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데이터 전송 과정을 복습해보자.

데이터를 송수신할 때 과정을 리뷰해보면 응용 계층에 있던 Data 가 L6, L5, L4, L3, L2, L1 계층을 거쳐서 캡슐화 되어 케이블을 통해 송신 되고, 다시 L1, L2, L3, L4, L5, L6 , L7 을 거쳐 decapsulation 과정을 거친다.

이번 시간에는 이 케이블에 대해 알아보자.

전송 매체애는  유선과 무선이 있다.

유선은 Twisted-pair cable, Coaxial cable, Fiber-optic cable 이 있고, 무선은 Radio wave, Mocrowave, Infrared 가 있다.

도식화 하면 다음과 같다.

유선통신기술

1. Twisted-pair 케이블

심선을 꼬아 놓는 케이블이다. Twisted 케이블의 가장 대표격은 
Unshielded Twisted Pair 케이블
(=UTP 케이블) 이다.
이 케이블은 인터넷 표준 규격을 정할 때 기준이 되는 케이블이기도 하다.

2. Coaxial 케이블

동축 케이블로 텔레비전 뒤에 두꺼운 선이 바로 이 동축 케이블이다. 이 케이블은 TV와 이더넷에 사용된다.

3. Fiber-optic 케이블 (광케이블)

광케이블로 데이터센터 서버에서 주로 이용된다. 빛을 이용하는 통신 방식이기 때문에 전기신호를 사용하는 통신방식보다 자료 전송 속도가 수십 배로 빠르다. 멀티모드와 싱글 모드로 구분이 가능하다. 

-멀티모드 : 90km 까지의 짧은 거리에 사용된다. 많은 양의 정보 전달이 가능하다.

-싱글 모드 : 몇백 km 의 장거리에서 사용된다. 대도시에서 사용되는 케이블이다. 많은 양의 정보를 전달하기엔 어렵지만 장거리가 가능하다.

4. 해저케이블

나라 간 연결할 때 해저 케이블을 사용한다. 엄청 두꺼운 피복제를 사용하여 바다에 깐다.

2011년 3/11 동일본 대지진 때 해저케이블이 끊어져서 일본과의 인터넷 연결이 수일간 끊긴 적있다. 국제 인터넷 트래픽의 90% 이상이 이 같은 해저 케이블을 통해 전송되기 때문에 자연재해에 따른 '통신 고립'은 언제나 발생할 수 있다.

Hibernia Express  

Huawei 사와 Hibernia 사에서 신규 매설한 해저 광케이블이다. 2011년 런던과 뉴욕사이의 지연시간을 59.9 ms 로 기존보다 5ms 단축하였다.

Networking 에서 딜레이가 되는 경우는 4가지가 있다. 1. 전송지연 2. 전파지연 3. 노드처리지연 4. 큐지연 이다.

해당 해저케이블은 거리를 기존보다 줄였기 때문에 전파지연시간을 줄였다.

무선 통신기술

이번엔 무선 통신기술에 대해 알아보자

1. Radio wave (전파)

 1)  아날로그 신호인 음성을 수십만 개의 디지털 신호로 바꾸어 전달하는 CDMA 방식

(* CDMA : 기존의 통신 방식인 주파수 분할 다중 접속(FDMA) 및 시간 분할 다중 접속(TDMA)는 다중 접속을 감당하는 데 무리가 있다는 단점을 해결하였기에 널리 보급된 방식이다. 이론적으로는 동일한 무선 변조방식을 이용하고 주파수 분배 방식만 다를 경우, FDMA, TDMA, CDMA 모두 동일한 전송 대역폭을 갖는다. 그러나 FDMA 방식이나 TDMA 방식의 경우 무선 통신중 발생할 수 있는 혼선을 방지하기 위해 물리적인 혼선 방지 영역을 형성하여야 하는데, 무선 통신 하면 카폰으로 이해하던, 과거 접속자 수가 얼마 없던 시절에는 분할할 일이 적기에 큰 불편 없이 썼지만 무선 통신 수요가 점증하는 상황에서 기존의 FDMA와 TDMA 방식으로는 무선 통신 수요가 몰리는 지역에선 통신에 사용되는 주파수보다 혼선방지를 위해 비워두는 주파수가 더 많은 상황에 직면, 혹은 원활한 통신을 위한 대역폭 요구량이 폭증하게 되리라는 것이 예견되었다. CDMA는 주파수, 시간이라는 물리적인 혼선 방지를 코드라는 논리적인 혼선 방지책으로 전환하는 방법으로 이 문제를 해결하였다.)

