2. Physical Layer

1. Physical Layer

Physical Layer

- Actually interacts with the transmission media (실제로 전송매체와 상호작용한다)

- Moves data in the form of electromagnetic signals (데이터를 전자기 신호 형태로 옮긴다)

Data

- To be transmitted, data must be transformed to electromagnetic signals.

(데이터가 전송되기 위해서는 전자기 신호로 변환되어야 한다.)

 

* 참고 * : 평균전압 = 최대전압 / √2(1.414)

Analog and Digital

- Data can be analog or digital

1) Analog data (아날로그 데이터) : continuous (연속적인 형태, 연속적인 값)

2) Digital data (디지털 데이터) : discrete (불연속적인 형태, 불연속적인 값)

- Signals can be analog or digital

1) Analog signals : an infinite number of values in a range (어떤 범위에서 값이 무한대)

2) Digital signals : only a limited number of values (제한된 개수의 값)

Term

frequency (주파수 Hz - 시간에 대한 변화율) : f = 1/T 

        높은 주파수 : 짧은 시간동안 많은 변화

        낮은 주파수 : 긴 시간동안 적은 변화

period (주기 s):  T = 1/f  

phase (위상) : 0이라는 시간에 어느 각도에서 시작하는지 표현

wavelenght (파장 = 한 주기 동안 이동한 거리) : c / f (c : light speed = 3 * 10⁸ m/s)

Bandwidth (대역폭, 주파수의 범위 =  가장 높은 주파수 - 가장 낮은 주파수). 

 

Periodic Analog Signals

1) Simple (단순 신호) : sine wave (정현파) - 더 단순한 신호로 분해하는 것은 불가능함

- 주파수가 1개만 있는 sine wave는 data communication에서 유용하게 쓰이지 않음  

Units of Period and frequency (주기와 주파수의 단위)

 

Period		Frequency
Unit	Equivalent	Unit	Equivalent
Seconds(s)	1 s	Hertz (Hz)	1 Hz
Milliseconds (ms)	10⁻³ s	Kilohertz (kHz)	10³ Hz
Microseconds (µs)	10⁻⁶ s	Megahertz (MHz)	10⁶ Hz
Nanoseconds (ns)	10⁻⁹ s	Gigaherts (GHz)	10⁹ Hz
Picoseconds (ps)	10^−12 s	Terahertz (THz)	10^12 Hz

   - sine wave

   A : peak amplitude        f = 1/T : frequency    T = 1/f : period 

2) Composite (복합 신호) : 수많은 sine wave의 결합으로 만들어진 신호.

- periodic (주기) : 예쁜 sine파가 아님, 불연속적인 주파수, 

- nonperiodic (주기가 없음) : 연속적인 sine파로 이루어짐, 무한대의 주파수

 

Time and Frequency Domains (시간과 주파수의 영역)

2. Digital Signals

Digital Signals

- bit rate (비트 전송률) = bps : bits/second

level 2 -> 한번에 1개 (2¹)

level 4 -> 한번에 2개  (2²)

level 8 -> 한번에 3개 (2³)

level 16 -> 한번에 4개 .... (2⁴)

- 0과 무한대 사이에 가지고 있는 아날로그 신호로 볼 수 있다

 

Baseband transmission (기저 대역 전송)

: 디지털 신호 그대로 전송

1) low-pass channel (저대역 통과 채널) - 낮은 주파수를 잘 통과시켜야한다. (낮은 주파수의 전압이 높으므로)

2) using a dedicate medium (전용 채널 이용)

- 기저 대역 전송은 low-pass channel 일 때 디지털 신호의 모양을 잘 보존 할 수 있다. 

- 대역 폭이 넓을 수록 넓은 주파수를 인식 -> 모양 잘 보존 가능

 

Broadband Transmission - Using Modulation (변조 광대역 전송)

: 디지털 신호를 아날로그 신호로 변경해서 전송

1) bandpass channel : 특정 대역을 잘 통과시키는 채널, 상당이 높은 주파수부터 시작 (0부터 시작하지 않음) 

    이러한 채널은 디지털 신호로 전송 할 수 없으므로 아날로그로 바꾸어서 전송해야한다.

   ex. 아파트 전화 통신선, modems (모뎀) - 변조기(디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸는 것)

2) Modulation of a Digital Signal

높은 주파수에 놓은 전압을 걸어놓음

 

Transmission Impairment

- 신호는 전송 매체를 통해 이동하는데 불완전하다. 그래서 전송 장애를 발생시키기도 한다.

