Physical Layer: Bandwidth Utilization

AI 네트워킹 중간범위 — 노션 강의 노트를 옵시디언용으로 정리한 노트.

Bandwidth Utilization (대역폭 활용)

• 특정 목표를 달성하기 위해 사용 가능한 대역폭을 현명하게 사용하는 것.
• 두 가지 목표와 기법:

1. 효율(efficiency)→ Multiplexing(같은 대역폭을 여러 개로 나눠 사용).
2. 보안/안정성(privacy·anti-jamming)→ Spreading(신호를 더 넓은 대역에 퍼뜨림).

Multiplexing (멀티플렉싱)

• 하나의 물리 링크를 여러 채널로 나눠서 동시에 여러 신호를 전송하는 기술의 집합.
• link= 물리적 경로(선), channel= 두 라인 사이 전송을 수행하는 링크의 일부(논리적 단위).
• 구성: 입력(n개) → MUX(멀티플렉서, 다수→하나)→ 하나의 링크 → DEMUX(디멀티플렉서, 하나→다수)→ 출력(n개).
• 물리선은 하나인데 여러 데이터를 동시에 보내고 싶을 때 사용.

종류	기준	신호	사용처
FDM(Frequency Division)	주파수 대역	아날로그	라디오/케이블 등
WDM(Wavelength Division)	파장(λ)	아날로그(광)	광섬유 (FDM의 광 버전)
TDM(Time Division)	시간 슬롯	디지털	디지털 데이터

• 주파수/파장은 연속값 → 아날로그, 시간 슬롯은 끊어 처리 → 이산적(디지털).

FDM (Frequency Division Multiplexing)

• 아날로그 신호들을 결합하는 아날로그 멀티플렉싱기술.
• 각 채널은 서로 다른 **carrier frequency(반송 주파수)**대역을 사용.
• Multiplexing 과정: 비슷한 주파수 대역의 신호들을 각각 다른 carrier로 변조(이동)→ 서로 겹치지 않게 분리 배치 → 합침(composite signal). shift → combine
• Demultiplexing 과정: 합쳐진 신호를 주파수별 필터로 분리→ carrier 제거해 baseband로 복원. filter → shift back
• Demodulation= carrier 제거해 원래 baseband 신호로 복원하는 과정.
• 전체 흐름: shift → combine → filter → shift back.

Carrier (반송파) 용어

• 정보를 직접 담지 않는 기본 파형으로, 신호를 실어 전달하는 역할 (보통 고주파 사인파). 정보(signal) + carrier → 전송 가능한 신호.
• (참고) CSMA에서 Carrier는 “현재 채널에 신호가 흐르는 상태”를 뜻함.

FDM 예제 6.1

• 음성 채널 1개 = 4 kHz, 채널 3개를 20~32 kHz(총 12 kHz) 링크로 결합, 가드밴드 없음.
• 배치: ch1 → 2024, ch2 → 2428, ch3 → 28~32 kHz. ⇒ 각 채널을 겹치지 않게 연속 배치.

FDM + QAM 예제

• 각 채널: 1 Mbps 디지털 → 16-QAM→ 250 kHz 아날로그. 총 4채널 → 250 kHz × 4 = 1 MHz.
• FDM은 아날로그 기반이라 디지털 신호는 변조가 필요 → QAM으로 아날로그화 후 FDM 결합.
• QAM (Quadrature Amplitude Modulation, 직교 진폭 변조): 진폭 + 위상을 동시에 사용 → 한 심볼에 여러 비트.
• 16-QAM= 16개 신호 상태 = log₂(16) = 4 bit/symbol→ 1 Mbps ÷ 4 = 250 ksymbol/s → 대역폭 ≈ 250 kHz.
• ⇒ 신호의 “상태 개수”를 늘려 전송 효율(대역폭 효율) 증가.

FDM 응용: 케이블 TV

• 동축 케이블 ≈ 500 MHz, TV 채널당 ≈ 6 MHz → 500 / 6 ≈ 83개 채널(이론적).