2) LTE

CDMA가 고속으로 데이터를 전송하는데 부적합하다는 단점으로 인해 LTE나 WiMAX 등 4G는 CDMA를 사용하지 않고, OFDM과 FDMA를 결합시킨 OFDMA, SC-FDMA라는 전혀 다른 기술이 적용되었다.

3) 5G

4) 블루투쓰 5) wifi 6) Zigbee

2. Micro wave(전자파)

빛으로 데이터를 전송하는 Li-Fi 기술

3. Infrared(적외선)

적외선을 쏘아서 이를 통해 정보를 전달하는 통신 방식이다. 보통 TV, 오디오, 에어컨 등 가전제품에서 사용되는 리모컨이 적외선 통신 방식을 사용한다.

무선랜 주파수는 다음과 같다. 전파, 전자파보다 적외선이 주파수가 크다.

처리율 (Throughput)

• 컴퓨터 통신 : A->B로 전송하는 단위 시간당 디지털 전송율 ( ex) bit rate( bit per second : bps))
• 컴퓨터 일반 : 단위 시간당 작업 처리량

대역폭 (Bandwidth)

네트워크 대역폭은 네트워크가 단위 시간 내 전달할 수 있는 최대 크기의 전달 용량을 의미. 대역폭이 높을수록 많은 데이터가 네트워크에 실려서 전달하고 전달받을 수 있다. 대역폭 자체는 전달 속도와는 관계가 없으며 오히려 용량(capacity)과 관계가 있다.

Bit rate 

• 얼마나 빨리 비트를 보낼 수 있을까? 의 문제
• 대역폭(Hz) 이 주어지고 신호레벨(0/1) L이 주어질 때

BitRate = 2* 대역폭 * log_2(L)

ex) 3000 Hz 에서 신호(0/1) 을 이용한다면 최대 전송율 은?

bitrate= 2* 3000 * log_2(2) = 6000bps

ex) 신호대잡음비(SNR) 가 1023 으로 주어진다면?

Capacity = 대역폭* log_2(1+SNR)

Capacity = 대역폭 * log_2(1+1023) = 3000 * 10 = 30,000 bps

ex) 10Mpbs 대역폭이 주어질 때, 컴퓨터가 1개 프레임은 10,000 bit , 1분에 12,000 개 프레임 전송한다면 얼마나 빠른 것인가 ?

Bitrate = 10,000 * 12,000 / 60 = 2Mbps

* 네트워크 카드는 10Mbps(최대) 인데 컴퓨터는 2Mbps 밖에 사용 못하는 상황이므로, 프레임 전송 SW 문제

ex) 100p 책을 1초에 받고 싶어요. 얼마나 빨라야 하지요? (단위를 비트 전송률로 표현 ) 

100p * 24(줄/페이지) * 80 (문자/줄) * 8(비트/문자) - 1.536 Mbps

ex) 사람 목소리를 디지털로 표현하려면 1초에 몇 비트가 전송되어야 하나요?

2 * 4000(샘플링/초) * 8(비트/샘플) = 64 Kbps

ex) 디지털 TV는 1초에 몇 비트를 보내주는 걸까>

1920*1080*30(프레임/1초) * 24(비트 for color) = 1.5Gbps

통신 지연시간

 지연 시간 테스트를 위해 ping, traceroute / tracert 명령어를 사용한다. Ping은 목적지까지 도착 시간을 알 수 있지만, Tracert는 목적지까지 찾아가는 시간 및 경로를 파악하기 위한 용도로 사용된다. 

웹브라우저에서 지연시간 측정하기

데시벨 , dB (Decibel)

네트워크에서 링크와 노드를 비유하자면 이렇다.

지도에서 도로 - 링크

지도에서 교차로-노드(라우터/스위치)

• Network : 고속도로
• Internet : 도로 전체
• Router : 교차로
• Packet : 자동차
• Switching : 경로 선택, 인터페이스 선택
• Routing Table : 이정표 (경로선택의 근거)

Switching

Switching(교환) 은 경로 선택, 즉 네트워크에서는 선을 연결하여 메시지를 교환하는 것을 말한다. 스위칭 대상은 전화, 패킷, 메시지 등이 있다.

