매질
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1. 개요
매질은 데이터 통신에서 신호가 전파되는 전송 경로를 의미하며, 유도 매체와 무유도 매체로 분류된다. 유도 매체는 전화선, 꼬임선 케이블, 동축 케이블, 광섬유 등이 있으며, 무유도 매체는 마이크로웨이브, 라디오, 적외선 등이 있다. 전송 방식은 단방향, 반이중, 전이중으로 구분되며, 데이터는 2진수 표현으로 인코딩되어 전송된다.
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| 매질 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 신호 또는 에너지를 전송하는 데 사용되는 물질 또는 공간 |
| 예시 | 구리선 광섬유 무선 통신의 공기 |
| 상세 정보 | |
| 유선 매체 | 연선 동축 케이블 광섬유 케이블 |
| 무선 매체 | 전파 마이크로파 적외선 |
| 특징 | |
| 대역폭 | 매체가 전송할 수 있는 주파수 범위 |
| 감쇠 | 신호 강도의 감소 |
| 간섭 | 다른 신호로부터의 원치 않는 노이즈 |
| 보안 | 데이터의 안전성 |
| 선택 고려 사항 | |
| 비용 | 매체 설치 및 유지 비용 |
| 거리 | 신호가 효과적으로 전송될 수 있는 거리 |
| 데이터 전송 속도 | 데이터를 전송할 수 있는 속도 |
| 환경 | 환경적 요인 |
| 기타 | |
| 관련 개념 | 채널 전송 프로토콜 네트워크 토폴로지 |
2. 통신에서의 전송 매체
데이터 통신에서 물리적 매체는 신호가 전파되는 전송 경로이다. 여러 종류의 전송 매체가 통신 채널로 사용된다.
대부분 통신은 전자기파 형태를 띤다. 유도 전송 매체에서는 파동이 물리적 경로를 따라 유도된다. 유도 매체의 예로는 전화선, 꼬임선 케이블, 동축 케이블, 광섬유 등이 있다. 비유도 전송 매체는 물리적 수단 없이 데이터를 전송하는 방법이다. 마이크로웨이브, 라디오, 적외선 등이 그 예이다. 비유도 매체는 전자기파를 전송하지만, 이를 유도하지는 않는다. 공기, 진공, 바닷물 등을 통한 전파가 이에 해당한다.[1]
직접 연결은 송신기와 수신기 사이에 중간 장치(증폭기, 중계기 제외) 없이 신호가 직접 전파되는 전송 경로를 의미한다. 이는 유도 매체와 비유도 매체 모두에 적용된다.
전송 매질은 일반적으로 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 선형(linear): 매질의 특정 지점에서 서로 다른 파동이 중첩될 수 있는 경우
- 경계가 있는(bounded): 크기가 유한한 경우, 그렇지 않으면 경계가 없는(unbounded)
- 균일한(uniform) 또는 동종의(homogeneous): 물리적 특성이 지점에 따라 변하지 않는 경우
- 등방성의(isotropic): 물리적 특성이 방향에 따라 동일한 경우
전송 매질에는 크게 두 가지 유형이 있다.
