無線網路

1. 第 11 章 無線網路

2. 學習目標 • 無線網路的類型 • 802.11 的相關技術 • 802.11 b、a、g、n 三種產品的差異 • GSM、WAP、GPRS 和 3G 的特性

3. 前言 • 21 世紀的網路, 除了在傳輸速率方面持續提升之外, 另一個最為人稱道的改進就是『無線化』。 • 『無線化』意味著上網時再也不受網路線的牽絆, 或躺、或臥、或坐, 在床上、在餐廳、在公園, 我們隨時都可以自由自在地上網。 • 不過想要無線上網走透透, 得先符合一個前提－擁有能無線上網的設備, 以目前來說, 最常用來無線上網的設備非『筆記型電腦』和『手機』莫屬。

4. 前言 • 筆記型電腦 (NB, Notebook) 主要是利用無線區域網路的技術來上網；而手機 (Cellular Phone) 則是以 GPRS 或 3G 技術來連接網路。 • 兩種技術雖有不同的特性, 卻不約而同地帶領人們進入一個更生活化、便利化的網路世界, 揚棄了以前認為『坐在電腦前才能上網』的舊觀念。 • 現在, 讓我們先來認識無線區域網路, 再瞭解 GPRS 與 3G 的奧秘。

5. 11-1 無線網路的類型 • 一般而言, 我們會依據無線網路的通訊範圍, 將其區分為以下 4 類: • 無線廣域網路 (WWAN) • 無線都會網路 (WMAN) • 無線區域網路 (WLAN) • 無線個人網路 (WPAN)

6. 11-1-1 無線廣域網路 • 無線廣域網路 (WWAN, Wireless Wide Area Network) 是指傳輸範圍可跨越城市或國家的無線網路。 • 由於範圍廣大, 通常是由電信業者或專業的施工單位所架設與維護, 一般人只是單純地透過個人裝置來使用無線廣域網路, 例如：台灣地區行動電話所使用的 GSM (Global System for Mobile Communication) 通訊系統就是典型的 WWAN 。

7. 11-1-2 無線都會網路 • 無線都會網路 (WMAN, Wireless Metropolitan Area Network) 是指傳輸範圍可涵蓋整個城市 (鄉、鎮或市) 的網路, 例如：聯繫座落在台北市不同行政區的兩棟辦公大樓或兩個校區。 • 通常需要用到無線都會網路的時機, 多半是不想花大錢鋪設有線網路；或者是以無線都會網路作為有線網路的備援, 在有線網路故障時, 能迅速提供傳輸服務。

8. 無線都會網路 • 對於一般人而言, 比較不熟悉無線都會網路的產品, 但是最近出現一位明日之星 － WiMAX (World Interoperability for Microwave Access) 。 • 在世界各國廠商的積極推動下 , WiMAX 可望在未來綻放耀眼的光芒, 詳情請見本章末的特別企劃。

9. 無線都會網路

10. 11-1-3 無線區域網路 • 無線區域網路 (WLAN, Wireless Local Area Network) 是指傳輸範圍在100 公尺左右的無線網路, 例如：住家中各個房間之間, 或同一棟大樓的不同辦公室之間。 • 此外, 還包括以下的使用時機： • 不方便鋪設線路的地點, 例如：校園的草地上或涼亭內。 • 使用者沒有固定位置的環境, 例如：專供出租的禮堂或會議室, 其隔間和家具可能經常變動。 • 臨時找不到有線網路的場合, 例如：馬路邊或小吃店, 附近沒有可用的網路線和網路插孔。

11. 無線區域網路

12. 11-1-4 無線個人網路 • 顧名思義, 無線個人網路 (WPAN, Wireless Personal Area Network) 是指在個人活動範圍內的無線網路。 • 其主要目的是讓個人使用的電子裝置, 可以互相傳輸或通訊, 例如：藍牙 (Bluetooth) 網路就是 WPAN 的代表。

13. 隨堂練習 • 請根據每個人的使用經驗, 比較有線網路與無線網路的優缺點。

14. 11-2 IEEE 802.11 的展頻傳輸技術 • IEEE 802.11 為 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, 電子電機工程協會) 在 1997 年 6 月所發表的無線區域網路標準, 其中規範了以下 3 種傳輸技術： • 直接序列展頻 (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) • 跳頻式展頻 (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) • 紅外線 (IR, Infrared)

