📲 정보통신공학 - Ch4. 전송 매체 - 1. 유도 전송매체

출처 : William Stallings, "Data and Computer Communications (10th Edition)," Pearson, 2014

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[Ch4] 전송 매체

배울 것

트위스티드페어, 동축케이블, 광섬유의 물리적 특성
광섬유 전송에서 파장과 주파수와의 관계
접시형 안테나의 동작 원리
광학적 및 전파 시야선의 차이점
시야 전송에 영향을 미치는 요인

데이터 전송 시스템의 전송 매체

수신기와 송신기 간의 물리적인 통로 역할

 

유도매체 :

전자기파가 구리 트위스티드 페어, 구리 동축 케이블 및 광섬유 등의 고체 매체를 통해서 전파

비유도매체:

대기, 외부 우주 공간 또는 물을 이용한 무선 전송

 

데이터전송의 특성과 품질

- 매체 고유의 성질과 신호의 특성에 의해 결정

유도매체 : 전송 매체 자체가 전송의 한계를 결정짓는 중요한 요인
비유도 매체 : 전송 특성을 결정하는 데 있어서 전송 안테나에 의해 생성되는 신호의 대역폭은 매체보다 더욱 중요한 역할

안테나에 의해 전송되는 신호의 주요 특성 중 하나는 지향성

낮은 주파수의 신호 - 다방향성으로 안테나로부터 모든 방향으로 전파

높은 주파수의 신호 - 한 방향의 빔으로 집중시키는 것이 가능

 

데이터 전송 시스템의 설계에서 주요 고려 사항

- 데이터 전송률

- 전송거리

(클수록 좋음)

=> 전송매체와 신호에 관련된 다양한 설계 요소가 데이터전송률과 거리를 결정

 

< 다양한 설계 요소 >
- 대역폭 :

다른 모든 요소가 일정하다면, 신호의 대역폭이 클수록 더 높은 데이터 전송률을 얻을 수 있음

- 전송손상:

감쇄와 같은 손상은 전송거리를 제한

유도매체에서 트위스티드페어 손상률 > 동축 케이블 손상률 > 광섬유 손상률
- 간섭 :

중첩된 주파수 대역에 있는 신호로 인하여 발생되는 간섭은 신호를 왜곡시키거나 제거

간섭은 특히 비유도매체에서 관심을 끌지만 유도매체에서도 문제가 됨

유도매체의 간섭은 인접한 케이블의 발산에 의해 발생 할 수 있음

- 수신기의 수 :

유도 매체는 점대점 링크 혹은 다중 접속 장치를 가진 공유 링크를 구성하는 데 사용될 수 있음.

후자의 경우 각 접속장치는 회선의 감쇄와 왜곡을 유발하여 전송거리나 데이터 전송률을 제한

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4.1  📲 유도 전송매체

전송용량 (유도 전송매체에서 데이터 전송률 또는 대역폭)

"거리 + 매체가 점대점인지 혹은 멀티포인트인지의 여부"에 결정적으로 좌우

 

데이터전송에 일반적으로 사용되는 세 가지 유도매체

- 트위스티드페어(꼬임선)

- 동축케이블

- 광섬유

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📟 트위스티드 페어 (꼬임선)

- 가장 저가

- 가장 널리 쓰임 

 

🛜물리적 사양

규칙적인 나선 모양으로 감겨 있는 두 가닥의 절연된 구리 선으로 구성

=> 이 하나의 쌍이 하나의 통신 링크로서 동작

일반적으로 여러 개의 쌍이 다발로 묶여 하나의 케이블을 형성

케이블은 보호 외피로 덮힘

(장거리의 경우에는 케이블이 수백 개의 쌍을 가짐)

 

각각의 쌍들은 서로 꼬여있기 때문에 케이블내 에서 인접한 다른 쌍들과의 누화간섭 현상을 최소로 줄임

다발 내의 인접한 쌍들은 누화 간섭을 억제하기 위해 트위스티드 길이를 다르게 함.

