[데이터 통신] Physical layer 관련 개념 정리

 

 

Physical layer에 대한 설명은 이전 글에 정리해 두었다.

2024.04.01 - [CS, 전공수업/네트워크] - [데이터 통신] 계층 구조, OSI 7 Layers

[데이터 통신] 계층 구조, OSI 7 Layers

 

* Physical layer 관련 개념 정리

Data and Signals

- Analog data: 연속적인 값으로 이루어져 있는 음성이나 영상 등의 정보, 연속적으로 변하는 신호

- Digital data: 0과 1로 이루어져 있는 문자 등의 정보, 연속적이지 않은 신호

 

Periodic(주기 신호) and Aperiodic(비주기 신호) Signals

주기 신호는 주파수(frequency), 위상(phase), 진폭(amplitude) 이 3가지의 속성을 가지고,

비주기 신호의 대표적인 속성은 대역폭(bandwidth)이다.

 

주파수와 주기의 관계는 f = 1/T이다.

즉, 주파수가 높으면 변화가 많고, 주파수가 낮으면 변화가 느리다는 것이다.

 

Fourier Analysis

주어진 시간 영역의 신호를 주파수 영역의 성분들로 변환(분해)하는 기법이다.

 

Composite Signal

여러 신호가 합쳐진 복합적인 신호이다.

Fourier 해석에 의해 임의의 signal은 각각의 주파수를 가지는 다수의 신호로 분리된다.

 

Modulation(변조)

고정 주파수인 carrier signal에 정보 신호를 부여하여 전송하는 과정이다.

고정 주파수는 변조될 정보가 실려있지 않기 때문에 정보전달 과정에서 사용한다.

 

Signal Encoding

디지털 정보를 전송 가능한 아날로그 신호로 변환하는 과정이다.

송신 장치는 transmission media를 통해 사용자의 정보를 전달하기 위해, 정보를 신호로 변환한다.

 

Digital-to-digital Encoding

송신 장치에서 digital 신호를 만들어 전송하는 것이다.

 

Digital-to-digital 인코딩 방식 3가지

- unipolar encoding: 하나의 level(positive 또는 negative 극성)만 사용

- polar encoding: 2개 또는 3개의 level(positive, negative, zero)만 사용

- Bipolar encoding: 2개 또는 3개의 level(positive, negative, zero)만 사용

 

Analog-to-Digital Encoding

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정이다.

음성을 digital로 전송하는 경우나 음악을 compact disc에 저장하는 경우에 사용된다.

 

Sampling → Quantization(양자화) → Binary encoding(2진수 인코딩) 단계로 이루어진다.

 

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 방식에는 PAM과 PCM이 있다.

 

- Pulse Amplitude Modulation(PAM)

예를 들어 사람이 말을 하면 마이크를 통해 analog의 음성 신호를 얻을 수 있고, 이 analog 신호를 sampling 하면 PAM 신호가 된다.

중요한 것은 Sampling 하는 간격이다.

 

- Pulse Code Modulation(PCM)

1초에 8000개를 sampling 하고 sampling 된 pulse의 amplitude를 미리 정해진 level의 값으로 수정하는 Quantization(양자화)을 한다.

 

Multiplexing(다중화)

하나의 자원(통신 매체, CPU)을 다수의 user가 사용할 수 있도록 해주는 것이다.

일대일 통신을 하는 경우 n*n개의 케이블이 필요한데, 효율적인 사용을 위해서 매체를 공유하는 것이 필요하다.

또한 무선 통신에서 동일한 주파수 대역을 이용하는 경우 동시에 통신할 수 없기 때문에 반드시 다중화가 필요하다.

 

계층구조에서 multiplexing은 (i)th 계층에서 여러 protocol을 구현한 entity들이 (i-1)th 계층에 있는 하나의 entity에 서비스를 요청하는 경우에 적용된다. 

 

다중화 방식에는 FDM과 TDM 있다.

 

- FDM(Frequency Division Multiplexing, 주피수 분할 방식)

주파수를 분할하는 다중화 방식 중 하나이다.

 

각 정보의 source가 서로 다른 주파수 대역을 사용하여 동시에 전송한다.

서로 다른 주파수 대역을 사용한다는 것은 각 정보의 source가 서로 다른 carrier 주파수를 사용하는 것이다.

수신 장치에서는 filter를 사용하여 원하는 정보를 수신할 수 있다.

 

FDM에서 변조의 대해 얘기하자면, 다중 신호를 전송하기 위해 각각의 신호를 서로 구분되도록 변조하는 과정이다.
즉, 여러 개의 신호를 다른 주파수 대역으로 이동시키는 것이다.
변조 방식은 아날로그 신호인 경우 AM, FM 등이 사용되고, 디지털 신호인 경우 PSK, QAM 등이 사용된다.

 

- TDM(Time Division Multiplexing, 시분할 방식)

시간을 분할하는 다중화 방식 중 하나이다.

 

여러 information source가 시간을 분할하여 전송 매체를 통해 정보를 전달하는 경우 또는 다수의 응용 프로그램이 OS의 scheduling을 통해 CPU를 사용하는 경우 사용된다.

 

TDM의 방식 2가지

- Synchronous TDM: 사용할 수 있는 time slot의 위치가 고정적, 동기 방식의 TDM

- Asynchronous TDM: 사용할 수 있는 time slot의 위치가 가변적, 비동기 방식의 TDM 

 

Demultiplexing(역다중화)

Multiplexing의 반대 과정이다.

송신 장치에서 다중화를 하면 수신 장치에서는 역다중화를 해야 하기 때문에 송신 장치에서는 수신 장치에서 역다중화를 할 수 있도록 어떤 정보를 제공해야 한다.

 

계층 구조에서는 PDU를 수신한 (i-1)th 계층은 적절한 처리 후 header를 제거한 후 (i)th 계층에 전달한다.

 

Physical Interface Specifications

Pysical layer는 물리적 인터페이스 규격을 정의한다.

물리적 인터페이스 규격이란 하드웨어적으로 사용되는 장치(케이블, 포트 등)의 물리적인 특성과 세부사항을 규정한 것이다.

구체적으로는 전기적 규격, 기계적 규격, 기능적 규격 등을 정의한다.

 

RS-232C Serial Port

컴퓨터가 주변 장치 사이에서 데이터를 전송하기 위한 인터페이스 규격이다.

Data transfer pins(송신핀 TX, 수신핀 RX), Control pins for handshaking이 있다.

 

DTE-DCE Connection

DTE는 컴퓨터와 같은 데이터를 생성 및 처리하는 장치이고, DCE는 Modem과 같은 데이터를 전송하는 장치이다.

 

DTE(Data Terminal Equipment)와 DCE(Data Communication Equipment)는 직접적인 1:1로 연결된다.

Null modem cable은 장비 간의 직접적인 연결을 위해 사용되며 DTE-DCE 연결에 필요한 핸드셰이킹 제어를 구현할 수 있도록 각 핀이 cross connection 되어있다.