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第 7 章

第 7 章. 無線網 路. 無線傳輸技術介紹. 無線網路的傳輸技術可分為兩大類： 較高頻電磁波 ( 光學傳輸 ) 紅外線 (Infrared, IR) 和雷射 (Laser) 較低頻電磁波 ( 無線電波傳輸 ) 窄頻微波 (Narrowband Microwave) 、 802.11 無線區域網路、 HomeRF 、藍芽 (Bluetooth) 行動電話. 以光為傳輸媒介. 不管是紅外線或雷射，因為是利用光做為傳輸媒介，所以都必須受限於較高頻電磁波 ( 光 ) 的特性： 無法穿透大多數的障礙物，就算穿透了也會出現折射和散射的情況

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第 7 章

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  1. 第 7 章 無線網路

  2. 無線傳輸技術介紹 • 無線網路的傳輸技術可分為兩大類： • 較高頻電磁波(光學傳輸) • 紅外線(Infrared, IR)和雷射(Laser) • 較低頻電磁波(無線電波傳輸) • 窄頻微波(Narrowband Microwave)、802.11無線區域網路、HomeRF、藍芽(Bluetooth) • 行動電話

  3. 以光為傳輸媒介 • 不管是紅外線或雷射，因為是利用光做為傳輸媒介，所以都必須受限於較高頻電磁波(光)的特性： • 無法穿透大多數的障礙物，就算穿透了也會出現折射和散射的情況 • 行進路徑必須為直線，不過這點可以透過折射及散射的方式解決。

  4. 紅外線 • 紅外線傳輸標準是在1993年由IrDA協會(Infrared Data Association)所制定 • 目的是為了建立互通性佳、低成本、低耗能的資料傳輸解決方案。 • 目前幾乎所有電腦都配備紅外線通訊埠 • 三種傳輸模式 • 直接式紅外線連接(Direct-Beam IR, DB/IR) • 散射式紅外線連接(Diffuse IR, DF/IR) • 全向性紅外線連接(Omnidirectional IR, Omni/IR)

  5. 直接式紅外線連接 • 兩通訊埠需面對面，之間無阻隔。這種方式安全不易被截取，但通訊範圍相當小 • 實際上通訊埠所射出之紅外線以圓錐形散出，所以偏移15度內應可收到

  6. 散射式紅外線連接 • 通訊埠無需面對面，只要同在一封閉空間即可建立連線，但容易受到其他干擾源影響而致資料傳送失敗，甚至無法連線

  7. 全向性紅外線連接 • 取直接式與散射式兩者之優點，利用一散射式紅外線基地台(Base Station, BS)為中繼站，各裝置紅外線通訊埠則指向基地台以建立連線

  8. 紅外線傳輸的缺點 • 紅外線因受限以下兩個因素，故在無線區域網路中並不受重視 • 傳輸距離太短：以點對點方式傳輸距離約僅1.5公尺，不適用無線區域網路 • 易受阻隔：光傳輸原本之特性。連線建立後若有障礙遮蔽，則連線會暫時中斷，但若超過特定時間，則連線便可能永久中斷 • 紅外線穿透力差，連雜誌都無法穿透，而無線區域網路所架設之環境，障礙物稀鬆平常，故不適合用紅外線

  9. 雷射 • 連接模式僅直接式連接一種 • 因雷射光束集中幾乎無散射，如此也成安全連線的一個極佳選擇 • 適用環境：在空矌或擁有制高點的地方，而兩端中間區域(路面或水面)不適合或不願意挖掘以埋設管線時

  10. 以較低頻電磁波為傳輸媒介 • 較低頻電磁波的穿透力強，而且是全方位傳輸，不侷限於特定方向。適用於： • 當使用者不願意負擔佈線和維護線路的成本 • 環境上有許多障礙物時 • 因頻帶為重要資產，所以受管制，因此常用公用頻帶2.4 GHz，但也需利用展頻配合調變以避免互相干擾 • 公用頻帶原規劃給工業、科學及醫療(ISM, Industrial, Scientific, and Medical)免執照使用，除2.4-2.4835 GHz外，在台灣尚有40.66 (40.66-40.70) MHz及5.8 (5.725-5.825) GHz

  11. 窄頻微波 • 與雷射類似可提供點對點的遠距離連 • 是使用高頻短波之電波(雷射則為光波，頻率更高)，易受水氣及串音影響 • 頻帶在3-30 GHz，為節省頻寬及避免串音，所以使用非常窄的頻寬來傳輸訊號 • 頻寬恰可塞入訊號，較不會干擾到鄰近頻道 • 亦有使用公共頻帶，但干擾多品質差 • 除頻帶問題外，另一問題為標準問題，各家標準不同，需同家產品才易相通

