데이터 통신 4주차 (전송 매체)

Transmission Media

데이터 전송율과 거리에 대한 디자인 고려사항

데이터 전송 시스템 설계에서 데이터 속도와 거리는 핵심 고려 사항, 설계 시 최대한 긴 거리에서 가장 높은 데이터 속도를 달성하는 데 중점을 두고 전송 매체와 신호와 관련된 여러 설계 요소가 데이터 속도와 거리를 결정합니다.

Twisted Pair (꼬임선)

Twisted pair는 가장 저렴하며 가장 널리 사용되는 유도 전송 매체

• 두 개의 절연된 구리선으로 구성되며, 일정한 나선형 패턴으로 꼬여 있고, 한 쌍의 선은 하나의 통신 링크 역할을 하고, 여러 쌍의 선이 케이블과 번들로 묶여 있습니다. 꼬임선은 거리와 대역폭 측면에서 제약이 있지만, 짧은 거리의 이더넷 통신에서 뛰어난 성능을 제공합니다. 저주파 간섭에 대해 강하지만, 고주파 간섭에는 차폐된 꼬임선(STP)을 사용하는 것이 권장됩니다. 이러한 특성 덕분에 꼬임선은 전화 통신과 데이터 네트워크에서  중요한 역할을 하고 있습니다.
• 주로 전화망과 건물 내부의 통신에 가장 많이 사용

비차폐형 vs 차폐형 꼬임선 (Unshielded vs Shielded Twisted Pair)

비차폐형 꼬임선 (UTP):

비차폐형 꼬임선(UTP)은 추가적인 차폐막 없이 꼬인 쌍선만으로 구성된 케이블

• 차폐 없음: 내부 전선들이 꼬여 있지만, 외부에 추가적인 차폐가 없습니다.
• 저렴한 비용: 차폐가 없기 때문에 제조 비용이 낮고, 설치 비용도 상대적으로 저렴합니다.
• 전송 품질: 차폐가 없기 때문에 외부 전자기 간섭(EMI)에 더 민감할 수 있습니다. 하지만 대부분의 네트워크 환경에서는 충분히 좋은 성능을 제공합니다.
• 용도: 일반적으로 가정 및 사무실 네트워크, 전화선, 이더넷 케이블 등에서 많이 사용됩니다.

차폐형 꼬임선(STP)

차폐형 꼬임선(STP)은 외부 전자기 간섭을 줄이기 위해 금속 차폐막이 있는 케이블

• 차폐형 꼬임선(STP, Shielded Twisted Pair) 케이블은 세 가지 구성 방식으로 제조

1. 각 쌍의 선이 금속 호일로 개별적으로 차폐되는데 이를 호일 꼬임선(FTP)이라고 합니다.
2. 전체 선 묶음을 덮는 호일 또는 브레이드(편조) 차폐가 외피 내부에 있습니다. 이를 스크린 차폐 꼬임선(F/UTP)이라 부릅니다.
3. 각 쌍과 전체 선 묶음 모두에 차폐가 적용된 케이블은 완전 차폐 꼬임선(S/FTP) 또는 차폐/호일 꼬임선이라 불립니다.

차폐의 효과와 한계 : 차폐는 간섭을 줄여 더 높은 데이터 속도에서 우수한 성능을 제공합니다. 그러나 차폐형 케이블은 비용이 더 비쌈

 

• UTP(비차폐형 꼬임선)는 저렴하고 가정용 또는 소규모 네트워크에서 주로 사용되며, 외부 간섭에 상대적으로 더 취약합니다.
• STP(차폐형 꼬임선)는 차폐로 인해 외부 간섭에 강하고 안정적인 전송 품질을 제공하지만, 비용이 더 높습니다.

근단 누화 (NEXT, Near-End Crosstalk)

신호 간섭 현상, 한 쌍의 전도체에서 다른 전도체로 신호가 결합되는 현상

• 근단이란, 링크에 신호를 송신할 때 그 신호가 동일한 링크의 수신 쌍으로 결합되는 위치를 말합니다.
• NEXT 손실이 클수록 근단 누화로 인해 발생하는 신호 간섭이 줄어듭니다.

