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physical layer

OSI layer

1.2.3.4는 공통적으로 있다.

1/2는 보통쌍이며 시스템 별로 다름

3는 사실상 ip

4는 사실상 tcp/udp



L1 : 물리 계층

1대1상황에서 직접적인 물리 신호를 주고 받아서 전달

  • 물리 신호를 생성
  • 1 hop대상으로 상대방에게 직접 정보 전달.

유선 무선에 따라 나눠지게 된다.(물리적 매체에 따라서 차이가 많다.)

  • 이더넷 : twisted-pair copper wire(꼬인 쌍선 구리선), coaxial Cable(광섬유)
  • wifi, LTE : wirless signal



L2 레이어의 프레임이 sdu가 내려온다.

따라서 얘의 pdu는 물리 신호(전파) 이다.

  • 입력 SDU : 보내고자 하는 정보
  • 출력 : PDU형태는 아니고, 물리적인 아날로그 신호이다.

시그널 프로세싱 부분과 의사결정 판단을 내리는 프리시져(프로토콜)부분이 존재한다.

모듈레이션 디모듈레이션 합쳐서 modem.

encoding decoding 합쳐서 codec



Modulation / demodulation

  • 변조 : 송신할 정보를 carrier signal 에 담는 처리
  • 복조 : 수신된 변조 신호로부터 원래 송신 정보를 복원

information → Modulation(carrier signal) → information-bearing signal(정보를 담고 있는 신호)

반복적인 파동의 시작부터 끝까지를 주기라고 부름.

1/주기 = 주파수.

주기가 적으면(빨리 진동한다.) 주파수가 높다.

진폭이 크다 → 신호가 쌔다.

퓨리에 변환을 통해 어느 주파수에 어떤 값이 있는지 알 수 있다.

퓨리에 변환을 통해 주파수 영역을 만들어서 스펙트럼을 만든다.

스펙트럼의 생김새는

Center freq(중심 주파수) , Bandwidth(대역폭)로 요약될 수 있음.

어느 주파수 영역에서든 대역폭을

퓨리에 변환으로 신호를 주파수 영역으로 넘길 수 있다.

스팩트럼은 주파수 영역에서 신호의 생김새를

center freq 에서 일정한 간격으로 표현할수있는데 그 너비를 bandwidth



Encoding, Decoding

  • 보내고자 하는 원래 bit열을 목적에 맞게 가공하거나 복원 처리 하는 과정
    • 입출력 모두 bit sequence가 된다.
  • 예시
    • Error correction : bit 수가 n배가 된다.
    • Capacity의 개선
      • Scramblig(에러가 한번에 몰려 오기 때문에 비트를 섞는다.)
      • Repetition(비트를 반복 시킨다. 0을 000으로 보내면 에러에 강해진다.)
      • Puncturing(데이터 사이즈를 맞추기 위해 일부를 뽑아내는것)



Error Correction

  • 과거 보통 패킷 단위가 2비트 정도였는데
    • 음성 서비스 중심의 Global System for Mobile Communications(GSM)의 경우 200비트정도.
  • LTE같은 경우에는 수천~수만 비트까지 전송한다.
  • Encoder에서는 error correction을 위해
    • 추가적인 비트를 집어 넣어서 에러를 다시 돌릴 수 있도록 한다.

예를 들어 0을 repetition 코드를 이용해서 000으로 보내면 010으로 받으면 원래 데이트는 0이구나 하고 받은쪽에서 정정 할 수있다.

  • Packet error는 packet내 비트가 많아 질 수록 빈번하다.
    • 받은 쪽에서 에러를 직접 정정 할 수 있어야한다.
  • Packet size가 커진 최근 통신 시스템은 동일 SNR 환경에서 더 packet error가 빈번함.
  • Error를 감지하는 Detectin 방법(L2)뿐만 아니라 error correction기능까지 필요로함.



Forward Error Correction(FEC)

“오류를 직접 정정 할 수있는 대표적인 방식”

  • 보통 추가적인 비트를 통해서 패킷 에러가 검출되면 패킷 재전송이 이루어짐.
    • 하지만 재전송은 실시간 서비스에서는 시간적 여유가 없다.
    • 리피티션 코드 같은 에러 correction할 수있도록 추가적인 비트를 추가하여 보낸다.
  • Channel coding scheme
    • channel encoding
      • 데이터 비트를 재가공 해서 고칠 수있는 형태(codeword)로 만듦.
    • channel decoding
      • encoding된 비트를 디코딩 하여 원래 bit를 복원한다.(이과정에서 에러 정정이 일어난다.)

