[Commu-Network/정보통신망] Information Transfer : Informationsübertragung

Organization
Nachrichtentechnische Grundlagen
2.1 Information und Signal
2.2 Informationsübertragung über physikalische Kanäle
2.3 Multiplextechniken
2.4 Medienzugriffsverfahren

2.1 Information und Signal

2.1.a Information

커뮤니케이션은 정보의 교환으로 이루어진다. "정보"는 다양한 형태와 방법으로 구성된다. 고로, "정보"의 의미는 매우 주관적이다. 정보는 어떤 문자/그림/characters의 집합 으로 표현된다. 그 집합을 통해 정보가 처리되고 저장될 수 있으며 정보를 전송 할 수 있다.

 

 

2.1.b Informationstheorie und Übertragungsstrecke

Informationstheorie는 클로드 섀넌(https://de.wikipedia.org/wiki/Claude_Shannon)에 의해 만들어진 이론이다. 거의 모든 디지털 정보,디지털 회로, 데이터 압축 등에 관련된 모든 이론을 혼자서 다 일궈내신 천재같은 양반이다. 인포메이션 띠어리를 간단히 설명하자면 모든 인포메이션을 통계적으로 정량화 회서 코딩하는 것이다. 이렇게 코딩된 정보들은 정보들이 통신 된 후의 중요한 코드워드가 되고 이것으로부터 코딩된 정보를 다시 돌리는 법, 코딩하는법 등 모든 정보 통신의 기초가 되는 이론이다.

 

Übertragungsstrecke der Telekommunikation

übertragungsstrecke

2.1.c Signale

어떤 정보나 문자들의 교환은 신호(시그널)가 사용된다.

• Signal: Ein Signal ist die Darstellung einer Nachricht durch physikalische Größen, z.B. Spannungssignale, Stromsignale, Lichtsignale, akustische Siganale etc

크게 4가지로 신호를 분류한다.

 

Vier grundsätzliche Signalklassifizierungen

• Analoges Signal: Wert- und zeitkontinuierlich, d.h. jeder Wert kann zu jeder Zeit vorkommen
• Abgetastes Signal: die Werte des signals liegt nur zur bestimmten Zeiten (zeitdiskret)
• Quantisiertes Signal: das Signal kann nur bestimmte Werte einnehmen
• Digitales Signal: wert- und zeitdiskretes Signal

 

Binärsignal

 

• Analoges Signal : wert- und zeitkontinuierlich
• Digitales signal : wert- und zeitdiskret

 

• Binärsignal : Signal mit 2 Quantisierungsstufen

       2진법으로 신호를 나타낸 것으로 0과 1로만 이루어져있으며, digitales Signal의 종류 중 하나이다.

        - spezialfall des digitalesn Siganals

        - nur zwei werte nähmlich "0" und "1" können eingenommen werden 

 

 

• Baudrate/Symbolrate : 

         konstante Schrittrate, mit der sich die Signalpegel bei digitalen Signal ändern

        - pro Signalschritt wird eine Informationsmenge von Id \( n \) (maximale Entropie der \(n \)  Quantisierungsstufen) übertragen

        - Bitrate \( b_s =\) Baudrate * Id \( n\)

        - Für Binärsignale stimmen Baudrate und Bitrate überein

Informationsübertragungsstrecke

informationsübertragungsstrecke

Informationsübertragungsstrecke mit Kommunikationsnetz

 

2.2 Informationsübertragung über physikalische Kanäle

전송된 디지털 신호는 아래 4가지의 장점을 가진다.

Die Vorteile der übertragendene digitalen Signale
1. höhere Störsicherheit / 외부로부터의 방해 차단성이 높다(변형, 왜곡될 가능성이 낮다)
2. höhere Wirtschaftslichkeit / 높은 경제성
3. alle Signale(Sprache, Daten, Image etc) im Netz einheitlich darstellbar / 모든 형태의 신호들이 네트워크내에서 균일하게 표현 가능하다
4. Verarbeitung einfacher und flexibler 데이터의 처리가 간단하고 유동성있다

 

Viele Informationstragende Signale sind analoge Signale(Sprache, Sensorik) Um die Vorteile zu nutzen, müssen analoge Signale in digitale Signale umgewandelt werden. 위에 언급된 장점들을 위해서는 아날로그 시그널을 디지털 시그널로 바꿔야 한다. 여기서 아날로그-디지털 변환기를 사용한다. Analog-Digital-Wandlung : A/D-Wandlung

 

A/D-Wandlung ist Teil der Quellencodierung

Quellencodierung
Abtastung, Quantisierung, Kompression \( {\rightarrow} \) Binärcode(Redundanz-reduziert)

Kanalcodierung
fügt dem Binärcode Redundanz hinzu zur Vermeidung von Übertragungsfehlern

Basisbandcodierung:
Zuordnung von digitalen Signalelementen zu den binären Werten, "0" und "1"

Modulation:
Übertragung der digitalen Signale über den analogen Kanal

여기서 Codierung - Coding - 코딩(부호화) 이란, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 것을 말한다. 