 

장거리링크에서 트위스티드 길이 : 5〜 15cm

쌍 내의 전선의 굵기 : 0.4 〜 0.9 mm 가량

 

 

🛜응용

아날로그 신호와 디지털 신호에서 가장 흔히 사용되는 전송매체

- 전화 시스템에서 가장 흔하게 사용 / 건물 내의 통신수단으로도 사용 

아날로그 신호 : < 전화시스템 >

가입자루프( (subscriber loop) 

각 전화기는 트위스티드 페어를 통해 로컬 전화교환기(단말국(end-office))에 연결되어 있다는 것

 

사무실건물안에서

각 전화는 트위스티드 페어를 통해 사설 전화 교환기 또는 단말국의 센트렉스(Centrex) 설비와 연결

이들 트위스티드 페어 설비는 아날로그 신호 방식에 의한 음성 트래픽을 지원하기 위해 설계, 그러나 이들 설비는 모뎀을 사용하여 적절한 데이터 전송률로 디지털 데이터 트래픽을 취급할 수 있음.

 

디지털 신호
트위스티드 페어는 디지털 신호 방식에서도 가장 흔하게 사용되는 매체

빌딩 내의 디지털 데이터 스위치나 디지털 PBX까지의 연결을 위해 일반적으로 64kbps의 데이터 전송률이 사용

트위스티드페어는 빌딩 내에서 PC를 지원하는 LAN에서도 사용 => 전송률은 통상 100Mbps 근방

 

- 최근에는 1Gbps 데이터 전송률을 갖는 트위스티드 네트워크가 개발되고 있다. ( 장치의 수와 지리적 범위에 상당한 제한)

장거리 응용에서 트위스티드 페어는 4Mbps이상의 데이터 전송률도 가능

 

트위스티드페어는 일반적으로 사용되는 다른 유도 전송 매체(동축케이블. 광섬유)보다 저렴 / 작업하기 더 편리

 

 

🛜전송특성 

 

아날로그 신호 : 5〜6 Km 마다 증폭기(리피터) 필요

디지털 신호 : 2〜3km 마다 증폭기(리피터) 필요

 

다른 전송매체 (동축케이블, 광섬유)와 비교할 때 거리. 대역폭. 데이터 전송률에 있어서의 제약점

 

트위스티드 페어의 감쇄는 주파수에 따라 크게 좌우됨

 

트위스티드 페어의 다른 손상요인들도매우 심각

전자기장과 쉽게 결합됨 : 간섭이나 잡음에 매우 취약

 충격잡음의 침투 : 쉽게 이루어짐

 

<해결법>

+ 금속 그물로 전선을 차폐시키면 간섭이 줄어듦

+ 전선을 꼬는 것 자체는 저주파에서의 간섭 현상을 감소

+  인접한 트위스티드 페어는 각각의 트위스티드 길이를 다르게 함으로써 누화현상을 감소시킨다.

 

< 점대점 아날로그 신호 방식 >

약 1Mhz까지의 대역폭이 가능한데 이 경우 많은 음성채널을 수용 가능

장거리 디지털 점대점 신호방식의 경우 : 최대 수Mbps까지의 전송률이 가능

 

상용 제품에서는 아주 짧은 거리에서 1Gbps데이터 전송률까지 가능

트위스티 드 페어를 사용하여 100미터 이상을 커버하는 10Gps 까지의 이더넷이 가능

 

 

🛜 비차폐 및 차폐 트위스티드 페어

 

트위스티드 페어

- 비차폐 트위스티드 페어 (UTP)

- 차폐 트위스티드 페어 (STP)

 

<비차폐 트위스티드 페어 (UTP)>

하나 이상의 트위스티드 페어가 열플라스틱 자켓으로 둘려 쌓여 있는데 전자파 차단을 하지 못함

고속 LAN의 경우 UTP는 자켓 안에 4쌍의 꼬임 선을 가지고 있는데 각 쌍은 반지름당 꼬임의 수를 서로 다르게 하여 인접 쌍 간의 간섭을 제거

꼬임이 많을수록 전송 속도가 높아지지만 미터 당 가격이 높아짐

인접한 트위스티드 페어나 주위 환경의 잡음을 비롯한 외부 전자기 간섭에 취약

 

