[WiFi] IEEE 802.11 WIFI의 PHY 계층에 대해서 알아보자

프롤로그

2026.03.18 - [네트워크] - [WiFi] IEEE 802.11 계층과 프레임에 대해 알아보자 (Wireshark로 뜯어보는 802.11 Frame의 모든 것)

[WiFi] IEEE 802.11 계층과 프레임에 대해 알아보자 (Wireshark로 뜯어보는 802.11 Frame의 모든 것)

예전에, 계층에 대해서 우리는 알아보았다.

802.11은 크게 PHY 계층과 MAC 계층으로 나뉘며, 각 계층은 다시 두 개의 부계층으로 구성되어 있다.

이중에서 그동안 우리는 MAC 계층에 집중해, WiFi 7 인 802.11be 환경에서 MAC이 어떻게 확장되었는지, 특히 Multi-Link Operation(MLO)과 같은 기능들이 실제로 어떻게 동작하는지를 Wireshark를 통해 확인하며 살펴보았다.

 

이제는 PHY 계층에 대해서 조금 더 집중적으로 확인해볼 것이다.

https://www.sharetechnote.com/html/WLAN_PHY_Frames.html

WiFi | ShareTechnote

참고 자료로는 위 ShareTechnote 내용을 기반으로 하되, 전체 효준을 모두 나열하기 보다는 현재 연구중인 Wifi 7에도 공통적으로 적용되는 구조와 흐름 위주로 정리할 예정이다.

PHY 구조는 표준마다 세부적으로 차이가 있지만, 큰 흐름은 OFDM이 도입된 802.11n 시점부터 현재까지 이어진다.

따라서 이번 글에서는 오늘날 고속 무선랜의 기틀이 된 802.11n(HT)의 구조를 기반으로, 이후 표준들이 어떻게 확장되어 왔는지를 확인해보도록 하자.

---

802.11 버전,  알파벳의 정체는?

어쨌든 새로운 챕터로 넘어온 만큼, 가볍게 개념 하나부터 짚고 넘어가자.

앞에서도 802.11be, 802.11n처럼 802.11 뒤에 알파벳이 붙는 것을 확인할 수 있었다. 이 알파벳은 각 표준의 확장(amendment)을 의미한다.[나는 그냥 버전 정도로 이해하고 있다]

표기는 a, b, c, d, e … 순으로 진행되다가, z 이후에는 aa, ab, ac …와 같이 이어지며 계속 확장된다.

 

이 알파벳은 단순한 출시 순서라기보다, 기능이 추가된 개별 표준 문서의 식별자라는 점이다. 사용자들이 이해하기 어렵다는 피드백 때문에, Wi-Fi 연합(Wi-Fi Alliance)에서는 숫자를 붙인 세대 명칭을 함께 사용하고 있다. 우리가 흔히 사용하는 명칭과의 관계를 정리하면 다음과 같다.

Wi-Fi 세대	표준 명칭 (Amendment)	주요 특징 (Key Point)
Wi-Fi 4	802.11n	MIMO 도입, 속도의 비약적 상승
Wi-Fi 5	802.11ac	5GHz 대역 집중, 기가비트 와이파이
Wi-Fi 6	802.11ax	효율성 강조 (고밀도 환경 최적화)
Wi-Fi 6E	802.11ax	6GHz 대역으로의 영토 확장
Wi-Fi 7	802.11be	EHT(초고처리량), MLO 기술 도입
Wi-Fi 8	802.11bn	(예정) Ultra High Reliability 중심

참고: 현재는 통신뿐만 아니라 Wi-Fi Sensing을 위한 확장 표준인 802.11bf도 활발히 연구되고 있다. 이는 와이파이 신호의 변화를 감지해 사람의 움직임이나 호흡을 측정하는 기술이다.

각 표준별로 어떤 내용이 바뀌었는지 보고싶다면

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?m_temp1=2034&id=292

802.11

해당 링크를 참고하면 된다.

 

---

PHY 계층

물리계층은 무엇이고, 어떤 계층으로 이루어져 있는지는, 

2026.03.18 - [네트워크] - [WiFi] IEEE 802.11 계층과 프레임에 대해 알아보자 (Wireshark로 뜯어보는 802.11 Frame의 모든 것)

[WiFi] IEEE 802.11 계층과 프레임에 대해 알아보자 (Wireshark로 뜯어보는 802.11 Frame의 모든 것)

여기서 개념만 간단하게 설명했었으니까, 넘어가도록 하자.

