無線網路的技術

1. 無線網路的技術

2. IEEE802.11 • 1997年美國電機電子協會 IEEE (institute of Electrical and Electronics Engineer)公告IEEE802.11無線區域網路標準，在這個規範中，共定義了三種不同的實體屆介面(Medium Address Control; MAC): • 直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum ; DSSS) • 跳頻展頻(Frequency Hopping Spread Spectrum; FHSS) • 紅外線 (lnfrared) 技術

3. IEEE 802.11 • 1999年更進一步提出IEEE 802.11的延伸規格: • IEEE 802.11a, (5GHz頻帶，最高頻寬54Mbps)、 • |EEE 802.11b (2,4GHz頻帶，11Mbps)， • 延伸規範的特性 • 讓無線網路的速度可以與有線網路相比 • 增加了無線網路的實用性， • 也因頻寬的增加，使得一些網路的應用可以擴展至無線網路，如視訊會議、網路電話…等等。

4. Technology Tree for Wireless LAN HomeRF Bluetooth

5. Commercial Products : WLAN Cards • One piece • Two pieces

6. Commercial Products : AP

7. OSI IEEE 802.11

8. IEEE 802系列

9. IEEE802.11中的服務型態 • 分散式服務(Distribution Service) • 連結(Association) • 取消連結(Disassociation') • 重新連結(Re-association) • 分配(Distribution) • 整合(Integration) • 工作站服務(Station Service) • 身分認證(Authentication) • 取消身分認證(De-authentication) • 加密(Privacy) • 資料傳遞(Delivery of the Data)

10. Station AH2 Station Ad Hoc Network AH3 Station AH1 Mobile Station : STA IEEE 802.11 的三種工作站(Mobile Host; MH)的移動模式: • 不跨越基本服務區（Base Service Set）的移動No-Transition • 靜止（STATIC) • 移動但不超過服務區範圍

11. Server Ethernet or Internet DISTRIBUTION SYSTEM (DS) AP AP A B BSS-B Station A1 Station B2 Station Station BSS-A A2 B1 IEEE 802.11 的三種工作站(Mobile Host; MH)的移動模式: • 跨越基本服務區的移動:BSS-Transition。 • 工作站在不同基本服務區 移動，但是仍然屬於同一個延伸服務區(Extended Service Set)。

12. Access Point B Station 6 Station 2 Station 5 Access Point A Access Point C Reassocication Station 4 Station 3 Station 7 Station 1 • 跨越延伸服務區的移動：ESS-Transition • 工作站在不同基本服務區 移動，而且這些基本服務區分屬不同的延伸服務區。

13. 分散式服務(Distribution Service) • 建立連結（Association） • 一個工作站要能夠傅送資料給基地台(Access Point），必須先與基地台建立連結，這項工作是透過連結服務所完戍。當工作站與基地台建立連結之後，基地台會將工作站的資訊紀錄起來，以做為進一步提供服務的依據。當工作站完成與基地台的連結時，工作站就可以利用基地台充分使用分散系統(Distribution System)內的資源，在基本服務區內的工作站都必須主動與基地台建立連結，而且一個工作站只能與一個基地台作連結。 • 取消連結（Disassociation） • 這個服務可由工作站或是基地台提出，當工作站要離開基本服務區時，可以對基地台發出取消連結的訊息，基地台會針對這個訊息更新其系統的資料庫。另外，當基地台要關閉或是因為其他原因無法提供服務時，基地台會發出取消連結的訊息。這種訊息只是一種知會動作，不需要等待對方的回應，所以每個接受方被強迫接受。

14. 分散式服務(Distribution Service) • 重新連結 Reassociation • 這個服務是由工作站主動提出，當工作站從已連結的基地台移至另一個基地台時，工作站就會發出重新連結的訊息。透過這樣的方式，各個基地台可以建立即時且充足的資訊，當其他工作站需要這些資訊時，基地台便可以提供正確的資料。

15. 分散式服務(Distribution Service) • 分配Distribution • 這個服務主要是將分散式系統內的資訊傳送至正確的位置.但是在lEEE802.11中並未定義出要如何將訊息送至正確地點，只是說明要完成這個服務所需具備的資訊。這些資訊將由連結Association、取消連結Disassociation`重新連結 Reassociation 提供。 • 整合Integration • 這個服務是為了提供無線網路與有線網路間能夠交換訊息，也就是可以處理二個不同介面位址的轉換工作。