  12. IEEE 802.11 • 1997年6月發表為無線區域網路實體層與鏈結層所使用的標準 • 實體層規範3種傳輸技術 • 直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) • 1 Mbps: DBPSK; 2 Mbps: DQPSK • 跳頻式展頻(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) • 紅外線(Infrared, IR)(較不常用) • 鏈結層之MAC則使用CSMA/CA

  13. 何謂展頻？ • 無線傳輸技術訊號容易受到干擾與攔截 • 展頻通訊原來自軍方，保密能力與抗干擾能力都很強 • 展頻(Spread Spectrum)傳輸技術是透過傳輸頻率的展開來傳遞資料，一方面讓攔截動作更加困難，另一方面降低雜訊干擾的影響 • 常見之兩種展頻技術：直序展頻與跳頻展頻

  14. 直接序列展頻(1/3) • 將窄頻寬、高能量的位元訊號與展頻碼做運算，原訊號被延展為數倍頻寬，並將訊號以較低能量送出 時域 頻域

  15. 直接序列展頻(2/3) • 課本：在傳送訊號時會在2.4GHz頻帶中選擇連續的頻帶，並將展頻後的資料在這些頻帶上傳送出去 • 這是屬多載波方式，直序不一定要多載波 • 接收端收到訊號後用同樣的展頻碼再做一次運算，將訊號還原回原資料

  16. 直接序列展頻(3/3) • DSSS實際使用的頻帶依國別而異

  17. 跳頻式展頻 • 將資料分成小區塊及頻帶切成小頻帶，每次傳送一區塊資料時，會隨機選擇某個小頻帶來傳送 • 因傳送頻率為跳躍，所以竊聽不易 • 所使用的調變技術為GFSK (Gaussian Frequency Shift Key)，基本速率是1 Mbps，最高為2 Mbps • 比DSSS容錯力高，因若某頻帶干擾多，只會影響到一小部分資料

  18. WLAN架構-Infrastructure (1/2) • 需使用Access Point (AP，俗稱基地台或存取點)，AP兩個主要功能 • 延長傳輸的距離(因會將收到的訊號再生)

  19. WLAN架構-Infrastructure (2/2) • 擔任無線網路和有線網路間的橋樑

  20. WLAN架構-Ad-Hoc • 不使用Access Point，各電腦直接以無線網路卡互傳資料

  21. 802.11b (1/5) • 802.11最高傳輸速率僅2 Mbps，市場接受度很低。802.11工作小組隨後在1999年推出802.11b帶動了WLAN (Wireless LAN，無線區域網路)的蓬勃發展 • 802.11b的正式名稱為Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band，此名稱隱含的意義為只是擴充802.11實體層的功能，其它部分仍然沿用802.11的規格。

  22. 802.11b (2/5) • 802.11b主要做了以下較重要的修改 • 引進CCK調變技術 • 仍使用DSSS但採用CCK (Complementary Code Keying)調變技術，CCK並非使用固定的展頻碼，是根據所要傳送的訊號，使用不同的展頻碼，可多種的資料組合，因此能提升資料傳輸速率 • 使用短前置訊號(Preamble)和表頭模式 • 802.11b改用短前置訊號與表頭模式(Short Preamble And Header Mode)，前置訊號從802.11的144 Bits縮為72 Bits，並將表頭的傳輸速率由802.11的1 Mbps提升為2 Mbps，使得傳送前置訊號和表頭的時間縮為原本的一半，相對地提高資料的傳送效率

  23. 802.11b (3/5) • 前置訊號用來使接收端和發送端能同步；表頭則用來記錄封包長度、協調速率、偵錯等

  24. 802.11b (4/5) • 802.11b傳輸速率有四種：1Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps和11 Mbps • 最高傳輸速率接近10 Base乙太網路，因此逐漸被大眾所接受 • 不同速率使用不同調變(802.11亦是如此) • 1 Mbps使用DBPSK (Differential Binary PSK) • 2 Mbps使用DQPSK (Differential Quadrature PSK) • 5.5 Mbps及11 Mbps使用CCK • WECA (Wireless Ethernet Compatability Alliance無線乙太網路相容聯盟) • 執行相容性認證，該認證標準稱為Wi-Fi (Wireless Fidelity)