1) Attenuation (감쇠)

- loss of energy (에너지의 손실)

- simple, composite 상관없이 모두 발생, 공기 중의 저항에 의한 에너지 손실

- 문제해결 : 다시 진폭(volt)을 증가시켜주는 기기를 중간에 배치 = Amplifier(증폭기)

- 공식 : 10 * log₁₀P₂/P₁ (P₂ - 수신한 쪽 P₁ - 송신한 쪽)    단위 : decibel(dB)

2) Distortion 

- 신호의 형태가 일그러짐

3) Noise (잡음)

- 잡음은 항상 존재 

- 공식 :  SNR = S/N (신호/잡음)

             SNR㏈ = log₁₀(S/N)

① Thermal noise - 열잡음 (due to random motion of electrons)

: 전자의 랜덤한 이동 때문에 열이 발생

② Induced noise - 유도잡음 (due to motors and appliances acting as antennas)

: 모터나 가전 제품에 있는 것들이 안테나로 적용해서 방해

③ Crosstalk - 혼선 (between wires acting as antennas)

: 나란히 가는 전선에서 전자파의 발생에 의해 발생

④ Impulse noise - 충격잡음(due to a sudden spike from power line or lightning)

: 번개나 갑자기 높은 전압이 발생하는 것에 의해 발생

 

Data Rate Limit 

1) 전송률 (얼마나 빠르게 전송할 수 있는가)

- bit per second에 영향 주는 요소

① 주파수의 대역폭

② 신호의 level(레벨)

③ 신호의 품질 (잡음의 수준)

- 데이터 비율을 계산하는 2가지 공식

① 잡음이 없는 채널 - 현실세계 존재 X

② 잡음이 있는 채널

 

Two theoretical formulas

단위 : bps

1) Noiseless Channel : Nyquist Bit Rate

BitRate = 2 * bandwidth(사용가능한 주파수 대역폭) * log₂ L (L : 신호 레벨)

- 레벨이 증가하면 전송률은 높이지지만 통신 시스템의 신뢰성은 감소 (잡음의 간섭이 심해짐)

- 우리가 필요한 레벨을 계산 할 수 있다. 

2) Noisy Channel : Shannon Capacity

Capacity = bandwidth(Hz) * log₂ (1 + SNR)

- 잡음이 매우 강하면 어떤 신호도 전송 받을 수 없다

- 사용가능한 주파수 대역폭을 증가시키거나 SRN을 증가시키면 전송률이 높아진다

- 데이터 전송률의 상한을 계산 할 수 있다.

 

performance metrice (성능의 척도)

① Bandwidth 

- 주파수대역폭(Hz) 또는 전송률(bpd)로 쓰인다.

- 사용가능한 주파수대역폭 늘리면 전송률도 늘어남

- 이론 측정치

② Throughput (처리양)

- 실제로 네트워크를 통해 얼마나 빨리 보낼 수 있는지

- 실제 측정치 (이론 측정치의 1/5)

- 공식 : (프레임수 * 각 프레임당 비트 수) / 60       // 이론 측정치 무시

③ Latency (delay) (지연시간)

- 첫번째 비트가 출발할 때부터 마지막 비트가 도착한 시간

- Propagation time (전달 시간)

  : 각각의 비트가 송신기에서 출발해서 그 비트가 수신기에 도착한 시간 => 거리에 비례

    거리/전달속도

- Transmission time (전송 시간)

  : 첫번째 비트가 송신기에서 출발할때부터 마지막 비트가 출발할 때까지의 시간 => 비트의 양, 데이터 크기에 비례

   데이터 크기(바이트 * 비트 수) / 전송률

- Queuing time (대기 시간)

  : 중간 대기 시간

- Processing time (처리시간)

  : CUP가 처리하는 시간

④ Bandwidth-delay product

- Bandwidth * Delay = bits

- 통신선을 채운 비트들의 개수 

⑤ Jitter (지터)

- 패킷의 도착시간에 대한 변화 

- 변화가 같으면 jitter는 0, 패킷이 넓은 간격으로 왔을 경우 +, 패킷이 짧은 간격으로 왔을 경우 -

- 서비스 품질을 나타내는 척도