16. 工作站服務 • 身分認證Authentication • 工作站服務(Station Service)適用於工作站身分確認，在IEEE802,11的標準中，提供了兩種型態的認證服務: • 開放式系統(Open System)：這是最基本的認證方法，工作站送出身 分認證要求的訊息(Authentication Request Frame)給基地台，基地台若接受此一訊息，則回應一個身分確認成功的通知給工作站， 否則基地台就會送出認證失敗的消息。

17. 工作站服務 • 身分認證Authentication • 共享鎖匙(Shared Key):這種方式較為複雜，其身分認證的訊息共分為四種模式： • 第一身分確認訊息 • 第二身分確認訊息、 • 第三身分確認訊息 • 最終身分確認訊息。 • 身分認證過程如下: • 工作站發出第一 身分確認給基地台，當基地台接到這個訊息後，將一串資料經過某 一編碼(Key)加密後，形成第二身分確認的封包傅回工作站， • 工作站再依據相對應的鎖匙將這個加密的封包解密，工作站再將此解密後的資料作為第三身分確認訊息傳回基地台，基地台會比對收 到的資料與原先加密前的資料是否相同，如果相同，則傳回最終身分確認封包，完成身分認證的工作，否則基地台會傳回認證失敗的訊息給工作站。

18. 工作站服務 • 取消身分認證Deauthentication • 已經完成身分認證的工作站，可經由這個服務取消認證，當認證取消後，工作站與基地台間的連結也同時取消。 • 保密Privacy • 由於無線網路是透過無線電波傳送資料，這樣的模式讓任何人都可以接收到傳遞中的訊息，這種情形對資料的隱密性是項很大的挑戰，為了解決這個問題，IEEE802.Il提供使用者在傳遞資料時,可以對資料進行加密與解密的動作，這就是保密服務。 • 資料傳遞 Delivery of the Data • 這個服務提供工作站與工作站間資料的傅遞與接收。

19. IEEE802.11的基本存取技術 • IEEE802.11的標準又稱為無線乙太網路（Wireless、Ethernet)，這是因為802.11的基本技術原理與乙太網路十分類似。 • 乙太網路IEEE802.3實體層(MAC)存取的方式為CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)，其原理是利用偵測碰撞的方式來傳遞訊息，當有資料要送到網路上時，送資料的一方會將封包直接送出，當封包在網路上遇到碰撞時(Collision)，此封包會被退回發送端。

20. IEEE802.11的基本存取技術 • 但是在無線網路中要偵測碰撞十分不容易，所以利用另一種模式來傅輸，這種存取模式便為CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access、with Collision Avoidance)。

21. DIFS Data Src SIFS Dest Ack DIFS Contention Window Other Next MPDU Backoff after Defer Defer Access CSMA/CA • 在CSMA/CA的載波感應模式中，發送端會先偵測環境，假如頻道中沒有其他訊號傅遞時，發送端會先等待一段隨機時間(IFS; Interval Frame Space)，在這一段時間過後，假如還沒有偵測到任何訊號傳遞，發送端就會將封包傳送出去。

22. CSMA/CA • 假如一開始就偵測到已經有訊號使用了這個頻道，發送端會等到頻道淨空，再等待一個隨機的後退 (Backoff）時間，然後重新進入頻道競爭模式，此時普遍歷過後退 Backoff`的發送端在這個競爭模式下會自動提高它使用頻道的優先權(Priority)，這種架構可以邀免有些發送端一直無法取得頻道的使用權，而無法傳送資料。

23. IEEE 802.11資料擷取的方式 • 分散式協調功能 （Distribution Coordination Function; DCF） • 分散式協調功能是透過競爭的模式以取得資料傳遞的權利， • 集中式協調功能(Point Coordination Function; PCF) • 集中式協調功能則是藉由某一個工作站或是基地台主控分配權，其他工作站只是被動告知何時可以傳遞資料，因此在這種模式下，工作站間不必透過競爭的方式來完戍資料的傅送。這樣的功能對時間要求嚴格的服務(Time Bounded Service)來說是很重要的，像是語音訊號、影像訊號等等。

24. MAC Architecture Required for Contention Free Services Point Coordination Function (PCF) Used for Contention Services and basis for PCF MAC extension Distributed Coordination Function (DCF) PHY

25. 優先等級 • IEEE802.11利用等待時間長短定義了三種優先權等級，當等待時間越短時，優先權也越高。這三種等級為: • SIFS (Short Interframe Space) • 這是最短的等待時間，這個等級是用於需要立即回應的封包，如回應封包(ACK)。 • PIFS (Point Coordination lnterframe Space) • 這個等級是用於集中式協調功能的訊息傳遞。 • DlFS (Distribution Coordination lnterframe Space) • 用於分散式協調功能的訊息傳遞。