* 전화: 회선(circuit) , 패킷 : IP 패킷

회선 교환 네트워크

대표적으로 전화기를 예를 들 수 있다. 누군가에게 전화를 걸고 전화를 받으면 그 때부터 통화가 이루어지고 다른 누군가와는 전화를 할 수 없다. 즉 전화기는 발신자와 수신자 간에 회선을 독점을 하는 것이다. 위와 같은 통신 방식을 회선 교환(Circuit Switching)라고 한다. 회선교환기를 통해 통신 회선을 설정하여 직접 데이터를 교환한다. ( Timeslot interchage switch) / 전화교환원 ( 1902 전화교환원 - 1905 개인전화 80명 - 1971 자동식 전화 개통 - 1987 전국자동교환망 완성)

1. 주파수-분할 다중화 (FDM)
2. 시-분할 다중화(TDM)

패킷 교환 네트워크

대표적으로 인터넷을 예를 들 수 있다. 모든 메시지를 일정한 크기의 패킷으로 분해해서 전송하고, 수신 측에서 원래의 메시지로 다시 조립하는 것이다. 

- 정보 전달의 단위인 패킷은 여러 통신 지점(Node)을 연결하는 데이터 연결 상의 모든 노드들 사이에 개별적으로 경로가 제어된다. 이 방식은 통신 기간 동안 독점적인 사용을 위해 두 통신 노드 사이를 연결하는  회선 교환 방식과는 달리 짤막한 데이터 트래픽에 적합하다.

- 라우터 : 회선 교환 방식에서 회선교환기를 사용하는 것처럼, 패킷 교환 방식에서 패킷 교환기의 역할을 담당하는 라우터가 있다. 즉, 네트워크간 패킷이 전달될 수 있는 최적의 경로를 탐색하고 송수신하는 역할을 한다. 여기서 패킷 전달을 위해 최적의 경로를 탐색하는 작업을 라우팅(Routing)라고 한다. 라우팅 시  IP정보를 이용하여 송신처에서 수신처까지의 경로를 선택한다. / 공유기가 바로 라우터이다. 

- 리눅스로 접속 가능한 공유기가 많이 있다. 공유기 접속은 웹 또는 ssh로 한다. 

- netstat -rn 으로 라우팅 테이블 볼 수 있음

- ifconfig : 네트워크 인터페이스 환경에 대한 정보 netstat : 네트워크 통계 정보

- 인터넷 라우터 : 명령어 telnet 이용하여 접근

- 패킷 교환망에서의 지연시간

라우터 메모리에 저장된 후 목적지 주소를 검색한다. => 버퍼/메모리/큐 대기지연시간(큐잉)

* 통신에서 지연시간 종류

1. 전파시간(propagation)  2. 전송시간(transmisssion)  3.큐잉시간(queueing)  4. 처리시간 ( processing ) 

회선교환방식과 패킷교환방식의 특성 비교

BGP : BGP는 Border Gateway Protocol의 약자로

서로 다른 AS(* autonomous System의 약자로 하나의 네트워크 관리자에 의해 관리되는 라우터 집단(그룹, 도메인)을 의미,  즉 하나의 거대한 네트워크 집 ) 를 연결해 주는 경계 게이트웨이 프로토콜. ISP와 다른 외부 게이트웨이 프로토콜 EGP로 EGP의 단점을 보완해서 만든 프로토콜이다. 현재 EGP로는 사실상 BGP만이 유일하며 국제 표준으로 사용되고 있다.

 => 대규모의 네트워크를 서로 연결해 주는 라우팅 프로토콜이 BGP입니다. 전세계는 BGP 프로토콜을 이용하여 연결되어 있다.

​

 여러 사람들이 동시에 같은 주파수/시간에 이야기하면 소리 간섭으로 알아듣기 어렵다. 
다른 주파수/시간에 이야기하면 이야기를 알아들을 수 있다.
 

멀티플렉싱

• 다중화
선 1개에 여러 신호를 전송하는 기술
• Input line에는 전화기, 컴퓨터 등등

1. FDM(주파수분할다중화)

• 사람 목소리는 1개의 동일한 주파수 이므로, 주파수를 분할 시켜야한다.
• 주파수 분할 기술 : 아날로그
• 여러개의 신호를 각각의 반송 주파수에 실어보내는 반송 기술 : 라디오, TV
• 변형하면 Wavelength-division multiplexing (WDM)

 
fdm 으로 여러개의 신호를 mux하는 과정

 
fdm 으로 하나의 신호를 여러개로 demux 과정

ex) 1MHz 대역폭으로 4개의 채널을 만들고 각 채널당 1Mbps  비트전송률을 지원하는 위성 무선링크가 있다. 각 채널은 위성단말기가 데이터전송을 한다. FDM 을 이용해서 어떻게 만들 수 있을까?