- 유도 매질(guided media): 파동이 전송선과 같은 고체 매질을 따라 유도되는 경우
- 무유도 매질(unguided media): 전송과 수신이 안테나를 통해 이루어지는 경우
2. 1. 유도 매체 (Guided Media)
유도 매체는 파동이 물리적 경로를 따라 유도되는 매체이다. 유도 매체의 예로는 전화선, 꼬임쌍선, 동축 케이블, 광섬유 등이 있다. 유도 매체는 전자기파를 물리적 경로를 따라 유도하여 데이터를 전송한다.네트워킹에서 가장 일반적으로 사용되는 물리적 매체 중 하나는 구리선이다. 구리선은 비교적 적은 전력을 사용하여 장거리까지 신호를 전송하는 데 사용된다. 차폐되지 않은 꼬임선쌍(UTP)은 8가닥의 구리선으로 구성되며, 4쌍으로 구성되어 있다.[1]
2. 1. 1. 꼬임쌍선 (Twisted Pair)
꼬임쌍선 케이블은 단일 회로의 두 도체를 전자기적 호환성을 향상시키기 위해 서로 꼬아 만든 배선 방식이다. 단일 도체 또는 꼬이지 않은 균형 쌍선에 비해 꼬임쌍선은 쌍에서 발생하는 전자파 방사와 인접한 쌍들 간의 크로스토크를 줄이고 외부 전자기 간섭을 효과적으로 차단한다. 알렉산더 그레이엄 벨이 발명하였다.[2]2. 1. 2. 동축 케이블 (Coaxial Cable)
'''동축 케이블'''(Coaxial Cable) 또는 '''동축'''은 내부 도체를 관 모양의 절연층이 둘러싸고, 다시 관 모양의 도전성 차폐층이 둘러싼 형태의 전기 케이블이다. 많은 동축 케이블은 절연성 외부 피복을 가지고 있다.[3] '동축'이라는 용어는 내부 도체와 외부 차폐층이 기하학적 축을 공유한다는 데서 유래한다. 동축 케이블은 1880년 올리버 헤비사이드가 발명했으며, 설계 특허를 받았다.[3]
동축 케이블은 손실이 적은 고주파수 전기 신호를 전송하는 데 사용되는 전송선로의 일종이다. 전화 중계선, 광대역 인터넷 네트워킹 케이블, 고속 컴퓨터 데이터 버스, 케이블 텔레비전 신호 전송, 라디오 송신기와 수신기를 안테나에 연결하는 등의 용도로 사용된다. 다른 차폐 케이블과는 달리 케이블과 커넥터의 치수가 정밀하고 일정한 도체 간격을 유지하도록 제어되어 전송선로로서 효율적으로 작동하는 데 필요하다.
2. 1. 3. 광섬유 (Optical Fiber)
'''광섬유'''는 빛을 따라 전달하는 가는 유리 가닥으로, 장거리 통신용 전송 매체로 가장 일반적으로 사용된다.[4] 유리(실리카) 또는 플라스틱을 인발하여 사람의 머리카락보다 약간 두꺼운 지름으로 만든 유연하고 투명한 섬유이다.[5] 광섬유는 대부분 광섬유의 양쪽 끝 사이에 빛을 전송하는 수단으로 사용되며, 전기 케이블보다 더 긴 거리와 더 높은 대역폭(데이터 전송률)으로 전송을 허용하는 광섬유 통신에서 널리 사용된다. 금속 와이어 대신 섬유가 사용되는 이유는 신호가 손실이 적게 전달되기 때문이며, 또한 섬유는 금속 와이어에 문제가 되는 전자기 간섭에 영향을 받지 않는다.[6]
광섬유는 구리보다 데이터 전송률, 거리, 설치, 비용 측면에서 네 가지 주요 이점을 가지고 있다.
- 광섬유는 구리에 비해 훨씬 많은 양의 데이터를 전송할 수 있다.
- 신호 중계기 없이 수백 킬로미터까지 연결할 수 있으므로 유지보수 비용을 절감하고, 중계기는 네트워크 장애의 일반적인 원인이기 때문에 통신 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
- 유리는 구리보다 가볍기 때문에 장거리 광섬유를 설치할 때 특수한 중장비가 필요하지 않다.
- 실내용 광섬유는 피트당 약 1달러로 구리와 비슷한 가격이다.[4]
다중 모드와 단일 모드는 일반적으로 사용되는 두 가지 유형의 광섬유이다. 다중 모드 광섬유는 LED를 광원으로 사용하며 약 2km의 짧은 거리에서 신호를 전송할 수 있다. 단일 모드 광섬유는 수십 킬로미터의 거리에서 신호를 전송할 수 있다.
광섬유는 일반적으로 낮은 굴절률을 가진 투명한 클래딩 재료로 둘러싸인 코어를 포함한다. 빛은 전반사 현상에 의해 코어에 유지되며, 이로 인해 섬유가 도파관 역할을 한다.[9] 여러 전파 경로 또는 횡 모드를 지원하는 섬유를 다중 모드 섬유라고 하고, 단일 모드를 지원하는 섬유를 단일 모드 섬유(SMF)라고 한다. 다중 모드 섬유는 일반적으로 더 넓은 코어 지름을 가지며[10] 짧은 거리 통신 링크 및 높은 전력을 전송해야 하는 응용 프로그램에 사용된다. 단일 모드 섬유는 1000m보다 긴 대부분의 통신 링크에 사용된다.
