Induction medium & Non-guiding media in Data communication
유도 매체와 비유도 매체, 데이터커뮤니케이션, 7주차
Goals:
각종 전자기 신호(electromagnetic signals)와 광신호(optical signals)를 전달하는 전송매체(transmission media)의 구조(structure)와 특징(characteristics)을 설명할 수 있다.
무선통신(wireless communication)에서 사용되는 전자기파(electromagnetic waves)를 분류(classification)하고 특징(characteristics)을 설명할 수 있다.
유도매체(Induction medium)
- 송신하는 신호가 매체를 따라서 갈 수 있도록 길을 만들어주는 매체를 뜻함
개요(summary): 아래의 사진처럼 물리계층에서
전송매체(transmission medium)를 제어하여 신호를 전달한다. 전송매체가 달라졌다고 하면 물리계층도 이에 맞추어 달라지는 상관관계를 가지고 있다. 다른 계층에는 영향이 없다.유선으로 연결되는 모든 것은 유도매체이다
트위스티드-페어 케이블(Twisted-pair cable): 한 쌍의 전선이 짝지어져 있으며 서로 꼬여 있는 구조적 특징을 가지고있다.
케이블을 나란히가 아닌 꼬아서 배정되있는 이유? 외부의 잡음을 발생시키는 '잡음원'으로 부터 가해지는 잡읍의 양을 최소화할 수 있기 때문이다.
전화기 발명가인 Alexander Graham Bell이 1881년에 개발
UTP(unshielded twisted-pair),STP(shielded twisted-pair),FTP(foiled twisted-pair)로 구성
동축 케이블(Coaxial cable): 두꺼운 전선을 중심으로 잡음에 대한 차폐를 고려한 케이블.
- 트위스티드-페어 케이블보다 더 두껍고 비싸고 케이블이 잘 휘어지지 않는다. 그렇기 때문에 설치가 어렵지만 더 높은 주파수 영역의 방송신호를 운반할 수 있다.
RF신호 전송용 혹은 케이블TV, 초기 이더넷 등
사용되는 연결구: BNC
광섬유 케이블(Optical Fiber): 빛의 특성을 이용한 전송매체이다.
- 빛은 진공상태에서 300,000km/s의 속도로 전달(굉장히 빠르다)
- 밀도가 높은 매체를 통과시엔 속도가 감소된다.
중요하나의 균일한 물질 내에서는 직선을 이루며 이동하며, 밀도가 다른 물질로 들어갈 때에는 속도가 급격히 변화하면서
방향이 전환된다 (굴절)방향이 전환된다는 뜻은 굴절인데 자세한 설명은 맨 아래 주석참조
유리나 플라스틱으로 제작된 중심부는 Core보다 더 낮은 밀도의 유리나 플라스틱 피복(cladding)으로 둘러싸여 있음 반사
광섬유 연결구는 SC, ST, MT-RJ로 구분된다.
광섬유의 전파방식(Propagation model of Optical Fiber):
- 광원과 광섬유의 물리적인 특성에 따라 분류된다.
Multimode (index: 밀도)
다중모드 관계지수(Multimode step index)
광섬유 케이블에서 빛이 전달되는 특성과 비슷하다
코어의 밀도가 일정하게 유지되고 광선이 클래딩에 도착할 때까지 직선으로 움직이다가 클래딩에서 밀도의 급격한 변화로 인해 전반사가 일어나서 광선의 진로가 급격히 바뀌는 광섬유이다. 이 방법 말고 다른 방법도 존재한다.
반사되어 도착하게 된 빛의 거리를 보면 각각 더 먼거리를 돌아서 오게 된다. 즉 이런 각각의 신호를 겹치고 겹치다보면 수신자입장에서는 원래의 신호를 복원하지 못할 수도 있게 된다.
다중모드 등급지수(Multimode graded index)
- 코어의 밀도가 일정하게 유지되지 않는다. 코어의 밀도가 중심에서 바깥으로 갈수록 차츰 낮아지도록해서 광선이 부드럽게 꺾여 신호의 왜곡을 감소(위의 방법에 비교했을시) 시킨 광섬유. 하지만 이 기술은 쉽게 구현할수가 없어 단가가 올라가는 특성이 있다.
단일모드(Single mode)
단일모드는 광섬유 케이블에 입장에서 가장 좋은 특성을 가지고 있다.
코어의 직경을 줄여서 광선을 수평에 가까운 작은 영역의 각도로 제한하는 광섬유.
이에 따라 광선들이 거의 동일한 경로로 전달되어 광신호의 왜곡이 최소화된다.
가격도 비싸다.
좋은 기술력을 비교하면 단일모드>다중모드 등급지수>다중모드 관계지수
광섬유 케이블의 장점(Pros of Optical Fiber)
광섬유 케이블의 단점(Cons of Optical Fiber): 설치, 유지 및 보수가 어렵고 전문인력이 필요하다. 단반향 전파이다(빛은 단반향으로만 사용이 될수 있기때문에 한 쌍으로 케이블을 설치해야한다). 구리보다는 제작이 어려운이유로 비싸다.
비유도매체(Non-guiding media)
개요(summary)
무선을 사용하여 임의로 패턴을 조정하기는 힘든 매체를 뜻함. 무선전파임.
유도매체처럼 별도의 케이블이 없으며 무선 통신과 같이 전자기 신호를 이용함
전자기 신호의 주파수에 따라서 특성에 차이가 발생함
아래의 사진처럼 3kHz부터 300GHz 까지 Radio wave and microwave가 있고 그 이후 부터는 빛의 영역으로써 적외선(Infrared), 가시광선(light wave)가 있다.
