[데이터통신] Physical Layer 알아보기

 

 

아날로그 데이터 vs. 디지털 데이터

 

 

데이터는 아날로그 혹은 디지털의 형태일 수 있다. 아날로그 데이터는 "연속적인 정보"를 나타내는 데이터이고, 디지털 데이터는 "이산적인 상태"를 가지는 정보를 나타낸다. 예를 들어, 시곗바늘이 연속적으로 움직여 시/분/초의 정보를 알려주는 아날로그시계는 아날로그 데이터의 형태이고, 12:30분에서 12:31분으로 한 번에 시간이 변하는 디지털시계는 디지털 데이터의 형태이다.

 

 

경우에 따라 이러한 디지털 형태의 데이터를 아날로그 형태로 변환하거나 아날로그 형태를 디지털 형태로 바꾸어야 하는 상황이 발생한다. 하지만, 데이터는 일관적이지 않을 수 있다. 아날로그에서 의도한 값이 디지털로 변환했을 때 그러한 값이 아닐 수도 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

 

 

 

위와 같은 상황은 주로 시간에 따라 반복되는 패턴이나 사이클이 나타나지 않는 비주기적 신호에서 나타난다. 반대로 주기적 신호는 측정 가능한 시간 프레임 내에서 패턴을 완료하고 이후 동일한 주기에 해당 패턴을 반복한다.

 

 

 

 

 

 

 

Sine Wave

 

 

사인파는 주기적인 아날로그 신호의 대표적인 형태이다.

 

 

특히 사인파는 세 가지 요소에 의해서 구분되어 질 수 있는데, 하나는 Amplitude, 다른 하나는 Frequency, 마지막은 Phase이다.

 

 

Amplitude가 다른 경우는 아래와 같다.

 

 

 

Frequency가 다른 경우는 아래와 같다.

 

이때 알 수 있는 것은 Hz가 크면 더 많은 패턴을 반복하고, 작으면 더 작은 패턴을 반복한다. 즉, Frequency는 시간에 따른 변화율이다. 따라서 Frequency가 크다는 것은 짧은 시간 동안 변화함을 의미한다.

 

 

만약 Frequency가 0이라면 신호가 전혀 바뀌지 않는 것이고, 무한대라면 신호가 순간적으로 변하는 것이다.

 

 

Phase는 다음과 같다.

 

 

Phase(위상)은 시간 0에 따른 파형의 위치를 의미한다. 이는 첫 번째 주기의 상태를 말하기도 한다.

 

 

 

 

 

 

 

Composite Signal

 

실제로 간단한 Sine Line가지고는 간단한 일밖에 하지 못한다. 전기 에너지 운반 혹은 간단한 부저음이 그러한 예시가 된다. 그렇기 때문에 복잡한 데이터 통신에서는 _Composite Signal_을 사용한다.

 

 

복합 신호(Composite Signal)는 다른 진폭, 주파수 및 위상을 갖는 간단한 사인파의 조합이다. 이러한 복합 신호는 주기적일 수도 있고, 비주기적일 수도 있다.

 

 

 

 

 

 

Bandwith(대역폭)

 

_Bandwith_란 복합 신호에 포함된 주파수의 범위이다. 이는 일반적으로 두 숫자의 차이로 구할 수 있다. 예를 들어, 복합 신호의 주파수가 1000과 5000 사이라면 _Bandwith_는 4000이다.

 

 

 

와이파이 대역폭을 생각해보자.

 

 

5 GHz는 대역폭도 넓기 때문에 좋긴 하나, 주파수가 크다는 것은 회절성이 안 좋다. 따라서 주변에 장애물이 있다면 별로 안 좋다. 반대로 2.4 GHZ는 주파수는 작지만, 회절성이 좋기 때문에 장애물이 있어도 멀리 뻗어나갈 수 있다.

 

 

 

 

Digital Signals

 

 

디지털 신호는 2개 이상의 신호를 가질 수 있다. 디지털 신호는 아날로그 신호와 달리 구별할 수 있는 단위가 amplitude밖에 없다.

 

 

 

 

 

비주기적인 데이터 신호를 구분할 수 있는 단위가 주기와 주파수로 표현하기에는 무리가 있다. 따라서 "비트 속도(Bits Rate)"라는 단위를 통해 디지털 신호를 구분한다. 이는 1초 동안 전송된 비트의 수, 즉 초당 비트 수(bps)로 표현한다.

 

 

 

데이터 통신에 있어서는 주기적 아날로그 신호와 비주기적 디지털 통신을 주로 사용한다.

