第四章 無線網路概論與應用

1. 第四章 無線網路概論與應用

2. 議程 4-1 無線網路初探 4-2 IEEE 802.11協定規範 4-3 藍芽技術 4-4 GSM、GPRS與CDMA、HSDPA之爭 4-5 無限廣域網路

3. 4-1 無線網路初探 • 無線網路的歷史十分的古老，初步的應用主是在第二次世界大戰中，當時美國陸軍使用一種特殊的編碼無線電訊號的技術來做為傳輸重要資料的方式，進而研發出一套無線電傳輸技術，這個技術就是無線網路最初步應用。 • 1985年美國聯邦通訊委員會開放三個ISM頻段，分別為902~928 MHz、2.4~2.483 GHz與5.725~5.875 GHz等三個頻段。

5. 無線網路的技術可以依據所使用的傳輸媒介不同而有所差異，通常可以分為以光進行傳輸或是以無線電波來傳輸兩種類型。無線網路的技術可以依據所使用的傳輸媒介不同而有所差異，通常可以分為以光進行傳輸或是以無線電波來傳輸兩種類型。 • 由於光傳輸的特性無法穿透大部分的物體，因此在適用性上來說比較偏向小型距離的傳輸，而無線電波因為其穿透性較佳，因此可以無時無刻充斥在我們的生活周遭，使用的範疇會比光傳輸來得便利

6. 紅外線傳輸（IR）：1966年牛頓發現光譜並且找到可見光的波長，座落於3900A ~ 7600A • 。紅外線的波長比可見光的波長還常，波長在700 ~ 14000 nm之間，在光譜上位於紅色光外色，因為紅外線本身具備有很強的熱效應，容易被物體吸收使用，一般稱之為紅外光。

7. 紅外線傳輸標準是在1993年由IrDA協會所制定。 • 目的是為了建立一個互通性佳、低成本與低耗能的資料傳輸解決方案。 • 目前常見的紅外線傳輸方式大致上可以區分為: • 直接式紅外線連接（DB/IR） • 散射式紅外線連接（DB/IR） • 全向性紅外線連接（Omni/IR）

8. 全向性紅外線連接（Omni/IR）

9. 雷射光傳輸（Laser）：雷射光傳輸與紅外線傳輸相似，都是屬於高頻率電磁波傳輸技術。雷射光傳輸（Laser）：雷射光傳輸與紅外線傳輸相似，都是屬於高頻率電磁波傳輸技術。 • 雷射光傳輸僅只有一種傳輸模式那就是直接式傳輸模式。 • 雷射會先將光集中成為一道光束，再射向目的地。

10. 無線電電波傳輸（Radio Frequency；RF）： • 無線電波傳輸是目前無線網路傳輸的主要媒介。 • 主要的原因在於無線電波穿透力強，且不會有傳輸方向或是區域上的限制，與紅外線、雷射光傳輸比較起來，無線電波在區域網的適應性更佳。 • 由於無線電波的頻段是屬於一種公共資產，因此使用上不如其他兩種傳輸媒介來得彈性，需要受限於各國政府部門相關頻段上的限制。 • 目前無線網路所採用的無線電波頻率大多設定在2.4 GHz公用頻段上。

11. 因為無線電波是採用公用頻段，包括工業科學與醫學等許多設備也都會將無線電波頻率設在這個頻段內。因為無線電波是採用公用頻段，包括工業科學與醫學等許多設備也都會將無線電波頻率設在這個頻段內。 • 為了避免訊號因此互相干擾，因此我們會透過展頻技術（Spread Spectrum；SS）配合調變技術來解決這個問題。 • 展頻技術主要是將傳輸訊號中的頻譜（Spectrum）打散到較原始頻寬更寬的一種通訊技術，簡單地說就是將『頻率範圍較窄、功率高』的電波轉變為『頻率範圍較寬、功率小』的電波。

12. 展頻技術示意圖

13. 展頻技術主要分為： • 直接序列展頻（Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS） • 跳頻（Frequency Hopping Spectrum；FHSS） • 微波（Microwave）：無線電波頻段中有許多的分類，其中最重要的一段是微波，是頻段主要是由通訊和雷達使用的頻段。 • 國際組織把無線電波頻段劃分為很多頻道，甚至規定了某些是由軍事設備專門使用的，避免軍用與其他裝置設備互相造成干擾。