 

<차폐 트위스티드 페어 (STP)>

간섭이 많은 환경 (전기 모터, 무선 장치, RF 송신기 등)에서 비차폐 트위스티드 페어보다 우수한 성능을 제공

 

차폐 트위스티드의 세 가지 유형

1. 포일 트위스티드 페어(FTP) : 각 쌍의 와이어가 개별적으로 금속 포일로 차폐
2. 스크린트 위스티드 페어(S/UTP) : 자켓 내에서 모든 와이어를 통째로 포일 또는 테이프로 둘러싼 형태
3. 완전 차폐 트위스티드 페어 또는 차폐/포일 트위스티드 페어(F/UTP) : 각 페어를 차폐시키고 동시에 모든 와이어를 다시 차폐시킨 형태

- 간섭을 감소시키고 고속 전송율에서 보다 우수한 성능을 제공

- 가격이 비싸고 UTP 기술에 익숙한 작업자가 꺼리는 경우

 

🛜 데이터 전송용 트위스티드 페어의 범주

 

1991년  전자산업 협회

빌딩내 데이터응용을 위한 F/UTP

음성급 UTP의 사용을 규정한 상업용 빌딩 통신 케이블링 표준인 ANSI/EIA/TIA-568 표준을 제시

 

2009년 ANSI 표준으로 채택

ANSI/TIA-568-C.0 구내 전기 통신 케이블링 총론:

모든 형태의 빌딩 구내에서 구조적인 케이블링 시스템의 기획과 구축을 가능하게 함

ANSI/TIA-568-C.1 상용 빌딩 전기 통신 케이블링 표준:

상용 빌딩 구내에서 구조적인 케이블링 시스템의 기획과 구축을 가능하게 함

ANSI/TIA-568-C.2 균형적 트위스티드 페어 전기 통신 케이블링 및 구성 요소 표준 :

균형적 트위스티드 페어 전기통신 케이블링에 필요한 최소한의 요구사항 (채널 및 영구 링크등)과 구성요소의 최소 요구 사항(케이블. 커넥터. 연결하드웨어. 패치 코드. 장비 코드, 작업지역코드. 점퍼등)들을 규정하는 데 캠퍼스 환경에서 빌딩 간의 전기통신 아웃렛 / 커넥터를 포함한다. 이 표준은 모든 전송 파라미터에 대한 현장 시험 절차와 실험실의 측정 절차도 규정

 

ANSI/TIA-568-C.3 광섬유 케이블링 구성 요소 표준 : 

구내 광섬유 케이블링에 필요한 케이블과 구성 요소의 전송 성능 요구사항을 규정

 

568-C 표준은 구내 및 캠퍼스의 데이터 통신에 사용되는 케이블링과 구성 요소의 범주를 규정

 

현재 버전에 포함된 다양한 범주와 등급의 주요 특성
범주 5e / 등급 D :

2000년 양방향 및 4쌍 전송을 사용하는 1Gbps 이더넷과 같은 응용에서 요구하는 전송 성능 특성을 규정하기 위하여 발표

범주 5e / 등급 E :

최근 신축 빌딩에서 사용된 구조적 케이블링은 대부분 이를 따름

우수한 성능 여유분(성능 헤드룸)을 제공함으로써 열악한 케이블링 환경을 극복하여 100Mbps 이더넷을 1Gbps 이더넷으로 업그레이드 할 수 있도록 함

범주 6A / 등급 Ea :

이 사양은 10Gbps 이더넷 응용을 목표로 함

범주 7 / 등급 F :

전체가 차폐 트위스티드 페어 (전체 차폐 및 각 쌍의 개별적인 차폐) 에 대하여 다룸

전체 차폐 및 각 쌍에 대한 개별 포일 차폐 덕분에 내부 페어 간 누화뿐만 아니라 외부와의 누화를 급격하게 감소시킨다는 점

10Gbps 이더넷 이상의 차세대 응용을 지원하기 위함임
범주 7A / 등급 Fa :