높은 전파를 사용하는 microwave/ 낮은 전파를 사용하는 Radio wave
물리적으로 볼때 모든 전파는 동일하고 주파수의 차이만 있다.
무선전파의 대역에 따라 이름이 다르게 구분된다.
AM라디오는 MF대역을 주로 사용하고 FM라디오는 VHF대역을 사용한다.
위성통신은 SHF
라디오파(Radio wave)
마이크로파에 비해서 낮은 주파수 대역을 사용 (3kHz ~ 1GHz)
전파가 모든 방향으로 전파되는 전방향성을 가짐(안테나를 통해 파도처럼 전달됨)
- 송신안테나와 수신안테나가 일직선에 놓일 필요가 없지만 같은 주파수를 사용하는 다른 안테나에 의해 방해 받는다.
장애물을 통과(건물의 벽 등)할수 있어서 통신이 잘 된다. 하지만 스마트폰 같은 통신장치를 이용할 때는 실외/실내의 구분이 불가능하다.
라디오나 티비같은 일대다 멀티캐스트 통신에 자주 사용된다.
마이크로파(Micro wave)
주파수 1GHz~300GHz로 대역폭이 높다.
전파가 정해진 방향으로만 전달되는 특성이 있어 송신/수신 안테나가 서로 마주보아야한다. 다른 안테나에 의한 방해가 적다. (라디오파와 반대)
장애물을 통과하기 어려워서 건물안에 있는 사람이 통신 서비스를 이용하려면 중계기와 같은 부수적인 장비가 필요하다(불편함) 하지만 이것이 장점이 될 수도 있다. 위치기반 서비스를 제작할때 유용하다.
휴대전화, 위성통신, 무선 LAN과 같은 유니캐스트 일대일 통신에 사용된다.
적외선(Infrared)
주파수 300GHz~400THz 로 넓은 대역폭을 가지고 있다. 발전 가능성이 있다
빛이기 때문에 전될되는 영역의 한계가 있다. 주로 단거리 통신에서 사용한다
장애물을 전혀 통과하지 못한다 (종이조차도) 그러기 때문에 시스템간에 서로 영향이 거의 없다
태양빛에도 적외선이 포함된다. 외부에서 사용시엔 태양빛이 잡음이 되어 외부에서 사용이 곤란하다.
눈으로 볼 수 없지만 열을 감지하거나 특정 물체의 온도를 측정하는데 사용할 수 있다.
가시광선(Light wave)
주파수는 400 THz ~ 900 THz이다.
가시광선은 인간의 눈으로 볼 수 있으며, 색상을 인식하는 데 사용된다.
주로 조명 및 시각적 통신에 사용. 적외선은 열 이미징, 원격 감지, 열 카메라, 생체 인식, 원격 제어 및 통신 등 다양한 분야에서 사용중.
광섬유 케이블은 가시광선을 이용하여 데이터를 고속으로 전송하고, 거리 통신에 사용된다.
추가설명(further reference)
전송매체(transmission medium) 발신지로부터 목적지로 정보를 전달하는 모든 매개체이다. Cable or air
UTP Cable(unshielded twisted-pair): 전선을 짝지어 꼬아 만든 케이블의 한 종류. 서로 꼬여있는 페어(pair)가 여러개 뭉쳐서 하나의 외피 안에 포함된 케이블이다. 전화부터 이더넷까지 가장 흔하게 사용된다.
STP(shielded twisted-pair)
FTP(foiled twisted-pair)
케이블 실드(cable shield) 전자기파 간섭을 피하기 위한 보호막 역할을 수행한다. 페어(pair)에 대한 실드와 케이블 전체에 대한 실드가 있다.
- 재질과 형태로 Foil(F,얇은 알루미늄 포일로 감싸진 형태),Braid(S, 구리)로 구분된다.
케이블 카테고리(cable category) Cat3, Cat4, 이런식으로 표현한다. 숫자가 높을 수록 등급이 올라가고 전송 가능한 속도도 높아진다. 대역폭이 넓어질 수록 케이블 카테고리가 올라간다. Cat 6, Cat 6a가 현재로썬 많이 쓰인다.
RJ45 케이블과 장비를 연결하기 위하여 규격화(standardized)된 연결구(modular connector)의 한 종
연결구(modular connector, RJ= Registered jack) 케이블과 케이블, 케이블과 장비를 연결하기 위해 규격화된 연결구로써 암수가 서로 연결되는 형태로 구성된다. 위에 언급된 RJ45는 현재 가장 많이 사용된다.
빛의 특성 - 방향이 전환되는 특성을 가지고 있다(굴절)
More dense: 밀도가 높다 / Less dense: 밀도가 낮다
밀도가 낮을때는 직진하지 못하고 꺾여 들어간다. '굴절(reflect)'이라고한다.
가운데 수직인 부분과 비교해서 빛이 들어가는 경계각을 '입사각(angle of incidence)'이라고 한다.
입사각을 점점 늘리다보면 '굴절'이 꺾이는데 어느 일정 순간부터는 완전히 꺾인다. (2번째) 이것을 '임계각(critical angle)'이라고한다.
임계각이 커지면 빛이 외부로 나가지 못하고 전부다 반사가 되는데 (3번째) 이것을 '반사(reflect)'라고 한다.
