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3.1 데이터와 신호
Alice와 Bob은 데이터를 교환하지만 물리층 통신은 신호의 교환을 의미한다.
데이터는 전송되고 수신되지만 매체는 데이터를 신호로 바꾸어야 한다.
데이터를 표현하는 신호를 analog 또는 digital 형태일 수 있다.
Analog와 Digital
Analog data: 연속인 정보말한다.
Digital data: 이산 값을 갖는 정보를 말한다.
Analog signal와 Digital signal
analog signal: 전체 시간 동안 부드럽게 변화하는 연속적인 파형이다.
- 예를 들어, A값에서 B값으로 이동한다면, 그 파형은 무한개의 값으로 이르어진 경로를 따라 이동한다.
digital signal: 이산적이며 1, 0과 같이 제한된 수의 정의된 값만을 가질 수 있다.
periodic and nonperiodic
- periodic(주기)와 nonperiodic(비주기)는 아날로그, 디지털 신호 모두 이 두 가지 형태 중 하나가 될 수 있다.
- periodic signal(주기 신호): 측정 가능한 시간 내에 특정 패턴을 갖추고 나서 그 이휴 동일한 주깅 동일한 패턴이 반복된다.
- 하나의 완성된 패턴을 cycle이라고 한다.
- 비주기 신호는 반복되는 패턴 없이 항상 변한다.
데이터 통신에는 흔히 주기 아날로그 신호를 사용하거나 비주기 디지털 신호를 사용한다.
3.2 주기 아날로그 신호
analog signal는 단순 신호와 복합 신호로 나눤다.
sine wave(정형파)와 같은 단순 아날로그 신호는 더 이상 단순한 신호로 나뉠 수 없지만,
composite(복합) 아날로그 신호는 여러 개의 정형파로 나눨 수 있다.
sine wave
sine wave는 최대 진폭, 주팟수, 위상이라는 3가지 특성으로 나타나게 된다.
최대 진폭
전송하는 신호의 에너지에 비례하는 가장 큰 세기의 절댓값을 나타낸것이다.
위상과 주파수는 같지만 진폭이 서로 다른 2개의 신호 Amplitude(증폭)
period와 frequency
period(주기) 신호가 한 사이클을 완성하는 데 필요한 시간의 양을 나타낸다
frequenct(주파수) 1초 동안 생성되는 신호 주기의 수를 말한다.
주기는 주파수의 역이고 주파수는 주기의 역이다
f = 1/T and T = 1/f
(f는 주파수, T는 주기)
주기는 초로 나타낸다. 주파수는 매 초당 사 사이클 수인 헤르츠(Hertz, Hz)로 나타낸다.
주기와 주파수 단위 
위상과 진폭이 동일하지만 주파수가 다른 두 신호 주파수는 시간에 대한 짧은 기간 내의 변화는 높은 주파수를 의미한다. 긴 기간에 걸친 변화는 낮은 주파수를 의미한다.
양 극단
신호 변화가 X 일정한 전압준위가 전 시간에 걸쳐 유지된다면 -> 주파수는 0이다.
이유: 신호가 변하지 않으면 한 사이클도 완성될 수 없다. 그러면 주파수는 결국 0Hz가 될 것이다.
신호가 순간적으로 변한면 -> 주파수는 무한대이다.
이것은 다른 말로 주기는 0이다. 주파수는 주기의 역이기 때문에 주파수는 1/0, 무한대이다.
위상
시각 0시에 대해 파형의 상대적인 위를 나타낸다.
위상은 각도나 라디안(360는 2파이rad)으로 측정한다. 360도는 파형이 시간축을 따라 완전히 한 주기만큼 이동한 것.
90도는 1/4주기의 이동에 해당한다.
진폭과 주파수는 같지만 위상이 서로 다른 3개의 정현파 wavelenght
wavelenght(파장): 전송매체를 통과하는 신호의 또 다른 특징이다.
다순 정현파의 주기 또는 주파수를 전송 매체를 통한 전파 속도(propagation speed)와 연관시킨다.
파장은 주파수와 전송매체에 좌우된다.
파장은 전파 속도와 신호의 주기가 주어지면 계산할 수 있다.
파장 = 전파속도 X 주기 = 전파속도/주파수
(c는 전파속도)
Λ = C/f
(c는 전파 속도)
파장과 주기 
정현파의 시간 영역과 주파수 영역 도면 시간 영역과 주파수 영역
시간-영역(time-domain)
정현파는 진폭, 주파수, 위상에 의해 포괄적으로 정의된다. 이 도면을 사용하여 정현파를 나타내었다.
시간을 고려한 신호진폭의 변화를 보여준다.
위상은 시간 영역 도면에서 명화하게 측정되지 않는다.
주파수-영역(frequency-domain)
진폭과 주파수 간의 관계를 보여줄 수 있다.
한 주기 안에서의 진폭의 변화는 보여주지 못한다.
복합신호
단일 주파수의 sine wave는 데이터 통신에는 유용하지 않다.
여러 개의 단순 sine wave들로 만들어진 복합 신호가 필요하다.
Bandwidth(대역폭)
복합 신호에 포함된 주파수 영역
대역폭 = 푀고 주파수와 최저 주차수의 차이이다.
디지털 신호 3.3
일반적으로 신호가 L개의 준위를 가지면 각 준위는 log2 L개의 비트를 보낸다. (L은 Level)
log2 L개의 비트 수 비트율
대부분의 디지털 신호는 비주기적이어서 주기나 주파수를 사용할 수 없다.
주파수 대신 비트율을 사용한다.
-> 비트율: 시간당 비트 간격의 개수이다, 1초 동안 전송된 비트의 수를 의미한다. bps(bits per second)라고 한다.