주파수 대역폭을 1GHz까지 확장 => 862GHz 까지 동작하는 광역 비디오 등의 모든 채널을 지원할 수 있음

 

<주요 성능 파라미터>

 

삽입 손실

송신 및 수신 시스템간의 링크에 서 발생하는 감쇄

낮은 dB 값을 가질수록 우수

 

근단 인근 누화(NEXT: Near-end crosstalk) 손실

트위스티드 페어 배선 시스템에서 도체의 한 쌍에서 오는 신호가 다른 쌍과 결합되는 것을 의미

이들 도체는 커넥터의 금속판이 될 수도 있고, 혹은 케이블에서 도선의 쌍이 될 수도 있음

(종단 인근 누화 : 링크로 들어가는 전송 신호가 같은 종단의 수신 도체 페어로 되돌아와서 결합하는 것)

dB 손실이 높을수록 좋은 것 => NEXT 손실 크기가 클수록 누화 잡음은 작아짐

 

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📟 동축 케이블

🛜 물리적 사양

트위스티드 페어와 마찬가지로 2개의 도체로 구성

보다 폭넓은 주파수 범위를 허용할 수 있도록 트위스티드 페어와는 다른 구조

내부의 단일 전선과 그를 감싸고 있는 원통형의 외부도체

 

내부 도체 : 일정한 간격으로 존재하는 절연체 링(insulating ring)나 혹은 고체 유전체

외부 도체 : 어떤 표피나 보호막으로 둘러 싸여 있음

 

동축케이블 한 가닥의 지름 : 1〜2.5cm 가량

 

동축케이블은 트위스티드페어보다 더 장거리에서 사용 가능

공유회 선상에 더 많은 스테이션을 지원할 수 있음

 

🛜 응용 

동축케이블은 아주 다양한 응용에서 사용되는 가장 융통성 있는 전송 매체

- 텔레비전 분배(television distribution)
- 장거리 전화 전송(long-distance telephone transmission)
- 단거리 컴퓨터 시스템 링크(short-run computer system link)

- LAN (local area networks)

유선 TV : 동축케이블은 TV 신호를 각 가정에 분배해주는 도구
CATV :  많은 가정과 사무실에 모급되었다.

케이블 TV 시스템 :  수십 킬로미터 까지 수십 또는 수백 개의 IV 채널을 전송할 수 있음

동축케이블은 전통적으로 장거리 전화망의 중요한 부분을 차지 (오늘날 광섬유, 마이크로파, 위성과의 경쟁)

주파수 분할 다중화(FDM)를 사용할 경우 하나의 동축케이블로 10.000개 이상의 음성채널을 동시에 수송할 수 있음

동축케이블은 장치 간의 단거리 접속에도 흔히 사용

디지털 신호인 경우, 컴퓨터 시스템의 고속 I/O 채널로 사용

 

 

🛜 전송특성
- 아날로그신호 디지털신호의 전송 모두에 사용

- 트위스티드 페어보다 우월한 주파수 특성을 가지므로 보다 높은 주파수와 데이터 전송률에서 효율적으로 사용

- 차폐된 동심원 구 조를 가지므로. 트위스티드 페어에 비해 간섭과 누화에 훨씬 덜 취약

- 성능의 기본적 제약점 요소 :  감쇄. 열잡음. 상호변조잡음

 

 

아날로그 신호의 장거리전송에서는 수 킬로미터마다 증폭기가 필요

+ 높은 주파수를 사용할수록 그 간격은 좁아야 함

+ 아날로그 신호 방법을 사용할 경우 스펙트럼은 500MHz까지 확장이 가능

 

디지털 신호 방식에서는 대략 매 1km마다 리피터가 필요

+ 데이터 전송를이 높을수록 그 간격은 좁아야 함

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📟 광섬유

🛜 물리적 사양
가늘고 유연한 전송 매체

광선을 투과시킬 수 있는 능력

 