- 4개? 그러면 1MHz 를 4개로 조각내는 것이 FDM?

- 250KHz 4개?

- 1개의 250KHz 에서 1Mbps 를 어떻게 만들지? - 16-QAM

ex) 전화기 3600대가 있다. 이를 한국통신과 연결해야한다. 어떻게 선을 연결하지?

=> 선을 3600개 연결할수는 없으니 다중화해서 케이블을 줄이자 !

ex) FDM 을 이용하는 1개의 휴대폰(AMPS) 기지국에서 몇 명의 단말기를 동시에 통화가능하게 하는가?

- 가정 

사람 목소리 주파수 : 3KHz

휴대폰 1개는 FM 으로 변조를 하여 30 KHz 로 만든다.

기지국 하향 주파수 : 824 - 849 MHz

기지국 상향 주파수 : 869 - 894 MHz

제어 채널 : 43 개 사용 

833개 중 제어채널은 43개 즉, 790개 데이터채널

2. TDM(시간분할다중화)

• fdm 이 아날로그 기술 이었던 반면, TDM 은 디지털 기술이다.
• 시간을 전송단말기에 나누어주는 것이다.
• 높은 대역폭을 공유하는 디지털 프로세스(시분할 기술 사용, 디지털전송은 대역폭이 넓어야 한다.)
• FDM + TDM = CDMA
• TDM은 여러 개의 저속 채널을 하나의 고속 채널로 조합한 디지털 Multiplexing기술임.
  -Frame : 각 연결의 단위결합
  -Slot : 특정 입력라인에서 데이터 전송

[링크에 있는 신호들은 입력 신호보다 시간이 3분의 1로 줄었기 때문에 속도가 3배 빠르다.]

- 예제1) 위의 그림 속 각 입력 신호가 1kbps의 속도를 가진다. 만약 시간(time slot)당 1bit가 다중화된다면,

Q1) 하나의 입력신호에서 시간 슬롯은 얼마인가?

송신측에서 1초에 1000개의 비트를 보내므로, 단위 시간당 1bit인 경우, 시간 슬롯은 1bit당 걸린 초(bit duration)와 같다. 즉, 1/1000 = 1ms 이다.

Q2) 링크의 하나의 시간 슬롯(output time slot)은 얼마인가?

위의 그림에서 링크의 타임 슬롯이 입력신호의 타임 슬롯보다 1/3 줄었기 때문에 1/3 ms 이다. (하나의 입력신호에서 시간 슬롯은 1ms이다.

Q3) 하나의 프레임 주기는 얼마인가?

위의 그림에서 하나의 프레임에 3개의 타임 슬롯이 들어간다. 따라서 1/3 * 3 = 1ms 이다.

정리 : 1kbps 이므로 1초에 1000비트 전송, 따라서 1비트 전송에 1/1000초 걸린다. 1ms 걸림. 링크의 하나의 시간슬롯은 인풋 슬롯보다 1/3 이 되었기 때문에 1/3ms이다. 하나의 프레임에 3개의 타임슬롯이 들어가므로 하나의 프레임의 주기는 1/3*3 = 1ms 이다.

1Mbps 4개의 채널을 1비트씩 TDM 전송한다.

1Mbps 는 1초에 1,000,000개의 비트를 전송하므로 하나의 비트에 1마이크로초 소요된다. 링크의 하나의 타임슬롯은 입력신호의 타임슬롯보다 1/4 로 줄었기 때문에 1/4마이크로초 이다.

하나의 프레임에는 4개의 타임슬롯이 들어가므로 하나의 프레임 주기는 1마이크로초 이다.

T1

대이터는 0과 1의 이진 부호로 이루어져 있다.

한 글자는 ASCII 코드 7비트이다. 이것은 7개의 1비트로 이루어져 있다. 그렇다면 한 글자를 보내기 위해서는 우선 하나의 비트를 보내는  방법을 이해해야 한다. 

이 때 필요한 기술이 바로 라인코딩이다.

라인코딩은 1비트를 전기적인 신호로 만드는 기술이다. 라인코딩의 대표적인 방법 중 하나는 맨체스터 인코딩이다.

맨체스터 인코딩은 0을 표시하기 위해서 전기적인 높은 신호(High) 에서 낮은 신호(Low) 로  바뀌게 하고, 1은 낮은 신호에서 높은 신호로 바뀌게 한다.