비트 길이(Bit length)
-> 한 비트가 전송 매체를 통해 차지하는 길이다
Bit length = propagation speed x bit duration
복합 아날로그 신호로서의 디지털 신호
주기적인 디지털 신호의 주기와 주파수 
비주기적인 디지털 신호의 주기와 주파수 시간의 영역
수직선 -> 무한대의 주파수를 가진다.
수평선 -> 주파수 0이다.
주파수 0에서 무한대의 주파수 가는 것
-> 영역 내에 그 사이의 모든 주파수를 포함한다는 것을 의미한다.
디지털 신호의 전송
무한대의 대역폭을 갖는 복합 아날로그 신호이다.
baseband transmission(기저대역 전송)
기저대역 전송 기저대역 전송: 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸지 않고 있는 그대로 채널을 통해 전송하는 것
low-pass channel(저대역-통과 채널): 주차수 0부터 시작하는 대역폭을 갖는 것
-> 오직 하나의 채널만을 위해 전용으로 사용되는 매체이다.
하나는 좁은 대역, 다른 하나는 넓은 대역을 가진 것이다.
넓은 대역폭을 갖는 low-pass channel- 통과 채널
디지털 신호의 모양을 유지하는 기저대역 디지털 통신은 무한대 또는 매우 넓은 대역폭을 갖는 저대역-통과 매체를 사용할 때만 가능하다.
-> bandwidth channel을 통과하면, 나오는 신호가 약간뭉개져서 나온다. -> 이유는 통과하는 채널이 무한대의 대역폭을 가지지 않기 때문이다.
제한적인 대역폭을 갖는 저대역-통과 채널
대략적인 근사값
요구 대역폭
bandwidth = N/2 이다.
(N/2는 최대 대역폭이다.)
더 나은 근사값
- 아날로그 신호 -> 디지털 신호 == 대역폭을 증가시킬 필요하다
- 3N/2, 5N/2, 7N/2 식으로 증가 시킬 수 있다.
- 기저대역 전송에서는 요구 대역폭은 비트율에 비례한다.
- 더 빠르게 비트를 전송하기 위해서는 더 많은 대역폭이 필요하다.
- 요구 대역폭은 비트율에 비례한다.
처음 3개의 조파를 사용한 디지털 신호의 모의화 
대역폭 요구 광대역 전송(변조 이용)
전송하기 전에 디지털신호를 아날로그 신호로 바꾸어야 한다.
변조 하면 띠대역 통과 채널(bandpass channel)을 사용하여 전송할 수 있다.
- 주파수가 0부터 시작하지 않는다.
Bandwidth of a band-pass channel 
띠대역 통과 채널에서 전송하기 위한 디지털 신호의 변조 3.4 전송장애
감쇠(attenuation), 일그러짐(distortion), 잡음(noise)
감쇠(attenuation)
에너지 손실을 의미한다.(loss of power)
-> 손실을 줄이기 위해 신호를 증폭시키는 증폭기가 사용된다
데시벨(dB, decibel)
- 신호의 손실된 세기나 획득한 세기를 보여주기 위한 단위이다.
- 2개의 다름 점에서 두 신호 또는 하나의 상대적 세기를 측정한다.
- 신호가 감소하면 음소, 증폭되면 양수이다.
p은 신호의 전력 일그러짐(Distortion)
매체의 불순도, 통신 환경에 영향을 느낀다.
잡음(noise)
신호대-대-잡음 비(SNR)
singnal-to-noise ratio
SNR = average signal power/average noise power
SNR(dB) = 10log(10)SNR
3.5 데이터 전송률의 한계
무잡음 채널 : 나이퀴스트 비트율
이론적으로 최대 전송률을 정의한다.
L은 데이터를 나타내는 데 사용한 신호 준위의 개수이며 전송률은 매 초당 비트 수이다.
대역폭은 채널의 대역폭이다.
하지만 신호 준위를 늘리면 시스템의 신뢰도를 떨어뜨릴 수 있다.
잡음이 있는 채널: 섀년 용량
잡음이 있는 채널에서의 최대 전송률을 정의한 것이다.
두 가지 한계를 사용하기
실제에 있어서는 어떤 준위의 어떤 대역폭이 필요한지 알기 위해 두 가지 방법을 모두 사용한다.
섀년 용량은 상한 값을 알려주고, 나이퀴스트 공식은 몇 개의 신호 준위가 필요한지를 알려준다.
3.6 성능
대역폭(Bandwidth)
네트워크 성능을 축정하는 특성 중에 대역폭이 있다.
처리율(Throughput)
어떤 지점을 데이터가 얼마나 빠르게 지나가는가를 측정하는 것이다.
지연(latency or delay)
지연 = 전파 시간 + 전송 사건 + 큐 시간 + 처리 시간
전파 시간
비트가 발신지로부터 목적지까지 이동하는데 소요되는 시간
전파 시간 = 거리 / 전파 속도
전송 시간
데이터 양에 관여하고 있다.
전송 시간 = 메시지 크기 / 대역폭
큐 시간
도중 또는 종단 장치들이 메시지를 처리하기전까지 메시지를 가지고 있는 시간이다.
큐잉 지연: 송수신 버퍼 크기에 관련되어 있다.
처리 지연: CPU 성능에 관련
대역폭-지연 곱
대역폭-지연 곱은 링크를 채울 수 있는 비트의 개수를 의미한다.
2가지가 있다.
1번째
비동기식 전송(asynchronous)
2번째
동기식 전송(synchronous)
파형 난조(jitter)
jitter-delay: 멀티미디어 신호
-> 음성과 영상 중에서 무엇이 느릴까?
정답은 음성이 늦어진다. == 이유는 영상이 주된 데이터라서 영상을 먼저 보낸다.