데이터통신: 매체접근방식과 디지털 신호 처리

문서 내 토픽

1. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

이더넷에서 사용하는 유선 매체접근방식으로, 다수의 장치가 동일한 전송 매체를 공유하면서 효율적으로 데이터를 송수신한다. 장치들이 먼저 전송 매체를 청취하고 사용 가능 시 접근하며, 충돌 발생 시 즉시 인식하고 지수적 백오프 알고리즘을 통해 무작위 대기 시간을 거친 후 재전송한다. 최대 16번까지 재시도를 허용하며, 충돌 감지 후 jam signal을 전파하여 네트워크 안정성을 유지한다.
2. CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

무선랜에서 사용하는 무선 매체접근방식으로, 충돌을 사전에 예방하도록 설계되었다. 무선 환경에서는 충돌 감지가 기술적으로 불가능하므로, 송신 전 전파 환경을 관찰하고 프레임 간 간격(IFS)과 경쟁 창(Contention Window) 내 무작위 대기 시간을 거친 후 송신한다. 수신자로부터 ACK 신호를 수신할 때까지 기다리며, 미수신 시 처음부터 절차를 반복한다.
3. 샤논의 채널 용량 공식과 신호 준위

채널의 최대 전송 속도는 C = B × log₂(1+SNR) 공식으로 계산된다. 5KHz 대역폭과 SNR 31일 때 최대 전송속도는 25,000 bps이다. 필요한 신호 준위는 C = 2B × log₂(M) 공식을 역산하여 구하며, 위 조건에서 최소 6개의 신호 준위가 필요하다.
4. 디지털 신호 처리와 비트율 계산

아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환할 때 나이퀴스트 정리에 따라 샘플링 주파수는 최대 주파수의 2배 이상이어야 한다. 돌고래 청각 범위(150~150,000Hz)에서 샘플링 주파수는 300,000Hz이고, 256개 구간 양자화는 8비트를 필요로 하므로, 비트율은 300,000 × 8 = 2,400,000 bps이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

CSMA/CD는 유선 네트워크, 특히 이더넷에서 매우 효과적인 매체 접근 제어 프로토콜입니다. 송신 전에 채널을 감지하고 충돌 발생 시 이를 감지하여 대응하는 방식은 간단하면서도 실용적입니다. 그러나 충돌이 발생하면 대역폭이 낭비되고, 네트워크 규모가 커질수록 충돌 확률이 증가하는 단점이 있습니다. 현대의 전이중 통신과 스위치 기반 네트워크에서는 충돌이 거의 발생하지 않지만, CSMA/CD의 원리는 여전히 네트워크 통신의 기초를 이루고 있어 교육적 가치가 큽니다.
2. CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

CSMA/CA는 무선 네트워크 환경에서 충돌을 사전에 방지하는 우수한 프로토콜입니다. 무선 환경에서는 충돌 감지가 기술적으로 어렵기 때문에, 충돌 회피 방식이 더 효율적입니다. RTS/CTS 메커니즘과 백오프 알고리즘을 통해 채널 접근을 조율하는 방식은 공정성과 안정성을 제공합니다. 다만 오버헤드가 발생하고 숨겨진 노드 문제가 완전히 해결되지 않는 한계가 있습니다. WiFi와 같은 무선 기술의 발전으로 CSMA/CA의 중요성은 계속 증가하고 있습니다.
3. 샤논의 채널 용량 공식과 신호 준위

샤논의 채널 용량 공식 C = B log₂(1 + S/N)은 정보통신 이론의 가장 중요한 성과 중 하나입니다. 이 공식은 대역폭, 신호 전력, 잡음 전력 사이의 근본적인 관계를 수학적으로 명확히 보여줍니다. 신호 준위의 증가는 용량을 향상시키지만 수확 체감의 법칙이 적용되므로, 실제 시스템 설계에서는 비용-효율성을 고려해야 합니다. 이 이론은 현대 통신 시스템의 설계 원칙을 제공하며, 무선 통신, 광통신 등 다양한 분야에서 실질적으로 적용되고 있습니다.
4. 디지털 신호 처리와 비트율 계산

디지털 신호 처리는 현대 통신 시스템의 핵심 기술입니다. 아날로그 신호를 디지털화하는 과정에서 샘플링 정리와 양자화가 중요하며, 나이퀴스트 샘플링 정리에 따라 최소 샘플링 주파수를 결정해야 합니다. 비트율 계산은 대역폭, 신호 준위, 부호화 방식에 따라 달라지며, 효율적인 변조 기법을 통해 제한된 대역폭에서 더 높은 비트율을 달성할 수 있습니다. DSP 기술의 발전으로 복잡한 신호 처리가 실시간으로 가능해졌으며, 이는 5G, 레이더, 음성 처리 등 다양한 응용 분야에서 필수적입니다.

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