라인코딩의 이해를 위해 우선, 신호 레벨이라는 개념을 알아보자.

신호의 변화(레벨)

  위 사진을 보면 신호의 변화(레벨)이 2개 레벨로 5V or 0V -> 1 or 0 의 데이터를 나타내고, 아래 사진을 보면 신호 레벨이 4개 레벨로 5V or 1.5 V or -1.5V or -5V -> 11 or 10 or 01 or 00 의 데이터를 나타낸다. 신호 레벨이란 신호의 변화할 수 있는 개수를 의미하는데 만약 2개 레벨이라면 2개로 변화할 수 있으므로 0과 1의 데이터를 표현할 수 있으며, 만약 4개 레벨이면 두 비트로는 경우의 수가 4개로 표현가능 하므로 00,01,10,11 4개의 데이터를 표현할 수 있다. 

 사진을 보면 위 사진 보다 아래 사진이 더 많은 비트가 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 다음과 같은 명제가 성립된다. 

-신호 레벨이 많으면, 비트전송률이 향상된다.-

비트전송률이란, 특정 시간당 보낼 수 있는 비트의 수이다. 위 예시에서도 볼 수 있듯이, 신호레벨이 2였을 때는 0,1 비트 자릿수는 하나로 전송하지만, 신호레벨이 4일 때는 00,01,10,11 비트 자릿수가 두자리로 전송된다. 따라서 신호 레벨이 많으면 한번에 더 많은 비트를 전송하게 된다.  

예시 문제를 풀어보자.

ex) Q. 9개의 레벨로 표현할 수 있는 데이터 신호가 있다. 1개 신호는 몇 비트를 나타내는가?

          비트 수 = log_2(신호 레벨 수)

answer = log_2(9)
log_2(9)  ~= 3.17 ~= (올림수) 4

answer = 4 비트

ex) 1분당 100페이지 텍스트 문서를 다운로드 받는다. 이 통신에서 비트 전송률은?

(가정)
텍스트 문서 1페이지 = 24줄 * 80 문자 (1개 문자 = 8비트)
-> 100 페이지 * 24 줄 * 80 문자 * 8비트 = 1,636,000bps = 1.636Mpbs

ex) 4 kHz 대역폭의 음성신호를 디지털화하여 전송한다. 최고 주파 수의 2배만큼 샘플링한다. 1개의 샘플은 8비트로 표현한다. 이 때 디지털화된 음성 비트전송률은?

2배 * 4,000 * 8비트 = 64,000 bps = 64kbps

ex) HDTV 스크린은 16:9 비율로 1920*1080 해상도를 가진다. 초당 30개 프레임을 전송하고, 1개의 컬러 픽셀은 24비트로 표현한다. 비트 전송률은?

1920*1080*30*24  = 1,492,992,000 = ~= 1.5Gbps

노이즈 없는 채널에서 전송 : Nyquist formula

Bit rate = 2 Bandwidth (대역폭) log_2(L)

L : 신호 레벨

Bit rate == bps

ex) 3000Hz 대역폭 노이즈 없는 채널에서 2개의 신호 레벨로 전송한다 .최대 비트 전송률은?

2 3000 log_2(2) = 6,000 bps

노이즈 있는 채널에서의 전송 : Shannon capacity

Capacity = Bandwidth X log2 (1+ SNR)

* SNR : the power of the signal to the power of the noise, 신호대잡음비

SNR이 데시벨로 주어질 수 있음(dB)

• SNR dB = 10 log_10 (SNR)

ex) SNR비가 3162인 경우, 3000Hz 대역폭에서 전송할 경우 최대 비트 전송률은?

C = 3000log_2(1+3162) = 3000log_2(3163) = 3000*11.62 = 34,860 bps

ex) 1MHz 대역폭이 주어질 때, SNR이 63이다. 적절한 비트전송률과 신호 레벨수는?

C = B log_2 (1 + SNR) = 1M log_2(1+63) = 1M log_2(64) = 6Mbps

6Mbps를 상한값으로 가정하고, 실제(노이즈 때문에)는 4Mbps정도로 가정하면, Nyquist theorem에 의해서

• 4 Mbps = 21MHz log_2(L)
• L = 4

라인 코딩(line coding)

1비트 모양 만들기

NRZ, Manchester, 2B/1Q 등

Unipolar NRZ

V면 1 아니면 0 

Polar NRZ-L and NRZ-I

NRZ-L은 V면 0 아니면 1 Unipolar NRZ의 반대다.

