 이 경우에, 감쇠(전력 손실)은 다음과 같이 계산할 수 있다.
일그러짐(distortion)
왜곡, 찌그러짐이라고도 함
신호의 모양이나 형태가 전송 매체를 통과하면서 변하는 것
마지막 목적지에 도착할 때 지연이 생길 수 있다.
지연이 주기 기간과 정확히 같지 않은 경우 지연 차이가 위상 차이를 만들 수 있다.
잡음(noise)
열(thermal) 잡음, 유도된(induced) 잡음, 혼선(crosstalk), 충격(impulse) 잡음 등의 여러 형태의 잡음
- 열잡음: 열에 의한 반도체 내 전자나 이온의 불규칙한 운동으로 발생
- 유도잡음: 외부에서 유도된 전계나 자계의 영향으로 발생
- Crosstalk(혼선): 근접된 통신로 상의 전자기적 신호의 결합으로 발생
- Impulse(충격) 잡음: 주변 환경의 스파크성 신호로 인해 발생
SNR: signal-to-noise ratio
- 잡음과 신호 전력의 비율
- SNR = (average signal power)/(average noise power)
- SNR은 데시벨로 표시
- SNRdB = 10 log10SNR
데이터 전송률의 한계
데이터 전송률의 세 요소
- 가용 대역폭(available bandwidth)
- 사용 가능한 신호 준위
- 채널의 품질(잡음의 정도)
데이터 전송률을 계산하는 두 가지 이론적 수식
- 나이퀴스트 수식(Nyquist bit rate): 잡음이 없는 채널에서 사용
- 섀넌 수식(Shannon capacity): 잡음이 있는 채널에서 사용
잡음이 없는 채널: 나이퀴스트 비트율
나이퀴스트 전송률
- 잡음이 없는 채널의 경우 사용
- 대역폭은 채널의 대역폭(B), L은 데이터를 나타내는데 사용한 신호 준위의 개수, 전송률은 초당 비트 수라고 할 때 비트율은
- 공식에 따라 대역폭이 주어지면 신호 준위의 수를 늘리면 임의의 비트율을 달성할 수 있지만 준위 수를 늘리면 수신자에게 부담이 된다. 더욱 정밀한 분해 능력의 수신 성능의 시스템이 필요하다. 시스템의 신뢰도가 떨어질 수 있다.
*예제) 잡음이 없는 20kHz 대역폭을 갖는 채널을 사용하여 265kbps의 속도로 데이터를 전송해야 한다. 몇 개의 신호 준위(level)가 필요한가?
답:
* 위 계산 결과는 2의 몇 승이 아니므로 신호 준위 개수를 늘리거나 줄여야 한다. 128개의 준위를 사용하면 비트율은 280kbps이다. 64개의 준위를 사용하면 비트율은 240kbps이다.
잡음이 있는 채널: 섀넌 용량
- 잡음이 있는 채널에서의 최대 전송률을 결정하는 수식
- 대역폭(B)은 채널의 대역폭, SNR은 신호에 대한 잡음 비율, 용량은 bps단위의 채널 용량(capacity)이라고 하면
- 채널 용량은 비트 전송률의 상한을 나타낼 뿐이며 전송 방법을 정의하지 않음
*예제) 신호 대 잡음의 비율 값이 거의 0인, 거의 잡음에 가까운 채널을 생각해보자. 다시 말해, 잡음이 너무 강해서 신호가 약해진다. 이 채널에 대한 용량을 계산하면 다음과 같다.
* 이것은 채널의 용량이 0이다. 대역폭은 고려되지 않았다. 다른 말로 하자면 이 채널로는 어떤 데이터도 보낼 수 없다.
*예제) 일반 전화선의 이론적인 최고 데이터 전송률을 계산할 수 있다. 전화선은 일반적으로 3000Hz(300Hz에서 3300Hz)의 대역폭을 갖는다. 신호 대 잡음의 비율이 보통 3162(35dB)이다. 이 채널에 대한 용량을 계산하면 다음과 같다.
*이는 전화선의 최대 비트율이 34.861Kbps임을 의미한다.
두 가지 한계를 사용하기
실제로는 어떤 신호 준위의 어떤 대역폭이 필요한지를 알기 위해 두 가지 방법을 모두 사용한다.
*예제) 1MHz의 대역폭을 갖는 채널이 있다. 이 채널의 SNR은 63이다. 적절한 전송률과 산호 준위는 무엇인가?
1. 우선 상한을 구하기 위해 섀넌 수식을 사용한다.
2. 섀넌 수식으로 6Mbps의 전송률을 구했으나 이는 상한일 뿐이다. 더 나은 성능을 위해 조금 낮은 값, 예를 들어 4Mbps를 택한다. 그 후에 신호의 준위를 구하기 위해 나이퀴스트 수식을 사용한다.
성능
네트위킹에서 중요한 이슈 중 하나가 네트워크의 성능(performance)이다. 즉 네트워크가 얼마나 좋은가?
대역폭
- 헤르츠 단위 대역폭: 신호에 포함된 주파수 범위
- 비트율 단위 대역폭: 채널을 통과할 수 있는 초당 비트 수
처리율(throughput)과 지연(latency)
처리율(throughput)
- 어떤 지점을 데이터가 얼마나 빨리 지나가는가를 측정
- 데이터 링크(link)가 Bbps를 전송할 수 있는 대역폭을 갖는다고 할 때 이보다 적은 Tbps만큼만 전송할 수도 있다.
- 대역폭은 링크의 잠재 성능 측정치를 의미한다.
- 대역폭은 1Mbps이지만 링크에 연결된 장치가 200kbps 이면 이 링크를 통해서 이 이상의 속도로 전송할 수 없다
- 어느 지점에 분당 1,000대의 차량이 통과할 수 있는 고속도로가 있지만 정체로 인해 100대만 통과한다면 처리율은 100대인 것이다.
지연(latency or delay)
- 전체 메세지중 첫번째 비트가 목적지에 완전히 도착하는데 걸리는시간
- 지연 = 전파시간(전달) + 전송시간(선입선출) + 큐시간(저장) + 처리시간
대역폭-지연 곱(Bandwidth-Delay Product)
대역폭-지연 곱의 개념
- 링크를 두 지점을 연결하는 파이프로 생각
- 파이프 단면: 대역폭, 파이프 길이: 지연
모든 내용은 '데이터 통신과 네트워킹 6판' 책을 공부하여 작성 하였습니다.
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