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無線網路之發展 技術

無線網路之發展 技術. 講師 陳烱勳 Mail ： mikemouse@is.cs.nthu.edu.tw mikemousenana@gmail.com 課程網頁 ： http://140.114.78.121/~mikemouse/. I. 無線通訊網路簡介. 無線通訊的定義與簡單的分類. 無線通訊 (Wireless Communications ) 電磁波 無線通訊網路 利用無線電波 (radio frequency: RF) 不需要實體纜線，所以不受時間、空間的限制 無線 通訊簡單地分為兩大類：

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無線網路之發展 技術

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Presentation Transcript

  1. 無線網路之發展技術 講師 陳烱勳 Mail：mikemouse@is.cs.nthu.edu.tw mikemousenana@gmail.com 課程網頁：http://140.114.78.121/~mikemouse/

  2. I.無線通訊網路簡介

  3. 無線通訊的定義與簡單的分類 • 無線通訊(Wireless Communications) • 電磁波 • 無線通訊網路 • 利用無線電波(radio frequency: RF) • 不需要實體纜線，所以不受時間、空間的限制 • 無線通訊簡單地分為兩大類： • 行動式通訊(Mobile Communication)-使用者可處於快速移動的狀況 • 定點式通訊(Stationary Communication)-使用者的位置改變，必須限制在一定的範圍與速度之內

  4. 無線通訊網路的種類與應用 衛星網路 蜂巢網路 無線區域網路 個人通訊網路 無線感測網路 無線隨意網路 無線電封包廣播網路 無線通訊網路 傳真 語音、影像、視訊傳送 娛樂 電子郵件 遠程追蹤監控 遠端連線… 呼叫器 蜂巢式電話 智慧型手機 平板電腦 筆記型電腦… 裝置 服務

  5. 分類 的主要考慮因素 • 六項通訊的特性 • 通訊的方向性 • 單工 • 半雙工 • 全雙工 • TDD，Time-Division Duplexing • FDD，Frequency-Division Duplexing • 傳輸資料的性質與種類 • 所使用的頻率區段 • 使用的範圍與限制 • 使用者的位移狀態 • 通訊時間的長短 • 例如呼叫器(Pager)，其通訊是單向性，傳輸的是資料而非語音，使用的範圍限於國內，使用者的移動性不受限制，通訊時間短

  6. 從涵蓋範圍來看無線通訊網路 • 電腦網路用涵蓋範圍來分類 • 無線區域網路 (WLAN, wireless local area network) • 無線個人網路 (WPAN) • 無線廣域網路 (WWAN, wireless wide area network) • 固定式的無線網路 (Fixed Wireless)

  7. 無線區域網路 (WLAN) • 範圍約辦公室或是一般校園的大小 • IEEE 802.11a(5GHz)-54Mbps • IEEE 802.11b(2.4GHz)-11Mbps • IEEE 802.11g(2.4GHz)-54Mbps • IEEE802.11n(20MHz/40MHz)-300Mbps~600Mbps • 使用多個發射和接收天線(MIMO-Multi-input Multi-output ) • 歐洲發展的HiperLan/2也是WLAN的協定，使用5GHz的頻段，可支援54Mbps的傳輸速率

  8. 802.11i • 彌補802.11脆弱的安全加密功能（WEP，Wired Equivalent Privacy） • WPA（Wi-Fi Protected Access） • 向前相容RC4的加密協議TKIP（Temporal Key Integrity Protocol） • WPA2(Wi-Fi Protected Access 2)

  9. 無線廣域網路 (WWAN) • 主要運用為蜂巢網路(Cellular Network)與衛星(Satellite) • WWAN的兩種運用方向 • 純粹資料傳送服務，例如CDPD(Cellular Digital Packet Data)網路可支援19.2Kbps的資料傳輸速率 • 包含各種通訊服務，如資料、語音與多媒體等

