물리계층은 매우 하위 계층으로 실질적으로 데이터를 전송하는 전선 등을 의미하는 계층이다.
이 물리계층에서 중요한 것은 딱 2가지이다.
- Signal Definition
- Interface definition
이렇게 이다. 이 중에서 Interface Definition 에 대해서 알아보자.
인터페이스란
Interface 란 데이터가 전송 되는 매체를 의미한다. 이 때 해당 전송 매체는 다음과 같이 분류할 수 있다.
- Interface
- 유선 전송매체
Twisted Pair (쌍쇄선)
Coaxial Cable (동축케이블)
Optical Cable (광섬유)
- 무선 전송매체
Antennas
Terrestrial microwave
Satellite microwave
Broadcast radio
- 유선 전송매체
전송매체 선택 고려사항
일단 그에 앞서 어떠한 전송매체를 사용할까에 대한 고려사항으로는 다음과 같은 것들이 있다.
일단 첫번째로 Bandwidth는 대역폭으로써 어떠한 대역폭의 데이터를 주로 보내는지에 따라 전송매체를 선정할 수 있다. 두번째로는 Transmission impairment로 신호의 감쇠정도를 의미하는데 어느 정도의 거리를 보내야하는지 어디까지 얼마만의 정확도로 보내야하는지에 따라 전송매체를 선정할 수도 있다. 세번째로는 Interference 로 간섭현상을 의미하는데 Half duplex 나 Full duplex 정도에 따라 어느정도 간섭현상이 일어나는 데이터인지를 알아보고 전송매체를 선정할 수도 있다. 마지막으로 수진자가 몇명인지에 따라 전송매체를 고려할 수도 있다.
유선 전송매체
그러면 위와 같은 고려사항을 가지고
유선 전송매체에 대해 먼저 알아보자. 다음의 표를 보자.
일단 그래프는 가시광선, 마이크로선 .. 등 여러 전자기파의 범위와 각 전송매체가 제공하는 대역폭 범위를 나타낸 그래프이다. 그 다음의 표는 각 전송매체의 주파수 대역, 감쇠 정도, 지연 정도, amplifier나 repeater 같은 증폭기가 어느 정도의 거리마다 있어야하는지에 대한 설명이다. 보면 알 수 있듯이 각각의 전송매체마다 가지는 값들이 다른 것을 볼 수 있으며 이에 따라 적절하게 선택해야 한다.
그러면 각각의 전송매체에 대해서 좀더 세세하게 봐보자.
Twisted Pair
UTP 가 대표적인 Twisted Pair 이다. 일반적으로 많이 쓰이는 선이고 보이는 것과 같이 꽈배기처럼 twist 되어있는 선을 볼 수 있는데 이걸 더 많이 꼬을 수록 성능이 좋아진다. Twisted Pair 는 2가지로 분류될 수 있다.
- Unshielded Twisted Pair(UTP)
- Shielded Twisted Pair(STP)
즉, 보호껍질이 있냐 없냐를 통해 나눈 것이다. 보호껍질은 interference 를 방지하는 역할을 한다. 즉, 간섭현상을 막기 때문에 더 좋은 성능을 가지는 것은 당연하다. 또한 Twisted Pair 는 옛날부터 점점 발달해와서 여러 버젼들이 있는데 해당 표는 다음과 같다.
보통 많이 사용하는 것이 Category 5 버젼이다. 일단 category가 높아질수록 그 값이 비싸고 성능이 좋은 것이라고 생각하면 된다. 그러면 저 지표들은 어떤 의미의 지표일까? 정리해보자.
- Bandwidth : 이건 그냥 제공하는 주파수 대역폭이다. 넘어가자
- Cable Type : 이거는 아까 말했던 껍질이 있냐 없냐의 종류에 대한 건데 하나 집고 넘어가야 할 것은 FTP 는 Foil Twisted Pair 로 호일로 덮힌 Twisted pair 라고 알아두자.
- Insertion loss(dB) : 이거는 송신자부터 수신자까지 도달하고나서 전선의 저항 등 여러가지 요건으로 얼마만큼의 데이터 손실이 일어났는지에 대한 지표이다.
- NEXT loss(dB) : 이건 전화로 치면 내가 말한게 나에게 들리는 간섭현상에 대한 지표로 값이 높을 수록 많이 간섭된 것을 의미한다.
- ACR(dB) : 이거는 attunation 과 crosstalk 의 비율을 의미하는 건데 이게 클수록 더 성능이 좋은 것이다.
다음과 같이 식으로 나타낼 수도 있다.
Coaxial Cable
일명 동축케이블로 다음과 같이 생긴 케이블이다.
즉 데이터 전송되는 길을 Twisted Pair 보다 좀더 꼼꼼하게 싸매서 멀리 나갈뿐더러 데이터 손실도 적고 대역폭도 큰 성능을 가지고 있는 놈이다. 이 동축케이블은 고성능을 가지지만 각 전송되는 signal 종류에 따라 특징을 가진다.
