第六章無線區域網路

第六章無線區域網路

前言以往大部分的區域網路都是有線的架構，但近年來因為學術界（如校園）、醫療界、製造業等對無線區域網路的需求日漸增加，再加上行動通訊技術的快速發展與成熟，使得無線區域網路的發展越來越快速、而價格也更便宜了。本章先從無線傳輸技術的概論談起，接著討論相關的標準，然後針對各類已經或即將是主流的無線傳輸技術，從各個角度深入探討。第六章無線區域網路

本章學習重點 • 何謂無線網路 • 無線網路的基本架構 • IEEE 802.11原理 • 藍芽Bluetooth • GSM／GPRS • CDMA系統第六章無線區域網路

無線傳輸技術-光傳輸 DB/IR Omni/IR IrDA標誌 DF/IR 第六章無線區域網路

無線傳輸技術-無線電波傳輸 • 直接序列展頻Direct Sequence Spread Spectrum • 利用展頻碼(Spreading Code)將原始訊號開展成數倍頻寬的訊號，這個展開的方法會將原來訊號的能量降低，甚至低於背景雜訊值(Background Noise)，這樣的機制讓有心擷取資料的人不易判斷出真正的訊號 • 跳頻展頻 Frequency Hopping Spread Spectrum • 使用頻寬十分狹窄的窄波(Narrowband)，利用窄波於不同頻道間跳躍的方式傳遞訊號，這種傳遞方式必須建立於訊號交換的二方其窄波跳躍模式(Pattern)一致，否則無法溝通第六章無線區域網路

窄頻微波 • 窄頻微波傳送是利用高頻短波長的電波傳送，提供點對點遠距無線連結，由於微波傳輸需要一條無障礙的通道，所以連線的二端必須是在相互可看見的同一線上(Line of Sight) 。 • 由於窄頻微波技術是利用特定的頻段傳送及接收資料，為了防止不同通訊頻道間的串音干擾Crosstalk，必須將使用頻段的頻寬限制在十分狹窄的範圍內。第六章無線區域網路

無線電波傳輸技術比較 第六章無線區域網路

藍芽Bluetooth • 藍芽也是用2.4GHz頻段，採用的是快速跳頻技術，這與IEEE 802.11所規範的跳頻展頻類似。 • 兩者最主要的差別是跳躍的頻率，Bluetooth每秒1600次的跳躍(hop)速度遠高於IEEE 802.11的FHSS。 • 每一個藍芽細胞網路(Piconet)可以連結8個不同的裝置。藍芽是短距無線傳輸的解決方案，其設計的目的亦是為了整合資訊設備、娛樂設備、通訊設備以及消費性電子產品，進而建構一個家庭無線網路。第六章無線區域網路

無線網路的基本架構 • 無須基地台的對等式網路(Ad-Hoc Network) • 主從式網路(Infrastructure Network) • 基地台間多點連結的網路(Multi-Points Connection) • 漫遊網路(Roaming Network) 第六章無線區域網路

對等式無線網路 第六章無線區域網路

主從式無線網路 第六章無線區域網路

多點連結的橋接網路 點對點多點連結第六章無線區域網路

無線漫遊網路 第六章無線區域網路

IEEE 802.11 • 1997年美國電機電子協會IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc)公告IEEE 802.11無線區域網路標準，這個規範中一共定義了三種不同的實體層介面(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(Infrared)技術第六章無線區域網路

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) • IEEE 802.11b(2.4GHz頻帶，11Mbps) • 2003年 6-54Mbps 的IEEE 802.11g (2.4GHz頻帶)正式定案第六章無線區域網路

IEEE 802.11的服務型態 • IEEE 802.11規範了二種型態的服務 • 分散式服務 • 連結(Association) • 取消連結(Disassociation) • 重新連結(Reassociation) • 分配(Distribution) • 整合(Integration) • 工作站服務 • 身分認證(Authentication) • 取消身分認證(Deauthentication) • 加密(Privacy) • 資料傳遞(Delivery of the Data) 第六章無線區域網路

不跨基本服務區的移動 跨越延伸服務區的移動跨越基本服務區的移動 802.11三種工作站移動模式第六章無線區域網路

分散式服務 • 連結(Association) • 一個工作站要能夠傳送資料給基地台，必須先與基地台建立連結，這項工作是透過連結服務所完成 • 重新連結(Reassociation) • 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 • 取消連結(Disassociation) • 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第六章無線區域網路

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 • 整合(Integration) • 這個服務是為了提供無線網路與有線網路能夠交換訊息，也就是可以處理二個不同介面位址的轉換工作第六章無線區域網路

