Lecture 2.1 ~ 2.5: Physical Layer

2-1 Overview of the Physical Layer

 

Scope of the Physical Layer

- Concerns how signals are used to transfer message bits over a link

          - Wires etc. carry analog signals

          - We want to send digital bits

 

 

Topics

1. Properties of media

      - Wires, fiber optics, wireless

2. Simple signal propagation (전파)

      - Bandwidth (대역폭), attenuation (감쇠), noise

3. Modulation (변조) schemes

      - Representing bits, noise

4. Fundamental limits

      - Nyquist (나이퀴스트), Shannon

 

 

Simple Link Model

 

 

Message Latency

 

 

Metrix Units

 

 

Latency Examples

- "Dialup"에서는 M/R 부분이 높은 지연 시간을 가진다

- Broadband에서는 D 부분이 높은 지연 시간을 가진다

 

 

Bandwidth-Delay Product

- Bandwidth-Delay Product : 양 End Point간 데이터의 최대 처리량

- 즉, 데이터를 보냈는데 상대편에서는 아직 안받은 상태인, 선로에서 이동 중인 데이터의 최대양을 말한다

- TCP와 같이 신뢰성 있는 프로토콜에서 중요한데, 데이터를 보냈는데 ACK를 받지 않아 메모리에 있을 수 있는 데이터 최대 양과 비교될 수 있기 때문이다

 

 

Bandwidth-Delay Example

 

 

Bandwith & Latency 관련 포스팅

Bandwidth(인터넷 속도) vs. latency(지연속도)

 

 

 

 

 

2-2 Media

 

Types of Media

- Media propagate signals that carry bits of information

- We'll look at some common types

        - Wires

        - Fiber (fiber optic cables)

        - Wireless

 

 

Wires - Twisted Pair

- common ethernet cable

- 각각의 pair는 2개의 wire로 구성되어 있으며, twist 되어있어 간섭을 최소화한다

 

 

Wires - Coaxial Cable

- video 전송에 사용되기도 함

- twisted pair 보다 성능이 좋다. 더 빠르고 멀리 전송 가능하다

 

 

Fiber

광섬유는 대역폭도 크고 훨씬 멀리 전송 가능하다

광섬유의 두가지 종류

 

 

Wireless

 

 

 

 

2-3 Signals

 

Topic

- Analog signals encode digital bits.

   We want to know what happens as signals propagate over media

 

 

Frequency Representation

외울 필요 없음

 

 

Effect of less Bandwidth

- Fewer frequencies (= less bandwidth) degrades signal

- B가 데이터 전송에는 제일 좋다. 데이터의 손실만 없으면 적은 Bandwidth를 사용하는 것이 더 낫기 때문이다

 

 

Signals over a Wire

delay는 생략

 

 

Signals over Fiber

대역이 좁아보이지만 Hz로 단위를 바꾸면 GHz 급이다

Fiber의 장점

1. Lower attenuation : fiber를 사용하면 아주 먼 거리까지 신호를 보낼 수 있다

2. Different frequency bands : fiber를 사용하면 다양한 진동수 대역을 사용 가능하다

 

 

 

Signals over Wireless

- 진폭을 조정함으로써 신호를 전달한다

 

- 무선 신호는 거리가 멀어짐에 따라 급격히 감쇄한다 (거리의 제곱에 반비례)

 

- 무선 신호는 진동수가 비슷하면 서로 간섭할 수 있다

 

- 무선 신호에서 거리가 충분히 먼 transmitter 간에는 동일한 진동수를 사용해도 문제가 없다

 

 

 

 

Wireless Multipath

- 단지 몇 cm만 이동해도 신호 간에 간섭에서 보강이 일어날 수도 있고 상쇄가 일어날 수도 있다

- 무선 신호는 이처럼 많은 영향을 받는다

 

 

 

 

 

2-4 Modulation

 

Topic

- modulation (변조)

 

 

A Simple Modulation

 

 

Many Other Schemes

 

Clock Recovery

- Manchester coding : LAN에서 많이 사용

- Scrambling : 정전압을 발생시키는 시퀀스를 교체하여 장거리 전송에 널리 사용

 

 

Clock Recovery - 4B / 5B

- 4비트를 5비트로 바꿔서 전송하는 방식은 0이 최대 3개만 있으므로 반복되는 0이 적다

- 1은 많은데?? => NRZI 방식으로 해결 가능

 

- 1일 때는 신호가 역전되고, 0일 때는 그대로이다

 

 

Passband Modulation

- 지금까지 알아본 것은 wire를 통한 baseband modulation 방식이며, 이는 낮은 진동수만 전달 가능하다

- 더 높은 진동수의 신호를 전송하려면 passband modulation 방식을 활용해야 한다

 

1. Amplitude shift keying : 신호가 0일 때는 진폭이 없다가 1이면 진폭이 존재한다

2. Frequency shift keying : 신호가 1일 때 진동수가 급격히 커진다

3. Phase shift keying : 신호가 0일때는 upside, 1일때는 downside

 

 

 

 

2-5 Fundamental Limits

 

Topic

 

 

Key Channel Properties

 

 

Nyquist Limit

- 나이퀴스트 이론 : 신호는 그 신호에 포함된 가장 높은 진동수의 2배에 해당하는 빈도로 일정한 간격으로 샘플링하면 원래의 신호로 복원할 수 있다

 

 

 

Shannon Capacity

- 샤논의 채널용량 공식 : 잡음이 없다면 임의 대역폭에서도 채널 용량을 거의 무한으로 할 수 있으나, 잡음이 있다면 대역폭을 아무리 증가시켜도 채널용량을 크게할 수 없다

- 해당 공식은 채널용량에 도달하는 방법을 제공하는 것이 아닌 잡음이 존재하는 곳에서 신뢰할만한 통신의 이론적 한계치를 제시한다

- S / N : 전송 대역폭 신호 / 잡음

 

 

 

Wired / Wireless Perspective

 

Putting it all together - DSL

- DSL : 지역 전화망을 통해 디지털 데이터 전송을 제공하는 기술

- DSL은 높은 주파수를 사용하며, 일반 전화는 낮은 주파수를 사용한다