26. Free access when medium is free longer than DIFS DIFS Contention Window PIFS DIFS SIFS Backoff-Window Next Frame Busy Medium Slot time Select Slot and Decrement Backoff as long as medium is idle. Defer Access 優先等級

27. 當工作站A取得傳遞權，並將訊息發射出去，此時工作站B、C 、D都想傳送資料，但是偵測到空間中已經是忙碌的狀態，於是三者都進入延遲傳遞的狀況。 當工作站A完成資料傳遞且經過DlFS的時間後，所有工作站確定空間是空閒的，再次引發一波競爭模式，此時，因為工作站C等待時間較短，於是搶到發射權，並將資料傳送出去。 當工作站C完成資料傳遞工作後，所有工作站經過DlFS時間後，再次進入競爭視窗，因寫工作站D等待時間較短，於是再次搶到發射權，並將資料遞送出去。 分散式(DCF)協調功能

28. DIFS CWindow A Frame Backoff Frame B CWindow = Contention Window = Backoff = Remaining Backoff CWindow C Frame CWindow D Frame CWindow E Frame 分散式協調功能

29. 集中式(PCF)協調功能 • 集中式協調功能在IEEE 802.11的規劃中，集中式協調功能可以提供依時性（Time Bounded)的相關服務。 • 而這種模式下，主控資料傳遞的裝置稱為集中協調者(Point Coordinator)，這個模式只能在Infra-structure模式下運作，當一個基本服務區採用集中式協調的模式時，系統會以一個免競爭週期 (Contention Free Period; CFP)為單位重複運作。

30. 集中式協調功能 • 集中協調者以一個特定的管理訊號(Beacon Frame)告知其他工作站開始一個集中式協調功能的工作，當此功能結束時，會緊接著一個競爭週期(Contention Period)，此時開始轉換成分散式協調功能的模式，一直到下一個集中式協調功能的工作開始，系統會以這種模式交互運轉。

31. Super frame Contention-free frames Contention frames 集中式協調功能

32. CFP repetition interval Contention Free Burst PIFS Contention Period D1 D2 D3 D4 Busy Medium CF_End U1 U2 U4 Dx = AP-Frame No Up Ux = Station-Frame SIFS Reset NAV NAV Min Contention Period 集中式協調功能

33. RTS/CTS • 除了CSMA/CA外，IEEE802.11還規範了RTS/CTS的機制，在 這種模式下，發送端在傳送資料前先送出RTS (Request to Send) 要求封包，接收端在收到此一訊息時，會送出CTS (Clear to Send)封包，告訴發送端可以送出資料並且告訴其他的無線裝置 在這段時問內不能傅送任何貸枓，以避免碰撞。

34. DIFS Sender Receiver RTS Data Src Optional RTS CTS Ack Dest CTS CW Other Next MPDU NAV (RTS) Data NAV (CTS) Defer Access Backoff after Defer ACK RTS/CTS

35. STA AP RTS RTS-Range CTS CTS-Range Data AP Ack STA Stations do not hear each other STA But they hear the AP. Example

36. Hidden Node Problem • “隱藏節點”(Hidden Node Problem)的問題，由於無線電波有一定的涵蓋範圍，假如有兩個無線裝置(裝置B，裝置C)同時要傳送資料給某一定點A，並且這兩個無線裝置不在彼此涵蓋範圍之內，也就是說，B、C彼此根本不知道對方的存在，這種狀況下，當某一方與裝置A溝通時另一方不會偵測到，會誤以頻道是沒人使用，而將資料傳遞出去，結果造成碰撞，這可能使得A，B、C完全不能傅遞與接收訊號。

37. RTS/CTS • RTS/CTS機制除了可以減少碰撞發生時的損失之外，它也可以解決無線電波“隱藏節點”(Hidden Node Problem)的問題，藉由RTS/CTS機制，裝置A在接到RTS請求時，會同時通知其他所有裝置不可再傳遞信息，以避免上述現象發生。

38. IEEE802.11的實體層定義 • IEEE802.11規範的無線技術包括: • 直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum: DSSS) • 跳頻展頻(Frequency Hopping Spread Spectrum: FHSS) • 紅外線(Infrared)技術。 • 其中直接序列展頻以及跳頻展頻都是使用2.4GHz的ISM (Industrial Scientific and Medical) Band的頻段，這個 ISM Band原本是規劃給工業、科學及醫療領域使用之免申請的頻段，這個頻段包含了三個頻帶:902~928MHz、2.4000~2.4835GHz以及5.725~5.850GHz。