NRZ-L 은 단순하게 보내서 노이즈에 취약하고 속도 높이기 어렵다. NRZ-I 는 0이 계속 나온다면 문제가 발생할 수도 있다. 변화가 있으면 next bit 가 1이된다.(다음 신호가 1이면 신호가 뒤바뀐다)

NRZ-L은 여전히 동기화 문제가 발생하지만, NRZ-I는 동기화 문제가 발생하지 않는다.

NRZI (NRZ Inverted)

NRZ Inverted 라는 뜻으로 1이 나오면 transition 했다는 의미이다.

Polar RZ Scheme

NRZ (Non-Return-to-Zero) and RZ

Manchester and Differential Manchester

수신측 동기화의 용이성을 강조하도록, 비트 중간에 극성 변화가 있게한, 선로부호 방식

 비트 중간에서, 하향 천이 => `0`
     - 비트 중간에서, 상향 천이 => `1`

멀티레벨: 2B1Q Schem

블록 코딩

0또는 1이 길게 연속(동기화문제)되지 않도록 변환

전송방식 

- 송신자 -> m 비트 그룹 -> n비트 그룹 변환 > 라인코딩 (NRZ-I) -> n비트 그룹 디코딩 ->m비트 그룹 > 수신자

예) 4B5B • FDDI, 100Mbps Ethernet, USB PD • 5비트 블록코드 내부에 반드시 1 이상의 전이가 있도록 함 • 3개 이상의 0이 연속되지 않도록 함 • 4 bit 데이터 -> 5 bit 코드 변환 • 5비트 코드 중 데이터 이외 명령 문자: Halt, Idle, Start, Quiet, Reset, Set, End 2

• 4bit가 5bit로 변해서 쓸모없는 데이터가 들어가기 때문에 전송 효율은 떨어진다
• 필요한 Bandwidth가 증가하고, 전체 신호를 보면 평균 0이 보장되지 않아서 DC가 발생할 수 있다.

데이터 전송 모드

데이터 전송은 병령과 직렬이있다.

-직렬

  1. 비동기 : 데이터 + 클럭(RS-232)

    • 휴지상태 + 데이터 (start + stop bit) • 문자 위주 전송 • 속도가 낮음

 (휴지 상태 : 중앙 처리 장치나 주변 장치 따위의 하드웨어 장치에서 다음에 수행할 명령어와 작업을 기다리는 동안 별다른 작업을 수행하지 않고 대기하는 상태)

  2. 동기 : 데이터 + 별도 클럭 신호 (맨체스터 인코딩)

    • 프리앰블(preamble) + 데이터 + 포스트앰블 • 전송효율과 전송속도가 높음 • 블럭단위 전송 • 전화, 인터넷

( 프리앰블 :"누군가가 지금 막 데이터를 전송하려한다"는 의미로서 통신 시스템들이 이해할 수 있는 일련의 특정 송신 펄스를 정의한다./ 포스트앰블:자기 매체에서 각 블록의 마지막에 기록하는, 반대 방향 판독 시의 동기를 목적으로 하는 이진 숫자의 열)

  3. 등시(isochronous

• Iso: 동, 등의 접두사 • 일정한 시간 간격을 유지하는 성질 • 멀티미디어 데이터 전송 분야

들어가기 전에

- Data Rate (Bit Rate) : 초당 비트수, bps

- Signal Rate (Baud Rate) : 초당 단위 신호 수

Modulation(Digital to Analog) 기술

변조 : 이진부호 -> 전기적 신호

변조 방식은 기존의 반송파 및 반송 주파수를 입력 신호에 맞게 진폭이나 주파수 및 위상 등 기존 반송파의 특성을 수정(변조)함으로써 원하는 아날로그 신호를 얻을 수 있다.

• ASK(Amplitude Shift Keying) : 신호 크기로 0/1로 표시한다
• FSK(Frequency Shift Keying): 주파수 변화로 0/1 표시한다.
• PSK(Phase Shift Keying): 위상 차이로 0/1 표시한다
• QAM(Quadrature Amplitude Modulation) : 위상+크기로 0/1 표시한다.

FSK를 제외하고, 대역폭(정보를 전송할 수 있는 능력, bandwidth)은 항상 Signal Rate와 비례한다.

ASK

기존의 반송파를 이진수 0 또는 1로 나타내기 위해 반송파의 진폭을 변화시켜 아날로그 신호를 얻는 방식이다.

- 노이즈에 영향을 많이 받는다.