 

 

 

 

 

Digital as Composite Analog

 

Fourier 분석에 따르면, 디지털 신호는 복합 아날로그 신호이다. 이때, 대역폭은 무한하다.(신호가 즉시 변경되면 그 주파수는 무한하다.).

 

 

 

 

 

 

디지털 신호의 전송

 

 

다음 두 가지 방법을 사용하여 디지털 신호를 전송할 수 있다.

 

• 베이스밴드 전송: 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하지 않고 채널을 통해 디지털 신호를 전송하는 것이다. (대역폭이 제로에서 시작하는 채널. 이는 대역폭이 하나의 채널로만 구성된 전용 매체인 경우의 경우이다.)
• 브로드밴드 전송 (변조): 전송을 위해 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 것이다. 변조를 통해 대역폭 채널 (제로에서 시작하지 않는 대역폭을 갖는 채널)을 사용할 수 있다.
  • 변조는 대역폭이 제로에서 시작하지 않는 밴드패스 채널을 사용할 수 있도록 해준다.

 

 

 

 

 

 

 

 

신호 손상

 

 

 

손상 없이 모든 신호들을 보내는 것이 가능할까? 이는 불가능하다. 즉, 완벽하지 않은 전송매체를 통해서 전달되기 때문이며, 보낸 쪽과 받는 쪽의 데이터가 완벽하게 일치하지 않는다.

 

 

이렇게 신호가 손상되는 원인은 다음 세 가지로 구분될 수 있다.

 

 

• 감쇠(Attenuatoin)
  • 감쇠는 에너지의 손실을 의미한다.
  • 신호에 있는 일부의 전기 에너지가 열 에너지로 전환된다.
  • 손상을 보충하기 위해 증폭기가 사용된다.

 

 

 

• 왜곡(Distortion)
  • 신호의 형태나 모양을 바꾸는 것을 의미한다.
  • 서로 다른 주파수를 가진 복합 신호에서 나타난다.
  • 각 신호는 고유의 전파속도를 가지기 때문에 신호가 도착해도 고유의 지연이 발생한다.
  • 이러한 지연의 차이가 주기 기간과 일치하지 않는다면 위상의 차이가 발생한다.

 

 

 

 

• 잡음(Noise)
  • thermal noise, induced noise, crosstalk, impulse noise과 같은 여러 종류의 잡음이 신호를 손상시킨다.
  • thermal noise는 전자의 무작위 운동으로 발생하는 추가 신호이다. 이는 전송 측에서는 없는 신호다.
  • induced noise는 모터와 같은 원본에서 발생한다.
  • crosstalk는 한 전선이 다른 전선에 미치는 영향이다.

 

 

 

 

 

 

SNR(Signal-to-Noise Ratio)

 

SNR은 Noise당 Signal을 의미하는데, 그래서 SNR이 크면 상대적으로 Noise가 적고, SNR이 작으면 상대적으로 Noise가 크다.

 

 

 

 

 

 

 

Data Rate Limit

 

 

채널을 통해 데이터를 얼마나 빠른 속도로 보내는 가를 계산하는 방법에는 두 가지가 있다. 하나는 노이즈가 없는 채널에 대한 니클리스트 공식이고, 다른 하나는 노이스가 있는 채널에 대한 샤넌의 공식이다.

 

 

• 니클리스트 공식
  • BitRate = 2 * bandwith * log2 L
• 샤넌 공식
  • 실제로는 채널은 항상 소음이 있다. 
  • Capacity = bandwith * log2(1+SNR)

 

L은 신호레벨

 

 

 

 

네트워크 성능 평가

 

 

네트워크 성능을 측정하는 한 가지 특성은 대역폭(Bandwith)이다.

 

• 두 가지 다른 맥락에서 사용되며 두 가지 다른 측정값을 갖는다
  • 이는 헤르츠 단위의 대역폭과 초당 비트 단위의 대역폭이다.
• 헤르츠 단위의 대역폭
  • 복합 신호에 포함된 주파수 범위 또는 채널이 전달할 수 있는 주파수 범위이다.
  • 예를 들어, 가입자 전화 회선의 대역폭은 4 kHz라고 할 수 있다.
• 초당 비트 단위의 대역폭
  • 채널, 링크 또는 심지어 네트워크가 전송할 수 있는 초당 비트 수이다.
  • 예를 들어, 패스트 이더넷 네트워크 (또는 이 네트워크의 링크)의 대역폭이 최대 100 Mbps라고 할 수 있다.
  • 이것은 이 네트워크가 100 Mbps를 보낼 수 있다는 것을 의미합니다.
• 기본적으로, 헤르츠 단위의 대역폭이 증가하면 초당 비트 단위의 대역폭도 증가한다.

