[데이터 통신] 7. 전송 매체(Transmission Media)

7.1 Introduction

Transmission medium & Physical layer

전송 매체를 통해 data를 보내기 위해서 physical layer에서 적절한 형태의 signal로 변환을 한다.

 

Classes of Transmission Media

7.2 Guided Media

Twisted-pair Cable

신호를 흘려 보내는 Conductor와 이를 둘러 싸고 있는 Insulator가 있다.

Twisted-pair cable은 위와 같이 두 cable이 꼬아져 있는 형태이다.

 

UTP and STP Cables

Twisted pair는 두 가지로 분류할 수 있다.

• UTP는 가운데 conductor가 있고 절연체가 싸져있고 바깥에 plastic cover를 덮어 놓은 형태이고
• STP는UTP와 거의 유사하지만 plastic cover와 선 사이에 Metal shield를 통해 외부로부터 노이즈나 crosstalk(누화)를 효율적으로 차단할 수 있다.
• STP는 성능은 좋지만 비싸기 때문에 저렴하면서 성능도 괜찮은 UTP를 많이 사용한다.

 

Categories of UTP Cables

Category	Specification	Data Rate(Mbps)	Use
1	Unshielded twisted-pair used in telephone	< 0.1	Telephone
2	Unshielded twisted-pair originally used in T-lines	2	T-1 lines
3	Improved CAT 2 used in LANs	10	LANs
4	Improved CAT 3 used in Token Ring networks	20	LANs
5	Cable wire is normally 24 WAG with a jacket and outside sheath(현재 많이 쓰임)	100	LANs
5E	An extension to category 5 that includes extra features to minimize the crosstalk and electromagnetic interference	125	LANs
6	A new category with matched components coming from the same manufacturer. The cable must be tested at a 200-Mbps data rate	200	LANs
7	Sometimes called SSTP (shielded screen twisted-pair). Each pair is individually wrapped in a helical metallic foil followed by a metallic foil shield in addition to the outside sheath. The shield decreases the effect of crosstalk and increases the data rate.	600	LANs

 

Category	Specification	Data Rate(Mbps)	Use
1	Unshielded twisted-pair used in telephone	< 0.1	Telephone
2	Unshielded twisted-pair originally used in T-lines	2	T-1 lines
3	Improved CAT 2 used in LANs	10	LANs
4	Improved CAT 3 used in Token Ring networks	20	LANs
5	Cable wire is normally 24 WAG with a jacket and outside sheath(현재 많이 쓰임)	100	LANs
5E	An extension to category 5 that includes extra features to minimize the crosstalk and electromagnetic interference	125	LANs
6	A new category with matched components coming from the same manufacturer. The cable must be tested at a 200-Mbps data rate	200	LANs
7	Sometimes called SSTP (shielded screen twisted-pair). Each pair is individually wrapped in a helical metallic foil followed by a metallic foil shield in addition to the outside sheath. The shield decreases the effect of crosstalk and increases the data rate.	600	LANs

 

 

UTP Connector

• RJ45 (RJ stands for registered jack)
  • 8핀

최대 4 pair(8 line)의 UTP cable을 연결 할 수 있다.

 

UTP Performance

• 100kHz 부터 감쇠가 급격히 증가함을 볼 수 있다.
• 컨덕터의 지름이 작은 26 guage의 경우 가장 감쇠가 큰 것을 볼 수 있다.

 

Parallel Flat Wire

왜 UTP 케이블은 꼬여있는(twisted) 형태일까? 다음과 같이 펴져있는 경우를 생각해 보자.

• Electromagnetic interference can create noise
• The noise over parallel wires results in an uneven load and a damaged signal

한 노드는 16 unit의 noise effect가 있고 다른 한 노드는 12 unit의 noise effect가 있기 때문에 이 둘 간의 4 정도의 차이로 인해 나중에 differential amplifier를 구동 시켰을 때 noise로써 영향을 많이 받게 된다. noise가 parallel하게 받는 wire의 경우 동일하지 않은 load가 걸려 신호에 damage를 줄 것이다.

 

Noise Effect on Twisted-Pair

• Cumulative(누적된) effect of noise is equal on both sides
• Twisting does not always eliminate the noise, but does significantly reduce it

 

Coaxial Cable

• Carries signals of higher frequency ranges than those in twisted-pair cable

inner conductor를 insulator가 감싸고 그 위를 metal이나 mesh 재질의 outer conductor로 shield 역할을 하며 그 위에 insulator로 감싸고 그 위를 plastic cover가 감싼다.

 

Categories of coaxial Cables

coaxial cable은 세 가지 카테고리로 나뉘어 진다.