15. IEEE 802.11 的展頻傳輸技術 • 雖然在 802.11 規格明白地指出可以使用紅外線為傳輸介質, 不過目前絕大部分的無線區域網路產品, 都是以無線電波為傳輸介質。 • 主要是因為無線電波的穿透力強, 而且是全方位傳輸, 不侷限於特定方向。 • 若和使用紅外線的無線區域網路相比較, 紅外線的傳輸距離短、傳輸速率慢, 而且容易受阻隔。 • 綜合這些方面的考量, 採用無線電波的產品還是廠商們的最愛, 因此後文將僅介紹『直接序列展頻』和『跳頻式展頻』這兩種傳輸技術, 不過在此之前, 我們先來瞭解何謂展頻。 • 無線電波的英文為 Radio Frequency (RF) , 又譯為『射頻』, 是屬於頻率較低的電磁波。

16. 11-2-1 何謂展頻 • 一般無線電通訊的訊號, 都是使用『頻率範圍較窄、功率較高』的電波, 這種電波有以下先天的缺點： • 容易洩密 • 因為頻率範圍窄, 所以第三者只要用特殊儀器接收特定頻率範圍內的訊號, 就能竊取到傳輸的內容。 • 容易受干擾 • 即使通訊的雙方針對傳輸內容加密, 以避免洩漏機密, 但是第三者仍可發送頻率相同、但功率更高的干擾訊號, 以阻撓接收端收取內容。

17. 何謂展頻 • 為了改進以上的缺點, 軍方在 1950 〜1960 年代運用展頻 (SS, Spread Spectrum) 技術, 將原本『頻率範圍較窄、功率較高』的電波, 轉變為『頻率範圍較寬、功率較小』的電波, 如下圖：

18. 何謂展頻 • 經過展頻處理後的訊號, 因為功率比雜訊還低, 會被一般的接收器視為雜訊。 • 即使被偵測到, 因為其頻率涵蓋範圍很廣, 敵方很難發送這麼大範圍的干擾訊號, 因此能達到保密和抗干擾的目的。 • 所以簡單地說, 展頻就是將電波涵蓋的頻率範圍擴展開來, 把功率降低, 使波形由『尖高形』變成『寬扁形』, 以增強抗干擾能力和隱密性。

19. 何謂展頻 • 當然啦, 以上的說法係假設敵方不懂展頻技術, 才能達到保密效果。 • 事實上, 各國研究展頻技術已經數十年, 累積了許多破解之道, 目前軍方即便使用展頻技術仍未必能保證安全傳輸, 也因此一些展頻技術逐漸開放給民間使用。

20. 11-2-2 直接序列展頻技術 • 直接序列展頻 (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) 的發送方式, 是將處理過的訊號透過多個頻道同時送出, 如下圖： • 至於實際上用到哪些頻道, 會因國別而異, 以 802.11 DSSS 為例, 頻道編號與各國允許使用的頻道如下表。

21. 直接序列展頻技術

22. 直接序列展頻技術 • 雖然在上表列出了 14 個頻道, 但是因為每個頻道的頻率範圍有部分重疊,為了避免相互干擾, 實務上只使用不互相干擾的頻道。 • 以台灣市場的 802.11b/g 產品為例, 通常只有第 1〜11 頻道可用。 • 若要在相近的地點放置多部基地台 (AP, Acess point) , 最多僅能 3 部, 而且必須分別使用第 1、6、11 頻道, 才能有最佳品質的訊號。

23. 直接序列展頻技術

24. 11-2-3 跳頻式展頻技術 • 跳頻式展頻 (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) 是將一個頻道切割成數十個子頻道, 然後每次使用不同的子頻道傳送資料。 • 當然在連線的兩端會先協議好要使用那些子頻道, 然後按照一定的規則, 輪流使用這些子頻道傳送資料, 因為它所使用的頻道變來變去, 所以稱為『跳頻』。

25. 跳頻式展頻技術 • 這種跳頻式的傳輸方式, 因為每傳送一段資料後, 下一次要用那一個頻道傳送, 只有接收端才會知道, 外界難以得知, 所以能減低被竊聽或干擾的風險。 • 以 802.11 FHSS 為例, 將 2.4000 GHz〜2.4835 GHz 劃分成 79 個頻道, 每個頻道的頻寬為 1 MHz 。 • 但是受限於各國的法令, 實際能用哪些頻道會依國別而有差異, 以下列出部分國家 (或區域) 開放使用的 FHSS 頻道。

26. 跳頻式展頻技術

27. 跳頻式展頻技術 • 在跳頻式展頻的傳輸過程中若遭遇干擾, 通常只是某個子頻道受到干擾, 其餘子頻道仍可正常傳輸, 因此只需再重傳一次被干擾子頻道的資料即可, 毋須重傳所有的資料。 • 換言之, 跳頻式展頻擁有相當好的抗干擾能力。