40. 跳頻展頻(FHSS) • 跳頻展頻(Frequency Hopping Spread Spectrum)的技術是在同步且同時的狀況下，無線連結的兩端利用相互協議的無線電波形式來傳遞訊號，這種形式為載波在不同頻道間跳躍的模式。 • 在美國FCC的規定下 • 跳頻可使用的頻段為2400~2483.5MH， • 跳頻技術必須使用75個以上的跳躍頻道(channel) • 功率不可大於於1W，若加上天線則不可超過4W

41. FHSS • 歐洲地區ETS規定， • 跳頻使用的頻段為2400~2483.5MHz， • 至少需有20個跳頻頻道， • 發射功率不可大於100mW; • 日本地區 • 使用2471~2497MHz頻段， • 至少分為l0個頻段。 • 相隔二個跳躍頻道所需的間隔時間(Dwell Time)，其最大值為400ms，lEEE802.11中規定時間間隔為250ms，也就是每秒至少跳頻4次。

42. FHSS • IEEE802.11 FHSS是使用GFSK (Gaussian Frequency Shift Key)的調變技術，基本的頻寬為1Mbps，採用2 level GFSK，802.11 同時也規定了進階的規範，這是採用4Level GFSK，在這個模式下,可以得到2Mbps的頻寬。

43. FHSS • 跳頻技術是利用一個很寬的頻段來傅遞資料，雖然細分成數 十個小頻道，但由於訊號在頻道上跳躍的速度很快，感覺上，好像是使用整個2.4 GHz的頻段。 • 因為這樣的架構，當受到環境的干擾，只會造成某個頻帶可能無法傳輸，發射端會針對無法傅遞的部分重送資料，如此 雖會減低部分的傳輸速率，但是不太容易造成完全的斷訊。

44. FHSS • IEEE 802.11同時規範了全球跳頻順序的形式(Hopping Sequences)，這主要目的是在建立一個FHSS的無線網路時，溝通的二方必須使用相同的跳躍模式(Pattern)才能夠互通。規範的 跳頻模式是為了降低在傳輸時無線電波問的相互干擾 (Interference)。

45. 規範中定義的跳頻模式 • 北美、大部分的歐洲地區 • Set1: 0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,30,33,36,39,42,45,48,51,54,57,60,63,66,69,72,75 • Set2: 1,4,7,10,13,16,19,22,25,2S,31,34,37,40,43,46,49,52,56,58,61,64,67,7e,73,76 • Set3: 2,5,8,11,14,17,20,23,26,29,32,35,38,41,44,47,50,53,57,59,62,65,6S,71,74,77 • 西班牙 • Set1:0,3,6,9,12,15,18,21,24 • Set2:1,4,7,10,13,16,19,22,25 • Sct3:2,5,8,11,14,17,20,23,26

46. 跳頻模式 • 法國 • Set1: 0,3,6,9,12, 15,18,21,24,27,30 • Set2: 1,4,7,10J3,16,19,22,25,28,31 • Set3: 2,5,8,11,14,17,20,23,26,29,32 • 日本 • Set1: 6,9,12,15 • Sct2: 7,10,13,16 • Set3: 8,11,14,17

47. 直接序列展頻(DSSS) • 直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum) 的技術提供一個可靠的無線連結，其基本原理是將要發送的基頻(Base Band)訊號轉換成能量降低，但是頻寬更寬的展頻 (Spreading Signal)訊號再傅送出去，這樣的機制與窄頻傳送大不相同，同時直接展頻的技術也提高了對環境干擾的抵抗能力。 • IEEE802.11的直接序列展頻是利用11-chip的展頻碼(Spreading Code)，又稱為虛擬噪音碼Pseudo Noise Code: PN Code)將原始訊號展開，這個展頻碼有一個特性，當原始訊號經過二次展頻碼的處理後，會還原為原始訊號。

48. DSSS

49. IEEE802.11所使用的展頻瑪是由一組11-chip的數位訊號所構成,它的形式為+1 –1 +1 +1 -1 +1+1 +1 -1 -1 -1，訊號是如何經由11-chip展頻碼將其展開為原來的11倍。 DSSS

50. DSSS • 原始碼首先經由展頻碼將其展開為11倍的訊號(如圖中的“展頻後的訊號’’)，這個展開後的訊號透過天線被發送出去，當接收端收到這個訊號後，再次利用相同的展頻碼將這個訊號還原，而獲得與原來相同的訊號。