(Chap4) Transmission Media

 

Transmission system : [ TX(transmitter)  -------->  (layer 1 device) -------> RX(receiver) ] 를 의미함.

Transmission delay vs. Propagation delay (보조설명)

• Transmission delay : 단위시간에 주어진 데이터 (bits in a frame)를 signal로 변환하는데 소요되는 시간; 링크성능(transmission rate)에 영향을 받음.
• Propagation delay : Signal(1bit)이 transmitter를 출발하여 receiver에 도달하는데 걸리는 시간; 링크 길이에 영향을 받음.

 

A signal 

• is composed of multiple frequencies 
• a signal's absolute bandwidth = width of the range of the frequencies in a frequency spectrum. 
• ex) if a signal is made of 3 frequencies such as 10GHz, 20GHz, and 30GHz --> its absolute bandwidth is 20GHz.

Analog signal vs. Digital signal 

• 디지털 신호는 아날로그 신호 보다 더 빨리 감쇠(attenuation) 하므로, 동일한 거리를 디지털 신호로 전송하면 아날로그 신호 보다 더 많은 repeater 가 필요하다.
• 아날로그 신호는 noise 구별/제거가 어렵다. 따라서 noise 제거 없이 세기만 증가시키는 amplifier 를 이용한다.
• 아날로그 신호가 디지털신호 보다 noise로 인한 왜곡(distortion), 간섭(interference)에 더 영향을 받는다.  
• 기타 등등..

Modem vs. Codec

• Analog data --> "Codec"   --> Digital signal
• Digital data  --> "Modem" --> Analog signal

Repeater vs. Amplifier

• Repeater

1. increases signal strength
2. regenerate signals after eliminating noise 
3. Thus, SNR(Signal-to-Noise Ratio) increases.
4. used for digital signals

• Amplifier

1. increasing signal strength including noise
2. Thus, SNR(Signal-to-Noise Ratio) decreases.
3. used for analog signals

Transmission media 

• means a physical link(cable or radio) between a transmitter(TX) and a receiver(RX) to delivery data represented as electromagnetic signals (bit streams).
• Direct link : TX and RX are connected only via layer 1 devices (amplifier, repeater, hub, connector)
• Point-to-point : ONLY TWO devices are connected via a direct link. 이 두 장비가 동시에 TX 하면 신호 충돌(collision) 발생함.
• Multi-point : 3 or more devices are connected via a direct (shared) link : 이 direct link가 shared medium (즉 한 개의 TX가 신호를 보내면 모든 (직접 연결된) RX들이 받게됨)에 연결되어있기에 그 중 두 TX가 동시에 신호를 전송하면 신호 충돌이 발생함.)

A channel bandwidth (BW) 

• is a range of frequency spectrum defined in the channel.(전송매체가 전달할 수 있는 주파수 범위). However, its effective bandwidth is determined considering channel noise. 
• Bandwidth can be represented as Hz or bps, e.g., 10GHz bandwidth means 10Gbps.
• 특정 전송매체에서 사용하는 주파수 대역폭(channel BW) 을 벗어나지 않는 범위에서 해당 채널에서 전송될 신호의 대역폭(signal BW)이 결정됨; Thus, signal BW <= channel BW 
• Data rate cannot be more than (channel/signal) BW and is affected by attenuation, distortion, noise and interference. (Data rate <= signal BW <= channel BW)
• Thus, if a channel A has more bandwidth than a channel B then it is "possible" for A to carry more data than B. 
• But we should consider characteristics of the channels (transmission medium의 성질) together to correctly answer the question.

High frequency  .......          than low frequency.

• can implement more bandwidth (more data rate) : 5GHz wi-fi can support up to 1300Mbps bandwidth while 2.4GHz, up to 540 Mbps. 
• provides shorter coverage 
• is more susceptible to attenuation, (그러나 medium에 따라 이를 제거할 수 있다. 예를 들어 optical fiber는 높은 frequency를 사용하나 attenuation이 낮다.)
• is better for making shorter antenna and smaller device since wavelength is shorter

 

Define "attenuation", "delay distortion" and "noise".