  • Coding theory(부호 이론)
    • 디지털 비트에 대한 수학적 접근하는 이론이다.
    • 데이터 압축, 암호화, 오류감지 및 수정, 데이터 전송 등에 사용되는 디지털 정보의 적합성에 대한 이론
    • 통신에서는 이 이론을 오류 비트 정정을 하기 위한 이론으로 사용한다.
  • Forward Error Correction(FEC)
    • coding theory 기반으로 PDU의 일부 오류를 정정한다.
    • Redundnat(불필요한)데이터 추가.
    • 에러 복구를 할 수있는 기능을 주는것이 FEC다.


FEC는 계산량이 많아지지만, 재전송의 경우보다 낫다.

  • Real-time-traffic에 유리하다.
    • 시간이 지나면 수신 PDU가 의미가 없는 서비스
      • 재전송 할 여유가 없으므로 받는 즉시 정정하는 것이 바람직함
  • 오늘날 모든 무선 통신 시스템에서 활용
    • 성능이 좋아짐에 따라 계산 능력의 향상
    • 무선 자원에 대한 효율적 사용



FEC (Forward Error Correction)

  • 원래 K의 비트를 서로 약속된 (encoder, decoder)에서 FEC encoder를 통해 N개의 codeword로 바꿈.
  • Code rate
    • K/n(원래 비트에서 codeword로 나눔)
    • code word가 더 크기 떄문에 보통 1보다 작음.

fec decoder를 통해 원래 데이터가 되는데

  1. 감지가 안되는 에러
  2. 감지는 되지만 정정은 할 수 없는 에러



FEC 종류

  • Block code
    • bit를 block(2차원 배열)로 배치하여 codeword 생성 방식.
  • Convolution code & Turbo code
    • ~~비트를 윈도우로 슬라이드 하면서 패리티 비트 생성 방식.~~
    • 앞뒤 bit 를 누적 더하기 하여 codeword 생성.
    • 컨벌루션 코드가 복잡해진 형태가 터보 코드
  • LDPC
    • 블락코드인데 이 블락 코드 안에 1이라는 정보를 적게 만들어 놓은 방식
    • 이론상 한계치에 가장 근접한 좋은 기술
    • 패킷사이즈가 클 때 유리하며, wifi,5g에 활용
  • Polar code
    • 5G에서 활용



FEC의 효과

SNR(신호 대비 잡음 비)

  • SNR이 낮을 때 에러율이 높음.

targer BER(bit error rate)를 만족하는 SNR을 낮출 수 있는 효과

  • 10^-4를 만족하는 경우, FEC전 10db, FEC 후 8db라고 하면 더 낮은 신호(SNR)로 BER를 만족 할 수있다.

SNR이 낮을 수록 BER 높아지고, SNR이 높을 수록 BER이 낮아진다.

NOISE가 똑같다고 가정하면 신호가 멀리 떨어질 수록 SNR이 낮아진다. (노이즈는 그대로 신호는 줄어드니깐)

FEC를 걸면 약한 신호, 약한 SNR의 경우도 BER를 만족 할 수 있게된다.



Network 관점에서의 L1

  • Network engineer란 보통 end - to end 통신을 위한 네트워크 전체 구성이 주된 역할
    • L1 network에서는 작은 부분에 불과
  • Network 엔지니어는 보통 L1을 블랙박스로 간주
    • 내부 원리 및 동작 매커니즘과 같은 L1의 깊은 내용은 모르는 것이 일반적
    • 네트워크 공학에서 다루긴하나 유무선 통신 기술 내용이 매우 깊음
  • 다만 네트워크 설계 과정에서 L1은 중요한 요인에 해당
    • 설계 대상이 되는 네트워크 환경에 맞게 L1기술을 선택할정도의 지식은 있어야함.

access network에 해당하기 때문에



Physical Layer의 특성 (아날로그 vs 디지털)

  • 아날로그 디지털 통신은 변조 직전 데이터가 무엇이냐에 대한 기준
  • 아날로그 신호를 그대로 변조하면 아날로그 통신(라디오, 예전 전화기.)
  • 디지털 비트를 변조하면 디지털 통신.(우리가 하는 것은 다 디지털 통신)

아날로그 통신이든 디지털 통신으로 궁극적으로 변조된 신호는 아날로그 신호임.