 

 

 

성능을 평가하는 지표 중 다른 하나인 처리량(Throuput)은 네트워크를 통해 실제로 데이터를 전송할 수 있는 속도의 측정값이다.

 

• 초당 비트 단위의 대역폭과 처리량은 처음에는 같아 보이지만 실제로는 다르다.
• 한 링크의 대역폭이 B bps일 수 있지만, 실제로는 이 링크를 통해 항상 B보다 작은 T bps만 전송할 수 있다.
• 대역폭은 링크의 잠재적인 측정값이며, 처리량(Throuput)은 실제로 데이터를 얼마나 빠르게 전송할 수 있는지의 실제 측정값이다.
• 예를 들어, 대역폭이 1 Mbps인 링크가 있을 수 있지만, 링크 끝에 연결된 장치는 200 kbps만 처리할 수 있을 수 있다. 이는 이 링크를 통해 200 kbps보다 많은 데이터를 전송할 수 없다는 것을 의미한다.

 

 

 

 

Latency(지연)

 

 

지연 또는 지연 시간은 첫 번째 비트가 출발지에서 전송된 시점부터 전체 메시지가 목적지에 완전히 도착하는 데 걸리는 시간을 정의한다.

 

 

지연은 전파 시간(propagation time), 전송 시간(transmission time), 대기 시간(queuing time) 및 처리 지연(processing delay)의 네 가지 구성 요소로 이루어져 있다. 꽤 중요하므로 공식까지 제대로 알아야 한다.

 

 

• 전파 시간(Propagation time)
  • 데이터가 출발지에서 목적지까지 도달하는데 걸리는 시간
  • 계산 방법은 거리 / 전파속도 
  • $d$: 물리적 링크의 길이
  • $s$: 매체 내 전파 속도 (약 2x10^8 m/sec)
  • $d_{\text {prop}} = \frac {d}{s}$

만약 두 지점 사이의 거리가 12,000km이고, 케이블 내에서의 전파 속도가 초당 2.4 × 10^8미터라면, 전파 시간은 50ms(밀리초)가 된다. 이는 대서양을 건너는 데이터가 50ms만에 전달될 수 있음을 의미한다.

 

(12000 * 1000) / (2.4 * 10^8) = 50ms

 

 

• 전송 시간(Transmission Time)
  • 실제로 데이터를 전송할 때는, 단 하나의 비트만 보내는 것이 아니라, 여러 비트로 이루어진 메시지를 보낸다. 첫 번째 비트는 전파 시간만큼의 시간이 걸려 도착하지만, 메시지의 크기와 채널의 대역폭에 따라 마지막 비트가 도착하는 데까지 걸리는 시간이 달라지기 때문이다. 
  • 계산 방법은 메세지 크기 / 대역폭이다.
  • $L$: 패킷 길이 (비트)
  • $R$: 링크 대역폭 (bps)
  • $d_{\text {trans}} = \frac {L}{R}$

 

 

※ 전파 시간 vs. 전송 시간

어느 것이 더 중요한가는 상황에 따라 다르다.

2.5KB 메시지의 경우, 대역폭이 1Gbps이고 거리가 12,000km일 때, 전파 시간이 전송 시간보다 주요한 요소가 된다. 즉, 메시지가 짧고 대역폭이 높아서 전송 시간보다는 데이터가 목적지까지 도달하는 데 걸리는 시간이 더 중요하다.

반대로 5MB 메시지의 경우, 대역폭이 1Mbps일 때는 메시지 길이가 길고 대역폭이 낮으므로 전송 시간이 더 중요한 요소가 됩니다. 여기서는 전파 시간보다는 메시지를 전송하는 데 걸리는 시간이 더 중요하게 작용한다.

 

 

 

 

• 처리 지연(Processing Delay)
  • 오류 비트 확인
  • 출력 링크 결정
  • 일반적으로 밀리 초 단위로 수행된다.
• 대기 시간(Queuing Time)
  • 메시지가 중간 장치나 최종 장치에서 처리될 때까지 기다려야 하는 시간을 말한다. 이 시간은 네트워크의 부하에 따라 달라질 수 있다.
  • 네트워크에 트래픽이 많을 때, 대기 시간은 증가한다. 라우터 같은 중간 장치는 도착한 메시지를 순차적으로 처리하기 때문에, 메시지가 많으면 각 메시지는 기다려야 한다.
  • 라우터의 혼잡 수준에 따라 다르다.