'컴퓨터 네트워크' 시리즈
  1. [Network] Data and Signals
  2. [Network] Digital Transmission
  3. [Network] Analog Transmission
  4. [Network] Error Detection and Correction
  5. [Network] Framing / Error Control
  6. [Network] Medium Access Control
  7. [Network] Case Study: Wi-Fi
  8. [Network] Internet Addressing
  9. [Network] Internet Protocol (IP)
  10. [Network] Routing
  11. [Network] Other Network-Layer Related Protocols
  12. [Network] Scheduling and Traffic Shaping
  13. [Network] Transport Layer

⭐Digital-to-Digital Conversion

✦ Digital-to-Digital Conversion

  • binary data → digital data 로 변환

◆ Data Element & Signal Element

  • Data Element : 보내야 할 데이터

  • Signal Element : signal 을 끊어 읽는 단위

  • r = signal element 에 들어가는 data element 수
    • r = \frac{\text{data element}}{\text{signal element}}

◆ Units of Data and Signal Transmission

  • Data transmission rate
    • 초당 보내지는 data element 수
    • 단위 : bps
  • Signal transmission rate
    • 초당 보내지는 signal element 수
    • 단위 : baud → r 값 알면 bps 로 변환 가능

◆ DC Component

  • frequency 가 zero 인 component
  • 움직임이 없음
  • 문제점 : AC-coupled link 통과 불가
  • 2 가지 결과
    • Baseline wandering
    • Clock drift 1. Baseline wandering
    • 같은 bit 가 계속 지속되면 signal 이 0V 쪽으로 서서히 가게 된다
    • 0V 에 가까워 질수록 noise margin 높아짐 1. Clock drift
    • device 마다 clock speed 살짝씩 다르다
    • 그렇기에 Self Sychronization 통해서 clock을 맞춤
      • 그러나 bit 에 변화가 없으면 보정할 수 없다
      • NRZ-L 보다 NRZ-I 가 나음
        • NRZ-L : 0 or 1 계속되면 DC 생김
        • NRL-I : 0 계속되면 DC 생김, 1 반복되면 계속 변화 → DC 안생김 → 우리는 이 문제들 해결 위해 최대한 변화가 있도록 만들어야 한다!

✦ Line Coding Schemes

◆ Unipolar Encoding

  • polar : 극
  • Unipolar : 한쪽 극만사용
  • Unipolar NRZ (Non-Return-to-Zero)
    • bit 1 → high volt
    • bit 0 → zero volt

◆ Polar Encoding

  • 양쪽 극 모두 사용 : +V, -V
  • NRZ-L (Level) : volate level 따라 값 결정
    • bit 0 → +V
    • bit 1 → -V
  • NRZ-I (Inverted) : 신호 전이(transition) 유무로 데이터를 인코딩
    • bit 0 → 전이 없음
    • bit 1 → 전이 발생
  • Unipolar 보다 많이 사용
    • 평균이 0 에 가까워야 좋다.
    • 평균이 0 이 아니면 DC component 존재
  • RZ (Return-to-Zero)

    • 각 bit 가 2 signal 사용 (1 bit : 2 baud)

    • 장점 : 계속 변화 → Self synchronization
    • 단점
      • baud 가 2배
      • signal level 3개 (+V, 0V, -V) → noise margin 높아짐
      • baseline wandering 문제 여전히 존재
  • Manchester encoding
    • signal element 2개 사용
      • 0 : 위 → 아래
      • 1 : 아래 → 위
    • differential Manchester : NRZ-I 와 비슷
      • 0 : 앞이랑 반대로
      • 1 : 앞이랑 똑같이
    • 장점
      • level 2개 사용
      • DC component (X), baseline wandering (X), clock drift(X)
    • 단점
      • 한 bit 에 2 signal element 사용 (baud 가 두 배)

◆ Bipolar Encoding

  • level 3개 사용 : +V, 0V, -V
  • AMI (Alternate Mark Inversion)
    • 0 → 0V

    • 1 → +V, -V 번갈아서 → 평균 맞추기 위함!

    • DC component (X), but 0 만 계속 등장하면 clock drift 발생 가능

◆ Multilevel Encoding

  • mBnL : n개의 signal element 로 m 개의 data element 표현
    • L 은 signal level 수
      • B : Binary (2)
      • T : Ternary (3)
      • Q : Quaternary (4)
    • ex) 2B1Q / 8B6T
  • 2B1Q
    • 2 bit 가 한 signal element 로 mapping
    • 4 signal levels (Q)

    • DSL 에서 사용

    • 00 / 01 / 10 / 11 → 2 bit 씩 묶어서 표현
      • 0X → 앞이랑 부호 같음
      • 1X → 앞이랑 부호 반대
      • X0 → 1
      • X1 → 3
  • 8B6T
    • 100BASE-4T 에서 사용
    • level 3개 6 signal element 로 8 bit 표현
      • 3^6 = 729 로 2^8 = 256 개 표현
      • 특정한 pattern 만 사용
    • +, - 균형이 맞는 pattern 만 사용
      1. + 와 - 갯수가 일치
      2. + 가 한 개 더 많음 → 이 다음 나오는 불균형 신호는 invert 해서 - 가 하나 더 많도록 해 상쇄한다.