광섬유 통신에서 손실이 적은 광섬유 연결이 중요하다.[11] 이것은 전기 와이어 또는 케이블을 연결하는 것보다 더 복잡하며, 섬유의 정밀한 절단, 섬유 코어의 정밀한 정렬 및 이러한 정렬된 코어의 결합이 포함된다. 영구적인 연결이 필요한 응용 프로그램의 경우 융착 접합이 일반적이다. 이 기술에서는 전기 아크를 사용하여 섬유의 끝을 함께 녹인다. 또 다른 일반적인 기술은 기계적 접합으로, 섬유의 끝이 기계적 힘에 의해 접촉 상태로 유지된다. 임시 또는 반영구적 연결은 특수한 광섬유 커넥터를 사용하여 이루어진다.[12]
광섬유의 설계 및 응용과 관련된 응용 과학 및 공학 분야는 '''광섬유'''로 알려져 있다. 이 용어는 광섬유의 아버지로 널리 인정받는 인도의 물리학자 나린더 싱 카파니가 만들었다.[13]
2. 2. 비유도 매체 (Unguided Media)
비유도 매체는 물리적인 전송 수단 없이 신호를 전달하는 방식으로, 마이크로웨이브, 라디오, 적외선 등이 이에 속한다.[1] 이들은 공기, 진공, 바닷물 등을 통해 전자기파 형태로 정보를 전송하며, 유도 매체와 달리 정해진 경로를 따르지 않는다.송신기와 수신기 사이에 별도의 장치(증폭기, 중계기 제외) 없이 신호가 직접 전달되는 '직접 연결' 방식은 유도 매체와 비유도 매체 모두에 적용 가능하다.
전송 매질은 다음과 같은 특징으로 분류할 수 있다.
| 특징 | 설명 |
|---|---|
| 선형성 | 서로 다른 파동이 중첩될 수 있는지 여부 |
| 경계 유무 | 매질의 크기가 유한한지(경계가 있는지) 또는 무한한지(경계가 없는지) 여부 |
| 균일성 | 물리적 특성이 위치에 따라 변하지 않고 일정한지 여부 |
| 등방성 | 물리적 특성이 방향에 관계없이 동일한지 여부 |
2. 2. 1. 전파 (Radio)
무선 전파 전파는 무선파가 한 지점에서 다른 지점으로, 또는 대기의 여러 부분으로 전파되는 방식을 말한다.[14] 빛과 같은 전자기파의 한 형태인 무선파는 반사, 굴절, 회절, 흡수, 편광, 산란과 같은 현상의 영향을 받는다.[15]실제 무선 전송 시스템에서는 다양한 전파 방식이 사용된다.
- 시선 전파(Line-of-sight propagation): 송신 안테나에서 수신 안테나로 직선으로 이동하는 무선파를 의미한다. 휴대전화, 무선 전화, 무전기, 무선 네트워크, FM 라디오 및 텔레비전 방송, 레이더 및 위성 통신(예: 위성 텔레비전)과 같은 중거리 무선 전송에 사용된다. 지구 표면의 시선 전파는 송신 및 수신 안테나의 높이에 따라 달라지는 시정 거리로 제한된다. 이것은 마이크로파 주파수 이상에서 가능한 유일한 전파 방법이다. 마이크로파 주파수에서는 대기 중의 수분(강우 감쇠)이 전송을 저하시킬 수 있다.
- 지표파: 중파(MF), 저주파(LF) 및 초저주파(VLF) 대역의 저주파에서는 회절 때문에 무선파가 언덕과 같은 장애물 위로 휘어져 지평선 너머로 전파될 수 있으며, 지구의 윤곽을 따라가는 지표파가 된다. AM 방송국은 청취 지역을 커버하기 위해 지표파를 사용한다. 주파수가 낮아질수록 거리에 따른 감쇠가 감소하므로 초저주파(VLF) 및 극초저주파(ELF) 지표파는 전 세계적으로 통신하는 데 사용할 수 있다. VLF 및 ELF 파는 물과 지구를 통해 상당한 거리를 관통할 수 있으며, 이러한 주파수는 광산 통신 및 잠수함과의 군사 통신에 사용된다.
- 천파: 중파(MF) 및 단파(HF) 주파수에서는 무선파가 대기 상층부에 있는 전하 입자(이온)의 층인 전리층에서 굴절될 수 있다. 즉, 하늘을 향해 각도로 송신되는 무선파는 지평선 너머, 심지어 대륙을 넘어서도 지구로 다시 반사될 수 있다. 이를 천파 전파라고 한다. 이것은 아마추어 무선 운영자가 다른 국가와 국제적으로 방송하는 단파 방송국과 통신하는 데 사용된다. 천파 통신은 상층 대기의 조건에 따라 변화하며 야간과 겨울에 가장 안정적이다. 1960년대 이후 통신 위성의 등장으로 신뢰성이 낮아짐에 따라 이전에 천파를 사용했던 많은 장거리 통신이 현재는 위성을 사용하고 있다.
