無線傳輸之原理

2. 02 無線傳輸之原理 無線傳輸 無線傳輸概念之媒介 無線傳輸模型 調變技術 多重存取 PART I

3. 2.1 無線傳輸 • 無線網路是以電磁波作為資訊傳遞的媒介所建立的網路連線。常見傳輸技術有紅外線（Infrared, IR）、802.11 無線區域網路、藍芽（Bluetooth）、RFID等。

4. 2.2 無線傳輸概念之媒介 2.2.1 電磁波 • 電磁波是振盪且互相垂直的電場與磁場的結合。電磁波在空間中以波的形式移動，並藉此傳遞能量和動量。電磁波振動的速率決定了波的頻率（Frequency），而波在一秒內重複的次數稱之為赫茲（Hertz），關於波的基本性質見圖2.1，波長（Wavelength）為λ，而頻率為f，則有下列關係式： • c = λ× f • 其中c 為一常數代表光速。

5. 2.2 無線傳輸概念之媒介 • 2.2.2 傳輸頻帶

6. 2.2 無線傳輸概念之媒介 • 2.2.3 頻譜規則 • ITU（International Telecommunications Union）是世界上制定頻譜範圍的組織，ITU 將世界上的頻譜分為三個區域，(1) 美洲，(2) 歐洲、非洲以及前蘇聯，(3) 亞洲和大洋洲。同時也將頻譜的取得使用區分為需取得執照（licensed band）與不需取得執照（Unlicensed band）兩種。 • 對於使用者而言，只要取得了相對應的設備，就可以在不需取得執照頻譜上進行資料傳輸。藍芽（Bluetooth）、RFID 與ZigBee三者都是使用不需取得執照頻譜作為傳輸的應用。

7. 2.3 無線傳輸模型 • 無線傳輸速率可根據Shannon 公式計算出其理論的最大值，其中的W 代表位元傳輸速率，而H 代表頻寬（Hz），S/N 表示訊號和雜訊的比例（Signal to noise rate），公式如下： • 此公式可以計算出理想的最大傳輸速率，但是在現實生活中，因為電磁波傳遞的一些性質，造成傳輸速率無法達到此理論值。

8. 2.3 無線傳輸模型 • 2.3.1 自由空間遺失 • 在空間中，無線傳輸之訊號，會隨著傳輸者和接收者之間的距離漸遠而衰減。

9. 2.3 無線傳輸模型 • 2.3.2 都卜勒頻移 • 當接收端或傳送端兩者距離改變時，在接收端所接收到訊號的頻率，和發送端所發出的頻率不盡相同，稱之為『都卜勒頻移』，當兩者彼此逐漸接近時，接收端的頻率會較發送端高，若兩者漸遠離時，則接收端的頻率會較發送端低。

10. 2.3 無線傳輸模型 • 2.3.3 慢/快衰落 • 當電磁波在傳輸的過程中，碰到障礙物時會有反射、繞射和散射三種可能的情況。 • 反射（Reflection）：當電磁波撞到一物體，且此物體比其波長還大，則會產生反射。 • 散射（Scattering）：當電磁波撞到與波長大小相當的物體，會產生散射。 • 繞射（Diffraction）：當電磁波撞上一個無法穿越的物體，會在物體被遮蔽的後方產生新的波。

11. 2.3 無線傳輸模型 • 2.3.3 慢/快衰落 • 快衰落（Fast Fading）指的是在短距離內的移動造成訊號強度變化的現象。而慢衰落（Slow fading）則是指較長距離的移動期間訊號平均值等級的變化。

12. 2.4 調變技術 • 調變技術（Modulation technology）是為了減少在傳輸過程中訊號減弱，無線訊號所傳送的資料型態，主要有分為兩種，類比訊號和數位訊號，而我們可以透過調整對載波訊號的特性：振幅、頻率和相位或其他更多的參數，來對其進行調變與控制。

13. 2.4 調變技術 • 2.4.1 類比調變 • 類比調變（Analog modulation）主要有兩種，振幅調變（Amplitude Modulation,AM）和頻率調變（Frequency Modulation, FM），日常生活中廣播所使用的AM 及FM，即為類比調變最廣泛的運用。

14. 2.4 調變技術 • 2.4.1 類比調變 • 2.4.1.1 振幅調變 • 振幅調變是使用振幅的資訊來攜帶資料，即使用不同的振幅來辨別其所攜帶的資訊。

15. 2.4 調變技術 • 2.4.1 類比調變 • 2.4.1.1 振幅調變

16. 2.4 調變技術 • 2.4.1 類比調變 • 2.4.1.2 頻率調變 • 頻率調變是使用頻率的資訊來攜帶資料，使用不同的頻率來代表不同的資訊

17. 2.4 調變技術 • 2.4.2 數位調變 • 數位調變（Digital modulation）技術是將數位資料轉換成適當的連續載。

18. 2.4 調變技術 • 2.4.2 數位調變 • 2.4.2.1 波幅調變 • 波幅調變（Amplitude shift keying）輸出的是二位元字串，使用ON/OFF 來表示0/1 的情況。如圖2.9，當位元為1 時，則使用一固定振幅的載波來表示，而位元為0 時，則使用無載波表示。