 

핵심만 정리하면,

MAC은 “언제 보낼지”를 결정하지만
PHY는 “신호가 실제로 어떻게 전달되는지”를 결정한다.

 

그리고 물리계층은 또

계층	역할
PLCP	MAC frame 에서 PHY frame 변환
PMD	실제 무선 신호 전송

이렇게 나뉘어져 있다.

 

수신기 입장에서 PHY는 결국 “이 신호를 어떻게 인식하고, 해석하고, 복원할 것인가”의 문제다.

이를 가능하게 하는 핵심 단계는 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

 

 

1. 동기화(Synchronization)  - 언제 시작하는가?

무선 환경에서는 다양한 신호와 잡음이 섞여 있기 때문에, 수신기는 먼저 유효한 프레임의 시작 지점을 찾아야 한다.

이를 위해 패킷의 맨 앞에는 Preamble이라는 특수한 패턴이 포함된다.

이 Preamble을 통해 수신기는

• 신호의 존재를 감지하고
• 타이밍을 맞추며
• 이후 데이터를 처리할 준비를 한다

이때 STF, LTF라는 개념이 존재한다.

 

• STF (Short Training Field): "나 지금 들어간다!"라고 알리는 신호탄. 패킷의 존재를 빠르게 감지하고, 대략적인 동기화를 수행
• LTF (Long Training Field): 주파수가 얼마나 틀어졌는지 , 채널 특성(왜곡, 위상, 주파수 오프셋 등)을 추정해서 미세하게 보정

즉, 

STF는 “신호가 들어왔다”를 감지하는 단계, LTF는 “이 신호를 어떻게 보정해서 읽을지”를 계산하는 단계다.

 

2. 시그널링 - 어떻게 읽어야 하는가?

 

프레임의 시작을 찾았다면, 이제 해당 신호를 어떤 규칙으로 해석해야 하는지를 알아야 한다.

이를 위해 SIG 필드가 사용된다. SIG는 밑에서 다시 한 번 정리를 할 거기 때문에 지금은 간단하게만 설명한다.

• SIG 필드 (L-SIG, U-SIG 등): "이 패킷은 Wi-Fi 7이고, 320MHz 대역폭을 쓰며, 4096-QAM으로 복조해야 해"라고 알려주는 일종의 설명서(물론 직접적으로 저렇게 얘기하지는 않고, 간접적으로 말하기는 한다)

이 필드에는

• 변조 방식 (MCS)
• 대역폭 (20 / 40 / 80 / 160 / 320 MHz)
• 길이 정보
• 사용자/스트림 정보

이러한 정보가 들어간다. 즉, “이 신호를 어떤 방식으로 복조해야 하는지 알려주는 메타데이터” 셈이다.

공격자가 이 SIG 필드를 조작했을 경우, 수신기는 패킷을 잘못 읽거나 무시하게 된다.

 

 

 

3. 복조(Demodulation) : 진짜 내용은 무엇인가?

SIG 정보를 통해 해석 규칙을 얻었다면, 이제 실제 신호에서 데이터를 복원하는 단계다.

대표적인 변조 방식으로

• BPSK
• QPSK
• QAM (16, 64, 256, 1024, 4096 등)

이 방식들은 전파의 위상(phase)과 진폭(amplitude)을 조절하여 비트 정보를 표현한다.

이 부분에 대해서는 한 번 정리할 기회가 있다면 정리하도록 하겠다. 무선 통신 시스템 설계를 할 때 변조-복조 개념은 거의 필수적으로 나온다.

WiFi 7의 4096-QAM은 하나의 심볼에 매우 많은 비트를 담을 수 있지만, 그만큼 높은 SNR(신호 품질)을 요구한다.

즉, 변조가 복잡해질수록 전송 효율은 증가하지만, 채널 상태가 나쁘면 오히려 오류가 증가한다.

 

 

 

위 세 가지를 정리하면 다음 흐름으로 요약할 수 있다.