<재료>

제작에는 여러 가지의 유리와 플라스틱이 사용

- 초순수 용해규소 섬유를 이용 :  최소의 손실도를 가지는 광섬유의 제작이 가능/ 만들기 어렵

- 다중 성분 유리섬유 : 보다 경제적이며, 현재까지 양호한 성능

- 플라스틱 섬유 : 가격이 훨씬 낮음 / 다소 높은 손실도가 허용되는 단거리 전송에 사용

 

<구성>

원통형

코어(심), 클래딩(cladding). 자켓 (jacket)을 비롯한 3개의 동심부분으로 구성

코어(심) : 가장 내부 부분으로 유리나 플라스틱으로 만들어진 하나 이상의 매우 가는 실 또는 섬유

코어의 지름 : 8〜62.5μm 정도

 

각 광섬유는 코어와 다른 광특성을 가진 유리나 플라스틱 코팅으로 만들어지고 직경이 125μm인 클래딩으로 둘러싸여 있음

코어와 클래딩 사이의 접합부 : 반사면 역할을 함으로써 코어 안에 빛을 가두어 두는 기능을 함

클래딩 광섬유 다발을 둘러싸는 가장 외부층 : 버퍼 코팅(buffer coating) => 습기와 물리적 손상으로부터 보호하기 위한 플라스틱 코팅

 

광섬유 케이블 :  

시공시 손상으로부터 보호하고 시공 후에도 주위 위험으로부터 보호하기 위한 것

한 가닥 또는 수백 가닥의 광섬유를 둘러쌈

광섬유 여러 가닥을 둘러싸는 케이블의 가장 외부층 => 자켓 (jacket) : 습기, 마모, 파손, 기타 주위 위험으로부터 보호하기 위하여 플라스틱 또는 다른 물질로 구성

 

🛜 응용
장거리 전기 통신에서 많이 사용

군사적 응용도 증가

 

고유의 장점+ 지속적인 성능 개선과 가격 하락 : LAN에서 보다 매력적인 매체

- 대용량:

잠재적 대역폭과 데이터 전송률은 막강

수십 킬로미터의 거리에서 수백 Gbps의 데이터 전송률을 보인 바 있음

(동축케이블은 1 km 정도의 거리에서 수백 Mbps가 실제 최대용량 / 트위스티드 페어는 1km 에서 단지 수 Mbps, 혹은 수십 미터에서 100 Mbps〜10 Mbps)8까지 전송 용량)
- 작은 크기 및 경량:

광섬유는 동축 케이블이나 트위스티드 페어 케이블의 다발보다 아주 가늘음

작은 크기는 빌딩과 공공도로 지하에 있는 도관에 집어 넣기에 상당히 유리
- 낮은 감쇄 :

동축 케이블이나 트위스티드 페어에 비해 현저히 낮은 감쇄를 가짐

또한 넓은 범위에 대해 일정 값을 유지
- 전자기적 격리 :

외부의전자기장에영향을받지않는다.따라서간섭,충격잡음,누화등 에 둔감하다. 게다가 에너지의 발산이 없으므로 다른 장비에 간섭현상을 거의 유발시키 지 않으며, 도청으로부터 고도의 안전성을 보장받을 수 있다. 광섬유는 본질적으로 탭 (1하))이 힘들다.
- 넓은 리피터 간격 :

적은 수의 리피터는 비용절감과 오류 원인의 감소를 뜻

수십 킬로미터 단위로 설치하는 것이 일반적, 수백 킬로 미터 간격으로 설치하는 경우도 있음

(동축케이블이나 트위스티드 페어 시스템에서는 통상 수 킬로미터마다 리피터가 필요)

 

<광섬유 웅용>

- 장거리 트렁크 
- 광역 (Metropolitan)트렁크
- 농촌 지역의 교환 트렁크

- 가입자루프
- LAN

 

광섬유의 도입

전화망에서 구리선 또는 무선 링크를 대체하여 사용 시작

구리선 대비 수천 배의 대역폭 제공

중앙집중국과 장거리 교환기들을 연결하는 데 활용

평균 약 1500 km 거리 전송 가능

통상 20,000~60,000 음성채널 대용량 제공

 

경제성 및 활용

마이크로파와 비교하여 경제적인 이점을 가짐

선진국에서 동축케이블보다 광섬유를 선호

해저 광섬유 선로 사용 증가

 