아날로그 계층 구조 (FDM 반복 적용)

• 낮은 대역폭 신호들을 더 높은 대역폭 라인으로 계층적으로 묶어 인프라 효율 극대화.

단계	묶음	채널 수	대역폭
Group	12 채널 (4kHz×12)	12	48 kHz
Supergroup	5 Groups	60	240 kHz
Master group	10 Supergroups	600	2.52 MHz
Jumbo group	6 Master groups	3600	16.984 MHz

• ⇒ FDM을 계층적으로 반복 적용해 작은 단위를 큰 대역으로 확장.

WDM (Wavelength Division Multiplexing)

• 개념적으로 FDM과 동일하나, 광섬유로 전달되는 빛 신호를 사용 (FDM의 광 버전).
• 주파수 대신 **파장(λ)**으로 구분 → 서로 다른 파장의 빛을 동시에 전송. (주파수와 파장은 반비례, 동일 개념.)
• 좁은 대역의 빛(채널) 여러 개를 합쳐 하나의 넓은 빛으로 → 하나의 광섬유로 전송 → 수신 측에서 분리. 파장이 다르면 서로 간섭하지 않음.
• 물리 구현: 프리즘(또는 광학 필터)이 입사각·주파수에 따라 빛을 다르게 굴절 → 결합/분리. 응용 예: SONET.

TDM (Time Division Multiplexing, 시간 분할)

• 디지털멀티플렉싱: 매체의 전송 용량이 개별 장치 요구 전송률보다 클 때 적용.
• 여러 저속 채널을 하나의 고속 채널로 결합 (링크 속도 > 개별 채널 속도).
• 시간을 쪼개 여러 신호를 번갈아 전송 → 빠르게 보내면 동시에 보내는 것처럼 보임.
• 두 가지 방식: ① Synchronous TDM ② Statistical TDM.

Synchronous TDM (동기식)

• 링크 데이터 속도는 n배 빠르고, 각 단위 시간은 n배 짧다.
• n개 채널 → n개 고정 시간 슬롯으로 나눔. 송신은 슬롯 순서대로, 수신은 같은 순서로 → 시간 동기화 필요.
• 프레임= 모든 채널의 슬롯 묶음.
• Interleaving(인터리빙): 빠르게 회전하는 스위치처럼 각 채널 데이터를 번갈아 끼워 넣는 과정 (A→B→C→A→B→C…). MUX/DEMUX 스위치는 동기화되어 같은 속도, 반대 방향으로 회전.
• Empty Slots(빈 슬롯): 보낼 데이터가 없는 소스의 슬롯은 비게 됨 → 슬롯 낭비(동기식의 문제). ⇒ 해결: Statistical TDM.

Synchronous TDM 보조 기법:

• Multilevel TDM(다단계): 입력 속도가 다른 라인의 배수일 때, 작은 것끼리 먼저 묶어 큰 것과 속도를 맞춤. 예: 20+20→40, … 40×4→160 kbps.
• Multiple-slot allocation: 빠른 채널에 슬롯 여러 개 할당. 예: 50 kbps → 슬롯 2개(직렬-병렬 변환기로 분할), 25 kbps → 슬롯 1개. ⇒ 속도 비율만큼 슬롯 배정.
• Pulse stuffing(= bit padding/stuffing): 소스 속도가 정수 배가 아닐 때, 가장 빠른 속도에 맞춰 느린 라인에 dummy bit추가. 예: 50·50·46 → 46을 50으로 → 총 150 kbps.
• Framing synchronization(프레임 동기화): MUX·DEMUX가 동기화 안 되면 비트가 다른 채널로 잘못 수신됨. 각 프레임 시작에 sync bit(프레임당 1비트, 0·1 교대 101010…)를 추가해 슬롯 경계를 정확히 분리.
• 오버헤드 예: 250 frame/s × 1 bit = 250 bps(채널당 2000 bps × 4채널 + 동기화 250 bps).