1. Preamble (STF/LTF) :  신호 감지 및 동기화
2. SIG 필드 : 해석 규칙 획득
3. Data 복조 : 실제 비트 복원

 

물리 계층 프레임에 대해 간단히 미리 보면, 다음과 같은 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.

위와 같이 프레임을 보면 STF, LTF, SIG 등 다양한 필드들이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

이러한 요소들은 단순히 나열된 것이 아니라, 앞에서 설명한 PHY 수신 메커니즘들인

• 동기화 (Synchronization)
• 시그널링 (Signaling)
• 복조 (Demodulation)

를 실제로 구현하기 위해 순서대로 배치된 구조라고 볼 수 있다.

즉, 프레임의 앞부분(Preamble)은 신호를 인식하고 보정하기 위한 구간이고, 그 이후의 필드는 신호를 해석하고 데이터를 복원하기 위한 정보를 담고 있다.

이제 각 필드가 어떤 역할을 하는지, 그리고 실제로 수신 과정에서 어떻게 사용되는지를 하나씩 자세히 살펴보자.

---

PHY Frame 구조

PHY구조는 다음과 같다

Preamble, Header가 MPDU앞에 붙는다.

 

Preamble — “신호를 인식하고 준비하는 구간”

Preamble은 수신기가 이 신호를 처리할 수 있도록 만드는 준비 단계이다.

주요 역할은 다음과 같다:

• 신호 존재 감지
• 타이밍 동기화
• 채널 상태 추정

즉, “이제부터 유효한 프레임이 시작된다”는 것을 알리고, 수신기가 신호를 제대로 해석할 수 있도록 환경을 맞추는 구간이다.

핵심 메커니즘 중에서 "동기화"에 해당한다.

 

 

Header (PLCP Header) — “해석 방법을 알려주는 구간”

Header는 이후 데이터가 어떤 방식으로 전송되었는지를 설명하는 정보다.

포함되는 내용은 다음과 같다:

• 변조 방식 (MCS)
• 전송 길이
• 대역폭 등 PHY 파라미터

즉,

“이 신호를 어떤 규칙으로 읽어야 하는지”를 알려주는 설명서 역할을 한다.

핵심 메커니즘에서 시그널링에 해당한다.

 

Data (PSDU/MPDU) — “실제 전달되는 내용”

마지막 Data 영역은
MAC 계층에서 내려온 실제 프레임(MPDU)이 담긴 구간이다.

• 사용자 데이터
• 제어 프레임 등

PHY 입장에서는 이 영역은 “복조해서 위 계층으로 넘겨야 할 대상”이다.

핵심 메커니즘에서 복조에 해당한다.

Preamble은 “읽기 위한 준비”,
Header는 “읽는 방법”,
Data는 “읽어야 할 내용”

 

---

Preamble

Preamble은 PHY 프레임의 가장 앞에 위치하며, 수신기가 신호를 정상적으로 해석하기 위한 준비 과정을 담당한다.

단순한 “헤더 이전 영역”이 아니라, 실제로는 수신 알고리즘이 가장 먼저 사용하는 구간이다.

Preamble은 “신호를 찾고, 시간/주파수를 맞추고, 채널을 추정하는 과정”이다.

즉, 데이터 해석 이전에 필요한 모든 보정을 수행한다.

 

OFDM 기반 PHY 구조는 802.11a/g에서 본격적으로 사용되었고, 802.11n에서는 고속 전송(HT, High Throughput)을 위해 MIMO-OFDM 구조가 도입되었다.

다만 새로운 표준이 등장하더라도 기존 802.11a/g 장비와의 호환성을 유지해야 했기 때문에, 802.11n PHY는 Non-HT, HT-Mixed, HT-Greenfield와 같은 전송 모드를 제공한다.

 

• Non-HT: 기존 802.11a/g 방식과 호환되는 전송 모드
• HT-Mixed: Legacy preamble 뒤에 HT 전용 필드를 추가하여, 기존 장비와의 공존을 유지하면서 HT 전송을 지원하는 모드
• HT-Greenfield: Legacy 호환 필드를 줄이고 HT 장비만 존재하는 환경을 가정한 전송 모드

 

이후 표준들도 이 구조를 기반으로 확장되었기 때문에, 802.11n의 PHY 구조를 이해하는 것은 매우 중요하다.

