데이터 통신 #2

신호

• 메시지 : 비트로 표현 되는 데이터
• 신호 : 전압의 움직임 변화로 물리층에서 네트워크를 통해 전달되는 ‘실체’
• 송신자 입장에서는 메시지(비트)가 신호(전압 변화)로 바뀌어 전송
• 수신자 입장에서는 신호가 메시지로 바뀌어서 보임
• 아날로그 : 연속적인 데이터 값을 갖는 신호
• 디지털 : 제한된 수의 값을 갖는 신호

아날로그 신호

• 주기 / 비주기 : 반복된 패턴을 가지면 주기 신호, 아니면 비주기 신호라고 함
• 데이터 통신에는 보통 주기 신호를 사용
• 주기 신호는 단순 신호와 복합 신호로 분류

단순 신호

• 대표적으로 정현파(sin)가 있으며 진폭, 주파수, 위상으로 표현됨
• 진폭 : 전송하는 신호의 가장 큰 세기 ( 전기 신호일 경우 최대 전압 )
• 주기 : 하나의 패턴이 만들어지는 데 걸리는 시간 (초)
• 주파수 : 1초에 만들어지는 패턴의 개수 (Hz)
• 위상 : 시간 축에 따른 파형
• 파장 : 전파 속도를 주파수로 나눈 값

정현파의 시간 영역과 주파수 영역 도면 시간 영역 : 시간에 따른 ‘진폭’ 확인
주파수 영역 : 주파수에 대한 ‘최대 진폭’ 확인

복합 신호

• 여러 개의 단순 정현파로 만들어진 신호
• 실제 데이터 통신에서 활용되는 것들은 대부분 복합신호임
• 대역폭 : 복합신호의 최고 주파수와 최저 주파수의 차이

디지털 신호

• 정보를 디지털 신호로 표현가능
• 양전압은 1로 0전압은 0으로 표현하는 식의 방법으로 부호화 가능
• ‘준위(레벨)’ 을 통해 다양한 신호를 만듦
• 비트율 ( = bitrate ) : 1초 동안 전송된 비트의 수 (bps) ( 대문자 B로 쓰일 경우 Byte를 의미 )
• 비트 길이 : 한 비트 전송 매체 내에서 소모하는 길이 = 한 비트가 전송되는 데 걸리는 시간
• 디지털 신호의 전송 : 기저대역 전송 ( 디지털 신호를 바꾸지 않고 전송 ) / 광대역 전송 ( 디지털 → 아날로그 신호로 바꿔서 전송 )
• 디지털 신호에서는 ‘레벨’ 보다 ON/OFF가 더 중요하다.

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신호 장애 ( 감쇠, 왜곡, 잡음)

감쇠 (attenuation)

• 신호가 매체를 통해 전송될 때 매채의 저항 등의 이유로 에너지가 손실되는 것
• 파형은 유지하지만 진폭이 줄어드는 현상
• 증폭기를 통해 다시 파형을 키우는 방법으로 해결
• dB (데시벨) : 신호의 손실 정도를 체크하는 단위
• db = 10 log (p2 / p1) ( p1 : 전 신호의 전력 / p2 : 후 신호의 전력 )
• ex . 출발 신호가 100이고 도착 신호가 10 이면 dB 은 -10만큼 감소

왜곡 (distortion)

• 신호가 어떤 원인 등에 의해서 찌그러지거나 변형되는 현상

잡음 (noise)

• 감쇠나 왜곡과 다르게 출발 신호에서 변화가 생기는 것이 아님
• 자연적인 현상, 혼선, 충격 등에 의한 ‘잡음’에 의해 신호가 변화되는 것
• SNF ( 신호 대 잡음 비 ) 라는 성능 지표 사용
  

잡음의 해결
내가 보내는 신호의 진폭이 A인데 A에 비해 잡음의 진폭의 매우매우 작다고 하면, 잡음에 의해 내 신호의 조그마한 변화가 생길 수는 있지만 전체적인 위상이나 주기에는 변화가 거의 없게 된다. 따라서 내 신호의 진폭을 증폭시킴으로써 잡음에 대한 대비를 어느 정도 할 수 있다.
어떤 디지털 신호의 레벨을 함부로 작은 단위로 나누지 못하는 것도 위의 이유에 따른다. 디지털 신호가 아주 작은 진폭마다 레벨이 달라진다면 아주 작은 진폭에도 전송되는 메시지가 바뀌어 버릴 수 있다.

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데이트 전송률의 3 요소 ( 3 요소에 의해 정해짐 )

• 가용 대역폭
• 사용 가능한 신호 준위
• 채널의 품질 (잡음 정도)

데이터 전송률의 계산 수식

1. 나이퀴스트 수식 : 잡음 X 채널에서 사용
2. 섀넌 수식 : 잡음 O 채널에서 사용 ( 실제로 잡음이 없는 채널은 존재하기 어렵다 )

나이퀴스트 전송률 : 잡음이 없는 채널에서의 전송률

B : 대역폭 , L : 신호 준위의 개수

섀넌 용량 : 잡음이 있는 채널에서 ‘무결한 통신 ( 원활한 통신 )’ 이 가능한 최대 전송률

만약 신호대비 잡음비 (SNR) 이 0이라면 log2 (1+0) 이 되므로 C = 0 이 된다. 이것은 대부분이 잡음인 채널은 비트를 전송할 수 없다는 뜻이다.

대역폭과 SNR이 주어진 상황에서 전송률과 준위 구하기 채널의 최대 상한을 섀넌 수식을 통해 구한다. 섀년 수식을 넘지 않는 최대 신호 준위를 나이퀴스트 수식을 통해 구한다.

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성능

네트워크 성능 평가 지표

• 대역폭
• 처리율
• 지연

대역폭

• Hz 단위 대역폭 : 신호에 포함된 주파수 범위
• bps 단위 대역폭 : 채널을 통과할 수 있는 초당 비트 수

처리율

• 대역폭은 채널의 잠재적 최대 성능이고, 처리율은 어떤 지점을 데이터가 얼마나 빨리 지나가는가 이다.
• 즉 처리율은 실제로 얼마나 데이터가 통과하고 있는지 이다. 이는 절대 대역폭을 넘어설 수 없다.

지연

• 지연 : 발신지에서 데이터의 첫 비트가 목적지에 완전히 도착하는데 걸리는 시간 = 전파 시간 + 전송 시간 + 큐 시간 + 처리시간

• 대역폭 - 지연 곱 임의의 두 지점을 잇는 Link를 파이프라고 생각했을 때, 파이프의 단면은 대역폭이 되고 파이프의 길이는 지연이 된다. 파이프의 길이 만큼 지연되는 것이다. 대역폭 - 지연 곱은 파이프에 최대 얼마의 비트가 존재할 수 있는지를 계산할 수 있다.

• 파형 난조 : 서로 다른 데이터 패킷이 서로 다른 지연 시간을 가질 경우 생기는 문제 서로 다른 지연 때문에 1번 데이터는 너무 빨리 도착하고 2번 데이터는 3번보다 늦게 도착하는 경우도 발생할 수 있다. 이는 실시간으로 전송되는 데이터 같은 경우에는 파형 난조가 문제를 일으킨다. ( 음성 / 화상 통신, 실시간 영상 )