  10. 無線個人網路 (WPAN) • 無線個人網路涵蓋區域比WLAN或WWAN都來的小 • 要求的資料傳輸速率或是功率都不高 • 以藍芽(Bluetooth)技術建立的Bluetooth piconet為例，約能涵蓋一般住家範圍

  11. 固定式的無線網路(Fixed Wireless) • 指通訊器具之間以無線的方式通訊，但是器具本身的位置是固定的 • LMDS(Local Multipoint Distribution service)是一種固定式的無線網路技術，以一對多架構在216MHz到600MHz的頻段上傳訊，速率可達155Kbps，涵蓋範圍達10Km的半徑

  12. 無線網路的主要媒介 • 無線網路的技術演進對於所形成的無線網路結構會有一定的影響 • 蜂巢網路要建置基地台並取得使用頻率的執照 • 無線區域網路可以自行架設，不經由電信業者 • 無線個人網路強調的是架構簡單、有彈性的極小區域的互連

  13. 無線網路的主要媒介 • 無線電頻率(radio frequency) • 無線電的使用受到管制，某些頻率的使用必須有執照 • 雷射 (laser) • 雷射技術的使用成本較高 • 通常架設在建築物之間傳訊，再以光纖連接建築物內部網路 • 紅外線 (Infrared) • 1993年標準化 • 紅外線傳輸的有效距離為30呎，傳訊時設備之間必須無視線障礙(clear line of sight)

  14. 無線網路的主要媒介 • 微波 (Microwave) • 作為遠距離通訊之用，需要建置中繼站 • 使用頻率在2GHz到40GHz • 藍芽(Bluetooth)技術 • 適用於小區域的無線通訊，可節省一般週邊設備連接線的使用與數量 • 例如電腦與數位相機、手機之間的資料傳輸 • 衛星通訊技術 • 衛星通訊可以提供語音、資料與定位服務，當地面通訊受到破壞時，衛星通訊通常還能保持通訊能力 • 分為三大類，低軌道、中軌道與同步軌道

  15. 無線網路的主要媒介 • 低軌道(LEOs, Low Earth Orbits) • 衛星距地表約100-300英哩，繞行地球一圈約90分鐘 • 中軌道(MEOs, Medium Earth Orbits) • 衛星距地表約6000-12000英哩 • 同步軌道(GEOs, Geostationary Orbits) • 衛星距地表約22282英哩

  16. 無線通訊網路的歷史 • MTS (Mobile Telephone Service) • 由貝爾電話實驗室發展，是美國最早的公眾行動通訊系統(public mobile system) • MTS僅支援半雙工通訊 • IMTS(Improved Mobile Telephone Service) • 貝爾公司於1965年推出IMTS，支援全雙工通訊 • 在30MHz~30MHz頻段內分配19個30KHz的頻道 • 在450MHz頻段內分配26各25KHz的頻道 • 無線電塔必須建立在高處，涵蓋範圍廣達50英哩

  17. 無線通訊網路的歷史 • AMPS (Advanced Mobile Phone Service) • 早期AT＆T的工程師想到將無線電訊號的發射台分佈在通訊區域內，當使用者移動時，這些發射台進行轉接(handoff)的功能，使通訊不中斷，如此可以讓更多使用者同時進行通訊 • AMPS是美國早期類比蜂巢技術的標準 • 美國聯邦通信委員會FCC(Federal Communications Commission)決定每一個市場中必須有兩個業者平均分配666個頻道，因此產生所謂的A頻段業者(A band carrier)與B頻段業者(B band carrier)的觀念

  18. 無線通訊網路的歷史 • MSAs (metropolitan statistical areas)與RSAs(rural service areas) • FCC把美國分成734個蜂巢市場(cellular market) • 大型的都會型市場稱為MSA ，預期的地理範圍涵蓋150,000以上的人口，全美國有306個MSA • 比較小型的鄉村與郊外區域稱為RSA，預期的地理範圍涵蓋150,000以下的人口，全美有428個RSA