DS (Digital Signal) Service & T-1

• 디지털 신호의 계층 구조. 장점: 아날로그보다 노이즈에 덜 민감, 저비용.
• DS-0 = 전화 1개. T-line = 실제 물리 회선 이름, DS = 논리 신호 구조.

등급	속도
DS-0	64 kbps
DS-1	1.544 Mbps
DS-2	6.312 Mbps
DS-3	44.376 Mbps
DS-4	274.176 Mbps

T-1 프레임 구조 (PCM + TDM + framing):

1. 음성 → PCM → 8000 sample/s × 8 bit = 64 kbps (DS-0).
2. 24개 채널→ TDM → DS-1.
3. 1 프레임 = 24 × 8 bit + 1 sync bit= 193 bits.
4. 8000 frame/s × 193 = 1.544 Mbps(T-1).

Statistical TDM (통계적)

• 슬롯을 동적으로 할당해 대역폭 효율 향상. 데이터가 있는 라인만전송 → 빈 슬롯 없음.
• 대신 식별 이슈 발생 → **주소(식별자)**필요.
• Addressing: 슬롯 = 데이터 + 주소. n 비트로 N개 출력 라인 정의 → n = log₂ N.
• 동기화 비트 없음: 프레임을 동기화할 필요가 없어 sync bit 불필요.
• ‘통계적’인 이유: 동시 활성 채널 수가 확률적으로 변하므로 평균/분포(통계)에 의존해 용량을 잡음.

교수님 보조 설명

• PCM: 음성을 디지털로 변환하는 기술.
• E-1: 여러 PCM 채널을 묶은 디지털 전송 라인 (유럽 방식).
• DSU(Data Service Unit): 여러 데이터를 하나의 회선으로 보내는 장치 (내부적으로 멀티플렉싱 사용).
• Delta modulation: 신호의 절대값이 아니라 변화량만 전송→ 데이터 압축 효과(전송량 절감).

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Spread Spectrum (스펙트럼 확산)

• 서로 다른 소스의 신호를 더 큰 대역폭에 맞도록 결합. 목표: 도청·재밍 방지(보안 + 간섭 저항).
• 이를 위해 **중복성(redundancy)**추가 → 같은 정보를 여러 방식으로 반복 → 노이즈에도 복구 가능.
• ⇒ 효율성을 포기하고 보안성을 얻는 것(넓게 퍼뜨리면 특정 주파수 공격에도 영향 적음).
• 두 가지 원칙:

1. 각 스테이션은 필요한 것보다 더 넓은 대역폭사용.
2. 확산 과정은 신호가 생성된 이후에 수행.

• 모든 사용자가 같은 대역을 공유하면서 spreading code로 구분.

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

• 여러 개의 서로 다른 반송 주파수를 사용 → 한 순간엔 한 주파수, 다음 순간엔 다른 주파수로 계속 점프(hopping).
• k-bit: 주파수 테이블에서 사용할 주파수를 선택하는 코드 (비트 값 → 특정 주파수). hopping sequence = 그 선택 값들의 시간 순서.
• 수신자가 동일한 hopping sequence와 타이밍을 모르면 신호 자체를 받을 수 없음 → 보안.
• Bandwidth Sharing: 호핑 주파수가 M개면, 같은 Bss 대역폭으로 M개 채널을 멀티플렉싱 가능 (FHSS를 이용한 멀티플렉싱). FDM은 동시에 다른 대역 사용, FHSS는 시점마다 주파수를 바꿔가며 사용.

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

• 각 **데이터 비트를 n개의 비트(chip)**로 대체 → 칩 속도 = 데이터 속도의 n배.
• 데이터 비트에 spreading code를 직접 곱함(비트 × 코드 = 확산 신호).
• 과정: 원래 비트(예: 1,0,1) → spreading code 적용(예: 10110111000 곱함) → 각 비트가 여러 chip으로 변환.
• 이름 풀이: Direct(직접) + Sequence(비트열·코드) + Spread Spectrum(스펙트럼 확산).