앞서 설명한 4가지의 코딩의 특징을 자세히 알아보자.

 

 

Quellencodierung - Source Coding - 소스 코딩, 원천 부호화

 

정보의 효율적 전송 위해 전송 정보에서 불필요 정보를 제거하는 전송량 절감 기법. 압축을 통해 전송을 하기때문에 시그널이 손상되지 않는 것이 중요하다. 정보의 종류에 따라 음성 부호화와 영상 부호화로 나뉘며, 음성 부호화는 Waveform Coding(파형 부호화), VoCoding(보코딩),Hybrid Coding(혼성부호화)로 나뉜다. 

 

• Aufgabe : den Informationstragenden Zeichen einer Informationsquelle geeigenete binäre Codes zuzuordnen. D.h, die Quellencodierung wandelt das analoge signal einer Quelle in einen Binärcode um. Dabei wird versucht, möglichst nur so viele Binärstellen zu verwenden, wie es der Informtioangehalt der Zeichen erfordert - Redundanyreduktion oder Kompression. 

/소스의 아날로그 신호를 이진법 코드로 바꾸는 것을 소스 코딩이라고 한다. 소스 코딩에서 문자가 요구하는 만큼의 정보를 2진수를 사용해서 나타낸다. (중복 감소/압축)

Process der A/D- Wandlung
1. analogen, amplitudenmäßig normierten Signal in äquidistanten Zeitabständen(zeitdiskret) Probenwerte entnommen(Abtastung)
2. Werte quantisieren.
3. zu Binärsignal zu wandeln

 

 

Abtasttheorem

 

Wie viele Probenwerte muss man pro Zeit entnehmen, damit der Informationsgehalt des Signals nicht verloren geht? /시그널의 내용이 손상되지 않는 선에서 시간 당 몇 개의 샘플을 가져와야 하는가?

 

Wie kann man aus dem durch Abtastung gewonnenen Signal \(s_a(t)\) das originale Siganal \( s(t) \) zurückgewinnen? /샘플링된 시그널에서 어떻게 오리지널 시그널을 되돌릴 수 있는가?

• WICHTIG : Signal muss vor der Abtastung bandbegrenzt sein oder mit Tiefpassfilterung begrenzt werden $$ {\rightarrow} f_Smax $$

 

Abtasttheorem von Shannon : 

$$f_a {\geq} 2 f_Smax $$
\( f_a \) Abtastfrequenz, \(f_Smax \) max. Signalfrequenz.

 

• Beispiel: Telefonsignal mit \( f_Smax \) = 3,4 kHz, gewählte Abtastfrequenz \( f_a\) = 8 kHz bzw. Abtastperiode \( T_a = \cfrac{1}{f_a} = \) 125 \({\mu}s \)

 

 

Kanalcodierung - Channel Coding (ECC : Error Control Coding) - 채널 코딩

채널 부호화 + 채널 복호화. 채널 코딩은 Error Detection 과 Error Correction으로 이뤄져있다.
Error Detection_오류 검출 : 디지털 데이터가 전송될 때 언제 어디서 발생할 지 모르는 데이터의 유실/손실 혹은 변경을 알려준다.
Error Correction_오류 정정 : 원래의 데이터로 복원하는 것을 말한다. 

Aus der Quellencodierung: Redundanz-reduzierten(komprimiertes) Binärsignal. Da es in der Realität keinen störungsfreien Kanal gibt, wird in der Kanalcodierung Redundanz hinzugefüht, um die sichere Übertragung zu erhöhen.