Coaxial Cable (동축 케이블)

구조: 외부 도체가 내부 도체를 감싸고 있으며, 절연재로 분리됨

1. 주요 특징:
   • 주파수 범위가 넓고, 꼬임선보다 더 긴 거리와 더 많은 장치를 지원
   • 신호 간섭에 강해 안정적인 데이터 전송 가능
   • 동축 케이블은 꼬임선보다 주파수 특성이 우수하여, 더 높은 주파수와 데이터 속도에서 효과적으로 사용됩니다.
   • 간섭 및 혼선 저항: 동축 케이블은 차폐된 동심원 구조 덕분에 간섭과 혼선(crosstalk)에 강합니다.
   • 성능 제한 요인:
     • 감쇠(attenuation): 신호가 거리와 주파수에 따라 약해짐
     • 열잡음(thermal noise): 열로 인해 발생하는 신호 잡음
     • 상호변조 잡음(intermodulation noise): 여러 채널(FDM)이나 주파수 대역을 사용할 때 발생
   • 장거리 아날로그 전송: 증폭기가 몇 킬로미터마다 필요하며, 높은 주파수를 사용할수록 더 자주 배치해야 합니다.
   • 디지털 전송: 중계기(repeater)가 약 1km마다 필요, 데이터 속도가 높을수록 중계기를 더 자주 설치해야 합니다.
2. 응용 분야: 케이블 TV, 장거리 통신망, 컴퓨터 시스템

즉, 동축 케이블은 긴 거리와 여러 채널을 안정적으로 전송하는 데 유용하며, TV와 전화망에 많이 쓰입니다.

Optical Fiber (광섬유)

광섬유는 얇고 유연한 매체로, 광신호(빛)를 안내하는 역할을 합니다.

특징 및 구조

• 3개의 섹션으로 구성:
  1. Core(코어): 빛이 통과하는 중심부
  2. Cladding(클래딩): 빛을 반사시켜 코어 내부로 유지하는 층
  3. Jacket(재킷): 외부 손상으로부터 보호하는 외피
• 코어는 레이저 또는 발광 다이오드(LED)를 통해 빛을 전달, 작고 가벼운 특성을 가지고 있습니다.

즉, 광섬유는 빛을 멀리 보내기 위해 설계된 케이블로, 고성능 및 장거리 통신에 필수적입니다.

광섬유의 장점

1. 더 많은 용량  : 수백 Gbps의 데이터 속도를 지원합니다.

2. 작고 가벼운 크기: 동축 케이블이나 꼬임선보다 훨씬 얇고 구조적으로 지지대가 덜 필요함

3. 더 낮은 감쇠 : 간선, 충격 잡음, 혼선에 영향을 받지 않고 도청 방지가 용이하여 보안이 높습니다.

4. 전자기 차단 : 신호가 더 멀리 전달되며 손실이 적음

5. 중계기 간 거리 확장  : 더 적은 비용으로 중계기를 설치하고 오류 발생 가능성이 줄어듦

Optical Fiber - Transmission Characteristics (광섬유 전송 특성)

- 빛 전송 방식 : 전반사를 사용하여 손실없이 빛을 전송하여 10¹⁴ ~ 10¹⁵ Hz의 주파수 대역을 다루며, 파동 안내 장치 역할을 수행

사용되는 광원:

• LED(발광 다이오드): 저렴하고, 더 넓은 온도 범위에서 작동하며, 수명이 깁니다.
• ILD(주입형 레이저 다이오드): 효율이 높고, 더 빠른 데이터 속도를 제공합니다.

광섬유 전송 모드 유형 3가지

• Step-index Multimode (단층 굴절 멀티모드) : 여러 경로로 빛이 반사하며 이동 → 펄스 확산 발생 / 단거리 통신에 사용
• Graded-index Multimode (층진 굴절 멀티모드) : 굴절률이 코어 중심에서 외부로 점진적 감소 → 펄스 확산 감소 / 중거리 통신에 적합
• Single Mode (단일 모드) : 하나의 직선 경로로 빛 전송 → 신호 왜곡 거의 없음 / 장거리 고속 통신에 사용

WDM(파장 분할 다중화): 여러 파장을 동시에 사용해 전송량을 극대화하는 기술

광섬유는 적외선 대역의 4개 전송 창에서 작동하며, 각 창은 매우 큰 대역폭을 제공합니다. 파장이 길수록 손실이 줄어들고, 더 높은 데이터 속도와 긴 거리 전송이 가능합니다. 1500nm 레이저(ILD)는 가장 우수한 성능을 제공하며, 850nm LED는 비용 효율적인 단거리 네트워크에 적합합니다.

 

감쇠의 주요 원인 in 광섬유 :

• 흡수(absorption): 빛이 매질 내에서 흡수되어 에너지 손실이 발생합니다.
• 산란(scattering): 빛이 장애물에 부딪혀 방향이 바뀌며 신호가 약화됩니다.

