Transmission Media

Transmission medium 평가 기준
Capacity(Data rate) + (Transmission) Distance

Data rate와 Distance에 영향을 미치는 요인들

Bandwidth
: Bandwidth가 클수록 data rate가 높음
Transmission impairments
: attenuation, noise와 같은 손상은 distance를 제한
Interference
: frequency band가 겹치면 신호가 왜곡되거나 사라질 수 있음
Number of receivers; 수신기 수
: 수신기가 많을수록 attenuation이 더 많이 발생(간섭으로 인해)

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Point-to-Point Transmission(Guided Media)

Twisted pair(꼬임선)
: 가격 저렴 / freq range, distance 성능 별로 / attenuation, delay 큼
Optical fiber(광섬유)
: attenuation, delay 낮음 / distance, freq range, bandwidth, data rate 우수
→ 가장 좋고 비쌈 / WAN(backbone network)에 주로 사용
 
# Repeater Spacing(간격)
: amplifier, repeater 없이 신호가 얼마나 멀리 가는지 = distance
→ 이 거리까진 탐지/ 디코딩 가능하다는 뜻
# Twisted pairs(multipair cables), Coaxial cable, Optical fiber의 delay는 왜 비슷?
→ 모두 2 * 10^8 m/s로 광속의 2/3 정도이기 때문

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Twisted Pair

가장 저렴하고 가장 널리 쓰이는 guided medium
두 개의 절연된 구리선이 일정한 나선형 패턴으로 배열
한 쌍의 선이 하나의 통신 링크 역할
여러 쌍의 선이 하나의 케이블로 묶임
전화망이나 건물 내부 통신에 주로 사용

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UTP/STP

• UTP; Unshielded Twisted Pair

하나 이상의 꼬임쌍선으로 구성
electromagnetic shielding(전자기 차폐)가 없음
일반 전화선
외부 전자기 간섭에 취약

• STP; Shielded Twisted Pair

금속 차폐선이나 피복이 있어 간섭 줄음
높은 data rate에서 더 나은 성능
가격 더 비쌈

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NEXT; Near-End Crosstalk

송신된 신호가 같은 케이블(시스템) 내 다른(수신) 라인에 간섭을 주는 현상
예) 시스템 A가 신호를 송신하면, 이 신호가 시스템 B를 통해 수신기로 전달되는 과정에서, 시스템 A의 송신 신호가 시스템 A의 수신기로 다시 유도
신호 품질 저하의 원인 중 하나
NEXT loss가 클수록 crosstalk noise는 작아짐

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Coaxial Cable

twisted pair보다 더 긴 거리 전송 및 더 많은 스테이션 공유(사용자 지원) 가능
data rate가 높다면 twisted pair보다 coaxial cable 사용
중심 도체를 감싸는 원통형 외부 도체로 구성
TV, 장거리 전화, LAN 등 널리 다양하게 사용
주파수 특성(대역폭 등)은 twisted pair보다 우수
성능은 감쇠와 노이즈에 의해 제한
단 감쇠도 twisted pair보단 낮음
 
아날로그 신호
주기적으로 증폭기 필요(주파수가 높을수록 간격 짧아짐)
사용 가능한 스펙트럼은 최대 500MHz
디지털 신호
data rate가 높을수록 리피터 간격 줄음
일반적으로 1km마다 리피터 필요

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Optical Fiber; 광섬유

빛을 유도하는 얇고 유연한 매체
Photons(광자)를 이용한 전송; 전자(electrons) 신호 아님
유리 or 플라스틱 코어를 통한 내부 전반사(total internal reflection) 기반 전송
내부 전반사는 굴절률(refraction) 차이에 기반하며, 코어가 더 높은 굴절률
Core / Cladding / Jacket 구조의 원통형
장거리 통신에서 광범위하게 사용
Backbone/core network 등 WAN에서 주로 사용
 
장점
capacity(data rate) 최고
: 수백 Gbps, Tbps까지 가능
attenuation 거의 없음
전자기 간섭 없음(Electromagnetic isolation)
: 간섭, impulse noise, crosstalk에 강함
작고 가벼움(사람 머리카락 두께보다 얇음)
단점
많이 비쌈, 설치 및 유지보수 어려움 
 
#코어 지름(사이즈)는 싱글모드냐 멀티모드냐에 따라 달라짐
: 멀티모드면 훨씬 두꺼워짐

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Wireless Transmission Frequencies

• (Broadcast) Radio(30MHz ~ 1GHz)

: 전방향성(omnidirectional) 애플리케이션에 적합

• Microwave(1GHz ~ 40GHz)
• 적외선(Infrared)(300GHz ~ 200THz)

# air도 transmission medium

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안테나; Antenna

전자기 에너지(파워)를 방사(radiate) 또는 수집(collect)하는
전도체 또는 도체(conductor)들의 시스템
송신기로부터의 라디오 주파수 전기 에너지는 안테나를 통해 전자기파로 변환되어 주변으로 방사
수신(reception)은 전자기파가 안테나와 교차(intersect)할 때 발생
양방향(two-way) 통신에서는 하나의 안테나가 송수신 둘 다 수행 가능
 
안테나는 모든 방향으로 신호를 방사할 수 있지만, 동일하게 성능을 내지는 않음
대부분의 안테나는 특정 방향으로 더 잘 방사/수신
Radiation Pattern
: 안테나의 방사 특성을 공간 좌표(space coordinate)의 함수로 나타낸 그래픽 표현