실제 환경에서는 호환성 때문에 HT-Mixed가 일반적이라고 보면 된다. 

Preamble은 크게 STF와 LTF로 구성된다.

 

STF (Short Training Field)

짧은 OFDM 심볼(0.8 μs)이 10번 반복되어
총 8 μs 길이를 가진다.

• 신호 감지
• AGC(자동 이득 조절)
• coarse time synchronization

즉, 수신기가 “이건 노이즈가 아니라 유효한 신호다”라고 판단하는 단계이다.

---

LTF (Long Training Field)

LTF는 긴 OFDM 심볼(3.2 μs)과
Guard Interval(1.6 μs)이 결합된 구조로 이루어진다.

1.6 μs GI + 3.2 μs Long Symbol + 3.2 μs Long Symbol

• 채널 추정 (multipath 포함)
• 주파수 오프셋 보정 (kHz 수준)
• fine synchronization

즉, 신호 왜곡을 계산하고 복구를 위한 보정값을 얻는 단계

STF는 “신호를 찾는 단계”,
LTF는 “신호를 정확하게 맞추는 단계”

 

또한 LTF를 통해 채널 추정이 제대로 이루어지지 않으면, 고차 변조(예: 256-QAM, 4096-QAM)에서는 복조 성능이 급격히 저하된다.

기본적으로 Preamble은 STF -> LTF -> SIG 순서로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Non-HT와 HT-Mixed의 경우, 기존 장비와의 호환성을 유지하기 위해, 기존 장비를 뜻하는 Legacy 필드가 프레임의 앞부분에 포함된다.

따라서 다음과 같은 구조를 가진다:

• L-STF → L-LTF → L-SIG

이 영역은 구형 802.11a/g 장비도 신호를 감지하고 기본적인 동작을 수행할 수 있도록 하기 위한 구조이다.

반면 HT-Greenfield는 이러한 Legacy 호환을 고려하지 않은 구조로, HT 장비만 존재하는 환경을 가정한다. 따라서 L-STF/L-LTF/L-SIG 없이 HT 전용 필드로만 이루어져있다.

그래서 구형 장비에서는 해당 프레임을 인식할 수 없다.

 

STF와 LTF에 대해서는 방금 설명했고, L-STF/L-LTF와 HT-STF/HT-LTF (High Throughput)의 차이점이 궁금할 수 있는데, 

L-STF와 L-LTF는 모든 장비가 공통적으로 이해할 수 있는 Legacy 구조로, 기본적인 신호 감지와 채널 추정을 담당한다.

반면 HT-STF와 HT-LTF는 802.11n 이후 도입된 구조로, MIMO 환경에서의 정확한 채널 추정과 spatial stream 분리를 위해 사용된다.

 

즉, L-STF/L-LTF는 “기본 동작과 호환성”,HT-STF/HT-LTF는 “고속 전송을 위한 확장 기능”이라고 볼 수 있다.

HT에서는 MIMO 환경을 지원하여 고속 데이터 전송 가능하게 만들기가 목적이기에,

HT-STF에서는

• MIMO 환경에서 추가적인 동기화
• spatial stream 구분 준비

 

HT-LTF에서는

• 각 spatial stream별 채널 추정
• MIMO 채널 행렬 추정 (H matrix)

기능을 수행한다.

구분	L-STF / L-LTF	HT-STF / HT-LTF
대상	Legacy (a/g)	HT (n 이상)
목적	기본 동작	MIMO 지원
채널 모델	단순 (SISO)	복잡 (MIMO)
호환성	매우 높음	HT 전용

 

보면 또 LTF1., LTF2, ..., LTFn이 있는 게 보이는데,

HT-LTF가 여러 개 존재하는 이유는 단순한 반복이 아니라, MIMO 환경에서 각 spatial stream의 채널을 개별적으로 추정하기 위함이다.

단일 안테나 환경에서는 하나의 채널만 고려하면 되지만, MIMO에서는 여러 안테나 간 신호가 서로 섞여 도착하기 때문에 각 경로를 분리하여 추정하는 과정이 필요하다.

이를 위해 각 HT-LTF는 서로 구분 가능한 패턴으로 전송되며, 수신기는 이를 기반으로 채널 행렬을 추정하게 된다.