FSK

기존의 반송파를 이진수 0 또는 1로 나타내기 위해 반송파의 주파수를 변화시켜 아날로그 신호를 얻는 방식이다.

-노이즈에 영향을 받지 않는다.

- 반송 주파수는 대역폭의 중간값이다.

PSK

1기존의 반송파를 이진수 0 또는 1로 나타내기 위해 반송파의 위상을 변화시켜 아날로그 신호를 얻는 방식이다.

서로 다른 신호간 위상이 180도 차이가 나는것

-노이즈에 영향을 받지 않는다.

QAM

PSK, ASK 합친 거

2개의 정보를, 동일 주파수이지만 위상이 90˚ 차이나는,
          서로다른 2개의 반송파에 진폭변조하고, 이를 합친 것

신호 레벨 = 진폭 * 위상 : 표현 가능한 정보의 수

위 그림인 16 QAM의 경우 12가지의 위상과 3가지의 신호크기를 조합하여 총 16개의 신호가 바둑판처럼 사용되게 된다. (I/Q 플롯에서 반지름은 신호의 크기를 말하며, I축을 기준으로 신호가 돌아간 각도는 위상을 의미한다. 1-10장 참조)

LTE 모뎀

: 스냅드래곤 X16 모뎀은 4x4 MIMO, QAM 등 퀄컴만의 기술력으로 기가비트급 LTE 속도를 지원하는 최초의 상용 모뎀

- 삼성전자는 데이터 전송 속도를 극대화 하기 위해 기지국과 단말기에 각각 4개의 안테나를 동시에 사용할 수 있는 4x4 MIMO 기술(다중 입출력), 주파수 변복조 방식을 기존의 6비트 단위(64QAM, 직교 진폭 변조)에서 8비트로 처리하는 '256QAM' 기술을 적용

아날로그데이터를 아날로그 신호로 바꾸기

라디오 주파수를 달리 해서 보내기

변조(Modulation)

● 대표기술

○ AM ○ FM ○ PM

Pied Piper Project( 문자열을 송수신 )

문자열을 디지털로 전송할 때, 소리로 전송할 수 있다. 이런 방식과 유사한 게 버튼식 전화기(DTMF) 이다. 우리가 전화를 위해 버튼을 누른다면 해당 주파수가 발생하고 전화국의 교환기에 전달되고, 교환기에 있는 디코더가 이것을 해석하여 주파수를 숫자로 인식하는 원리이다. 이 때, 전화기 버튼마다 어떤 숫자에 매핑되어있는지에 대한 '약속'이 필요하다. 이러한 약속을 프로토콜이라고 한다. 문자열을 소리로 전송하는 프로젝트인 Pied Piper Project   에서도 비슷하게 이용되는데 한 번 살펴보자.\

작동 순서

안드로이드 앱에서 HelloWorld 문자 보낼 때, 소리로 HelloWorld를 전송한다. 수신 프로그램은 리눅스 파이썬 프로그램에서 소리를 듣고 PCM을 이용하여 디코딩 후, helloWorld 출력하게 된다. PCM 은 음성의 표본화를 통해 이진식 디지털 데이터로 기록하여 아날로그->디지털로 변환할 수 있는 시스템이다. 

사용되는 기술

- 송신자-수신자 약속(프로토콜) 

sampling interval(샘플링 간격) : 삐~ 소리 얼마나 지속되는지/ 톤 한 개가 지속하는 시간

chunk size : 삐~ 소리가 몇 비트로 표혀노디는지/ 톤 한 개가 포함하는 비트 수

handshake start frequency : 청크 시퀀스가 시작하는 것을 알리는 주파수

handshake end frequency : 청크 시퀀스가 끝나는 것을 알리는 주파수

transmission start and step frequency : freq = start + (i*step) : 시작 주파수 start = 1024Hz 로 설정하고 4비트 숫자(i)마다 256Hz step 씩 다르게 한다. 즉, 어떤 알파벳에 대응되는 숫자 i에 대하여 소리를 만들 수 있는 주파수 freq 이 만들어지게 된다.

비트 오류 복구 : Reed Solomon 

송신자가 송신하는 과정

1.보낼 텍스트(페이로드)에 대하여 Reed Solomon 인코딩을 계산한다.

2. handshake start frequency 전송하기(청크 시퀀스의 시작을 알린다)

3. 보낼 텍스트 chunk 비트크기로 나누고, 해당 주파수로 변환하기

4. handshake end frequency 전송하기(청크 시퀀스의 끝을 알린다.)

