Transmission Media

전송 속도와 거리를 결정하는 설계 요소

• 대역폭
  • 대역폭이 클수록 고속 전송이 가능
• 전송 손상
  • 전송 손상은 퀄리티를 낮춤
  • 전송 거리를 제한
• 전송 환경이 나쁘면 전송 속도 낮아짐
• 간섭
  • 사용되는 주파수 대역폭이 겹치면 다른 신호에 영향을 미침 → 노이즈로 동작 → 신호의 질을 낮춤 → 신호 왜곡
• 수신기(receiver)의 개수
  • 수신기가 많아지면 신호가 여러 군데로 나눠짐 → 신호의 세기 낮춤 → 신호의 질 낮춤

유선매체(Guided medial, wired media, bounded media)

Twisted Pair(TP)

• 가장 싸고 광범위하게 사용되고 있다.
• 일반적으로 전화선으로 사용
  • 건축에 내장되어 있는 링크이므로 설치하는데 부가적인 가격이 들지 않음
  • 음성 전송하는데 적합
  • 데이터를 전송하는 데는 적합하지 않음 ← 고속을 이루기 힘듦
  • 요즘은 통합망(음성 + 데이터 + 멀티미디어 + 방송) 사용 → TP로는 용량 부족 → 각 가정까지 광섬유 설치 → FTTH(fiber to the home)
• 두 개의 분리된 구리 선이 규칙적으로 꼬아져 있음
• 한 쌍의 선이 한 쌍의 링크를 구성
• 여러 개의 구리 선 쌍이 묶여서 번들로 되어있다.
• 아날로그와 디지털 모두 전송 가능
• 전송하는데 손상이 발생하므로 제한된 거리(5~6km)마다 증폭기를 사용해야 함 Repeater는 2~3km마다 사용
• 거리에 제한, 대역폭에 제한적
  • TP를 통해 100m이내에서 100메가까지 전송 가능
• 간섭과 노이즈에 민감

Unshielded Twisted Pair(UTP)

• 기존의 전화 라인
• 가격이 싸다
• 연결이 쉽다
• 전자기적 간섭에 민감
• 더 높은 속도를 이루기 위해 더 조밀하게 꼬아야 한다.

Shielded Twisted Pair(STP)

• 노이즈나 간섭을 줄이기 위해 매체의 밖을 감싼다.
• 더 높은 속도
• 성능은 좋고 가격은 비쌈
• 설치가 어려움 ← 두껍고 무거움
• TP를 많이 꼬을수록 좋다. → 가격이 비쌈

Crosstalk

• 한 군데 있는 것이 다른 곳에 유기되는 것
• 인접해서 지나가는 라인의 신호가 유기되어 들리는 것

Near-End Crosstalk(NEXT)

• 하나의 라인에서 다른 라인에 유기되는 것 (coupling에 의해서)
• Next loss가 클수록 노이즈가 커진다.
• ACR = attenuation to crosstalk ratio = attenuation/crosstalk

Coaxial Cable(동축 케이블)

• 가운데에 도체가 있고 바깥쪽에 도체가 또 있는 형태, 그 가운데에 부도체가 있음
• 바깥이 싸여 있으므로 보호 효과가 있어 간섭이나 노이즈에 강함
• TP에 비해 상대적으로 멀리 전송 가능, 고용량, 더 높은 속도
• TV 방송 분배, 장거리 전화망(교환기와 교환기 사이(trunk)), 고속 LAN에 사용

특징

• TP에 비해 대역이 넓다. → 고속
• 감쇠와 노이즈에 제약을 받음
• 아날로그 신호 전송 가능
  • 증폭기 필요
  • 주파수 대역(스펙트럼)이 넓음 (500MHz)
    • TV 채널 하나가 6MHz의 대역폭 필요
• 디지털 신호 전송 가능
  • 1Km마다 Repeater필요
  • 전송 속도가 높아지면 거리가 짧아짐
  • 전송 속도가 높을수록 주파수가 높음 → 감쇠가 큼