즉, HT-LTF의 개수는 전송되는 spatial stream의 수와 밀접한 관계를 가진다.

MIMO 환경에서 LTF 개수 = 추정해야 하는 채널 개수 (≈ spatial stream 수)이다.

Spatial Stream 수	HT-LTF 개수
1	1
2	2
3	3
4	4

• 802.11n → 최대 4 streams
• 802.11ac/ax → 8 streams
• 802.11be (WiFi 7) → 16 streams까지 확장

로 계속 구조가 확장되고 있다.

 

---

Header

다음은 , STF/LTF로 신호로 프레임을 찾았으니까, 이제 해당 신호를 어떤 규칙으로 해석해야 하는지를 알아보자. 이는 SIG필드를 이용해서 맞춘다.

다시 구조를 보면, 여기서 SIG에 대해서 알아볼 것이다.

 

 

SIG filed

SIG 필드는 Preamble 이후에 위치하며, 수신기가 데이터를 어떤 방식으로 해석해야 하는지를 결정하는 정보가 포함된다.

Preamble을 통해 신호를 감지하고 채널 보정을 완료한 이후, SIG 필드를 통해 변조 방식, 대역폭, 전송 길이 등의 정보를 확인하여 올바른 방식으로 데이터를 복조하게 된다.

특히 L-SIG는 모든 프레임에 공통적으로 포함되어 하위 호환성을 유지하며, 이후 HT, VHT, HE, EHT와 같은 확장 SIG 필드들이 추가되어 각 표준에 맞는 전송 방식을 정의한다.

 

1. L-SIG (Legacy Signal) — 하위 호환성을 위한 기본 신호

L-SIG는 802.11a/g/n/ac/ax/be 등 모든 현대 Wi-Fi 프레임에 포함되는 필드로,총 24비트로 구성되어 있다.

• Rate (4 bits)
  Legacy 기준 전송 속도 (예: 6 Mbps, 54 Mbps 등)
• Length (12 bits)
  프레임의 전송 길이 (Byte 단위, legacy 기준)

구형 장비(802.11a/g)는 L-SIG만 해석할 수 있다. 따라서 자신이 이해할 수 없는 고속 프레임을 수신하더라도, L-SIG의 Length 정보를 기반으로 다음과 같이 동작한다

“현재 채널이 사용 중이므로, 해당 시간 동안은 전송을 하지 않는다”

이 메커니즘을 통해 서로 다른 세대의 장비 간에도 충돌 없이 공존이 가능해진다. 이를 흔히 L-SIG Protection이라고 한다.

 

2. HT-SIG (High Throughput Signal) — 802.11n의 확장 신호

802.11n에서는 MIMO와 고속 전송을 지원하기 위해 기존 L-SIG만으로는 부족한 PHY 파라미터를 전달할 필요가 생겼다.

이를 위해 HT-SIG1과 HT-SIG2 두 개의 심볼이 추가되었다.

• MCS (7 bits)
  변조 방식과 코딩율을 포함한 전송 방식
• Channel Bandwidth (1 bit)
   20 MHz / 40 MHz 구분
• Short GI (1 bit)
  Guard Interval을 줄여 전송 효율을 높였는지 여부
• FEC Coding (1 bit)
  오류 정정 방식 (BCC / LDPC)

HT-SIG는 “고속 전송을 위한 상세 설정 정보”를 전달하는 필드이다.

 

L-SIG가 최소한의 호환성을 위한 정보라면, HT-SIG는 실제 고속 데이터 전송을 위한 정밀한 PHY 설정값을 전달하는 역할을 한다.

전체적인 구조는

https://www.sharetechnote.com/html/WLAN_PHY_Frames.html

WiFi | ShareTechnote

여기서 확인하자.

 

 

 

에필로그

802.11 물리계층에 대해서 간단히 알아보았다.

매트랩으로 다음과 같이 물리계층으로 신호를 보내는 와이파이 패킷을 잡고, 이를 L-STF/L-LTF , SIG등으로 나눠서 직접 어떤 방식으로 신호를 보내는지 분석을 해볼 것이다

(원래 이번 글에 다 쓸려고 했는데, 매트랩 코드가 준비가 다 안 되고 생각보다 오래 걸릴 거 같아서 여기서 종료한다)