비트에서 패킷까지: 데이터 전송의 과정
혹시, 컴퓨터에 대한 내용을 배울 때 컴퓨터의 언어는 오로지 '0'과 '1'로 이루어져있다는 얘기를 들어본적이 있으신가요? 핸드폰에서 데이터를 전송할 때도 마찬가지로, 송신부에서 '0'과 '1'로 이루어진 데이터 신호를 아날로그 전파로 변환하여 보냅니다.
디지털 데이터가 네트워크를 통해 전송될 때, 그 과정은 복잡하지만 명확한 구조를 가지고 있습니다. 이 포스팅에서는 비트(Bit)에서 패킷(Packet), RB(Resource Block) 등 자원 단위와 그리고 변조;변환(Modulation)을 통해 데이터가 신호로 변환되고 전송되는 과정에 대해 설명하겠습니다.
1. 데이터의 자원단위
비트(Bit) 와 바이트(Byte)
모든 디지털 데이터는 비트(Bit)로 구성됩니다. 비트는 0과 1의 이진수로 표현되며, 디지털 데이터의 가장 작은 단위입니다. 8개의 비트가 모이면 바이트(Byte)가 되고, 바이트는 문자를 표현할 수 있는 기본 단위가 됩니다.
예를 들어, 'A'라는 문자는 01000001이라는 8개의 비트로 표현됩니다. 하지만 이 비트만으로는 네트워크를 통해 전송하기에는 충분하지 않으며, 더 큰 단위로 묶여야 합니다. 이런 데이터들이 모여서 우리가 흔히 '용량'이라고 부르고, 그 단위는 천 단위마다 메가바이트(Mega byte), 기가바이트(Giga byte) 등으로 사용됩니다.
2. 패킷 형성: 데이터를 조직화하는 과정
데이터가 전송되기 전, 여러 바이트가 패킷으로 모입니다. 패킷은 데이터 전송에서 기본적인 단위로 사용되며, 출발지 주소와 목적지 주소, 그리고 오류 검출 코드 등을 포함한 다양한 정보가 함께 담깁니다.
* 비트가 디지털 데이터의 가장 작은 단위라면, 패킷은 네트워크 상 데이터를 전송하기 위해 만들어진 데이터의 단위입니다.
패킷을 사용하는 이유는 데이터의 효율적인 전송과 오류 처리 및 신뢰성 확보, 경로의 최적화 등 다양한 이유로 사용되고 있습니다. 헤더, 페이로드, 트레일러라는 정보가 함께 실리게 됩니다.
| 이름 | 역할 |
| 헤더(Header) | 제어 정보를 담고 있다. (IP 주소, 패킷 번호, 프로토콜 정보, TT(Time to Live) ; 패킷이 살아남을 수 있는 시간(패킷은 네트워크에서 일정 시간이 지나면 삭제됩니다.) |
| 페이로드(Payload) | 실제 데이터가 담긴 부분이다. 페이로드는 패킷마다 다를 수 있고 패킷 크기에 따라 여러개의 패킷에 나누어 담길 수 있다. |
| 트레일러(Trailer) | 오류 검출을 위한 정보를 포함하는 부분이다. |
패킷이 형성되면, 이제 이 데이터는 네트워크에서 이동할 준비를 마칩니다. LTE로 예를 들자면, 이 후 데이터는 패킷 전송을 위해 RB(Resource Block)에 할당됩니다.
3. RB(Resource Block)
RB는 주파수와 시간 자원을 결합한 단위로, LTE와 같은 네트워크 시스템에서 데이터를 효율적으로 전송하기 위한 할당 단위 입니다. 각 RB는 12개의 주파수 대역을 포함하며, 이를 서브캐리어라고 표현하며, 12개의 서브캐리어로 구성된다고 합니다. 각 주파수 대역은 0.5밀리초 동안 데이터를 전송할 수 있는 시간 자원을 포함하며, 0.5밀리초를 1슬롯이라고 표현합니다.
RB는 데이터를 동시에 여러 사용자가 전송할 수 있도록 주파수와 시간을 나누어 분배하는 역할을 합니다.
우리집에서 LTE 통신망을 통해 아빠, 엄마, 동생, 나 4명이 동시에 인터넷을 사용하고 있다고 생각하지만, 사실 통신사 기지국에서 시간, 주파수를 각자 할당받아 각자 다른 시간과 주파수로 데이터를 받고 있습니다. 하지만, 여러가지 무선통신 기술로 인해서 동시에 사용하고 있다고 느끼게 되는거죠.