수신자가 수신하는 과정

0. 리눅스 사운드 구동을 위한 alsa  드라이버를 이용하여 PCM 코덱 호출

1. FFT(고속 푸리에 변환) 으로 주요 주파수(dominant frequency) 찾기

2. handshake start 일 경우 해당 주파수 데이터를 수집하기

3. handshake end 일 경우 수집 종료 후 디코딩하기.

- 주요 주파수 이외 데이터 필터링 -  bit chunk 단위로 변환 후 바이트 생성 -  Reed Solomon 코드로 검증

* 푸리에 변환

-시간에 대한 함수 -> 주파수 성분으로 분해하는 변환

-서로 다른 주파수가 섞인 신호에서 개별적인 신호 추출하는 수학 도구 

디지털 통신은 1비트 보내는 것을 이해하는 것부터 시작한다.

소리전송을 예로 들어보자

소리전송

소리란 사람들의 이야기, 전화 통신, 디지털 통신의 기초(무선랜, 3/4/5G 통신) 등이 있다. 

소리 전송을 응용한 예

-실내위치: 스타벅스 모바일 앱 사이렌 오더

-결제: 신용카드

 -음악: 샤잠(Shazam) 

-IoT: Amazon Dash button

아날로그 vs 디지털

아날로그: 전송, 저장, 오류 복구 어렵다/ 옆자리 친구와 대화/ 멀리 떨어져있는 친구와는 편지로 대화해야/ 아날로그 감성

디지털 : 가공, 편집, 복제, 용량 편리성/ 옆자리 친구와 카톡/ 멀리 떨어져있는 친구와 카톡/ 디지털의 편리성

가청주파수

: 사람 목소리가 전달되는 주파수로 20~ 20,000Hz 이다.

아날로그-> 디지털 신호

아날로그와 달리 디지털은 자유롭게 사용이 가능하다. 따라서 아날로그 데이터를 디지털로 바꾸는 기술이 필요 !

디지털 데이터로 바꿔놓으면 라인코딩을 이용해 변조해서 보내면 전송할 수 있다. 

이를 Modulation(변조) 이라고 하는데 이것을 수행하는 것을 "모뎀"이라고 한다. 

 1초에 8,000개의 샘플로 표현한다. 1개 샘플은 8비트로 표현된다. 따라서 1초에 64,000bit 이므로 64Kbits 의 데이터이다.

* 샘플링 : 기본적으로 수많은 데이터들 가운데 유한한 개수의 데이터를 뽑아내는 것

목소리 전송

:아날로그-> 디지털 / 이때 필요한 것이 PCM

ADC(Analog to Digital Conversiont)

• 아날로그 신호(연속 신호)를 디지털 신호로 바꾸는 기법
• 샘플링 : 소리를 44.1 kHZ 샘플링 (0.023ms 마다 1개)
• 양자화 : 특정 전압 레벨로 구분, 10-bit ADC 에서 5V/2^10 = 4.88mV 단위
• 가장 흔하게 쓰이고 유명한 방식에 PCM 이 있다. 

PCM
:디지털 오디오 표준
목소리를 사진과 같은 샘플을 디지털로 만들어서 비트로 표현하기(인코딩)
*샘플링 : 사람의 목소리는 가청주파수대역의 일부분(300-3400 Hz)

• 아날로그 데이터와 양자와 과정에서 나타나는 양자화 값의 차를 "양자화 잡음" 이라고한다.

양자화 잡음 
1. A/D 변환 과정 중 표본화 직후 양자화 시 나타나는 오차
2. 아날로그 신호가 표본화되고 표본이 유한 개의 진폭 값 중 하나가 될 때 아날로그 표본값과 양자화된 값의 차이

나이퀴스트 전송률

- 잡음이 없는 채널의 경우 사용한다. 

- 대역폭은 채널의 대역폭, L은 데이터 나타내는 데 사용한 신 호준위의 개수, 전송률은 초당 비트수라고 할 때

전송률 = 2*대역폭* $log_2{L}$

ex) 사람 목소리는 1초에 몇 비트가 전송되어야 할지 ?

=>1초에 8,000개의 샘플로 표현한다. 1개 샘플은 8비트로 표현된다. 따라서 1초에 64,000bit 이므로 64Kbits 의 데이터이다.

서비스 음성/가청주파수 대역

• 전화 : 300-3400Hz
• AM 라디오: 100-5000Hz
• FM 라디오 : 100-10,000Hz, 50-15,000Hz
• CD : 20-20,000 Hz