14. 無線網路的架構基本上可以依據是否有使用基地台在網路架構中分為：無線網路的架構基本上可以依據是否有使用基地台在網路架構中分為： • 對等式無線區域網路（Ad-Hoc Wireless LAN） Ad-Hoc無線網路環境 SSID於Ad-Hoc無線網路環境運作方式

15. 有基礎架構的無線區域網路（Infrastructure Wireless LAN） Infrastructure無線網路環境

16. 透過無線網路AP橋接不同區域網路架構

17. 4-2 IEEE 802.11 協定規範 • IEEE 802.11是由電子電機工程協會IEEE於1990年11月召開802.11委員會，所開始制訂之無線區域網路標準。 • 原先此標準預訂在1991年擬定初稿，但由於制訂工程太過於宏偉，一直到了1995年才完成初稿。 • IEEE 802.11訂定了開放式系統網路互聯（Open System Interconnection；OSI）七層通訊架構中的實體層（Physical Layer）及資料連結層（Data Link Layer）中的媒介存取控制（Medium Address Control；MAC）子層之規範。

18. IEEE802.11委員會針對實體層中的媒介存取控制設計了三種不同的訊框（Frame）：IEEE802.11委員會針對實體層中的媒介存取控制設計了三種不同的訊框（Frame）： • 控制訊框（Control Frame） • 管理訊框（Management Frame） • 資料訊框（Data Frame） • 控制訊框是用來做為頻道的宣告與載波感測的維護和資料接收的回應等工作，而管理訊框主要是用來執行管理功能用。

19. 資料訊框就是一般用來傳遞上層網路所託付的資料的訊框格式。而每一個訊框都是由訊框標頭（MAC Header）、資料區段（Frame Body）與錯誤檢察碼（CRC）所構成。 IEEE 802.11訊框標頭

20. IEEE 802.11規範了兩種服務形態分別為： • 分散式服務（Distribution Service） • 工作站服務（Station Service） • 分散式服務的主要工作是將分散系統內的資料重送到正確的位址上。

21. 在IEEE 802.11標準上雖然沒有訂出此服務要如何將分散系統內的資料送至正確的位址上，但有詳細的說明完成此項動作所需要執行的五大服務模式： • 連結服務（Association） • 取消連結服務（Disassociation） • 重新連結服務（Reassociation） • 分配（Distribution） • 整合（Integration）

22. IEEE 802.11所規範的另外一種服務類型為工作站服務，工作站服務提供了： • 身分認證服務（Authentication） • 取消身分認證服務（Deauthentication） • 保密服務（Privacy） • 資料傳遞服務（Delivery of the Data）

23. 開放式系統身分認證方式 共享鎖匙身分認證方式

24. IEEE 802.11標準開始逐漸展開出來，目前依據可供連線的範疇可以區分為： • 無線都會網路（Wireless Metropolitan Area Network；WMAN） • 無線個人網路（Wireless Personal Area Network；WPAN） • 無線區域網路（Wireless Local Area Network；WLAN）

25. 表4-5　各種無線區域網路的特性

26. IEEE 802.11a： • IEEE 802.11a為802.11原始標準的一個修訂版本，於1999年被公開。 • 使用與原始標準相同的核心協定，定義一個在5 GHz ISM頻段的工作頻率，使用了52個正交分頻多工載波調變技術，最大資料傳輸速率可以高達54 Mbps。 • IEEE 802.11a擁有12個不互相重疊的頻道，其中8個運用於室內，另外4個則是用於點對點的傳輸中。

27. IEEE 802.11b： • IEEE 802.11b也是802.11原始標準的一個延伸版本。 • 採用了高速直接序列展頻技術（High Rate Direct Sequence Spread Spectrum；HR / DSSS），定義一個在2.4 GHz ISM頻段的工作頻率，可以讓資料傳輸頻寬提升到11 Mbps。 • 使用效率較好的互補式編碼調變技術來突破10 Mbps的資料傳輸瓶頸。

28. IEEE 802.11g： • IEEE 802.11g是IEEE 802.11b的後續延伸標準。 • 比起原先的IEEE 802.11b具有更高的傳輸率。 • 資料傳輸速度理論上可達到54 MBps，安全性也比原先的IEEE 802.11b較好。 • IEEE 802.11n： • IEEE 802.11n是目前全球最受矚目的無線區域網路標準。 • 主要的目的是在制定下一個世代的高速無線網路。