주어진 RB에 데이터가 할당되면, 이제 모듈레이션을 통해 실제 신호로 변환됩니다.
4. 모듈레이션(Modulation): 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환
모듈레이션은 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 과정입니다. 디지털 신호를 전파를 통해 효율적으로 전송하기 위해 변조가 필요합니다. 따라서 디지털 신호는 전파에 실릴 수 있도록 위상, 진폭, 주파수를 조정하여 변조됩니다. 이 과정을 거치는 이유는 전파는 파동의 성질을 가지고 있기 때문에 파장이 존재하며 같은 주파수, 같은 위상, 같은 진폭으로 통신을 하면 각 전파 간섭으로 인해 통신에 에러가 생길 가능성이 높습니다.
주파수 변조(Frequency Modulation)
주파수 변조는 간단하게 주파수를 변화시키는 변조 방식입니다. 국내 통신사들은 밴드(Band)라는 명칭으로 주파수 대역을 나눠서 사용중입니다. 위 사진은 LTE, 5G 대역 할당 현황입니다.
위상변조(Phase Modulation)
위상변조는 파형의 위상을 변경하여 데이터를 전송하는 방식입니다. 예를 들어, 0과 1의 비트에 따라 파형의 위상을 바꿔 데이터를 표현할 수 있습니다. QPSK와 같은 위상변조 방식은 하나의 파형에서 2비트를 동시에 전송할 수 있습니다.
* 0, 90, 180, 270도의 위상을 00, 01, 10, 11로 표현합니다.
사실 위상에 대한 정확한 이해가 없으면 이해하기 변조에서 가장 이해하기 힘든 영역이 위상변조입니다. 위상은 전파의 파동성에 의해 생기는데, 시작점 또는 진행 상태를 변경시키는 변조입니다. 위의 신호를 아래 신호로 절대적인 양(=적분 값 or 주기)은 같지만 모양(위상)만 변화하는 것을 볼 수 있다.
저는 왼쪽 파동을 보고 1초에 한번씩 보내는 데이터를 0.5초에 한번씩, 또는 더 짧게 보낼 수 있도록 바꾸는건가? 라는 생각을 했습니다. 그런데, 우측 그림을 보면 이해가 더 편할거라고 생각합니다. 위상만 바뀌고 같은 시간에 도달하는 데이터 양이 많아지는 개념이기 때문에 1초에 도달하는 데이터수가 n배 커지는 개념이라고 생각하시면 쉬울 것 같습니다.
진폭변조(Amplitude Modulation):
진폭변조는 전파의 신호 세기(진폭)를 조절하여 데이터를 실어 보내는 방식입니다.
QAM(Quadrature Amplitude Modulation)은 위상과 진폭을 동시에 변조하는 기술입니다. 512QAM의 경우 9비트의 데이터를 한 번에 전송할 수 있습니다. QAM은 AM보다 좀 더 높은 기술로, 직교의 개념이 포함되어 있습니다. QAM 변조 방식과 OFDM에 대해서는 나중에 설명하도록 하겠습니다.
5. 최종 전송: 네트워크를 통한 데이터 이동
패킷이 RB에 할당되고, 모듈레이션 과정을 거치면 기지국에서 데이터가 전파를 통해 전송됩니다. 수신 측에서는 다시 이 신호를 받아 복조(Demodulation) 과정을 통해 원래의 디지털 데이터로 변환합니다.
결국, 데이터는 여러 단계를 거쳐 최종 목적지로 안전하게 도착합니다.
그 외에도 데이터 전송 효율을 결정하는 요인에는 대역폭(Band Width)나 전력, 안테나 기술 등 다양한 요인이 있지만 기본적인 데이터 전송은 이정도만 알고 있으면 충분합니다. 자세한 기술에 대한 내용은 나중에 다루도록 하겠습니다.
결론
데이터가 비트로 시작하여 패킷으로 묶이고, RB를 통해 할당된 자원으로 전송된 후, 모듈레이션을 통해 전파에 실려 전송되는 과정을 살펴봤습니다. 이 과정은 네트워크가 효율적이고 안정적으로 데이터를 전달하는 핵심적인 구조입니다. 앞으로 통신 기술이 더 발전하면서 이 과정은 더욱 최적화될 것이며, 더 빠르고 효율적인 데이터 전송이 가능해질 것입니다.