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Isotropic Radiator(등방성 라디에이터)

모든 방향에 동일하게 방사(3차원)
실제로 존재하지 않으며, theoretical(이론적)/reference(참조)/ideal 안테나

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Antenna Gain

• 특정 방향에서의 power output이 등방성 안테나에서의 출력 대비 얼마나 큰가
• 안테나의 방향성(directionality) 측정값

: 더 멀리 간다는 것은 방향성이 더 강하다는 것

• 단위는 dB(데시벨)
• 안테나의 유효 면적은 물리적 크기와 형태에 따라 결정
• 특정 방향으로 복사되는 power의 증가는 다른 방향에서의 power 감소

 
주된 방사 방향(main lobe)에서의 최대 power와 등방성 라디에이터의 power 간 비율

P1:  기준 안테나(등방성)의 power density(밀도)
P2: 실제 안테나의 power density
dBd = dBi - 2.15 
dBi: 등방성 안테나 기준 gain / dBd: 다이폴 안테나 기준 이득

# 빨간색 부분이 main lobe / 파란색 부분이 side lobe

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Terrestrial Microwave

지상 간 고주파 전송 방식
보통 직선성 강한 마이크로파를 사용하는 point-to-point 통신
가장 일반적인 형태는 parabolic dish(파라볼릭 디시)
일반 직경은 3m
안테나는 고정 설치, 매우 좁은 빔을 형성해 LOS로 전송
# 빔 좁을수록 더 멀리 감
지상에서 높은 곳에 설치
여러 개의 마이크로파 중계탑(relay towers)이 장거리 전송을 가능케 함
 
장거리(long-haul) 통신 서비스에 사용(coaxial cable or 광섬유 대용)
voice 및 TV transmission 둘 다에 사용 가능
repeater는 적게 필요하지만, line-of-sight(LOS) 필요
# LOS: 관측자와 target 사이 가상의 직선 거리(경로); 눈으로 볼 수 있는 거리
1 ~ 40GHz 주파수 사용
주요 손실 요인은 attenuation(거리, 강우, 간섭에 의한)
 
# 라디오: 낮은 주파수 →  큰 안테나 / 셀룰러: dipole 안테나 사용 

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Satellite Microwave

통신 위성은 실질적으로 마이크로파 relay station(중계기) 역할을 함
둘 이상의 ground stations(지상국)을 연결하는 데 사용
위성은 한 주파수 대역(freq band)로 전송을 받으면(uplink), 이를 증폭(amplifie)하거나 중계(repeat)한 뒤, 다른 주파수로 전송함(downlink) → freq band들 = transponder 채널
즉, 위성은 송신과 수신 주파수가 다름; 서로 간섭을 피하기 위해
uplink: 지상 → 위성
downlink: 위성 → 지상
 
Satellite Microwave Applications

• Long-distance telephone transmission
• Private business network
• Television distribution
• Global positioning(GPS)

위성 전송에 적절한 frequency range는 1 ~ 10 GHz
1GHz 이하: 자연에서 오는 noise가 많음
10GHz 이상: 대기(atmosphere), 강수(precipitaion) 등에 의한 attenuation 심함
 
일반적인 주파수 사용 범위:
업링크(uplink): 5.925 ~ 6.425 GHz
다운링크(downlink): 3.7 ~ 4.2 GHz
→ 이를 4/6 GHz band 라고 부름

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Broadcast Radio

전방향성(omnidirectional) # 마이크로파는 방향성(directional)
Radio는 3 KHz ~ 300 GHz (여기서 Radio는 전체 Radio wave)
Broadcast radio는 30 MHz ~ 1 GHz
LOS에 한정(필요)
multipath interference 발생 가능(반사, 굴절, 회절 등으로 인해)

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Infrared; 적외선

noncoherent(위상 고정 X) 적외선을 변조하는 송수신기로 구현
송수신기(transceiver)는 LOS 내에 있어야 함
벽은 직접 통과(penetrate) 못 함(300 GHz ~ 400 THz)
lincensing 필요 없음

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Types of Waves

• Space Wave(30MHz ~ 3000GHz)
• Sky Wave(300kHz ~ 30 MHz)
• Ground Wave(3kHz ~ 300kHz)

 
Ground Wave Propagation
지표면을 따라 휘며 전파, 수평선 너머까지 전파 가능
약 2 MHz까지의 주파수에서 발생
예) AM 라디오
 
Sky Wave Propagation
2 ~ 30 MHz는 Ionosphere(전리층)에 반사되어 지구 반대편까지 도달
국제 방송에 사용(BBC, VoA 등)
여러 번 전리층과 지표면을 왕복 반사하며 장거리 전파 가능
 
Ground/Sky wave propagation은 30 MHz 이상에서는 동작 X
30MHz 이상에서는 반드시 LOS(Light-Of-Sight)로만 전파 가능
; 장애물이 없어야만 수신 가능
# LOS 전송은 거리 증가로 인한 free space Loss, 대기 흡수(atmospheric absorption), multipath, refraction(굴절) 등 여러 장애 요인 O
# cf) 300 GHz ~ 200 THz: infrared(IR) spectrum / 200 THz : visible and ultraviolet(UV)