29. IEEE 802.11p： • IEEE 802.11p又稱為WAVE（Wireless Access in the Vehicular Environment）。 • 主要是用於車用電子無線通訊上。 • 由原先的IEEE 802.11所擴充延伸而成且支援智慧型運輸系統（Intelligent Transportation Systems；ITS）的應用。 • IEEE 802.11p將會被運用在車載通訊（或稱專用短距通訊，Dedicated Short Range Communications；DSRC）系統中。

30. 4-3 藍芽技術 • 藍芽（Bluetooth）是一種可運用在電腦、行動電話、與其他家電用品上的無線傳輸技術。 • 在1994年間瑞典行動電話大廠易利信（Ericsson）啟動一個專案，主要是用來發展一種低功率的無線電介面，用來取代原有行動電話與其週邊附件間繁雜的連接線。

31. 直到1998年5月由這個計畫又陸續加入了諾基亞（Nokia）、IBM、Intel及Toshiba等含蓋通訊、電子與電腦三大領域的五大廠商，共同成立一個專門的研究小組稱之為藍芽策略聯盟（Bluetooth Special Interest Group；Bluetooth SIG）。 • 共同研發這種低功率、短距離的無線電通信技術，並且將這個新的無線電通信技術命名為『藍芽技術』。

32. 藍芽是屬於一種無線數據資料和語音通訊的開放性全球標準。藍芽是屬於一種無線數據資料和語音通訊的開放性全球標準。 • 目的是希望透過此技術來發展一個短距離、低成本及低耗電的無線電波個人區域網路傳輸環境，整合資訊設備、通訊設備、娛樂設備與消費性電子產品等之間的通訊能力。 • 不管在那個區域內使用都可以達到一個通行無阻的無線網路資料通訊境界。

33. 藍芽無線傳輸的媒介是無線電波，所以藍芽技術最大的特性是在其傳送端與接收端的資料連線上不具有方向性的限制。藍芽無線傳輸的媒介是無線電波，所以藍芽技術最大的特性是在其傳送端與接收端的資料連線上不具有方向性的限制。 • 可輕易的穿透障礙物做資料或聲音的多點傳輸，其資料有效傳輸距離大約在10公尺左右，同時在資料傳輸期間，傳送端與接收端還可移動位置。 • 全方向性的資料傳輸特性是藍芽的優點但也是它的致命缺點，因為如何防範未經授權的資料傳輸，是藍芽技術中非常重要的一個課題。

34. 藍芽細胞網路（Piconet），是指由2到8個藍芽裝置所組成的集合體，在這個集合體中會有一個藍芽裝置扮演主控端（Master）角色，而其他的藍芽裝置則扮演輔助端（Slave）角色，同時每個裝置又可以是另外一個藍芽細胞網的成員。藍芽細胞網路（Piconet），是指由2到8個藍芽裝置所組成的集合體，在這個集合體中會有一個藍芽裝置扮演主控端（Master）角色，而其他的藍芽裝置則扮演輔助端（Slave）角色，同時每個裝置又可以是另外一個藍芽細胞網的成員。

35. 無線辨識系統（Radio Frequency Identification；RFID）是本世紀重要技術發展項目之一，它是一種非接觸式自動識別系統，由於是利用無線電波來傳送識別資料，因此一組射頻識別系統是由標籤（Tag）與讀取機（Reader）組成。 無線辨識系統運用 – 台北捷運悠遊卡

36. 4-4 GSM、GPRS與CDMA、HSDPA之爭 • 通訊系統的構成是由資訊的傳送端、資訊的接收端，與資訊傳遞路徑所組成。 • 如要建立一個可以在移動的時候達到資訊交換的目的，或是利用移動性設備來交換資訊的話，其間最重要的傳遞路徑便需要不需具備實體的連接而又能精確地攜帶大量資訊的電磁波來完成。

37. 1982年北歐四國於歐洲郵政與電報會議（Conference of Posts and Telegraphs；CEPT）中成立一個專業行動通訊小組（Group Special Mobile, GSM）。 • 目的是希望可以建立一個整合的無線通訊系統，改善當初歐洲各國互不相容的無線電話系統。並開發出全世界第一套公眾蜂巢式行動電話系統。

38. 全球第一套正式商業化的行動電話系統，於1979年日本所開發的MCS（Mobile Control Station）系統。 • 目前行動電話的系統大致上可以區分為： • 類比式 • 數位式 • 類比式行動電話因受到頻寬的限制與使用門號限制，且容易受無線電干擾及保密性差等缺點，目前逐漸由數位式行動電話來取代。