Optical fiber(광섬유)

• 단면을 쳐다보면 core, cladding, jacket(피복)이 있음
• 코어를 통해서 빛 전송
• 코어의 재질은 유리 또는 플라스틱
  • 광섬유는 얇을수록 좋음
  • 플라스틱 광섬유는 두꺼움 → 유리가 좋음
• 전기적인 신호를 빛으로 바꾸기 위해 광원 필요
  • 광원 종류 : 레이저, LED
  • 레이저가 LED보다 좋음
• 전반사가 일어나면 손실 없음
• 장거리 통신에 사용
  • 손실, 감쇠가 적으므로 증폭기나 repeater 없이도 멀리까지 전송 가능
  • 교환기와 교환기 사이(트렁크)의 용량이 커야 함
• 유선에서 가장 각광받고 있는 매체

장점

• 용량이 크다
  • 전송속도를 수백 킬로로 올릴 수 있다.
• 사이즈가 작고 무게가 가볍다
  • 10μm = $10^{-5}$m
• 감쇠가 적다
• 전자기파에 영향을 받지 않는다.
  • 광섬유는 빛을 전송
  • 빛은 전기적인 신호의 영향을 받지 않음
  • 노이즈와 간섭에 강함
  • 도청하기 어려움 ← 빛을 분기하기 어려워 유기되지 않음, 커플링 되지 않음
• Repeater spacing(repeater와 repeater사이의 거리)을 넓게 할 수 있음 → repeater를 적게 사용할 수 있음 → 가격 줄이고 에러를 줄임

광섬유 용도

• 장거리 트렁크
• Metropolitan(중거리) 트렁크
• 시골의 환전소
• Subscribger loop : 교환기에서 집(전화기)까지 (FTTH)
• LAN

광통신

• 빛을 전송
• 빛이 바깥으로 새지 않고 안에서 이동
• 빛이 새어나가면 손실 발생
• 주파수 영역이 $10^{14}$~ $10^{15}$
• 광섬유를 사용하기 위해 전기적인 신호를 빛으로 바꿔야 함 → 광원 필요
  • LED, Laser diode
  • E/O conversion : 전기적 신호를 빛 신호로 바꾸는 것
  • O/E conversion : 빛을 전기적 신호로 바꾸는 것
  • 빛 = photon(광자)를 받아서 0인지 1인지 해독
• LED는 광원 자체가 큼, 광섬유는 아주 얇음 → 빛의 일부만 전송되고 나머지는 손실
  • LED는 가격이 싸다
  • 동작 영역이 크다
  • 생명이 길다
• Laser는 효율적이므로 더 높은 전송 속도를 올릴 수 있다.

광섬유 종류

• Single mode
  • multimode보다 좋음
    • core가 얇음(10μm) → 빛이 가운데로만 감
  • 만들기 어려움 → 비쌈 But 기술의 발전으로 가격이 많이 낮아짐
• Multimode
  • core가 두꺼움(50μm) → 같은 순간에 출발한 빛이라도 이동하는 경로가 다르므로 다른 순간에 도착함 → 원래의 신호를 복원하기 어려움 → 에러 발생
  • source와 destination 사이의 거리가 멀수록 시간 간격이 더 커짐 → 거리를 제한하는 요소
  • Step-index multimode
  • Graded-index multimode
    • core를 multi layer로 만듦 → core의 층수가 여러 개 → 굴절이 여러 번 일어남 →둥글게 굴절 → 시간차가 줄어듦 → step-index multimode보다 성능이 좋음

광섬유에서 주파수 사용

파장	주파수	Band Label	광섬유 종류	사용	광원
820~900nm	366~333THz		Multimode	LAN	LED
1280~1350nm	234~222THz	S	Single mode	Various	레이저
1528~1561nm	196~192THz	C	Single mode	WDM	레이저
1561~1620nm	192~185THz	L	Single mode	WDM	레이저