  25. 802.11b (5/5) • 802.11b的市場現況 • 台灣網路市場2002年802.11b崛起深耕。國內外廠商競相推出802.11b的無線網路卡與AP，功能愈來愈強、價格愈來愈低，也愈來愈多地點設有無線上網之據點。 • 802.11b的未來發展 • 2003 HomeRF宣布下台一鞠躬，藍芽在價格、傳輸速率和普及率方面尚難以威脅802.11b，因此802.11b穩居WLAN市場盟主，但802.11a及g這兩種規格都擁有更高的傳輸速率、更安全的加密技術，一旦量產可望奪下802.11b的王位，許多廠商將研發和生產重心逐漸轉移到802.11a或802.11g

  26. 802.11a與802.11g (1/4) • 802.11a：全名為High Speed Physical layer in The 5GHz Band • 和802.11b同樣只是擴充802.11實體層的功能 • 由於實體層有極大的變異，導致802.11a和802.11b無法相容 • 802.11a的特點 • 使用5 GHz頻帶 • 由於微波爐、無線電話、藍芽裝置和802.11b等都用2.4 GHz頻帶，會出現相互干擾。 • 802.11a使用5.15-5.25，5.25-5.35與5.725-5.825 GHz三段頻帶，每一段有4個20 MHz的頻帶可供使用，因此802.11a總共有12個可用頻帶。

  27. 802.11a與802.11g (2/4) • 5 GHz頻帶又稱為UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) Band，在美國與台灣均開放免申請，但是有些國家則為管制頻帶。 • 不使用2.4 GHz頻帶使得802.11a與802.11b不相容 • 最大傳輸速率為54 Mbps • 利用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交分頻多工)技術，將頻帶切割成多個子頻帶(Subchannel，又稱Subcarrier)，然後在這些子頻帶同時傳送訊號，這些訊號互為正交，不會互相干擾。 • OFDM技術再搭配BPSK、QPSK、QAM三種調變技術，使得802.11a有6、9、12、18、24、36、48、54 Mbps等8種傳輸速率，其中6、12、24是強制規格，其它則為選擇性的 • 智邦有產品可用Turbo模式飆到72 Mbps並不符合802.11a規格，只可用在智邦之產品

  28. 802.11a與802.11g (3/4) • 802.11a的現況 • 產品價格昂貴：動輒上萬元對企業而言不經濟 • 與802.11b不相容：因802.11b已占多數，要消費者放棄不易，因此802.11a僅能吸引尚未架設無線區域網路的用戶 • 802.11a的未來 • 為了解決上述問題，可將多個晶片整合到1、2個晶片以降低晶片組成本；另一方面開發適用802.11a和802.11b雙頻晶片以便使兩種網路能互相交換資料。

  29. 802.11a與802.11g (4/4) • 802.11g：因相容且具有更高的傳輸速率而被視為802.11b的火力加強版 • 802.11g的特點 • 使用2.4 GHz頻帶 • 與802.11b產品能相容，即兩者之產品能建立連線，適合用來將現有的802.11b網路逐步升級 • 最大傳輸速率為54Mbps • 802.11g的現況與未來 • 802.11g擁有802.11a的最高傳輸速率，又能和802.11b相容，兼具兩派之優點，被視為無線區域網路的明日之星。

  30. HomeRF (舊版) • 國際電信聯盟(ITU, International Telecommunication Union)所推一種家用無線標準，低成本低耗能，可傳數據語音 • 使用共享無線存取協定(Shared Wireless Access Protocol, SWAP)傳數據及語音 • 數據：用FHSS在2.4 GHz，速率為2 Mbps • 語音：用DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone)標準以TDMA提供6個全雙工數位語音通道，每個通道速率為32 kbps • 其他特點：涵蓋範圍達50公尺、支援128個節點(包括基地台CP, Control Point)、可和藍芽設計在同一個裝置中

  31. 高速HomeRF (舊版) • 2000年12月提出HomeRF 2.0 • 傳輸速率最高達10 Mbps，亦支援 5 Mbps、1.6 Mbps和0.8 Mbps。 • 相容於HomeRF 1.2的設備。 • 耗電量比市面上任何無線設備還要低。 • 同時最多可以有8個連線。

  32. 藍芽技術(Bluetooth) • 哈拉德藍牙：10世紀挪威維京國王統一了丹麥。易利信用其名來發展無線通訊 • 1994年易利信為使手機與無線耳機連線而開始，98年5月與Nokia, Intel, IBM, Toshiba組成藍芽同好群(Bluetooth SIG, Bluetooth Special Interest Group) • 藍芽：可用於電信和電腦的無線傳輸技術 • 傳輸速率為1 Mbps • 短距離、低功率、低成本 • 例：手機回家可當無線話機、選台器、PDA • 目前朝向資訊家電方向發展

