5. PHY Layer

PHY Layer에 대해 설명하기 전에 전 시간에 배운 MAC Layer를 한번 짚고 넘어가자.

 

MAC Layer는 medium을 사용할 권한을 주는 것으로 두뇌의 역할이라고 보면 된다.

그렇다면 행위를 하는 Layer가 필요할텐데 그것이 바로 PHY Layer!(맞나?)

MAC Layer는 PHY Layer를 제어하는 brain역할이며 소프트웨어적인 특성을 갖는다.

하지만 하드웨어로 구현되어있다!..

 

* 하드웨어 vs 소프트웨어

 

- 하드웨어

하드웨어로 구현하면 빠르고 그냥 반도체로 찍어내기 때문에 가격이 저렴하고, 작아지며, 안정적이다.

하지만 유연성이 떨어져 수정이 힘들다.

 

- 소프트웨어

수정이 쉬워 자주 변하거나 upgrade가 필요한 경우 사용한다. 빨리 개발이 가능하다.

 

PHY Layer Services

PHY Layer가 제공하는 서비스는 요런게 있다~

 

• PHY_DATA transfers(속도)
  • multiple rates(1,2,5.5,11Mbps)
  • extended(22,33 or 6,12,24,36,48,54Mbps,..)

 

• Clear Channel Assessment(CCA)
  • carrier sense
  • detect SFD(start frame delimiter) = 프레임의 이동 감지

위의 그림을 설명해보자면

CSMA/CA를 바탕으로 동작하는 MAC이 PHY에게 작업을 시키면 PHY는 작업한 후 결과를 알린다.

MAC은 MAC frame을 통해 작업을 시키고 PHY는 PHY frame을 PHY header로 추가해 MAC에게 전달한다.

이때 PHY frame에는 SFD가 포함되어 있는데

이는 시작하는 프레임을 알려 프레임의 단위가 이동하는 것을 감지하게 해준다.

 

이 SFD를 이용해 frame의 이동을 감지할 수 있으니 채널이 조욘한지 아닌지 판단 가능!

 

• PHY Management
  • channel tuning => 채널을 변경하며 들어봄.

Four PHYs

1. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)
2. Direct Sequence Spread Spectrum(DSSS)
3. Baseband IR(Infrared)
   
   • 적외선 x
4. Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)
   • 현재 사용 중

* OFDM

 

하나의 정보를 여러 개의 반송파(subcarrier)로 분할하고,

분할된 반송파 간의 간격을 최소로 하기 위해 직교성을 부가하여 다중화시키는 변조기술.

내적해서 0 은 상관성이 없다.

여기서 반송파란 통신에서 정보의 전달을 위해 입력신호를 변조한 전자기파(일반적으로 사인파)이다.

 

쉽게 풀어보자면 OFDM은 여러 개의 택배박스를 배송할 때 하나의 큰 트럭을 이용하는 것이 아니라

여러개의 퀵 서비스 오토바이를 이용하는 것이라 보면 된다.

만약 사고가 발생할 경우 큰 트럭은 모든 택배박스의 배송이 불가능하게 되지만

퀵 서비스 오토바이는 사고난 오토바이의 택배박스를 제외한 택배박스(=subcarrier)의 배송이 가능하다.

 

위의 개념은 계속 등장할 예정이니 기억해두자

 

DSSS(Direct-Sequence Spread Spectrum)

말 그대로 정해진 sequence대로 주파수를 넓혀 spread spectrum으로 만드는 것이다.

spectrum이란 x축이 주파수, y축이 power라고 할 때 x축 신호가 어떤 식으로 구성되냐가 스펙트럼이다.

 

왜 사용할까?

주파수가 모였을 경우 noise가 발생하면 그 주파수 대역 자체를 사용할 수 없다.

즉 대역폭이 좁아 신호에 영햐이 많이 간다.

 

따라서 DSSS를 사용해 Bandwidth를 넓혀주면 일부가 깨져도 복구가 가능하다!

또한 백색소음 같이 의도하지 않은 receivers에게 광대역 노이즈(wideband noise)가 된다.

 

위의 Shannon's theorem은 channel의 capacity C를 나타내는데

이는 얼마나 데이터를 빠르게 보낼 수 있느냐를 뜻한다.

식을 살펴보면 S가 클수록, N이 작을수록 빠르지만 이는 log안에 있기 때문에 효과가 미미하고

bandwidth B가 증가할수록 C의 값이 효과적으로 증가합니다.

 

FHSS

FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)

정해진 시간에 따라 주파수를 이동하면서 통신하는 방법.

 

패턴을 모르면 signal을 받을 수 없어 보안성이 높고,

여러 주파수를 사용해서 power를 적게 하여 간섭이 적다.

 

블루투스와 특수 WiFi(ex. RCcar, 드론=> 보안 중요)에서 사용 중이다.