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Wireless Transmission Frequency Ranges (무선 전송 주파수 범위)

1. 마이크로파 주파수(Microwave Frequencies) : 위성 통신에 사용, 점대점 전송에 매우 적합하고 고도로 방향성 있는 빔을 이용

2. 라디오 주파수(Radio Range) : 무지향성 통신에 적합

3. 적외선 주파수(Infrared Frequencies) : 국소적(local)의 응용에 유용하고 방 내부와 같은 한정된 공간에서 점대점 또는 다중점 통신에 사용됨

Antenna (안테나)

송신: 송신기에서 발생한 무선 주파수(RF) 전기 에너지가 안테나를 통해 전자기 에너지로 변환되고 이는 대기, 우주, 물 등의 주변 환경으로 방사됩니다.

수신: 안테나에 도달한 전자기 에너지는 다시 무선 주파수(RF) 전기 에너지로 변환되어 수신기로 전달됩니다.

{ 양방향 통신에서의 안테나 활용 }

1. 전자기 에너지를 방사하거나 수집하는 전기 도체 : 안테나는 전자기 에너지를 방사(송신) 및 수집(수신)하는 전기 도체

2. 동일한 안테나를 2가지 목적(송신과 수신)에 자주 사용 : 양방향 통신에서는 동일한 안테나가 송신과 수신에 모두 사용될 수 있습니다. 이는 양방향 주파수가 동일할 경우, 안테나의 에너지 전송 효율이 송신과 수신에서 동일하기 때문

Radiation Pattern (방사 패턴)

- 모든 방향으로 에너지 방사 : 안테나는 여러 방향으로 전파를 방사합니다.

- 모든 방향에서 동일한 성능을 제공하지 않음 : 안테나는 모든 방향에서 동일한 신호 강도를 유지하지 못함

- 등방성 안테나 : 등방성 안테나는 공간의 한 점에서 모든 방향으로 동일하게 에너지를 방사하고 방사 패턴이 구형 형태를 가집니다. 마이크로파 및 위성 통신과 같은 장거리 통신에 주로 사용됩니다. 이론적으로 존재하는 이상적인 안테나로, 실제로는 물리적으로 구현이 어렵습니다.

Antenna Gain (안테나 이득)

안테나 이득은 안테나의 방향성을 측정하는 척도

계산 공식

• G(dB) = 10 log (P2 / P1)
  • G: 안테나 이득(데시벨, dB)
  • P1: 방향성 안테나의 방사 전력
  • P2: 기준 안테나(등방성 안테나)의 방사 전력

• 안테나의 방향성 측정 : 안테나 이득은 안테나가 특정 방향으로 신호를 집중하는 능력을 나타냅니다.
• 등방성 안테나와의 비교 : 특정 방향으로 출력되는 전력과 등방성 안테나가 방사하는 전력을 비교하여 이득을 평가, 데시벨(dB) 단위로 측정
• 다른 방향의 신호 손실 : 특정 방향의 신호가 강해지는 대신 다른 방향에서는 신호 손실이 발생합니다.
• 물리적 크기와 형태와의 관계 : 안테나의 유효 면적은 안테나의 물리적 크기와 형태에 따라 달라집니다.

Terrestrial Microwave Applications (지상 마이크로파)

• 지상 마이크로파 통신은 장거리 및 단거리 통신에 활용되며, 음성 및 TV 전송에 사용됩니다.
• 중계기가 적게 필요하지만 직선 경로가 필수적( 중계기 없이도 멀리 보낼 수 있지만, 안테나 간에 장애물이 없어야 합니다. 
• 1~40GHz 대역의 주파수를 사용하며, 거리, 강수량, 간섭이 신호 손실의 주요 원인

주파수와 대역폭 및 데이터 속도 간의 관계

• 주파수가 높아질수록 대역폭도 커지며, 더 높은 데이터 전송 속도를 제공합니다. 따라서 더 높은 주파수를 사용하면 더 많은 데이터를 빠르게 전송할 수 있습니다.

Satellite Microwave (위성 마이크로파)

• 위성은 마이크로파 중계국 역할을 함 : 주로 2 개 이상의 지상 마이크로파 송,수신기를 연결하는 데 사용됩니다. 이러한 송,수신 기기는 지상국(earth stations) 또는 기지국(ground stations)이라고 불립니다.