  33. 藍芽應用範圍 • 語音及數據資料的即時傳輸 • 電腦、PDA或手機可上網及收mail • 取代有形線路 • 一般10 m，加上放大器可達100 m • 快速方便的網路連接 • 傳輸範圍內經簡單認證便可建立連線 • 比紅外線1.5 m遠且通訊埠無需面對面 • 3合1電話 • 手機在家可當無線話機，在公司亦可當分機

  34. 藍芽技術的標準 • 使用2.4 GHz FHSS，為抗干擾之方法 • 高速跳頻每秒1600次且封包採用小封包 • 使用錯誤控制 • 語音正確性要求不高，封包遺失不重傳 • 數據資料有錯誤會要求傳送端重送 • Piconet：一個藍芽網路總共可有8個藍芽裝置，其中一個是主控端(Master)，其他裝置則是用戶端(Client)。 • Scatternet：一Piconet內之裝置可成為另一個Piconet的成員，將藍芽網路無限的延伸出去，形成一個大的網路。

  35. 藍芽高速跳頻之影響 • 因高速跳頻，使得亦使用2.4 GHz之其他設備會因為藍芽快速跳頻而判斷所有頻道皆有干擾而丟棄每個封包 • IEEE 802.11b即使使用DSSS，當與藍芽設備鄰近時，兩者效能皆會下降

  36. 802.16 – WiMAX (1/4) • 無線傳輸的物理限制(電磁波) • 依頻率由低至高可粗分為：無線電(radio)、微波(microwave)、紅外線(infrared)、可見光(visible)、紫外線(ultraviolet)、X、射線等 • 較低頻與較高頻電磁波分界約在微波與紅外線之間，較低頻電磁波較常應用在非定向傳輸上，反之，較高頻則較常應用在定向傳輸 • 更高要求： • 更快的傳輸速率：釋出尚未開放使用的頻段，並使用更先進的傳輸編碼 • 更方便的移動性 • 更遠的傳輸距離：加大功率(得修改相關電信法規)，但涵蓋範圍變大令可用的總傳輸頻寬縮水(指易干擾需間隔開)，可使用尚在實驗階段的智慧型定向天線來因應

  37. 802.16 – WiMAX (2/4) • WiMAX的定位與未來發展 • Intel、富士通、Nokia... 等組成WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)聯盟著手802.16的願景 • 更快的傳輸速率(70Mbps)、更遠的傳輸距離(50公里)、更高的安全性、更強的移動支援能力 • 電磁波頻率越高，所承載的傳輸頻寬也越寬(傳輸速率更快)，傳輸距離越短。加大功率，可提高傳輸距離，但可用的總傳輸頻寬縮小 • 智慧型定向天線(在無線基地台的圓形涵蓋範圍裡切割出6個扇形區段，基地台可以對這6個扇形區段使用同頻率的無線訊號

  38. 802.16 – WiMAX (3/4) • 尚在實驗階段，且佔用更多的頻段及更高的功率，如此會讓筆記型電腦的電池使用時間縮水，並引發健康方面的疑慮，且定向傳輸也使行動上網的困難度升高 • 聯盟現階段重點不在成為下一個無線區域網路標準，而是訴諸於傳輸距離更遠的市場區隔 • 與固網業者既有ADSL有線寬頻技術與無線電信業者的GPRS或3G技術相較量的意味，適用於如美國偏遠地區，業者得花費較高的網路架設成本才能提供同等品質的ADSL或3G連線服務。在這個只提供較少數遠距用戶的寬頻連線市場裡，WiMax就成了很適用的遠距寬頻連線技術

  39. 802.16 – WiMAX (4/4) • 目前WiMAX有著如下表所示的各種實體層規格： • 未來802.16的各種實體層規格是否都能成為主流，端視市場需求以及業者量產相關產品的能力(也就是技術研發/改良能力)而定。

  40. 何謂GSM (1/2) • 民國86年，台灣開放GSM行動電話的經營執照，有5家業者取得：遠傳電訊、台灣大哥大、和信電訊、東信電訊以及泛亞電訊 • GSM：Global System for Mobile Communications全球行動通訊系統 • 歐洲電信標準學會(ETSI, European Telecommunications Standard Institute)於1990年底所制定的數位行動網路標準。 • 各國頻帶不同，共有900、1800、1900 MHz三個頻帶

