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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。. 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. 無線傳輸技術-光傳輸. DB/IR. Omni/IR. IrDA 標誌.

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第六章 無線區域網路

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  1. 第六章 無線區域網路

  2. 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。

  3. 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

  4. 無線傳輸技術-光傳輸 DB/IR Omni/IR IrDA標誌 DF/IR

  5. 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

  6. 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。

  7. 無線電波傳輸技術比較

  8. 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。

  9. 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)

  10. 對等式無線網路

  11. 主從式無線網路

  12. 多點連結的橋接網路 點對點 多點連結

  13. 無線漫遊網路

  14. 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

  15. 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

  16. 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)

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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)

  21. 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

  22. 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。

  23. 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

  24. 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

  25. 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。

  26. 展頻技術

  27. 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。

  28. 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。

  29. 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

  30. 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。

  31. 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。

  32. 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

  33. 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。

  34. 藍芽技術的應用 簡單的藍芽細胞

  35. 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

  36. 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

  37. 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

  38. 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。

  39. Chapter-6 The End

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