◆ MLT-3

  • LAN 0 에서 사용
    • 다음 bit 가 0 → 앞이랑 똑같이
    • 다음 bit 가 1 →
      • 현재 level 이 0 이 아님 → 0
      • 현재 level 이 0 임 → 바로 직전 +, - 의 반대
  • baseline wandering → 발생 가능성 낮지만 완전 없지는 않음.
  • clock drift → 0이 연속적으로 나오면 level 고정

✦ Block Coding

  • mB/nB coding
    • m bits 의 data (원래 input) → n bits 로 coding 해서 보냄
    • 더 “큰” bit 로 mapping
  • 목표 : self-sychronization, error detection

◆ 4B/5B

  • NRZ-I 는 좋은 transmission rate (r = 1) 보여줌, but self-synchronization 문제 있음
  • 0 이 계속 나오면 문제 발생 → 연속적인 0이 나오지 않도록 만들기

  • 4 bit → 5 bit 로 바꿔서 0이 연속으로 4개 이상 안 나오도록
    • 앞 둘 중 반드시 1 들어가기
    • 뒤 셋 중 반드시 1 들어가기 → 조건에 모두 만족하는 pattern 만 선택

ex) 01001 (O) 00111 (X)

  • 몇 개의 pattern 이 가능한가?

    • 조건을 만족하지 않는 pattern 은 특수 sequence 로 사용 or 오류 검출에 사용

✦ Scrambling

  • 목표 : 0 지속 막기 → bit 추가 사용 X
  • AMI 를 변형해 사용

◆ B8ZS

  • 북미 표쥰
  • 00000000 → 000VB0VB
    • V (Violation) : 원래 AMI 에선 위 → 아래 → 위 순서여야 하지만, 그걸 위반하고 전 신호를 그대로 사용
    • B (Bipolar) : 원래 rule 대로 위 → 아래 → 위 순서 이동

◆ HDB3

  • 유럽 표준
  • 직전 V 이후 1의 개수가
    • 홀수 : 0000 → 000V
    • 짝수 : 0000 → B00V

→ 한쪽 polar 로 치우치치 않도록

✦ Case Study : Ethernet Physical Layer

◆ Ethernet

  • 유선 인터넷

  • LAN (local, 강의실 정도), MAN (metropolitan, 마포구 정도), WAN (wide, 우리나라 정도) → 네트워크 커버 영역

  • IEEE 802.3 → Ethernet 표준 cf) IEEE 802.11 → Wi-Fi 표준

◆ Ethernet Cable

  • 여러 다양한 종류의 전선 있음
  • Cat 높을 수록 max transmission speed ↑

◆ Ethernet Standards

  • Major
    • 10BASE5 : 10Mbps, baseband transmission, max 500m
      • RG-8 thick cable 사용
    • 10BASE2 : 10Mbps, baseband transmission, max 200m
      • RG-8 thin cable 사용
    • 10BASE-T : 10Mbps, baseband transmission, twisted pair
      • max 길이 약 100m
    • 100BASE-TX : 100Mbps, 2 twisted pair → Fast Ethernet
    • 1000BASE-T : 1Gbps, 4 twisted pari, 5 level coding
    • 10GBASE-T : 10Gbps
  • Coding Scheme
    • 10BASE-5, 10BASE-2, 10BASE-T → Manchester Encoding
    • 100BASE-TX → MLT-3 + 4B/5B
    • 1000BASE-T → 8B1Q4 & 4D-PAN5
    • 10GBASE-T → PAM-16 + DSQ128 + LDPC

⭐Analog-to-Digital Conversion

✦ Analog-to-Digital Conversion

  • analog data : multimedia data (음성, 음악, 영화 등) → digital 로 어떻게 변환?

✦ Pulse Code Modulation (PCM)

  • analog data → digital data 변환 방법
    1. Sampling 연속적인 signal 을 0, 1 로 mapping → 주기적으로 점을 읽음 ⇒ PAM signal

  1. Quantizing 연속적인 점의 높이를 discrete 하게 만들기 (양자화)

  2. Encoding 양자화한 data 를 digital 로 만들기

◆ Sampling

  • 주기적으로 진폭 읽기
    • Sampling period : 한번 sampling 을 하는 주기
    • Sampling rate : 1초에 sampling 하는 횟수
      • Sampling period × Sampling rate = 1
  • Nyquist Theorem (Sampling theorem)
    • Sampling rate 는 signal frequency 의 최소 2배여야 한다
      • 더 많이하면 oversampling → 용량 ↑, 정확도 ↑
      • 더 적게하면 undersampling → signal 복구 불가

c. Undersampling: f_s = \frac{3}{4}f

◆ Quantizing

  • amplitude 값을 discrete level 로 바꾸기 → 양자화
    • 듬성듬성 → 용량 ↓, 오차 심함
    • 뺵빽하게 → 용량 ↑, 정확도 ↑
  • Example : 8개의 level 로 나누기
    • normalized PAM values → 원래 값을 5로 나눈 값
    • normalized quantized value → X.5 중간 값으로 바꾼 값
    • normalized error → quantized values - PAM values 차이값
    • quantization code → 각 level 번호
    • encoded word → 보내지는 신호
  • Quantization Error : 실제 값과 quantizied value 의 차이

    • 최대 있을 수 있는 error -\frac{D}{2} ≤ \text{error} ≤ \frac{D}{2}

    • 원본과의 차이

  • \text{SNR}_{dB}
    • 높음 : 원본과 비슷
    • 낮음 : 노이즈가 많음
    • \text{SNR}{dB} = 6.02n_b + 1.76{dB} → 유도식

- n_b = sample 당 bit 수
- quantization error 만 이용해 고려 (noise 고려 X)

◆ Encoding

  • quantizied 된 level 을 bit pattern 으로 바꾸기
  • L 개 level 있으면 n_b = \log_2L
  • 단위 : bit rate
    • bit rate = sampling rate × n_b

◆ PCM Decoder

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