 

BNC Connectors

• Bayonet-Neil-Concelman (BNC) connector

신호가 reflection 되는 것을 막기 위해 cable을 통해 신호가 쭉 오다가 마지막 단에 왔을 때 특수 임피던스의 차에 의해서 마지막 단에 신호를 terminate(종료)시키는 terminator 부분이 있다.

 

Coaxial Cable Performance

coaxial cable은 twisted pair에 비해서 넓은 bandwidth를 갖기 때문에 고속의 데이터 전송은 가능하지만 attenuation이 심하므로 먼 거리를 보내기 어렵기 때문에 coaxial cable로 먼 거리의 전송을 하기 위해서는 중간중간에 repeater를 사용하여 신호를 증폭시켜 주어야 한다. 그래서 신호의 감쇠에 따른 보상을 해 주는 과정이 필요하게 된다.

 

Optical Fiber

• Optical fiber is made of glass or plastic
• It transmits signals in the form of light

 

The Nature of Light

• The speed of light
  • 300,000 Km/sec in a vacuum
  • Depends on the density of the medium through which it is traveling
• Other properties of light
  • Refraction(굴절), Critical angle(임계값), Reflection(반사)

 

Bending of Light Ray

• critical angle: 임계각
• more dense에서 less dense로 critical angle보다 낮은 각도로 빛을 입사시키면 빛이 굴절(refraction)한다.
• 임계각 보다 높은 각도로 높은 density에서 낮은 density로 빛을 입사 시키면 그 빛은 낮은 density의 매체로 들어가는 것이 아니라, 반사(reflection)되어 높은 density의 매체 안에서 존재하게 된다.

그래서 optical fiber는 density가 높은 매체 안에서 빛이 계속 reflection하면서 빛을 통해 계속 진행되게 하면서 빛을 통해 정보를 전달하는 원리이다.

 

Optical Fiber

앞서 말한 것처럼 신호를 보내는데 빛으로 보내게 되면 core라는 high density material 안에다가 입사시키게 되는데 critical angle 보다 더 큰 각도로 빛을 주입하게 되면 바깥 쪽의 density가 낮은 cladding으로 빛이 들어가지 않고 core 안에서만 빛이 굴절되면서 전달됨으로써 우리가 이 빛에 정보를 실어서 보내는 것이 가능한 것이다.

 

Propagation Modes

optical fiber로 빛을 전달하는 propagation의 mode가 아래와 같이 존재한다.

Modes

a. Multimode, step index

• 빛이 여러각도로 신호가 전달됨으로써 정보가 여러 개의 빔으로 전달된다. 즉, 각각의 입사각도에 따라서 멀티 빔들이 진행하는 거리가 달라지기 때문에 목적지에 도착했을 때 불가피하게 distortion이 발생하게 된다.
• step index만의 차이점은 core 부분의 (high) density가 균일하다.

b. Multimode, graded index

• core 부분의 density가 균일하지 않고 중간에서 바깥으로 갈 수록 density가 낮아지기 때문에 빛이 완만한 형태로 진행되고 source와 같은 형태를 주입시켰을 때 step index에 비해서 신호와 신호 사이의 주행 거리(도착 시간) 차가 완만함으로써 더 smoothing 하게 정보가 목적지까지 전달된다.

c. Single mode

• multi mode 보다 core의 size가 작고 density 자체가 높지가 않아서 cladding하고의 차이가 적다.
• 즉, cirtical angle이 거의 90도에 가깝도록 일직선으로 전달되어 서로 다른 빛들의 차이가 미세하기 때문에 목적지에 도착했을 때 original 신호가 좀 더 잘 복원된다.

 

a,b는 둘 다 여러개의 신호로 multiple beam을 보내기는 하지만 step index는 single density이고 graded index는 core는 high density이고 바깥으로 갈 수록 low density, 즉 점점 낮아지는 smooth한 density의 변화를 통해서 신호를 좀 더 개선한 형태이다.

 

Fiber Type

core의 size가 signle index가 multi mode나 graded index보다 현저히 작은 것을 볼 수 있다.

따라서 이를 통해 single mode는 좁은 code size를 통해서 빛이 거의 직진성으로 진행함으로써 더 좋은 성능을 낼 수 있음을 알 수 있다.

 

Fiber Construction

Optical Fiber는 glass나 plastic으로 되어있기 때문에 잘 부러질 수 있다.

그래서 이 core와 cladding을 plastic성분의 buffer로 감싸고 Du pont이라는 고장력 섬유 재질 처리를 하여 core와 cladding을 부러지거나 깨지는 것으로부터 보호하고 그 위에 Outer jacket 까지 둘러싸서 보호한다.