28. 11-2-4 OFDM 展頻技術 • 除了跳頻式展頻技術之外, 稍後發展出的 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交分頻多工) 展頻, 其工作原理, 也是將一個頻道切割成多個子頻道 (Subchannel, 又稱 Subcarrier) , 然後在這些子頻道同時傳送訊號, 使訊號一整排地並列送出。

29. OFDM 展頻技術 • 與其它展頻技術的差異在於, 這些訊號彼此互為正交 (Orthogonal) , 不會互相干擾, 因此能提升傳輸速率。 • 在實作方面, 各家廠商切割頻道的方式未必相同, 以 802.11a 為例, 是將 20 MHz 寬的頻道切割成 52 個 300KHz 寬的子頻道, 其中 48 個用在傳輸資料訊號, 4 個用來傳輸同步訊號。 • 訊號部分重疊而且不會互相干擾的特性稱為『正交性 (Orthogolity)』 , 換言之, 互為正交的訊號不會互相干擾。

30. 11-3 IEEE 802.11b • 由於 802.11 規格所支援的最高傳輸速率僅有 2 Mbps, 因此市場接受度很低。 • 802.11 工作小組隨後在 1999 年推出改良版的『802.11b』規格, 終於獲得各廠商的青睞, 也帶動了 WLAN 的蓬勃發展。

31. IEEE 802.11b • 802.11b 的正式名稱為『Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band』, 隱含著『802.11b 只是擴充 802.11 實體層功能』的意義, 至於其它部分仍然沿用 802.11 的規格。 • 大體而言, 802.11b 做了以下較重要的修改： • 引進 CCK 調變技術 • 802.11b 實體層使用 DSSS 展頻, 而且採用 CCK(Complementary Code Keying) 調變技術。 • CCK 在調變時並非使用固定的展頻碼, 而是根據所要傳送的訊號, 使用不同的展頻碼, 以表現出較多種的資料組合, 因此能提升資料傳輸速率。

32. IEEE 802.11b • 使用『短前置訊號和表頭』模式 • 802.11 實體層在傳送資料時, 會加上前置訊號 (Preamble) 與表頭 (Header) 。 • 前者主要用來使接收端和發送端能同步；後者則記錄了封包長度、協調速率、偵錯碼等等。但是, 前置訊號與表頭都只能以 1 Mbps 的速率傳送, 成為拖垮效率的瓶頸。 • 因此 802.11b 改用『短前置訊號與表頭』模式(Short Preamble And Header Mode), 將前置訊號的長度從 144 Bits 縮短為 72 Bits, 並將表頭的傳輸速率由 1 Mbps 提升為 2 Mbps 。 • 如此一來使得傳送前置訊號和表頭的時間縮減為原本的一半, 相對地提高資料的傳送效率。

33. IEEE 802.11b

34. IEEE 802.11b • 對使用者而言, 上述措施所導致最明顯的進步, 便是傳輸速率涵蓋 1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps 和 11 Mbps 等 4 種。 • 最高傳輸速率已經接近了 10 BaseT 乙太網路的水準, 因此逐漸被大眾所接受。 • 802.11b 會配合不同的傳輸速率而採用不同的調變方式：在 1 Mbps 時採用 DBPSK 調變；在 2 Mbps 時採用 DQPSK 調變；在 5.5 Mbps 和 11 Mbps 時則採用 CCK 調變。

35. IEEE 802.11b • 另一方面, 由電腦軟硬體製造廠商、網路設備製造商、消費性電子產品製造商共同組成 WECA (Wireless Ethernet Compatability Alliance) 聯盟, 執行各家產品的相容性認證, 該認證標準稱為 Wi-Fi(Wireless Fidelity)。 • 凡是通過 Wi-Fi 認證的產品, 表示完全遵循 802.11 組織制定的規格, 所以彼此之間一定可以互通, 不會有不相容的問題。 • 此舉不但掃除了消費者在選購產品時的疑慮, 也提升了產品的穩定度。

36. IEEE 802.11b

37. IEEE 802.11b • 自從英特爾 (Intel) 推出 Centrino 晶片組, 將 802.11b 整合在其中後, 掀起了一股寬頻上網革命, 幾乎所有的筆記型電腦都將無線上網列為標準功能。 • 再加上各地方政府對於公共場所的無線上網建置工作, 亦如火如荼地展開。 • 在機場、捷運站、連鎖咖啡店、世貿展覽場等等地點, 都已經提供無線上網服務。 • 至於確切的上網據點, 請查詢下列廠商的網站。

38. IEEE 802.11b

39. IEEE 802.11b • 根據業者估計, 全球使用 802.11b 網路設備的用戶數量約在 1500~3000 萬戶。 • 毫無疑問地, 802.11b 已經是無線區域網路裡普及率最高的規格, 不過因為它的傳輸速率不夠快, 目前逐漸被 802.11g 取代。