- Analog Signals
: 수 키로마다 Amplifiers 를 두어 데이터를 증폭시켜야 한다. 허나 아날로그의 특징 상 noise 에 취약하다는 단점이 있긴하다.
- Digital signals
: 역시 수 키로마다 Repeater 를 두어 증폭해주어야 한다.
Optical Fiber (광섬유)
다음 그림처럼 생긴 것이 광섬유라는 전송매체이다. core 에 빛이 반사되면서 데이터가 전송되는 것이 특징이다. 광섬유는 고가의 전송매체이며 성능이 뛰어나다. 추가적으로 다음의 특성들을 가진다.
- Greater Capacity : 높은 용량을 가진다.
- Smaller size and lighter weight : 가볍고 작은 사이즈를 가진다.
- Lower attenuation : 감쇠가 적다.
- Electromagnetic isolation : 빛이라 외부 전기신호에 영향을 받지 않는다.
- Greater repeater spacing : 증폭기 간의 거리가 멀어도 상관 없다.
그러면 이러한 특성들을 가지는 광섬유를 어디에 사용하는 걸까?
주로 고용량 구간인 trunks 에 사용한다. trunk 란 쉽게 전선이 여러개 모여있는 구간이라고 생각하면 된다. 여튼 다음과 같은 곳에 광섬유가 사용된다.
- Long-haul trunks
- Metropolitan trunks : 도시 단위의 전선들 모여있는 고용량 구간
- Rural exchange trunks : 장거리 통신 용도의 고용량 구간
- Subscriber loops : 아파트 단지처럼 전선하나로 데이터를 받고 여러 세대에 뿌려주는 식으로 섞여있는 경우 광섬유를 사용하기도 한다.
- Local area networks : 일명 LAN으로 현재는 LAN에 광섬유를 사용하지는 않는다.
추가로 광섬유는 전기를 빛, 반대로 빛을 전기로 변환해주는 과정이 필요하다.
다음과 같이 2면의 변환이 필요하여 좀 귀찮아 보이기도 한다.
또한 빛을 반사시키면서 데이터를 전송시킨다고 했었는데 그 반사시키는 방법에 따라 여러 모드로 나뉜다. 다음 그림처럼 3개의
모드(Type)가 있다.
참고로 이 중 (c)가 당연히 제일 멀리 나가고 고가이다. 그다음으로는 부드럽게 반사되는 (b) 일 것이고 마지막인 (a)일 것이다.
무선 전송
유선 전송에 대해 간단하게 알아봤으니 이제 무선 전송에 필요한 전파의 특성에 대해서 알아보자.
Antennas
Terrestrial microwave
Satellite microwave
Broadcast radio
무선은 위의 리스트와 같은 특성을 가진다.
Wireless Transmission Frequencies
무선통신의 전송에 대해 알아보기 전에 일반적으로 무선에서 사용되는 주파수 대역에 따른 특징을 알아보자.
- 1GHz ~ 40GHz
이 구간은 microwave 주파수 대역이다. 주된 특징으로는 point to point 으로 보내고자 하는 한 방향으로 직진하며 간다는 특징이 있다. 주로 Satellite 통신이 이 구간의 주파수를 사용한다.
2. 30MHz ~ 1GHz
이 구간은 전방위로 튀려고 하는 특성을 가지는 성질을 가지고 있다. 보통 radio 방송 대역으로 많이 사용된다.
Antennas
다음과 같이 생긴게 안테나라는 건 쉽게 알 수 있다. 이 안테나는 이상적인 안테나인 omnidirectional 개념에서 생겨났다. omnidirectional 안테나는 전방향으로 데이터를 뿌려주는 이상적인 안테나의 개념인데 현실적으로 공중에서 전파를 뿌리는 것은 불가능하니 최대한 비슷하게 dom 구조의 안테나가 생겨나게 되었다.
이 안테나는 데이터를 보낼수도 있고, 받을 수도 있는 Half duplex 구조를 가지고 있다. 참고로 안테나가 포물선 형태로 데이터를 뿌려주는 형태를 Radiation pattern 이라고 부르니 알아두자.
다음이 안테나 포물선의 전송 형태를 나타낸 그래프인데 고등학교에서 배웠던 포물선과 똑같다는 걸 알 수 있다. 때문에 법선, 중심 이런 개념은 모른다면 구글링해서 알아보자.
Antenna Gain
Antenna Gain 이란 안테나의 성능을 측정하는 중요한 지표이다. 안테나의 데이터 송수신 방향성을 측정하기도 하며 송신하는 데이터의 크기를 계산해 측정하기도 한다. 계산하는 식은 다음과 같다.
즉 Gain 은 전파의 파장의 제곱에 반비례하고 Dom 의 단면적인 effective area (Ae) 에 비례한다는 걸 알 수 있다.