광역 트렁크 회로

평균 12 km 길이

트렁크 그룹 내 최대 100,000 음성채널 수용 가능

주로 지하 도관에 설치

 

농촌 교환 트렁크

40~160 km 길이

읍면 연결에 사용

대부분 5000개 이하의 음성채널을 가짐

 

가입자 루프 선로

중앙교환기부터 가입자까지 직접 연결

이미지와 비디오까지 다루는 통합 서비스 네트워크로 진화

트위스티드 페어와 동축케이블을 대체하기 시작함

수백 또는 수천 개의 스테이션을 지원하는 네트워크 제품 소개

 

🛜 전송특성

양쪽 끝에 송신기와 수신기가 부착된 광섬유 링크의 일반적인 구조

대부분의 시스템은 전이중 전송을 위하여 한 가닥으로는 전송을 하고 다른 한 가닥 으로는 반대방향의 수신을 수행

 

송신기는 전자적 인터페이스를 통하여 디지털 전기 신호를 LED나 레이저 광원으로 변환

이 광원은 전기 신호로부터 디지털 데이터를 인코딩한 여러 개의 광파 펄스를 출력

수신기는 광센서를 통하여 들어오는 광신호를 디지털 전기 신호로 변환

광섬유는 전반사에 의하여 인코딩된 신호를 광선으로 전달

( 전반사는 자기 주변보다 높은 굴절률을 가지고 있는 투명한 전송매체에서 발생)

 

< 광섬유의 전송 원리>

빛은 발신지로부터 원통형의 유리 또는 플라스틱 코어로 들어옴

 

단계지수 다중 모드(step-index multimode) 

낮은 각도의 빛은 반사되고 섬유를 통해 전파되나, 다른 빛은 주위 물질로 빠져나는 형식의 전파 (반사각이 다양함을 뜻하는 용어)

- 전파는 다중의 경로를 가질 수 있기 때문에, 전송경로에 따라 경로 길이와 통과 시간이 다름

=> 이로 인하여 신호 요소(빛 펄스) 는 시간상에서 분산되므로 데이터 전송률이 제한됨

=> 펄스 사이의 간격을 유지하기 위해서는 전송률을 제한해야 함

(아주 짧은 거리의 통신에 가장 적합)

섬유 코어의 반경이 줄어들면. 반사각의 수도 줄어듬

코어의 반경을 파장의 단위로 줄인다면, 회선에는 단 하나의 각도, 즉 한 모드만이 통과할 수 있음

 

단일 모드(single-mode)

우수한 성능을 제공

전송경로가 단 하나이므로 다중모드에서와 같이 왜곡이 발생하지 않기 때문

단일모드는 보통 전화나 케이블TV를 포함한 장거리 응용에 사용

 

등급지수 다중 모드(graded-index multimode)

코어의 굴절율을 다르게 한 것

앞 두 가지의 중간적 특성

광섬유의 중심에 있는 빛은 높은 굴절률 때문에 클래딩에 가까운 빛들보다 더 느린 속도로 전파

코어 내의 광선들은 클래딩에 사선방향으로 반사되는 것이 아니라 굴절율의 등급으로 인하여 나선 형태의 곡선으로 전파되기 때문에 전송
경로가 더 짧아짐.

짧은거리와 빠른 속도 때문에 중심축에 가까운 광선은 외각 부분의 광선들과 거의 같은 시점에 수신기에 도달할 수 있음. 

LAN에서 자주 사용됨

 

<광섬유시스템에서 사용되는 두가지 형태의 광원>

- 발광다이오드 ( Light Emitting Diode : LED)

- 분사 레이저 다이오드(Injection Laser Diode  : ILD)

전압이 인가될 때 빛줄기를 분사하는 반도체 소자

 

LED

값이 싸고 넓은 온도 범위에서 동작
오랜 수명

 

ILD

레이저 원리에 따라 동작하며 더욱 효율적

보다 높은 데이터 전송률을 얻을 수 있음

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휴,,,,,,,

nojam