• WDM(파장 분할 다중화)
  • 광섬유 하나로 여러 명에게 통신
  • ex) 무지개 빛이 한꺼번에 다 들어오면 흰색(구별 불가능) → 프리즘 통과시키면 파장에 따라 굴절률이 다르므로 나열됨
  • 양방향 통신을 하기 위해 다중화하지 않는 이상 보내는 선과 받는 선이 따로 필요
    • 다중화 기술 사용하면 하나의 선으로 가능

유선매체에서의 감쇠

• 감쇠는 주파수의 함수
  • 주파수가 증가함에 따라 감쇠가 증가
• 구리 선의 직경이 두꺼울수록 좋음 → 단면적이 넓을수록 저항이 적음 → 전달 능력이 좋음
• 저손실 영역
  • 광섬유 특성곡선에서의 변곡점
  • 파장에 따라 감쇠가 다름
  • 우리가 사용할 수 있는 영역

무선 통신 주파수

• 1GHz보다 낮으면
  • Radio
  • omnidirectional(다방향성) → 방송에 적합
• 1GHz보다 높으면
  • Microwave
  • 주파수가 높으면 높을수록 직진성이 강함 → point to point 통신에 적합 → 위성 통신에 사용
  • 주파수가 높으면 더 높은 대역폭 확보 가능 but 감쇠가 커짐
• 아주 높은 주파수 대역
  • Infrared(적외선)
  • 직진성이 더 강함
  • point to point와 multipoint통신에 사용
  • 벽 투과 불가능
  • 방 안에서만 통신 가능(단거리 통신)
• 가시광선은 적외선보다 더 높은 주파수 대역 → 고속

안테나

• 무선 통신은 안테나와 안테나 사이의 통신
• 전송 또는 수신을 하기 위해 안테나 필요
• 하나의 안테나가 전송, 수신 모두 가능
• 전자기적 에너지를 내보내고 모으는 데 사용하는 전기 도체
• 안테나를 통해 신호를 전자기파 형태로 전송
• Transmitter를 통해 radio frequency 전송
• 전자기파 신호를 전기 신호로 바꿈

퍼져나가는 형태

• 모든 방향으로 퍼져 나감
  • 모든 방향에 대해 정확하게 똑같이 퍼져 나가지는 않음
• Isotropic antenna(등방성 안테나)
  • 한 군데에서 여러 군데로 퍼져 나감
  • 모든 방향으로 똑같이 퍼져 나감
  • 등고선 전위가 같은 지점은 에너지가 같은 지점

접시 안테나(Parabolic antenna)

• Microwave는 직진성이 강함 → 안테나가 서로 마주 보고 있어야 함 → 접시 안테나 사용
• 타원형

Antenna Gain

• 직진성이 강하지 않으면 손실 발생 → 직진성의 척도를 gain이라 함
• 전송되는 면적 / 전체 면적
• output과 실제로 받아들인 것과의 비율
• 나머지는 손실
  • gain 10%이면 손실 90%
• 단위 : 데시벨(dB)
• Effective area에 따라 다름

Microwave 종류

Terrestrial microwave(지상파)

• 지구에 있는 안테나와 안테나 사이의 통신
• 거리가 멀수록 안테나 높이 높아짐 → 더 높아지면 위성 microwave사용
• Parabolic antenna(접시 안테나) 사용
• 직진성이 상당히 높음 → 점 대 점 통신
• 안테나의 높이 중요
• 경우에 따라 중계기가 있을 수 있음

지상파의 응용

• 장거리 통신에 사용, 시외 전화
• 직진성이 강하므로 짧은 거리의 point to point통신에 사용될 수 있음 빌딩과 빌딩 사이
• TV방송에 사용
• Line of sight(los) : 안테나와 안테나의 직진 통신
• 1~40GHz 주파수 영역
  • 주파수가 더 크면 감쇠가 큼
• 거리에 따라 감쇠 커짐, 간섭에 영향 많이 받음
  • 겨울에 통신이 더 잘되는 이유 : 나뭇잎이 떨어져서