39. 數位式行動電話的系統大略可分為： • 全球行動通訊系統（Global System for Mobile；GSM） • ADC（American Digital Communication） • 日系的個人數位蜂巢式系統（Personal Digital Communication；PDC） • 美規的CdmaOne（Code Division Multiple Access） • 其中又以GSM與CdmaOne的研發進展較為快速，已經成為全球市場的兩大主流。

40. 簡易蜂巢式通訊系統架構

41. 整合封包無線通訊服務（General Packet Radio Service；GPRS）是由歐洲電信標準協會以全球通訊系統為基礎所發展出來的一個技術。 • GPRS強化了GSM的數據傳輸能力，以封包交換（Packet Switch）取代原先的電路交換方式，有效運用頻譜資源。 • 當資料在GPRS系統中傳輸時，資料會被分成許多一連串的小封包，而不是獨佔一整條電路。 • GPRS最高傳輸速率可高達171.2 Kbps，許多專家學者將GPRS視為2.5G，是後來跨入第三代行動通訊（3G）的重要里程碑。

42. GSM與GPRS相關比較

43. 國際電信聯盟（ITU）的射頻通信部門於1985年開便著手規劃未來公眾路上行動通訊系統（Future Public Land Mobile Telecommunications Systems；FPLMTS），主要著重於無線存取技術方面的改善。 • 這個計畫在1996年時更名為國際行動通訊系統2000（IMT-2000），而該系統也是第三代行動通訊（3G）的通稱。

44. 至1998年8月底止，提交至國際電信聯盟的第三代行動通訊無線傳輸技術提案共有16個。至1998年8月底止，提交至國際電信聯盟的第三代行動通訊無線傳輸技術提案共有16個。 • 涵蓋10個地面無線通訊技術與6個衛星通訊技術。 • 其中又以 CDMA（分碼多重存取）、TDMA（分時多重存取）與FDMA（分頻多工存取）等三大類技術為主要的發展依據。

45. 當業界還在對TD-SCDMA、WCDMA和CDMA 2000三種標準誰能夠成為行動通訊主導地位而爭論不休時，另外一個新的技術高速下行分組連接（High Speed Data Packet Access；HSDPA）的異軍突起，一躍成為備受矚目的焦點技術。 • HSDPA是WCDMA技術的升級，即是可加快用戶端設備（User Equipment；UE）的下行傳輸速率。 • HSDPA是以3G為基礎的強化提升，並非是第四代行動通訊（4G）技術，所以被稱之為3.5G。

46. 規劃上後續將推出提升上行速率的HSUPA（High-Speed Uplink Packet Access），由於這個技術將比HSDPA晚推出，也是以3G為發展基礎，而非4G的革新技術，所以被稱為3.75G。 表4-8WCDMA與HSDPA特性比較

47. 超行動寬頻主要由3GPP2組織改善CMDA2000行動通訊標準後用來作為下一代無線通訊的一個標準。超行動寬頻主要由3GPP2組織改善CMDA2000行動通訊標準後用來作為下一代無線通訊的一個標準。 • 原先名稱稱為CDMA 2000 1x EV-DO修正版，後來才改稱之為UBM。 • 在UMB系統中採用了正交分頻多工存取（OFDMA）調變技術，運用20 MHz的頻寬可以讓上下行傳輸速率達到288 Mbps與75 Mbps。

48. UMB這個技術可以與現有的CDMA 2000 1x與1xEV-DO兩種系統架構整合使用，也可以與目前使用中的CDMA網路系統設備相容。 • 使用UMB技術所具備的特性有： • 具備高速傳輸的能力 • 平均延遲時間較低 • 滿足行動傳輸的需求 • 更廣的覆蓋範圍 • 更加靈活的架構與支援匯聚接取網路架構

49. 4-5 無限廣域網路 • 無線廣域網路（Worldwide Interoperability for Microwave Access；WiMAX）一般中譯為全球互通微波存取，是以IEEE 802.16寬頻無線標準為基礎，並且由Intel等國際大廠所組成的WiMAX Forum所制定的一種新興無線通訊技術。 • 其傳輸速率最高可達70 Mbps，傳輸範圍更可以廣達30公里遠。這項技術主要運用在都會型區域網路中，由WiMAX Forum於2001年6月公布。

50. 目前WiMAX尚未有全球統一的頻段規範，但依據目前各國的頻段使用狀態大致可以區分為兩種：目前WiMAX尚未有全球統一的頻段規範，但依據目前各國的頻段使用狀態大致可以區分為兩種： • 有執照頻段（Licensed Band） • 免執照頻段（Unlicensed Band） WiMAX Logo