또한, 특수 통신 시스템에 사용되는 대류권 산란(트로포스캐터) 및 근수직 입사 천파(NVIS)와 같은 몇 가지 덜 일반적인 무선 전파 메커니즘이 있다.
2. 2. 2. 음파 (Sound Wave)
인간이 평소 귀로 듣는 소리(음파)는 공기를 매질로 하여 전파된다. 소리가 들리는 것은 귀 속의 고막이 대기라는 매질의 진동을 감지하기 때문이다.공기 이외에도 물이나 금속이 소리의 매질이 될 수 있다. 물이나 금속은 공기보다 빠르게 소리를 전달한다(음속 문서 참조).
2. 2. 3. 전자기파 (Electromagnetic Wave) in vacuum
진공 상태에서의 전자기파나 광파의 매질은 현재는 공간 그 자체로 생각되고 있다. 옛날에는 에테르라는 가상의 매질이 상정되었지만, 아인슈타인의 특수상대성이론에 의해, 상정할 필요성이 부정되었다(「존재하지 않는다는 것이 완전히 증명된」것이 아니라 「존재하든 하지 않든 어느 쪽이든 상관없다는 것이 밝혀진」것을 의미한다).광속은 매질의 영향을 받아 진공에서 최대가 된다(299792458m/s). 참고로, 진공이라는 매질 속을 이동하는 빛의 속도는 이 우주에서 최대 속도로 여겨지고 있다.
3. 전송 방식
신호 전송은 단방향, 반이중, 전이중 방식으로 구분된다. 단방향 전송은 신호가 한 방향으로만 전송되는 방식이고, 반이중 통신은 양쪽 모두 전송 가능하지만 한 번에 한쪽만 전송할 수 있다. 전이중 통신은 양쪽이 동시에 전송 가능하다.[1]
3. 1. 단방향 통신 (Simplex)
신호 전송에서 한 방향으로만 신호가 전송되는 방식이다. 한쪽은 송신기이고 다른 쪽은 수신기이다.[1]3. 2. 반이중 통신 (Half-duplex)
반이중 통신에서는 양쪽 모두 신호를 전송할 수 있지만, 한 번에 한쪽만 전송이 가능하다.[1]3. 3. 전이중 통신 (Full-duplex)
신호 전송은 단방향, 반이중, 전이중 통신으로 구분된다. 전이중 통신은 양방향에서 동시에 신호를 전송할 수 있는 방식이다. 이 경우, 매질은 양방향으로 신호를 동시에 전달한다.4. 디지털 인코딩
디지털 데이터 전송은 다음 단계를 거친다.[16]
# 송신단에서 데이터는 이진수 표현으로 인코딩된다.
# 이진수 표현에 따라 반송파 신호가 변조된다.
# 수신단에서 반송파 신호는 이진수 표현으로 복조된다.
# 데이터는 이진수 표현에서 디코딩된다.
참조
[1]
서적
Business Data Communications
John Wiley & Sons, Inc.
[2]
서적
Cabling : the complete guide to network wiring
https://books.google[...]
SYBEX
2004
[3]
서적
Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age
[4]
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http://www.thefoa.or[...]
The Fiber Optic Association
2015-04-17
[6]
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Optical fiber communications: principles and practice
Pearson Education
2009
[7]
웹사이트
Birth of Fiberscopes
http://www.olympus-g[...]
Olympus Corporation
2015-04-17
[8]
학술지
Review of the present status of optical fiber sensors.
2003
[9]
문서
Senior
[10]
서적
The Optical Industry & Systems Purchasing Directory
https://books.google[...]
Optical Publishing Company
1984
[11]
문서
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[12]
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웹사이트
Narinder Singh Kapany Chair in Opto-electronics
http://southasia.ucs[...]
ucsc.edu
2019-05-06
[14]
서적
Reference Data for Radio Engineers, Fifth Edition
Howard W. Sams and Co.
[15]
서적
Basic Electromagnetic Theory
McGraw Hill
[16]
서적
Business Data Communications
John Wiley & Sons, Inc.
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