디지털 통신

  • 오늘날은 일반적으로 디지털 통신을 사용
    • 노이즈에 강함
    • 디지털 기술의 발전
    • 압축 기술의 발달
    • 시스템 구현의 용이성
  • 강력한 보안 기술의 손쉬운 적용



Wired Wireless

L1선택의 중요. 무선이냐 무선이냐.

  • Guided media(가이드가 되어있는 중간자)
    • 3가지 (Twisted pair, coaxial cable, optical fiber)
  • 유선 연결이 플요하므로 송수신 간 물리적 제약
  • 대역폭이 작은 대신 감쇄 적고 노이즈 대비 수신 신호 크기가 큼

트위스티드 페어

동축케이블

광섬유

유선에서 대역폭이 넓어지면 주기 신호가 주파수 영역으로 보낼 수 있는 영역이 넓어 빠른 전송이 가능하다



Twisted pair

  • 가장 대중적인 통신선
    • 2가닥이 꼬여있는 구조로 케이블 안에 존재한다.
    • Unshielded Twisted Pair(UTP) or Shield Twisted Pair(STP)

선을짜르면 은선 (UTP)

선짜르면 우리가 보는 꼬여진 선 (STP)

  • 성능 특성에 따라 여러 카테고리로 나뉨.



동축 케이블

  • 트위스티드 페어보다 용량이 크고 비싸다.



광섬유(optical fiber)

  • 고성능의 고급 통신선
  • Gbps급 속도, 가볍고 작은 size
  • 상용 용도의 통신 인프라로 활용



Wireless (무선)

  • unguided media(가이드가 없다, 물, 공기 등)에 의한 변조 신호 전달
    • 활용 간응한 주파수의 확도
  • Center frequency가 높아질 수록 거리 및 장애물에 의한 감쇄가 심해진다.
    • 고주파에선 작동 잘 안한다.
  • 대역폭이 커질수록 주파수에 대한 성능 차이가 많이 일어난다.(Frequency selectivity) 주파수 선택에 의한 왜곡이 심해진다.



Duplex

  • 송수신 방향에 대한 환경

Simplex:단방향 통신만 가능

  • 한쪽은 송신, 다른쪽은 수신만
  • 방송과 같은 일방적 정보잔달 시스템

Half duplex : 양방향 통신 , 한순간에 한방향만 이루어짐

  • 워키토키
  • Time Division Duplex(TDD)
  • Wifi

Full duplex: 양방향 통신, 한 순간에 동시에 양방향 통신 가능

  • 가장 큰 문제는 하울링이다.
    • 보내는 신호와 받는 신호때문에 하울링 현상이 이뤄짐
  • LTE
    • LTE에서는 하울링 방지를 위해 보내는 주파수와 받는 주파수가 다름



성능 지표

인터넷 성능은 Throughput, delay로 측정한다.



속도

  • Data rate : 시간당 비트 전송률(bps)
    • 변조 방식에 따라 결정 → 심볼당 비트수/1심볼의 시간 길이
    • 대역폭과 밀접한 관계
      • 대역폭이 크면 데이터 레이트가 높아짐(길이 많아지고 실을 수 있는 데이터가 많아진다)
  • Throughput : 평균적인 전송률
    • 긴 시간동안 큰 파일(data)를 전송했을 때 초당 전송된 bit수의 평균
  • Spectral effciency : Hz 전송률(주파수당 전송률)
    • 데이터 레이트 / throughput 에서 대역폭을 나눈 값.
    • 공정한 비교가 가능하다.



Bit 오류율

일단 snr이 높아지면 오류율이 떨어짐

  • Bit Error Rate : 비트 오류율



channel Capacity(shannon limit)

  • 에러가 일정 수준 이하로 유지하면서 낼 수 있는 이론 상의 최대 전송률(data rate)
  • SNR(채널 환경)로 인해 결정됨.

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참고