 

Beispiele:

• Paritätsbit : fügt nach \( m \) Datenbits ein Paritätsbit ein

110010111  111010000

 

• Zyklische Codes : CRC Cyclic Redundancy Check

\( m \) Datenbits werden durch eine Binärzahl(Prüfpolynom) geteilt

zusätzlich zu den Datenbits wird der Divisionsrest übertragen

Prüfpolynom:

\( P(x) = x^4 + x + 1 \)

1001 0110 0000 : 10011 = 100011111 Rest 0001

Übertragen wird 1001 0110 0001

Empfänger macht Division 1001 0110 0001 : 10011 = 100011111 Rest 0

Wenn kein Rest bleibt: Übertragung OK

 

Modulation - Modulation - 모듈화

Übertragun des Binärsignals über einen analogen Kanal: Modulationsverfahren

1. Amplitudenmodulation (AM) : für digitale Signale, Amplitude Shift Keying(ASK)
2. Frequenzmodulation (FM) : Frequency Shift Keying(FSK)
3. Phasenmodulation(PM) : Phase Shift Keying(PSK)

2.3 Multiplextechniken - Übertragungsmedien

• Kupfer Doppelader

1. Draht-Durchmesser 0,4 mm ~ 1,4 mm
2. Mit Shielded Twisted Pair bis einige Mhhz nutzbar
3. Einsatz klassisch für Niederfrequenzsysteme
4. Mit speziellen Übertragungsverfahren für Bitraten bis zu mehreren 100 Mbit/s nutzbar (DSL, Digital Subscriber Line, VDSL, Vectoring)

https://de.wikipedia.org/wiki/Doppelader

Doppelader – Wikipedia

 

• Koaxialkabel

1. Geeignet für hohre Frequenzen(bis mehrere 100MHz) und damit für hohe Bitraten bis mehrerer 100 Mbit/s, Heute durch Glasfaser abgelöst.
2. Internetzugang über CATV_cable TV Koaxialkabel

https://de.wikipedia.org/wiki/Koaxialkabel

• Glasfaser

1. Zylindrischer Kern und umschließender Mantel, beide aus Quarzglas
2. Extrem Hohe Bandbreiten (100 GHz und mehr) und Datenraten (Tbit/s) möglich

https://de.wikipedia.org/wiki/Glasfaser

 

 

Funkübertragung

• Elektromagnetische Wellen
• Mobilfunk - mobile Transmission - 무선 이동 통신(핸드폰)

         GSM , UMTS, LTE, 5G etc

         Frequenzbereich von einige 100 MHz bis einige GHz

         Überbrückbare Streckenlängen von mehreren km

https://de.wikipedia.org/wiki/Mobilfunk

• Richtfunk - microwave Transmission - 통신 지향성 무선 통신

         Frequenzbereich von einigen GHz

         Überbrückbare Streckenlänge ca. 50 km

• Satellitenfunk - 위성방송

         Frequenzbereich von einigen GHz

         Überbrückbare Streckenlänge tauschende von km

         Problem: Große signallaufzeiten

https://de.wikipedia.org/wiki/Satellitenfunk

 

Multiplextechniken

여러가지 다양한 소스를 처리하기 위해서는 멀티플렉서를 사용해야 한다.

멀티플렉스 종류는 크게 4가지로 분류한다.

• Raummultiplex: Verwendung unterschiedlicher physikalischer Leitungen bzw. Ausbreitungswege

Space Division Multiplex SDM

Space Division Multiplex

• Zeitmultiplex: Zeitliche Verschachtelung der Siganale

Time Division Multiplex TDM

\( {\rightarrow} \) Synchroner Zeitmultiplex

        pro Rahmen \(n + 1\) Zeitlagen(Zeitschlitze) zu je m Bit : zB. m = 8

Beispiel
Quelle 1 kann in jedem Rahmen (Gesamtdauer T) 8 Bit im Zeitschlitze 1 senden. Damit ergibt sich eine feste Datenrate von 8 Bit/T in bit/s

 

\( {\rightarrow} \) Asynchroner Zeitmultiplex \( {\approx}\) Adressmultiplex, Blockmultiplex, Paketmultiplex

         - Typisches Format der Dateneinheit

         -  Internetpakete

 

• Frequenz- bzw. Wellenlängenmultiplex: Verwendung unterschiedlicher Frequenzbänder

Frequency Division Multiplex FDM

Wavelength Division Multiplex WDM - bei optischen Systemen

• Codemultiplex: Verwendung orthogonaler oder quasi-orthogonaler Codes zur Trennung der Siganle auf einem Übertragungsweg

 

 

Medienzugriffsverfahren - Medium Access Control MAC

Wie kommt das Signal kontret auf den digitalen kanal, wenn mehrerer telnehmer gleichzeitig zugreifen wollen?

 

Medium hier Übertragungsmedium als "Shared Medium"

Beispiel: Ethernet (Internet LAN)
Zugriff im Zeitmultiplex - Time Division Multiple Access, TDMA
Ziel der Steuerung: Wer darf wann senden?
CSMA/CD : Carrier Sense Multiple Acces with Collision Detection