통신 (Communicationn)#

통신을 간단히 설명하면 정보를 전달하는 것입니다.
정보를 전달한다는 것은 범위가 넓어 다소 추상적일 수 있습니다.
다음 사례들을 통하여 통신이 어떤 것인지 직감적으로 쉽게 알아봅시다.

통신이란?#

Case 1: 인간의 통신#

인간은 입으로 소리를 내고 귀로 그 소리를 들어서 소통할 수 있는데,
이것은 정보를 전달하는 것이므로 통신이라 할 수 있습니다.
그리고 손짓, 몸짓, 표정 등의 시각적으로 표현하여 정보를 전달하기도 합니다.
인간의 여러 가지 의사소통 방식들이 대부분 통신이라고 표현할 수 있습니다.

Case 2: 인터넷#

이 글을 보고 있는 당신은 인터넷을 연결하고 웹브라우저를 통해서 semonan.com 에 접속한 상태일 것입니다.
뿐만 아니라, 인터넷을 통하여 온라인 쇼핑, 유튜브 시청, 음식점 검색 등 수 많은 것들을 할 수 있습니다.
이것은 인터넷을 활용하여 정보를 주고 받는 행위이므로 통신이라고 할 수 있습니다.

Case 3: 모바일폰#

요즘 스마트폰이라 불리는 모바일폰은 음성통화, 영상통화, 인터넷 등 컴퓨터와 유사한 수준으로 많은 것을 할 수 있습니다.
이것도 정보를 전달하는 것이므로 통신이라 할 수 있으며,
전선을 연결하지 않고 무선으로 정보를 전달하므로 무선 통신이라 할 수 있습니다.

Case 4: 리모컨#

TV, 에어컨, 세탁기 등의 가전 제품은 리모컨을 통해 제어되는 경우가 많습니다.
예를 들어, 리모컨으로 에어컨 ON/OFF, 온도 조절 등 제어 정보를 전달하여 기기를 조작합니다.
따라서, 이것도 통신이라 할 수 있습니다.

Case 5: GPS#

지구 주변을 회전하는 인공위성과 GPS 수신 장치를 활용하여 위치를 알 수 있습니다.
이것은 인공위성으로부터 위치 정보를 전달받는 것이므로 통신이라 할 수 있습니다.

이외에도 수많은 사례가 있을 것입니다.
이처럼 통신은 인간의 일상에 없어서는 안될 필수 요소가 되었습니다.
이렇게 중요한 통신이 어떤식으로 정보를 전달하는지 기본적인 원리와 이론을 알아봅시다.
H/W에서 S/W까지 전반적인 통신의 흐름을 설명드릴 것입니다.

디지털 기기의 통신은 정보를 어떻게 전달할까?#

컴퓨터, 모바일폰, 가전제품 등의 디지털 기기에서 사용되는 정보는 1과 0으로 표현됩니다.
1 과 0을 표현하는 방법은 전압, 주파수, 빛 등 여러가지 방법이 있습니다.
이러한 방법들을 이용하여 1과 0을 다른 기기로 전달하는 것은 장치의 통신입니다.
그 방법들을 자세히 알아봅시다.

유선 통신#

유선 통신은 두 장치를 전류가 흐르는 전선으로 연결하고 전압의 크기를 통하여 1과 0을 전송합니다.
이런 방식은 안정적으로 빠르게 신호를 전달할 수 있으나, 전기가 흐르는 전선의 연결이 필요합니다.

1은 상대적으로 전압이 크다는 것이고, 0은 상대적으로 전압이 작다는 것입니다.
예를 들면, 다음 그림처럼 5V는 1이고, 0V는 0입니다.

통신이 되려면 정보를 전달하는 송신부와 그것을 받는 수신부가 있어야 합니다.
그리고, 프로토콜이라는 통신 방법에 대한 약속이 있어야 받은 정보를 이해 할 수 있습니다.
다음 그림은 8 Bit를 전송할 수 있는 간단한 프로토콜 예시 입니다.

t1 시점 : 데이터를 전송하지 않는 대기 상태이며, 5V를 유지합니다.
t2 시점 : 데이터가 시작되는 것을 알리기 위하여 전압을 5V에서 0V로 변경합니다. 이것을 Start bit 라고 합니다.
t3~t10 시점 : 전송할 8 Bit의 데이터입니다. 위 그림에서는 0x11000101 을 전송하는 것입니다.
t11 시점 : 8 Bit 데이터가 끝났다는 의미로 전압을 5V로 변경합니다. 이것을 Stop bit라고 합니다.
t12 시점 : t1 시점과 같은 상태이며, 데이터를 전송하지 않는 대기 상태로 5V를 유지합니다.