40. 隨堂練習 • 請根據每個人的使用經驗, 討論 802.11b 有哪些缺點？

41. 11-4 IEEE 802.11a • 802.11a 的全名為『High-Speed Physical Layer in The 5GHz Band』, 如同 802.11b, 它也只是修改 802.11 實體層的功能, 其它部分則沿用 802.11 的規格。 • 但是由於實體層有極大的改變, 導致 802.11a 和 802.11b 成為『你走你的陽關道, 我過我的獨木橋』, 彼此無法相容。

42. 802.11a 的特點 • 關於 802.11a, 大眾較為熟悉的改變為以下兩點： • 使用 5 GHz 頻道 • 由於微波爐、無線電話、藍牙裝置和 802.11b 等等都使用 2.4 GHz 頻道, 使得該頻道顯得很『擁擠』, 時常會出現彼此互相干擾的狀況。 • 因此 802.11a捨棄 2.4 GHz 頻道不用, 改用 5 GHz 頻道。 • 5 GHz 頻道又稱為 UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) Band, 在美國與台灣均開放免申請即可使用, 但是有些國家則列為管制頻道。

43. 802.11a 的特點 • 以美國為例, 它使用了 5.15〜5.25 GHz、5.25〜5.35 GHz 與 5.725〜5.825 GHz 三段頻率範圍, 每一段再切割為 4 個 20MHz 的頻道, 因此802.11a 總共有 12 個可用頻道, 如下表：

44. 802.11a 的特點 • 不使用 2.4 GHz 頻道所造成的負面影響, 便是 802.11a 與 802.11b 彼此不相容。換言之, 802.11a 設備與 802.11b 設備彼此不能溝通。 • 因此消費者在購買網路設備時, 若要與 802.11b 網路連接, 那麼千萬不要考慮 802.11a, 否則會架設成『一區兩制』的無線區域網路。

45. 802.11a 的特點 • 最大傳輸速率為 54 Mbps • 除了使用不同的頻道之外, 802.11a 與 802.11b 的另一大差異便是將最大傳輸速率提升到 54 Mbps 。 • 而其中的幕後功臣正是採用了 OFDM 展頻技術。 • OFDM 技術再搭配 BPSK 、QPSK、QAM 3 種調變技術, 使得 802.11a 有 6、9、12、18、24、36、48、54 Mbps 等 8 種傳輸速率。 • 但是只有 6、12 、24 是強制 (Mandatory) 規格, 也就是所有的 802.11a 設備都必須提供這 3 種傳輸速率。至於其它的傳輸速率, 則由廠商自行決定是否要提供。

46. 802.11a 的展望 • 目前市場上對於 802.11a 產品的接受度並不高, 主要的原因為： • 產品價格相對較高：802.11a 產品價格普遍比 802.11b/g 高得多, 若要整個企業全面採用, 所需的預算通常會讓老闆猶豫再三。 • 與 802.11b/g 不相容：由於 802.11a 與 802.11b/g 不相容, 但是 802.11b畢竟占有絕大多數的市場, 想要消費者忍痛放棄它實屬不易, 因此 802.11a 僅能吸引尚未架設無線區域網路的用戶。

47. 802.11a 的展望 • 為了解決上述問題, 網路晶片廠商一方面將多個晶片整合到 1、2 個晶片, 以降低晶片組的成本, 連帶降低產品價格。 • 另一方面開發適用於 802.11a、802.11b 和 802.11g 3 種規格的『 3 頻晶片』, 盡力提升 802.11a 產品的競爭力。

48. 隨堂練習 • 如果要在公司架設無線網路, 您是否會採用 802.11a 技術？原因為何？

49. 11-5 802.11g • 大多數使用者都將 802.11g 視為 802.11b 的『火力加強版』。 • 因為前者與後者相容, 但是具有更高的傳輸速率。從使用者的角度來看, 以下兩點最為大眾所關心： • 使用 2.4 GHz 頻道 • 因為 802.11b 也用 2.4 GHz 頻道, 這意味著 802.11b 產品能相容於 802.11g。 • 換言之, 802.11g 產品與 802.11b 產品能建立連線, 所以很適合用來將現有的 802.11b 網路逐步升級。

50. 802.11g • 最大傳輸速率提升為 54 Mbps • 早期礙於美國聯邦通訊委員會 (FCC, Federal Communication Committee)的法規限制, 在 2.4 GHz 不得使用 OFDM 技術。 • 直到 2001 年 5 月解除此禁令後, 802.11g 便採用 OFDM 技術, 將傳輸速率提升到 54 Mbps。