Terrestrial Microwave Application
이는 안테나가 쏘는 wave 의 한 종류이다. 보통 직선거리에 사용되며 지상의 안테나로 두어 외부 방해물에 의한 방해가 없도록 구축해 사용하는 wave 이다.
위에서 말했듯 1~40 GHz의 주파수 대역을 사용하며 LOS (line of sight) 보이는 방향으로 직진하는 식의 wave 로 반사가 되면 데이터 손실이 많이 일어나게 되어 날씨, 간섭에 많은 영향을 받는 wave 이다.
Satellite Microwave
일명 위성 통신 wave 로 방송국같은 곳에서 사용하는 송신 방법이다. 위성이 frequency band 역할을 하여 전송받은 signal 을 여러 곳으로 뿌려주는 역할을 한다.
위성의 높이에 따라 LEO, MEO, HEO, GEO 라고 불리기도 한다.
다음이 위성으로 쏘아 뿌려주는 방식이다. 간단하니 이정도로 넘어가자.
이러한 위성 통신은 여러 방면에서 사용된다.
일단 위치를 찾는 GPS 에 사용되기도 하며 장거리 통화에도 사용되기도 한다. 그리고 방송, private business network에 사용되기도 한다.
Broadcast Radio
Broadcast Radio 의 주파수 대역은 30MHz ~ 1GHz 이다. 즉 위에서 말했듯 전방위로 퍼질라는 특성을 가지고 있는 놈이다. 허나 여기서 문제점이 있다. 데이터가 이리저리 반사되며 목적지까지 가는 과정에서 도착 시간이 달라질수도 있고, 위상 차이가 있는 상태로 도착할 수 있다. 이 때 데이터 상쇄가 일어날 수 있다. 즉, multipath fading 이라고 불리는 여러 path로 도착했을 때 신호 감쇠가 일어날 수 있다는 단점이 있다.
Infrared
거의 빛의 영역의 파장을 가지는 놈이다. 주파수가 어마무시하게 크기 때문에 LOS 성질이 크다. 때문에 방해물에 매우 취약하며, 벽 같은 건 당연히 통과하지도 못한다.
계속 대역별로 어떤 성질을 가진다라는 둥 얘기했는데 이점에 대해 확실히 정리해보자.
Ground wave propagation
Sky wave propagation
Line-of-sight propagation
이렇게 3개에 대해 알아보자.
⇒ Ground-wave propagation ( ~ 2MHz )
2MHz 이하의 주파수일 때의 특성이다.
다음과 같은 전송 스타일을 이야기 한다. 주파수 대역이 비교적 낮아 직진의 성질이 없기도 하여 AM radio 에서 많이 사용되는 주파수 대역이다.
⇒ Sky-Wave propagation ( 2MHz ~ 30MHz )
2MHz부터 30MHZ 까지의 주파수일 때의 특성이다.
대기를 찍고 반사되며 전송되기 때문에 이름에 Sky 가 들어가는 놈이다. 주파수 대역이 GW 보다는 높기 때문에 GW 처럼 휘어져서 가지는 않는다. 대신 위아래로 반사되면서 목적지까지 갈 수 있는 놈이다.
⇒ Line-of-sight (LOS) propagation ( 30MHz ~ )
30MHz 이상의 큰 주파수일 때의 특성이다.
주파수가 클때는 직진의 성격이 크기 때문에 다음과 같이 일직선으로 목적지까지 가는 특성이다.
Fraction
회절과 굴절은 LOS 통신에서 잘 관리해야 되는 큰 장애물이다. 고등학교 과학시간에 배운 개념과 비슷하다. 밀도의 변화에 따라 빛이 굴절하는 것을 배웠을 것이다. 이와 비슷하게 송수신 되는 무선 데이터 역시 전송 매질의 밀도에 따라 가면서 굴절되기도 한다. 때문에 LOS 특성을 가지고 통신이 된다해도 눈에 보이는 LOS 거리와 실제로 거기까지 간 effective LOS 거리는 값이 달라질 수 밖에 없다.
다음 식과 같다. e가 붙은 것이 실제 간 거리인 effecitve LOS 거리이다.
이와 추가적으로 LOS 통신에 방해가 되는 놈들이 몇가지 있다.
LOS 통신에 방해되는 놈들
| 이름 | 의미 |
|---|---|
| Free space loss | 자유공간 손실로 먼 거리를 가면서 자연스레 데이터가 손실되는 것을 의미 |
| Atmospheric Absorption | 대기권 입자 방해로 말 그대로 대기권에 있는 공기 입자 때문에 손실이 생기는 것을 의미 |
| Multipath | 위에서 언급했지만 여러 경로로 가면서 서로 간섭을 일으켜 생기는 손실을 의미 |
여기까지가 전반적인 물리 계층에 대한 공부 내용이다.
좀 두서 없이 적긴 했지만 계속 새로운 내용이 생길때마다 추가할 예정이다.