• Attenuation : 신호세기의 감쇠현상

1. is proportional to "distance(media length)", "frequency" and "medium itself"
2. 동일 케이블 & 동일 주파수 : 케이블 길이가 길수록 감쇠가 큼
3. 동일 케이블 & 동일 거리 : 고주파수 통신 일수록 감쇠가 큼
4. 고주파수 통신이 가능한 고성능케이블(optical fiber)가 저주파수 통신에 사용되는 저급케이블(Twisted Pair) 보다 동일거리에서 감쇠가 작음.
5. Amplifier (for analog signals), repeater (for digital signals)로 복구.
6. Number of receivers:  the more receivers attached on the media, the more attenuation involved during transmission.

• Delay distortion : 유도매체에서 전송 중에 신호를 구성하는 주파수 별로 전송속도가 달라서 발생하는 out-ot-phase 현상;
• Noise: TX가 생성한 신호가 아닌 의도하지 않은 신호 

Guided media transmission's data rate is affected by characteristics of the media itself.
Meanwhile, Performance of wireless media is mainly determined by the Bandwidth (BW) of signal.

(Transmission capacity or Data rate)  and Communication distance depend on ...  (전송 속도와 거리는 아래의 영향을 받음)

• "bandwidth" : higher frequency --> more BW --> higher data rat
• Shannon's law : we need to increase BW and SNR both in order to finally increase data rate.

1. SNR : Signal-to-Noise Ratio
2. 실제 RX에서 받는 신호를 에러없이 판독하려면 TX가 보내는 신호 강도의 절대 값만 높여서는 안된다. medium에서 전송 손상(attenuation, distortion, noise)을 이겨내는 기술이 추가되어 결과적으로 RX에서 받는 신호의 세기가 잡음신호보다 커야한다.
3. TX와 RX 사이에 최종적인 data rate을 높이려면 BW만 높여서는 안되며 SNR도 함께 증가시켜야함.

 

3 wired media : Twisted Pair (TP), Coaxial cable (coax), Optical fiber

1. Frequency: TP < coax < Optical fiber (higher)
2. BW (data rate): TP (100Mbps) < coax (수백Mbps~수Gbps) < Optical fiber (수십Gbps~ Tbps) (more) (100m 기준)
3. Error rate (reliability) : TP > coax > Optical (lower)
4. Attenuation: TP > coax > Optical (lower)  --> Space between repeaters : TP < coax < Optical (longer)  i.e., Number of required repeaters or amplifiers in a given distance : TP > coax > Optical (Less)
5. Transmission distance: TP (수백m) < coax (수 km) < Optical (수십/수백km) (longer)
6. Number of receivers : TP < coax < Optical (more users under the same condition)
7. Cost: TP < coax < Optical fiber (higher)

Types of TP (Twisted Pair)

• UTP
• FTP
• F/UTP
• S/FTP

 

Signal power relations in TP at RX

• Pt : Signal strength at TX
• Pr : Signal strength received at RX, related to distance between TX and RX (the longer distance, the lower Pr, the higher frequency, the lower Pr)
• Pc : Crosstalk strength induced at RX from near TX
• Insertion loss (AdB) = F(Pt/Pr) ; 감쇠량 (작을수록 좋음)

1. amount of attenuation; Pt 에서 이 감쇠량을 뺀 것이 Pr
2. lower is better
3. proportional to frequency and distance between TX and RX

• NEXT loss (NEXTdB) = F(Pt/Pc) : crosstalk을 제거한 량 (클수록 좋음)

1. capability of rejecting crosstalk(Pc)
2. higher is better
3. reciprocal to frequency, and not related to distance between TX and RX

• ACR (Attenuation-to-Crosstalk Ratio)

1. how much larger the received signal strength (Pr) is compared to crosstalk (Pc). 
2. Ideally NEXTdB > AdB, i.e., Pr > Pc,  otherwise, the crosstalk cancellation is required.