  41. 何謂GSM (2/2) • 為同時服務多個用戶，將每個頻道切割成多個子頻道，每個子頻道再以TDMA (Time Division Multiple Access，分時多重存取)供用戶輪流使用 • 例如8個用戶使用同一子頻道，可設定每個用戶一次只能用1/8秒，每隔1秒就可以輪一次。此1/8秒的時間單位稱為時槽(Time Slot) • 可使用的時槽有限，在傳送數據資料時，最高只能達到9600 bps，不符現代需求

  42. 何謂GPRS (1/3) • GPRS：General Packet Radio Service • 架構在現有GSM系統之上，改用封包來傳送 • GPRS提供4種編碼機制，可提供不同的資料傳輸速率(理論上限是指當所有的時槽都分配給單一使用者)： • CS-1：9.05Kbps，理論上限為 72.4Kbps • CS-2：13.4Kbps，理論上限為 107.2Kbps • CS-3：15.6Kbps，理論上限為 124.8Kbps • CS-4：21.4Kbps，理論上限為 171.2Kbps

  43. 何謂GPRS (2/3) • 和GSM的關係 • GSM網路只需進行一些軟硬體昇級即可提供GPRS服務，例如：使用支援GPRS的手機、基地台則需更新軟體以支援GPRS的封包傳送方式。 • 整個網路中需加入2項新的元件：用以連接數據網路(例如：Internet)的GGSN (Gateway GPRS Support Node)，以及負責建立數據連線的SGSN (Serving GPRS Support Node) • GSM使用線路交換、GPRS使用分封交換

  44. 何謂GPRS (3/3)

  45. 3G－第3代行動通訊系統(1/3) • 緣由 • 國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)在提出IMT-2000 (International Mobile Telecommunication - 2000)計劃時欲建立下一代行動通訊的標準，一般俗稱的第3代行動通訊標準(簡稱3G) • 原始目的是希望建立全球一致的行動通訊標準，但基於廠商及國家利益仍難以達成。因此ITU採納了5種無線電波存取技術，都可達到對傳輸速率的基本需求：車輛行進至少128 kbps，靜止時高達2 Mbps。

  46. 3G－第3代行動通訊系統(2/3) • 兩種主流：W-CDMA和CDMA 2000 • W-CDMA：Wideband Code-Division Multiple Access(寬頻分碼多工存取) • CDMA是美加2G系統之一。其原理是指定給每個用戶端不同的展頻碼，基地台可同時傳送多人的資料給每個用戶端，但用戶端收到的訊號與展頻碼運算後只會得到屬於自己的資料，傳給其它用戶端的資料會被視為雜訊。如此，同一個頻道同時可供多人使用。W-CDMA就是使用較寬的頻帶(5 MHz)來提供更高速的傳輸，以封包形式傳送資料時，可提供384 kbps至2 Mbps的速率。

  47. 3G－第3代行動通訊系統(3/3) • W-CDMA是針對GSM系統所設計，ETSI制訂的使用W-CDMA技術的3G標準稱為UMTS（Universal Mobile Telecommunication System)，所以也常有人用UMTS來代表W-CDMA系統。 • CDMA2000：較適合於目前使用CDMA技術的升級方案，與W-CDMA一樣都使用CDMA技術，兩者的展頻運算方式不同，使用頻道也不同，CDMA2000的頻道寬度為1.25 MHz，而且CDMA2000還支援一種特殊的模式，可將3個頻道合成一個頻道使用。

  48. WAP • 1997年6月，Ericsson, Nokia, Motorola, Phone.com首度合作於12月定了WAP (Wireless Application Protocol) • 為一種新的行動通訊技術讓手機(或PDA)可以存取網際網路的資訊 • 3個致命缺點：太慢、太貴、缺乏內容 • 受限於GSM 9.6 kbps • 比電腦上網之價格約貴十倍 • 惡性循環，所以內容提供者少

  49. WAP標準 (1/2) • WAP與HTTP類似，但主要用在無線設備 • 網頁語法：HTTP用HTML (HyperText Markup Language)，WAP則用WML (Wireless ML) • 因無線通訊設備頻寬、螢幕、記憶體都較小，所以HTML不適合，所以發展新的WML • 通訊協定：HTTP用TCP/IP，WAP則用WDP (Wireless Datagram Protocol) • WDP並非取代TCP/IP，而是用在手機與WAP閘道器之間 • WAP閘道器的作用：轉送WAP裝置的要求，編譯、檢查WAP伺服器回傳資料為WML格式，再傳給WAP裝置

  50. HTTP WAP WAP標準 (2/2) • 與HTTP架構稍異

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