  19. 行動無線通訊系統的分類 • 由上到下的發展為類比進化到數位通訊的歷程

  20. 蜂巢的概念與設計 • 早期的行動無線電系統 • 涵蓋較大的區域 • 將高功率的發射器架設在高塔上 • 所使用的頻段無法再使用(reuse) • 干擾(interference) • 影響用戶數量的擴增， • 高功率電磁波有危害人體的疑慮 • 蜂巢網路 • 同樣涵蓋範圍達到更高的容量(capacity)， • 不增加使用的頻寬

  21. 蜂巢式無線通訊系統的主要組成

  22. 蜂巢式無線通訊系統的主要組成 • 蜂巢式無線通訊系統 • 行動裝置(mobile station) • 基地台(base station) • 涵蓋範圍細胞(cell) • 細胞聚集在一起類似蜂巢，所以將其稱為蜂巢網路 • 基地台會與行動交換中心(mobile switching center)透過固定網路(fixed network)連接在一起 • 細胞涵蓋範圍較小發射器功率低 • 非鄰近的基地台可以再用頻率

  23. 蜂巢設計中頻率再用的觀念

  24. 蜂巢網路工作的原理 • 行動電話(cell phone)開機後，會和最近的基地台聯絡，建立連接，稱之為登錄/註冊(registration)程序 • 一般基地台由天線、放大器(amplifier)、接收器與發送器組成，行動電話也有類似裝置，軟硬體具有轉換語音訊號與無線電訊號的功能

  25. 蜂巢網路工作的原理 • 基地台與行動交換中心(MSC, mobile switching center)之間有上傳連接(uplink)，可能是光纖線路或無線通道(例如微波連線) • MSC是蜂巢網路的神經中樞， 一個蜂巢網路中有好幾個MSC，每個MSC負責數個細胞區域與基地台的通訊作業 • MSC也執行通話的路由引導(call routing)，傳送指令給基地台 • MSC也稱為MTSC(mobile telephone switching office)、MSC(mobile-service switching center)或MTX(mobile telephone exchange)

  26. 轉接(handoff)的觀念 • 蜂巢電話網路是由許多重疊的細胞組成，每一個細胞內都有一個基地台，雖然我們將細胞畫成六角形，但實際上細胞像是重疊的圓形區域 • 一個蜂巢網路擁有有限數目的可用頻率，也稱為頻道(channel) • 蜂巢電話透過這些頻道來收送資料，為有效利用所分配到的頻道，蜂巢電話運用所謂的頻率再用(frequency reuse)的技術，提升使用效能

  27. 基地台天線

  28. 無線通訊相關的標準 • 一般辦公室的無線服務 • 無線區域網路(WLAN)與無線交換機(wireless PBX) • 行動用戶蜂巢式的無線通訊服務 • GSM資料傳輸速率可達100Kbps • TDMA資料傳輸速率可達30Kbps • SMR(Specialized Mobile Radio)用於警務、消防救難、計程車等行業

  29. 無線網路中的私密(privacy)與安全(security)問題 • 私密(privacy)與安全(security)問題 • 無線病毒(wireless viruses)的作用 • 蜂巢手機(cell phone)的危機 • 網路安全相關的協定 • IPSec協定 • SSL (Secure Sockets Layer)

  30. 3G技術 • WCDMA • 基於現有的GSM網路亞洲2G容易過渡到3G • 其他電信 • FDD • CDMA2000 • 基於CDMA One • 日、韓和北美區域 • 亞太電信 • FDD • TD-SCDMA • 中國大陸獨自制訂的3G標準 • TDD

  31. 無線隨意網路 • 例如，老師和一群學生可以在戶外形成一個「隨意教室」，交換上課資料（如投影片、講義等），甚至可以進行線上即時考試。

  32. 無線感測器網路 • 無線微型感測器網路 • 為感測器，收集壓力、溫度、溼度等。 • 透過感測器，於感應範圍內偵測週遭環境或特定目標，並回傳偵測數據給網路監控者 • 無線傳輸之方式 • 自我調整與維護或提供所設計之進階系統服務，如野外生態監測系統

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