PHY PDU(PPDU) Frame

• 용어
  • PDU(Protocol Data Unit) : 상위 계층이 전달한 데이터에 제어정보를 붙여 완성한 frame.
    • PCI(Protocol Control Unit)  + SDU
    • 받은 SDU 앞에는 Header, 뒤에는 CRC같이 check하는 것을 붙여 완성한 frame을 PDU라 부름. 
    • PHY PDU는 PHY Layer에서 processing이 완료된 완성된 frame.
    • 2계층 (링크) : 프레임
    • 3계층 (네트워크) : 패킷
    • 4계층 (전송) : 세그먼트
  • SDU(Service Data Unit) : payload = 전송되는 데이터. 상위계층에서 보낸 frame

얘를 참고해보시오

 

• PLCP(PHY Layer Convergence Protocol)
  
  • Long PLCP Preamble : 시작을 알림
    
    •  SYNC : 수신기가 시동기를 맞추도록 하며 이후 SFD를 찾음
    • SFD(Start frame delimiter) : 패턴. 비트 동기 110110101011
  • Long PLCP header
    • Signal : data rate(how fast)
    • Service : reserved => 예약된. 사용할 수 없음
    • Length : PSDU 시간 => 길이를 시간으로 표현

 

Unlicensed Operation RF Bands

허가없이 사용 가능한 Band = ISM band : Industry - Science-Medical등에 쓰이는 주파수 대역

 

• 902MHz
  • 26MHz BW(902-928MHz)
  • Crowded and Worldwide limited => 우리나라에서 자유롭게 사용 불가
  • IEEE 802.11 WLAN, cordless phone, etc

 

• 2.4GHz
  • 83.5MHz BW(2400-2483MHz)
  • Available worldwide
  • IEEE 802.11(b/g) WLAN, Bluetooth, ZigBee etc,...

 

• 5.1GHz
  • 5.150-5.250GHz/ 5.250-5.350GHz/5.725-5.825GHz band(Korea)
  • Non-overlapping bands
  • 802.11a WLAN
    • OFDM / 6,12,18,24,36,48,54Mbps / BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Scanning

• STA는 Passive Scanning mode 또는 Active Scanning mode에서 작동함
• Passive Scanning에서는
  • STA는 원하는 SSID(또는 broadcast SSID)를 포함한 Beacon frames를 스캔해야 한다.
  • STA는 ChannelTime 파라미터에 의해 정해진 maximum duration이 지나면 스캔된 channel을 들어야 한다..?
• Active scanning에서는 
  • STA는 원하는 SSID(broadcast SSID도 사용 가능)를 포함하는 Probe request를 보낸다.

정리하자면 

Passive scanning은 Beacon frame이 원하는 SSID를 가지고 있을 때까지 기다려야하고,

Active frame은 원하는 SSID를 AP에게 보내 응답을 기다리므로

주기적인 Beacon의 신호를 기다릴 필요가 없어 훨씬 빨리 찾을 수 있다!

 

이를 지금까지 배웠던 것으로 응용해서 이해해보자.

MAC은 medium access control로 medium 사용 권한을 주는 것이라고 앞에 설명했다.

이 MAC은 PCF과 DCF가 있는데 위의 scanning에서는 접근 순서 이전에 SSID를 찾는 것부터 이므로 이 이야기는 빼겠다.

그리고 와이파이에서 MAC Layer에서 완성하여 주기적으로 AP를 알리는 신호가 바로 Beacon!(나도 몰라 사실)

이 Beacon에는 AP에 관한 정보를 담고 있는데 그중 SSID도 있음.

Passive scanning일 경우 station은 원하는 AP가 SSID를 찾을때까지 기다려야 하는 것이면,

Active scanning은 station이 원하는 AP의 SSID를 요청하면 AP는 절전모드가 절대 아니니까

그 신호를 받는 즉시 응답하여 빠르게 연결 가능!

Channels

지저분하네,,

첫번째 그림(802.11b DSSS)을 살펴보면

간섭을 피하기 위해 채널 사이에 간격을 둔 것을 확인할 수 있다.

 

두번째 그림(802.11g/n OFDM)은

LTE, WiFi의 배경

첫번째 그림과 같은 자원을 이용하지만 기술의 발전으로 

채널의 넓이(=bandwidth)를 잘라 겹치는 부분을 줄여 안정적이고 속도도 증가했다.

 

세번째 그림(802.11n OFDM)은

bandwidth를 늘려 속도를 증가시켰다.

대신 채널 간의 간격이 필요하기 때문에 채널의 개수가 2개로 줄었다.

 

+) 왜 bandwidth를 늘리면 속도가 증가할까?

주파수 하나하나를 자원의 개념으로 보면 

사용 가능한 자원의 양이 늘어나 속도가 증가했다고 보면 된다.