• Better communication means lower insertion loss(AdB) and higher Next loss(NextdB).
• 정리하면, Pr > Pc 가 되도록 링크를 설계하는 것이 목표인데, 이를 다시 설명하면 

• 수신단(RX)에서 수신한 신호(Pr)을 복원하기 위해서는, 바로 옆 송신단(TX)에서 방해하는 crosstalk (Pc) 을 제거하는 능력(or 제거된 량)이 케이블의 attenuation(감쇠) 량보다 커야한다는 의미임. 이것은 고주파를 사용할 수록 어려워지므로 고주파 (고대역폭, 고속) 전송을 위해 crosstalk cancellation 이 필요할 수 있음.

Applications of wired medium

1. TP: Telephone line, Ethernet, Subscriber loop(LAN) 
2. coax: CATV, Ethernet, Subscriber loop(LAN), long-distance telephone service(WAN), Submarine cable(해저케이블)(WAN)
3. optical Fiber: Ethernet, Subscriber loop(LAN), long-distance telephone service(WAN), Submarine cable(해저케이블)(WAN)

Types of Antenna

• Omnidirectional antenna 

1. radiates "uniformly in all direction in one plane (한 평면에서만 균등)"  
2. Types) Dipole antenna
3. Application) radio broadcasting antennas, and antennas for cell phones, FM radios, walkie-talkies, wireless computer networks, cordless phones, GPS, etc

• Directional antenna

1. radiate greater power in specific directions. 
2. Types) Parabolic antenna, Helical antenna, Horn antenna
3. Application) Sector cells in cellular networks, Satellite TV, Connecting two LANs, etc.

고주파 무선통신의 종류 

1. (30MHz ~ 1GHz) : Broadcast Radio (FM, UHF/VHF TV); 전파방식: Radio LoS(Line-of-Sight)
2. (1GHz ~ 30GHz) : Microwave communication (위성통신, Wi-Fi, 전자랜지, Cell phone); 전파방식: Radio LoS
3. (30GHz ~ ) :  적/자외선, 가시광선통신; 전파방식: Optical LoS

 

Microwave communication -- Terrestrial Microwave (지상 마이크로파 통신)

1. Parabolic 안테나를 조준하여 고정시킴.
2. LoS 방식으로 통신하므로 고지대에 위치.
3. 안테나 크기는 2m ~ 20m로 다양함.
4. 고주파수 통신일수록 안테나 크기가 더 작아짐. 
5. Optical or Coax 케이블을 설치하기 어려운 환경에서 장거리 통신에 사용됨.

 

Microwave communication -- Satellite Microwave (위성 마이크로파 통신)

1. Relay 기능 : up --> (repeater or amplifier ) --> down
2. 위성에서 RX와 TX를 간섭없이 동시에 실행하기 위해서 uplink에서 사용하는 주파수와 downlink에서 사용하는 주파수가 다름.
3. 위성보다 지상에서 파워공급이 더 용이하므로 uplink에서 사용하는 frequency band가 downlink에서 사용하는 frequency band 보다 높음.
4. 응용 (가입자)들이 downlink 속도에 더 민감하므로 위성 통신 사업자들은 downlink 속도를 더 높게 설계하고 있음.

Microwave communication -- Satellite Microwave (위성 마이크로파 통신)

1. Relay 기능 : up --> (repeater or amplifier ) --> down
2. 위성에서 RX와 TX를 간섭없이 동시에 실행하기 위해서 uplink에서 사용하는 주파수와 downlink에서 사용하는 주파수가 다름.
3. 위성보다 지상에서 파워공급이 더 용이하므로 uplink에서 사용하는 frequency band가 downlink에서 사용하는 frequency band 보다 높음.
4. 응용 (가입자)들이 downlink 속도에 더 민감하므로 위성 통신 사업자들은 downlink 속도를 더 높게 설계하고 있음.

Three wireless propagation operations

1. (~ 2 MHz) : Ground wave propagation - long distance, ex) AM radio
2. (2~30MHz) : Sky wave propagation - multi-hop between curvature of the Earth and ionosphere, ex) Military comm., Amature radio
3. (30MHz ~ ) : Radio LoS (Line-of-Sight) ex) Broadcast ratio(FM, UHF TV), Microwave comm.(이동통신, Wi-Fi,위성통신),,.. Optical LoS : 가시광선/적외선/자외선 (광무선통신)
4. % Radio LoS can support longer distance than Optical LoS.