工作站服務 • 身分認證(Authentication) • 這個服務適用於工作站身分確認，在IEEE 802.11的標準中，提供了二種型態的認證服務： • 開放式系統(Open System) • 共享鎖匙(Share Key) 第六章無線區域網路

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 • 加密(Privacy) • 由於無線網路是透過無線電波傳送資料，這對資料的隱密性是項很大的挑戰，IEEE 802.11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) • 這個服務是提供工作站與工作站間資料的傳遞與接收第六章無線區域網路

IEEE 802.11的基本存取技術 • IEEE 802.11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IEEE 802.3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。第六章無線區域網路

IEEE 802.11的實體層定義 • 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 的頻段第六章無線區域網路

跳頻展頻FHSS • 在同步且同時的狀況下，無線連結的二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第六章無線區域網路

直接序列展頻DSSS • 基本原理是將要發送的基頻(Base Band)訊號轉換為能量降低但是頻寬更寬的展頻(Spreading Signal)訊號再傳送出去，直接展頻的技術也提高了對環境干擾的抵抗能力。第六章無線區域網路

展頻技術 第六章無線區域網路

紅外線 • 在IEEE 802.11系列中，IR的技術是唯一利用光來傳遞資訊的方法，光的特性讓紅外線網路無法穿越障礙物，在一些需要特別隱密性的網路架構中，紅外線網路是非常適合的。 • IEEE 802.11規範的是散射式(Defuse)的紅外線技術，這種技術並不要求發射端與接收端必須是在同一線上(Line of Sight)，這種架構只會存在一個通訊細胞(Cell)，也就是沒有漫遊的模式，同時紅外線網路涵蓋範圍很小，大約是10公尺左右，傳輸速率為1-2Mbps。第六章無線區域網路

IEEE 802.11a • IEEE 802.11a規範的實體層是利用5.0GHz的U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)頻帶，可提供的資料傳輸頻寬為6Mbps-54Mbps，使用的調變技術為OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 。不同的傳輸速率是應用不同的次調變技術。第六章無線區域網路

U-NII針對輸出功率的規範 U-NII頻帶的規劃 802.11a的頻道與輸出功率規劃第六章無線區域網路

IEEE 802.11b • IEEE 802.11b規範的實體層是802.11的延伸，採用高速直接序列展頻技術，利用2.4 GHz的ISM頻帶，可提供的資料傳輸頻寬為11 Mbps，使用的調變技術為CCK （Complementary Code Keying）。 • 為了相容於IEEE 802.11早期的直接序列展頻規範（2M，DSSS），802.11b中規定系統必須自動降低資料速率以便與2M DSSS產品相容。 • IEEE 802.11b中提供了二種功能：一為高速資料傳輸的HR/DSSS模式，可提供5.5 Mbps以及11 Mbps頻寬；以及相容於802.11 DSSS模式，可提供1 Mbps或是2 Mbps的頻寬，所以在IEEE 802.11b相容產品都會提供四種傳輸速率（1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps、11 Mbps），讓使用者可以自動或是手動選擇。第六章無線區域網路

IEEE 802.11g • 在802.11g的規範中必須支援OFDM以及CCK二種調變方式，其中OFDM的調變模式，可以獲得較高的傳輸速率（大於20 Mbps，最高可達54 Mbps），而CCK則是與現行的802.11b相容。第六章無線區域網路

Bluetooth • 藍芽技術是一種短距離無線傳輸的介面，使用的範圍在10公尺左右，使用的頻帶位於2.4 GHz的ISM 頻帶，這與IEEE 802.11是使用相同的頻帶。 • 一個藍芽細胞網路（Piconet）可以同時擁有8個裝置連線，其中一個為「主控端（Master）」，其他裝置為「輔助端（client）」，同時每一個裝置又可以是另一個藍芽細胞網路的成員。 • 藍芽採用的調變技術為跳頻展頻與IEEE 802.11的跳頻展頻類似，其中最大的差別在於藍芽使用快速跳頻，每秒為1600次。 • 為了可以傳遞語音封包，藍芽也使用CVSD（Continuous Variable Slope Delta）語音編碼技術；通訊協定則是採用TDMA技術，傳輸的資料頻寬大約是1 Mbps 第六章無線區域網路