지상국: 주로 위성과 통신하는 지상에 있는 통신 시설 /  즉, 위성에서 보내는 신호를 수신하거나 위성으로 신호를 송신하는 역할

기지국: 주로 이동 통신에서 사용되는 용어로, 휴대폰과 같은 단말기와 통신을 연결하는 역할

• 신호 수신 및 증폭, 전송 : 한 주파수에서 신호를 수신하고, 이를 증폭하거나 반복한 후 다른 주파수로 전송합니다. 이때, 주파수 대역은 트랜스폰더 채널( 신호를 주파수 변환해 재전송하는 역할 )이라고 불립니다.

신호 전송 과정 :

• 업링크(uplink): 지상국에서 특정 주파수 대역으로 신호를 위성으로 전송합니다.
• 증폭 또는 반복: 위성은 받은 신호를 증폭하거나 반복합니다.
• 다운링크(downlink): 증폭된 신호를 다른 주파수 대역으로 전송합니다.

정지 궤도 필요 :

• 지구의 자전과 일치하는 속도로 적도 35,863km 상공에서 회전합니다.
• 위성 간 간섭 방지를 위해 최소 3~4도 간격을 두어야 합니다.
• 이로 인해 사용 가능한 위성의 수가 제한됩니다.

위성 통신의 두 가지 일반적인 구성

• 첫 번째 구성: 위성을 사용해 두 개의 멀리 떨어진 지상 안테나 사이에 점대점 연결(point-to-point link)을 제공합니다.
• 두 번째 구성: 하나의 지상 송신기에서 출발한 신호를 여러 지상 수신기에 전달합니다.

Satellite Microwave Applications (위성 마이크로파 응용)

• Private Business Networks (기업용 네트워크)
• Television Distribution (TV 방송 배포) 
• Global Positioning (위성 위치 시스템) 

Transmission Characteristics (전송 특성)

- 위성 통신의 최적 주파수 범위 : 1 ~ 10 GHz 범위가 이상적, 1 GHz 이하에서는 은하, 태양, 대기 잡음과 인공 전자기기 간섭이 발생하고 10 GHz 이상에서는 대기 흡수와 강수로 인해 신호가 감쇠됨

4 ~ 6 GHz : 위성과 기지국 사이에서의 정보 전달하는 영역

  - 업링크 : 지구에서 위성으로

  - 다운링크 : 위성에서 지구로

12 ~ 14 GHz : 소형의 저렴한 수신기를 사용하는 영역 (업링크와 다운링크 방식으로 사용함)

=> 주파수 대역 분리의 필요성 : 간섭 방지를 위해 같은 주파수로 송신과 수신을 동시에 제어 할 수 없고 지상국에서 받은 신호는 다른 주파수로 전송해야 함

Broadcast Radio (방송 라디오)

- FM 라디오, UHF 및 VHF TV 방송, 데이터 네트워크 응용 프로그램에서 사용됨

- 전방향성 : 신호가 모든 방향으로 송출되고 송수신 사이에 직선 경로가 필요함

- 다중 경로 간섭 : 신호가 지형, 물, 인공 구조물에서 반사되어 발생하는 간섭 문제를 겪음

Infrared (적외선)

- 전송 방식 : 비일관성 적외선 빛을 변조하는 송수신기를 사용하여 통신하고, 송수신기는 서로 직접 보이거나 반사를 통해 연결되어야 하며 적외선 신호는 벽을 통과하지 못함, 이로 인해 다음과 같은 이점이 있습니다:

1. 보안 문제: 마이크로파에서 발생하는 도청 또는 침입 위험이 없습니다.
2. 간섭 문제: 마이크로파 시스템에서 발생하는 신호 간섭 문제가 없습니다.
3. 라이선스 불필요 : 주파수 사용 허가가 필요하지 않고 주파수 충돌 문제가 없기에 TV 리모컨과 같은 장치에서 주로 사용
4. 주파수 할당 문제 없음 : 적외선 통신은 라이선스가 필요 없으므로 주파수 할당 문제가 없습니다.

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[ 안테나에서 방출된 신호 경로 ]

안테나에서 방출된 신호는 다음 세 가지 경로 중 하나를 통해 전달됩니다:

1. 지상파(Ground Wave)
2. 대기파(Sky Wave)
3. 직선 경로(Line of Sight, LOS)

무선 전파 - 지상파(Ground Wave)

• 지상파 전파(Ground Wave Propagation) : 신호가 지구의 곡선을 따라 전파되며, 가시 수평선을 넘어 상당한 거리까지 신호를 전달할 수 있습니다. 이 현상은 주로 2MHz 이하의 주파수 대역에서 발생합니다.
• 주파수 대역 : 2MHz 이하의 주파수에서 발생합니다.
• 대표적인 예 : AM 라디오

무선 전파 - 대기파(Sky Wave)

• 스카이 웨이브 전파의 사용 : 스카이 웨이브는 아마추어 라디오, CB 라디오, 그리고 BBC나 Voice of America와 같은 국제 방송에 활용됩니다.
• 전파 경로 : 지상의 안테나에서 송신된 신호가 대기 상층부의 이온층에서 굴절되어 지구로 다시 전달됩니다. 겉으로는 이온층이 신호를 반사하는 것처럼 보이지만, 실제로는 신호가 굴절되는 현상입니다.
• 신호의 이동 방식 : 스카이 웨이브 신호는 이온층과 지표면 사이를 여러 번 반사하며 멀리까지 전달됩니다.