Satellite Microwave(위성파)

• 통신 위성은 microwave relay station이다.
• 지구는 둥글고 장애물이 있을 수 있기 때문에 안테나의 높이를 높이다 보면 한계 존재하기 때문에 위성 사용

전송 특징

• microwave는 1GHz이상
• Optimum frequency
  • microwave 중에서 1~10GHz 대역
  • 현재의 기술을 고려한 최적의 대역
  • 상대적으로 노이즈도 적고 손실도 적은 대역
• 위성이 사용하는 주파수 대역
  • 4GHz : downlink(위성에서 지구), bandwidth = 500MHz
  • 6GHz : uplink(지구에서 위성), bandwidth = 500MHz
  • 4/6GHz대역이 최적이지만 포화 상태라 사용하기 힘듦 ⇒ 12/14GHz 대역 사용
  • 더 높은 대역의 문제점 : 감쇠

Radio Frequency

• 30MHz~1GHz
• Broadcast의 성격을 가짐
• Omnidirectional 다방향성
• 높은 주파수는 감쇠가 크므로 짧은 거리의 통신에만 사용
• Broadcast Radio 사용
  • FM방송
  • 텔레비전 방송(UHF, VHF)
  • 네트워크
• Line of sight의 영향을 받지 않음
• transmitter와 receiver사이의 전파되는 경로가 다양할 수 있음 → 수신기에 도착하는 경로 다양
  • multipath interference : 같은 순간에 출발한 신호라도 도착하는 시간이 경로에 따라 다름
  • 땅이나 물, 건물이나 조각 등에 반사돼서 옴

Infrared(적외선)

• microwave보다 더 높은 주파수 대역
• 파장이 짧다
• 벽 투과 X
• 실내에서의 통신
• 주파수가 높기 때문에 직진성이 매우 강함
• 무선 자원은 제한된 자원이기 때문에 주파수를 사용하기 위해서는 허가를 받아야 함 But 적외선은 허가 없이 누구나 사용 가능
• 주파수 할당의 문제도 생기지 않음
• 리모컨에 많이 사용

신호가 전파되는 모양

• 주파수에 따라 전파되는 모양이 다름

Ground-wave propagation

• 지구 모양처럼 구부러져 전파가 이루어지는 형태
• 2 MHz이하
• AM Radio가 해당됨

Sky wave propagation

• 2~30MHz대역
• 전리층에 반사되면서 통신되는 형태
• Line of sight : 마주 보고 통신
  • 30MHz이상 장애물 있으면 통신 불가능

Refraction

• 전자기파의 속도는 정해져 있음
  • 진공에서 $310^8m/s$ ($310^5km/s$)
• 전선 또는 광선을 통해 전파가 일어나면 속도가 3분의 2로 줄어듦
  • $210^8m/s$ ($210^5km/s$)
• 매체의 매질이 변경되면 속도의 변화가 일어남
• 굴절의 정도가 파장에 따라 다름
• 공기 중의 밀도가 다르므로 굴절이 일어나고 파가 꺾임

Line of sight Transmission

• 자유 공간에서의 손실
  • 손실은 거리 함수
  • 전송하는 거리가 멀수록 손실이 심하다
  • 주파수가 높을수록 손실이 커짐
• 공기 중에서 수증기나 산소에 의해 신호가 흡수될 수 있음
• multipath interference
  • 무선 같은 경우 파가 벽에 부딪히면 반사가 일어날 수 있음 → 수신 측에 도착하는 경로가 여러 개 생길 수 있음
• Refraction
  • 대기 중의 밀도가 다르므로 신호의 굴절이 일어남