이런식으로 송신부는 8 Bit를 보내고, 수신부는 받은 신호를 프로토콜에 맞게 해석하여 0x11000101 임을 알 수 있습니다.
만일, 16 Bit 를 전송하려면 위의 프로토콜을 2회 반복하면 됩니다. (8 Bit x 2 = 16 Bit)
데이터를 더 빠르게 더 안정적으로 전송하기 위하여 다양한 프로토콜이 존재합니다.

전파를 활용한 무선 통신#

WiFi, Bluetooth, 5G 등의 무선 통신은 전파를 통하여 신호를 전달합니다.
전파를 활용한 디지털 무선통신은 1과 0을 전달하며 그 방법이 앞에서 설명한 유선 통신보다 복잡합니다.

전파는 안테나에 교류를 사용하여 양전하와 음전하를 교차시켜 생성할 수 있습니다.
그리고 전파는 위 그림과 같이 파동의 형태로 전달되고, 외부 환경에 영향을 많이 받습니다.
예를 들어, 물속에서 전파가 전달되는 것은 매우 어렵고, 이동 경로에 철재의 장애물이 있는 경우 신호가 전달되기 어렵습니다.
이러한 이유로 전파를 활용하는 무선통신은 1과 0을 안정적으로 전달하기 위하여 변조/복조 기법을 사용합니다.
변복조 기법에는 Amplitude Modulation, Frequency Modulation, Phase Modulation 등 여러가지가 있으며,
쉽게 이해할 수 있는 Amplitude Modulation과 Frequency Modulation을 설명하겠습니다.

첫번째는, Amplitude Modulation의 대표적인 변/복조 기법으로 Amplitude Shift Keying(ASK) 라는 것이 있습니다.
다음 그림과 같이 ASK는 진폭이 있다면 1로, 진폭이 없다면 0으로 인식할 수 있습니다.

두번째는, Frequency Modulation의 대표적인 변/복조 기법으로 Frequency Shift Keying(FSK) 라는 것이 있습니다.
다음 그림과 같이 FSK는 주파수가 빠르면 1로, 주파수가 느리면 0으로 인식할 수 있습니다.

다음 그림과 같이 무선통신은 변조 장치를 통하여 데이터 1과 0을 전파로 송신할 수 있고, 복조 장치를 통하여 전파로부터 1과 0을 수신할 수 있습니다.

알아두면 도움되는 무선통신의 특징을 알아봅시다.

주파수가 낮을수록 멀리 전달되고, 벽이나 장애물을 잘 통과함
주파수가 높을수록 멀리 전달되기 어렵고, 장애물을 잘 통과하지 못함
주파수가 높을수록 대역폭이 커지므로 통신 속도가 빨라질 수 있음

광 통신#

광 통신은 빛을 이용하여 신호를 전달합니다.
예를 들어, 빛이 있다면 1, 빛이 없다면 0으로 신호를 표현할 수 있습니다.

케이블 안에서 빛이 전달될 수 있도록 설계된 광 케이블을 이용하는 유선 통신도 있고,
TV 무선 리모컨 처럼 케이블 없이 신호를 전달하는 광 무선 통신(적외선 통신)도 있습니다.
광 케이블 기반 유선 통신은 매우 빠르지만 가격이 비싼편이고, 광 무선 통신은 케이블이 필요하지 않아 편리하지만 외부 잡음에 취약하기 때문에 통신 거리가 짧은 편입니다.

위 그림과 같이 송신부는 전기 신호를 광 신호로 변환하여 신호를 전달하고, 수신부는 광 신호를 전기 신호로 변환하여 정보를 읽습니다.
신호를 전달하는 매개체로 광을 사용하는 것일뿐 전기로 신호를 전달하는 유선통신과 유사합니다.