為了能夠在同一區域內同時存在很多未經協調的通訊裝置，藍芽採用跳頻技術將通訊模式最佳化，不像其他的無線通訊技術必須使用單一頻道，因此在同一時間點內，藍芽系統可以容許存在更多的無線裝置。為了能夠在同一區域內同時存在很多未經協調的通訊裝置，藍芽採用跳頻技術將通訊模式最佳化，不像其他的無線通訊技術必須使用單一頻道，因此在同一時間點內，藍芽系統可以容許存在更多的無線裝置。 • 由於競爭模式的存取方式（如乙太網路架構）浪費太多的封包標頭，在時間槽很短的藍芽通訊裡顯得非常沒有效率，因此，藍芽技術摒棄競爭的模式，而採用輪詢（Polling）的技術。在每個藍芽細胞內都會自動產生一個主控裝置，這個裝置負責管理藍芽細胞的所有資料傳輸，任何裝置間要傳遞資料，都必須先透過這個主控裝置來決定是否允許資料的傳遞，如此一來，就可以避免不必要的碰撞產生。第六章無線區域網路

藍芽技術的應用 簡單的藍芽細胞第六章無線區域網路

GSM/GPRS • 1982年歐洲郵政與電報會議（Conference of Posts and Teleqraphs；CEPT）成立了一個研究組織，稱為「專業行動通訊小組（Group Special Mobile；GSM）」，目的是為了提供一個整合的無線通訊系統，改善當時歐洲各國互不相容的行動電話系統。1989年，GSM移交給歐洲電信標準組織（European Telecommunication Standard Institution；ETSI），並且於1990年發表第一階段的GSM（Global System for Mobile，全球移動通訊系統）。由於GSM的彈性與創新，至今已有超過100個國家採用這套系統 • GSM是採用ITU-T規範，最快的傳輸速度為9.6 Kbps，它可以提供的服務除了如傳統電話功能的負載服務之外，還可以發出求救訊號給最近的緊急救援單位，功能類似於119；另外，它也可以提供遠端服務與附加服務，如多方通話、短訊服務（Simple Message Service；SMS）等等第六章無線區域網路

GSM的架構 • 行動電話（Mobile Station；MS）：這是行動電話使用者用以與系統溝通的媒介。 • 基地台系統（Base Station System；BSS）：行動電話利用無線電頻率與系統中的基地台連絡，然後基地台透過基地台控制器將無線訊號傳送至系統。 • 行動服務交換中心（Mobile-services Switching Center）：又稱交換機，為網路的核心。 • 資料庫（Database）：GSM系統中最主要的兩個資料庫，為本籍位址記錄器（Home Location Register；HLR）及訪客位址記錄器（Visitor Location Register；VLR）。 • 網路維運中心（Operation and Maintenance Center；OMC）：又稱為網路管理中心，負責監控整個行動電話網路，包括警訊處理，問題解決以及維持系統的正常運作第六章無線區域網路

GPRS系統 • GPRS（General Packet Radio Services，分封無線電服務），是一種運用於泛歐數位式行動電話的新技術，在現有GSM大哥大網路上加裝GPRS設備後，可以增加數據的傳輸速率 • 現有GSM的傳輸輸速率為9.6 kbps，加裝GPRS設備後，傳輸速率快上十倍，理論到可以達到115 Kbps的速率 • GPRS手機隨時都可以和基地台相連線。 • 如果公司網路是租用專線，當你將個人電腦登入到公司的網路後，就可以隨時和網際網路保持相連。同樣的，GPRS手機也具有同樣的功能，當朋友傳送一封電子郵件給你時，你就可以透過GPRS手機立刻知道有一封新的郵件。不同於現在的GSM或WAP手機，需要撥接上基地台後才能使用。這種功能也就是為什麼GPRS稱為〝Always Connected〞的原因了第六章無線區域網路

CDMA系統 • 增加系統的容量：間接消除了大部份的忙線信號、斷線及串音等由系統擁塞所引起的現象。 • 功率需求低：CDMA手機的傳輸功率位準約是AMPS及TDMA的1/25到1/1000。這些低功率的需求，使得攜帶式電話更加小巧，而且具有較佳的通話時間及待機時間。 • 通訊品質佳：CDMA的擴頻信號，無論在室內或室外都能比其它系統提供更好的通話。在那些受到山區地形或大樓反射信號干擾的擁擠市區或區域裏，CDMA更能改進呼叫的品質。經由減低及抑制背景噪音，CDMA的語音編碼技術可提供更好的語音品質。 • 通訊可靠度高：CDMA應用一種已得到專利的方法，可在細胞之間自動地轉台。這種方法稱為Soft hang-off，可以大量減少在hand-off過程中被破壞、或因失敗的hand-off所引起斷線的機率。 • 隱密性與安全性佳：共有4.4兆個代碼可用來區別不同的呼叫，增加隱私性及消除串音。第六章無線區域網路

Chapter-6 The End 第六章無線區域網路

第六章 無線區域網路