컴퓨터 네트워크(2023.9.20)

<Attenuation and amplification> - Digital
Original - Transmission medium - Attenuated - Amplifier -> Amplified
  - Attenuated = signal + noise
  - Attenuated + Amplifier = regenerator(재생) 
*Amplifiers : 증폭기
*Repeater : 중계기


<Distortion>
- 신호의 모양이 변경(signal changes its form or shape)
- Each signal frequency component has its own 'propagation(전파) speed' -> 신호가 이동하면서 신호의 모양이 변경
  - 위상(phase)이 발생(Components out of phase) -> 시간차이 때문
  - 원래신호(Compositive signal received)를 만들기 위해 같아야 하는 것 3가지 : 주파수, 주파수의 크기, 위상



<그림의 의미>
- 각 주파수별로 위상이 생기는것을 보여주기위해



<Noise(잡음)>
- thermal nosie(열잡음) : the random motion of electrons in a wire
- induced noise(유도잡음) : sources such as motors
- crosstalk(혼선) : 전기신호에서 전자파 신호가 옆집 회선에 유도가되서 혼선이 발생
- impulse noise : 잡음이 팍팍 튀는 것

Transmitted -> Noise(Additive White Gaussian Noise(AWGN)) -> Received 
*AWGN : 모든 주파수 대역에 쫙 깔린 상존잡음
*Gaussian : Sampling을 한 값을 히스토그램으로 표현하면 Gaussian과 비슷





<SNR(Signal to noise ratio)>
1. High SNR
- Signal(크다) + Noise(작다) = Signal + noise(Signal이 noise보다 작다)

2. Low SNR
- Signal(작다) + Noise(크다) = Signal + noise(Signal이 noise보다 크다)
*Power = V^2(전압)
*SNR = (average siganl power)/(average noise power)
*SNR(dB) = 10logSNR


<문제>
- The power of a signal is 10mW and the power of the noise is 1mW(마이크로와트);
  What are the values of SNR and SRN(dB)?

- sol
  SNR = (10,000mw)/(1mw) = 10,000
  SNR(dB) = 10log10,000 = 40dB




<Data Rate Limits>
- how fast we can send data, in bits per second, over a channel
- Two theoretical formulas were developed to calculate the data rate : one by Nyquist for a 'noiseless channel(잡음이 없는 채널 -> 이상적인 채널)',
  another by 'Shannon for a nosiy channel'

1. For noiseless channel
  BitRate = 2 * bandwidth(채널의 대역폭) * log2L

*r(t) = s(t) * h(t) //r(eceive) : 수신, s(end) : 송신
*R(f) = S(f) * H(f)
*For BW = 4kHz & binary data
*Bit rate(max) = 2 * 4k * 1 = 8kbps
*L : the level of quantization, 신호 level



<문제>
- We need to send 265 kbps over a noiseless channel with a bandwidth of 20kHz
  How many signal levels do we need?

- sol
  265000 = 2 * 20000 * log2L -> log2L = 6.625 -> L = 2^(6.625) = 98.7 levels (level은 정수여야 한다)
  즉, 98.7보다 큰 128 level을 사용해야 한다
  따라서 L에 128을 대입하면 280kbps가 나온다(265kbps보다 280kbps가 더 빠르다) 
  하지만, level을 64로 낮추면 더 낮게나오므로 값보다 크고 가까운 2^n을 찾아야한다


2. Noisy Channel : SHannon Capacity
- Capacity = bandwidth * log2(1 + SNR)
*이 수식은 모뎀 방식과 같은 전송 방식과는 무관하다 -> 모든 모뎀에 적용 가능
*잡음이 있는 경우, 데이터 전송속도에 관계된 두가지 요소 : bandwidth, SNR




<Bandwidth(대역폭)>
- bandwidth in hertz : 통신채널의 주파수 대역폭(medium channel bandwidth) [단위 : Hz]
- bandwidth in bits per second : 데이터의 전송속도(data bit reate) [단위 : bps]
- The bandwidth of a subscriber line(가입자 선로) is '4kHz' for voice or data
- The bandwidth of this line for data transmission can be up to '56,000 bps' using a sophisticated
  modem to change the digital signal to analog





<Throughput(실제로 네트워크를 통해서 전달되는 속도)>
- how fast we can actually send data through a network
- bandwidth in bits per second and throughput seem the same, they are different
- A link may have a bandwidth of B bps, but we can only send T bps through this link with throughput, T always less than B
  - B(bandwidth) > T(throughput) - 실제로 데이터를 전송하는 속도




<Latency(Delay)>
- how long it takes for an entire message to completely arrive at the destination from the time the first bit is sent out from the source
- propagation(전파) time, transmission time, queuing time and processing delay
- Latency = propagation time + transmission time + queuing time + processing delay

  - propagation time = distance(송수신기간의 거리) / propagation velocity(전파속도, =3*10^8m/s)
  - transmission time = message size / data bit rate
  - Queuing time(packet들이 몰려있어 대기하는 시간) depends on the network traffic
  - Processing delay(router에서 처리하는 시간) depends on the hardware performance
*router : 둘 이상의 패킷 전환 네트워크 또는 서브네트워크를 연결하는 장치



<Bandwidth-Delay Product>
- Bandwidth * delay




<Jitter>
- jitter is a problem is if different packets of data encounter different delays
- jitter가 크면 통신에서 error가 난다




<Digital transmission>
- In digital transmisson = digital signal
  - if data are digital, we need to use digital-to-digital conversion techniques
  - if data are analog, we need to use analog-to-digital conversion

- 즉, digital data(0,1,0,1...)를 digital signal로 바꿔서 보내야한다
- Sender가 Digital data보내기 - Encoder(부호기) -> Link(Digital signal, 파형(wave)) -> Decoder(복호기) - Receiver가 Digital data 받기
- Data element : the smallest entity represent a piece of information(단위 : bit)
- Signal element : the shortest unit of a digital signal
- Data element는 signal elemenet에 의해 전달
- Ratio(비율) r = data element(bit rate N) / signal element(baud rate S)
  - r이 작을수록 통신에는 주파수 대역폭이 많이 필요

- The conversion involves three techniques
  - line coding, block coding, and scrambling
  - Line coding is always needed
  - Block coding and scrambling may or may not be needed




<Line Coding>
- the process of converting digital data to digital signals(즉, digital data를 digital signal로 변환하는 과정)