무선 전파 - 직선 경로 전파 방식 (Line of Sight (LOS))

• 직선 경로(LOS) 전파 방식 : 지표면 전파와 대기 전파는 30 MHz 이상의 주파수에서는 작동하지 않습니다. 따라서,  30 MHz 이상의 주파수 대역에서는 신호가 직선 경로(Line of Sight)를 통해서만 전달되어야 합니다.
• 전파 경로 : 송신 안테나와 수신 안테나가 서로 시야 내에 위치해야 통신이 가능합니다. 신호는 지구의 곡률을 따르지 않으며, 안테나 간의 직선 경로로 전달됩니다.

 Refraction (굴절)

- 전자기파의 속도와 매질의 밀도 관계 : 전자기파의 속도는 파동이 통과하는 매질의 밀도에 따라 달라집니다.

- 매질 간 이동 시 속도 변화 : 파동이 서로 다른 매질 사이를 이동하면 속도가 변하게 됩니다.

- 파동의 점진적 굴절(Gradual Bending) : 대기의 밀도는 높이에 따라 감소합니다. 이로 인해 전파가 지구 방향으로 점진적으로 휘어지는 현상이 발생

Free Space Loss (자유 공간 손실)

정의 : 신호가 거리에 따라 약해지는 현상, Pt/Pr (송신 전력/수신 전력) 비율로 표현, 데시벨(dB) 단위

• 신호 분산 원리 : 무선 통신에서 신호는 거리에 따라 분산되고 송신 안테나에서 멀어질수록 수신되는 신호 강도는 감소, 거리 증가로 인한 신호 감쇠 - 신호가 멀어질수록 더 넓은 영역에 퍼지며 약해짐
• 위성 통신과 신호 손실 : 위성 통신에서 주요 신호 손실 원인은 자유 공간 손실, 신호가 넓은 영역에 퍼지면서 자연스럽게 감쇠

{ 위성 통신에서 주된 신호 손실 원인 }

• 수신 신호 강도 감소: 송신 전력(Pt)과 수신 전력(Pr)의 비율로 표현됨
• 데시벨(dB) 단위 계산: 10 × 로그(송신 전력 / 수신 전력)  -> 안테나 이득 계산 공식과 유사!
• 핵심 원리: 장애물이 없더라도 거리로 인해 신호 강도가 줄어듦

Multipath Interference (다중 간섭)

 - 정의 : 신호가 다양한 경로(반사 등)를 통해 수신되어 시간차를 두고 여러 복사본이 도착하는 현상

 - 발생 조건 :

• 직선 경로가 확보된 경우: 위성 시설 또는 지점 간 마이크로파 통신에서 직접 경로 가능
• 장애물이 많은 환경: 모바일 통신에서는 건물, 지형 등 다양한 장애물로 인해 반사 신호가 발생
• 신호 증강과 소멸: 직접 신호와 반사 신호의 경로 차이에 따라 신호가 강화되거나 상쇄될 수 있음

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{ Summary }

1. Transmission Media (전송 매체)

• 송신기와 수신기 사이의 물리적 경로를 의미함.
• 전송 매체는 대역폭, 전송 손상, 간섭, 수신기 수에 따라 성능이 달라질 수 있음.

2. Guided Media (유도 매체)

• 물리적 케이블을 통해 신호를 전달하는 방식.
• 예: Twisted Pair(꼬임 쌍선), Coaxial Cable(동축 케이블), Optical Fiber(광섬유).

3. Wireless Transmission (무선 전송)

• 마이크로파 주파수를 사용해 신호를 전송.
• 주요 예시: 안테나, 지상 마이크로파, 위성 마이크로파, 방송 라디오.

4. Wireless Propagation (무선 전파)

• 무선 신호가 전달되는 방식에는 세 가지가 있음:
  1. Ground Wave(지상파)
  2. Sky Wave(스카이 웨이브)
  3. Line of Sight(가시선 전파)