 

Fiber-optic Cable Connectors

• SC (subscriber channel) connector used for cable TV. It uses push/pull locking system
• ST (straight-tip) connector used for connecting cable to networking device. It uses a reliable bayonet locking system
• MT-RJ is the same size as RJ45

Optical Fiber Performance

twisted pair나 coaxial cable에 비해서 훨씬 더 attenuation이 flat한 것을 볼 수 있다.(Loss 자체가 작음)

 

Advantages/Disadvantages of Optical Fiber

• Advantages
  • Higher bandwidth
  • Less signal attenuation
  • Immunity to electromagnetic interference(noise)
  • Resistance to corrosive(신랄한) materials
  • Light weight
  • Greater immunity to tapping(신호를 몰래 따가는 것)
• Disadvantages
  • Installation and maintenance
  • Unidirectional light propagation(양방향 통신이 안됨)
  • Cost

 

Electromagnetic Spectrum for Wireless

Propagation Methods

전송되는 주파수에 따른 propagation 방법을 알아보자.

• Ionosphere : 전리층(이온층)

• Ground propagation(below 2MHz)
  • 전리층의 반사에 의해서가 아니라 지표면을 따라서 전달되는 형태(저주파)
• Sky propagation(2~30MHz)
  • 하늘에 쏴서 전리층의 반사를 통해 전달하는 방식
• Line-of-sight propagation(above 30 MHz)
  • 가시 거리에서 직진성을 가지고 전달되는 형태

 

Bands

Band	Range	Propagation	Application
VLF (very low frequency)	3-30kHz	Ground	Long-range radio navigation
LF (low frequency)	30-300kHz	Ground	Radio beacons and navigational locators
MF (middle frequency)	300 kHz - 3MHz	Sky	AM radio
HF (high frequency)	3-30MHz	Sky	Citizens band (CB), ship/aircraft communication
VHF (very high frequency)	30-300MHz	Sky and line-of-sight	VHF TV, FM radio
UHF (ultrahigh frequency)	300 MHz - 3GHz	Line-of-sight	UHF TV, cellular phones, paging, satellite
SHF (superhigh frequency)	3-30 GHz	Line-of-sight	Satellite communication
EHF (extremely high frequency)	30-300GHz	Line-of-sight	Radar, satellite

• VFL 부터 약 1GHz 까지가 radio wave
• 1GHz~300GHz까지가 micro wave

 

 

 

7.3 Unguided Media: Wireless

Wireless Transmission Waves

• Radio waves are used for multi-cast communications, such as radio and television, and paging systems
  • 공중을 통해 여러군데로 신호를 보내는 형태의 무선 방식
  • Ground propagation, Sky propagation을 통해
• Microwaves are used for unicast communication such as cellular telephones, satellite networks, and wireless LANs
  • 직진성을 갖고, unicast 형태(cell phone, satellite networks 등)
  • 가시거리 확보를 위한 line-of-sight
• Infrared signals can be used for short-range communication in a closed area using line-of-sight propagation
  • remote-controller와 같은 것

 

Omnidirectional(전방향) & Unidirectional Antennas

• radio wave는 multi cast 방식으로 omnidirectional(전방향) 형태로 신호를 쏘도록 동작하고 이것들은 ground propagation이나 sky propagation으로 전달 된다.
• micro wave는 uni directional 안테나를 이용하게 되는데 a. 와 같은 dish antenna 나 b. 와 같은 horn antenna를 통해서 line of sight가 보장된, 방향성을 갖는, 통신에 사용되는 것이다.

 

Infrared

높은 주파수 대역

• Infrared waves with frequencies from 300 GHz to 400 THz for short-range communication in a closed area using line-of-sight propagation
  • 투과력이 약하기 때문에 short range
• Having high frequencies, it cannot penetrate walls
• IrDA (Infrared Data Association) for standards
• Example: IrDA port for wireless keyboard
  • Originally defined a data rate of 75 kbps for a distance up to 8 m
  • Recent standard for a data rate of 4 Mbps

 

정리 & 추가적인 논의

Transmission Medium 는 가장 낮은 layer인 physical layer 사이에 bit stream을 전달하고자 할 때, 중간에 존재하게 되는 유선 혹은 무선 형태의 전송 매체를 말하는 것이다.

• 이 세상의 모든 전송매체는 완벽하지 않다.(physical layer간의 전송 과정에서 error가 발생할 여지가 다분, 우리가 보낸 bit stream이 완벽한 복원 힘듦)
• data link layer에서 error control

 

전송 매체는 유선과 무선으로 많이 나뉨

• Twisted-pair cable(전화선)
  • 학교의 LAN도 이걸 씀
• coaxial cable(cable tv)
• fiber-optic(광섬유)
  • 가장 양질의 고속의 데이터 전송이 가능

대부분의 경우 fiber optic은 집 앞까지만 오고 그 안에서 부터는 twisted pair cable로 받는다.

 

• Radio wave
• Microwave(1G~300G)
• Infrared

bandwidth가 넓어지면 기지국을 촘촘히 박아주어야 하기 때문에 좋지 못함.