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Intro

이 글은 네트워크 계층 중 1계층인 물리계층에 대해서 다룹니다.

물리계층이란?

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네트워크의 계층에서 가장 밑의 계층이 물리 계층이다.
이러한 물리 계층은 하드웨어적인 성격을 지닌다.

감쇠, 왜곡, 잡음

데이터를 보내면 필연적으로 발생하는 현상이 감쇠(attenuation, 거리가 멀어질수록 저항으로 인해 에너지가 감소함)인데,
감쇄는 미디어의 종류에 따라서 차이가 드러난다.(백금이냐 금이냐 구리이냐에 따라 다름, 통신선으로는 구리를 많이 사용)

감쇄는 모든 신호에 대해서 동일한 비율로 발생하지 않는다. 고음일수록 감쇄가 더욱 발생하고 저음일수록 감쇄가 비교적 덜 발생한다.
왜곡(distortion)은 높은 주파수, 낮은 주파수가 변형된 형태로 들리는 것이고
잡읍(noise)은 원하는 시그널하고 다른 사람의 시그널이 겹치는 것.

인코딩, 변조, 복조

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인코딩(encoding)이란 데이터 통신을 할 때 그냥 데이터를 보내지 않고 변형해서 보내는 것을 의미한다.
신호를 보낼 때 1의 경우는 +10볼트, 0의 경우는 0볼트로 보내는 프로토콜을 정함. 이런 식으로 보내게 되면 장거리 송수신시 제대로 전송이 되지 않게 됨. 데이터를 보낼 때 굉장히 다양한 형태로 보내게 된다.(전달이 잘 되게 하기 위해서) 멘체스트와 차등멘체스트 방식은 NRZ방식에 비해 데이터 전송시 오류가 발생할 가능성이 낮음.

변조(modulation)는 데이터를 잘 보내기 위해서 바꿔서 보내는 것을 의미하며
복조(demodulation)는 변조된 데이터를 다시 복구하는 것을 말한다.
통신을 할 때는 반드시 변조 후에 전송됨.
변조의 방식에는 진폭변조와 위상변조, 주파수 변조가 있는데 진폭변조는 AM이고 주파수 변조는 FM이다. 위상변조는 페이즈 모듈레이션이라고 하며 시작점을 다르게 해서 1과 0을 구분한다. 이러한 방식을 통해 노이즈와 디스토션을 개선한다.
위상변조는 많이 사용되는데 페이즈를 바꾸는 만큼 다양한 시그널을 만들 수 있기 때문이다.

신호의 개념

모든 신호는 사인파로 표기 가능하다. 모든 주기함수는 삼각함수의 가중치의 합으로 나타낼 수 있다는 푸리에 급수를 통해서 이것이 가능하게 되었다.
타임 도메인을 프리퀀시 도메인으로 변형하면 특정 신호에 포함되어 있는 주파수 성분을 알 수 있다.
내가 신호를 보낼 때 주파수 신호를 분석해보면 다양한 주파수를 함께 보내는 것과 같다.

로우패스필터와 모듈레이션

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로우패스필터(Low Pass Filter): 저주파는 통과시키고 고주파는 통과시키지 않는 성질.
저주파는 상대적으로 잘 도달하지만 고주파는 그렇지 못하다. 결국 내가 보내는 신호에서 왜곡이 발생하고 되고 그래프가 찌그러진 모양으로 변형된다.
결국 왜곡을 최소화하기 위해서는 신호를 저주파로만 구성해서 보내면 된다. 이것이 바로 모듈레이션이라고 할 수 있다.

거리에 따른 신호의 감쇠

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신호는 거리가 멀어질수록 감쇠가 발생해서 약해지게 된다. 광신호의 경우 분산(dispotion)이 발생해서 신호가 약해지게 된다.
같은 시간 동안 데이터를 많이 보내기 위해선(많이 보내면 반송파 파형이 깨짐) 반송파 주파수를 더 높이면 된다. 그래서 3G보다 LTE가 주파수가 더 높다.
반송파 주파수를 높이지 않고 같은 시간 동안 데이터 전송량을 늘리는 방법은 한 번에 보낼 수 있는 비트의 단계를 높이는 것이다.(M-ary) 페이즈 모듈레이션의 경우 90도씩 차이 날 경우 두 배 더 많이 보낼 수 있고 60도, 30도 씩 각도의 차이가 좁아질수록 더 많은 데이터를 보낼 수 있게 된다.

가이디드 미디어(Guided Media)

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가이디드 미디어는 전기신호와 빛을 보내는 방식 두 가지로 나뉜다. 전기신호를 보낼 수 있는 것은 카파 와이어(Twisted Pair)로 나뉠 수 있는데, 많이 꼬일수록 속도를 더욱 높일 수 있다. 동축 케이블의 경우 가운데 카파 와이어가 있고 노이즈를 막기 위한 차폐 또한 있어서 전기 신호를 장거리까지 잘 보낼 수 있다.
빛은 광섬유를 통해 장거리 전송이 가능하다.

스펙트럼에 따른 주파수 분류

전자기파에는 스펙트럼이 있어 전파의 경우 정부의 허가를 통해서만 사용될 수 있다. 연구목적의 경우 허가 없이 사용할 수 있는 주파수가 따로 존재한다. (unlicensed band)
과학적 연구 목적이나 의료 연구 목적으로 사용 가능하다.
2.4Ghz대의 주파수가 와이파이와 블루투스를 사용할 수 있는 주파수이다. 그리고 와이파이 종류에 따라서 사용하는 ISM밴드가 다르다.

참고