19. 2.4 調變技術 • 2.4.2 數位調變 • 2.4.2.2 波頻調變 • 波頻調變Frequency shift keying）是使用兩種不同的頻率來表示1 或0，圖2.10 是較高的頻率來代表位元1，而較低頻率代表位元0。

20. 2.4 調變技術 • 2.4.2 數位調變 • 2.4.2.3 二元相位調變 • 二元相位調變（Binary phase shift keying）是使用相對的正弦波來表示每個位元 。

21. 2.4 調變技術 • 2.4.2 數位調變 • 2.4.2.4 四相位調變 • 四相位調變（Quaternary phase shift keying）是一種多重調變技術，每個符號是兩位元，較之前的方法更為有效率，但方法較為複雜，所以需要更為複雜的接收端。

22. 2.4 調變技術 • 2.4.2 數位調變 • 2.4.2.5 差動相位調變 • 差動相位調變（Differential phase shift keying）是將訊號與前一個位元的訊號比較，相同視為0，不同則視為1。因此資料為0 時載波的相位不變，資料為1 時載波相位的改變180 度。而採用差動相位調變的資料發送端與接受端並不需要同步。

23. 2.4 調變技術 • 2.4.2 數位調變 • 2.4.2.6 S/4-位移四相位調變 • S/4-位移四相位調變（S/4-shift quaternary phase shift keying）是一種能夠一次傳送 2 個位元的調變技術。資料傳送的波形是依據目前要傳送的 2 位元的資料，再將上一筆傳送的 2 位元的資料的相位做 S/4 的倍數的位移。S/4-位移四相位調變的相位改變方式如下。

24. 2.4 調變技術 • 2.4.2 數位調變 • 2.4.2.7 正交振幅調變 • 正交振幅調變（Quadrature amplitude modulation, QAM）是一種結合波幅調變（ASK）與相位調變（PSK）的調變技術，利用兩組頻率相同且相位相差90 度的載波合成為一個載波送出，能夠一次傳送較多位元的資料，正交振幅調變的調變技術被廣泛運用於有線電視的資料傳遞。

25. 2.5 多重存取 • 在無線網路傳輸時，因為多個接收端和傳送端所使用的傳輸媒介均相同，所以多重存取（Multiple access）技術定義使用無線網路傳輸時，如何共享傳輸媒介。多重存取可分為下列四種型態： • 隨機存取（Random access）：傳送端要傳送資料時，都可以嘗試著要傳輸資料。例：ALOHA、CSMA 和CSMA/CA。 • 順序存取（Ordered access）：傳送端要傳送資料時，需根據其規定的順序來傳送。例：Token Bus、Token Ring。 • 固定式存取（Deterministic access）：以特定方式來決定存取的順序，如頻寬、時間等。例：FDMA、TDMA 與CDMA 等。 • 組合式存取（Combinations access）：將上述的方法合併使用。例：TDMA-over-FDMA、TDD-CDMA 和TDMA/CSMA。

26. 2.5 多重存取 • 2.5.1 隨機存取 • 2.5.1.1 Aloha • Aloha 是第一個被提出的無線網路傳輸方式。 • Pure-Aloha：當傳送端要傳送資料時，就直接傳送，不需等待。 • Slotted-Aloha（Roberts, 1975）：將時間軸分為許多時槽，當傳送端要傳送資料時，每次使用一個時槽。

27. 2.5 多重存取 • 2.5.1 隨機存取 • 2.5.1.2 CSMA • 載波偵測多重存取機制 CSMA（Carrier Sense Multiple Access）。 • CSMA 的傳輸方式為當要傳送時，先偵測傳輸媒介是否有其他節點在傳輸資料，若無則傳送，所以 CSMA 的效率較 Aloha 好。 • p-persistent CSMA：當偵測傳輸媒介為忙碌時，則傳送者持續監聽傳輸媒介，等待到傳輸媒體閒置時，依據 p 的機率（0<p†1）立即傳送資料。

28. 2.5 多重存取 • 2.5.1 隨機存取 • 2.5.1.2 CSMA • Non-persistent CSMA：當偵測傳輸媒介為忙碌時，則停止偵測傳輸媒介，並等待某一段時間後，再重新偵測傳輸媒介，確認傳輸媒介閒置時，才進行資料傳送。

29. 2.5 多重存取 • 2.5.1 隨機存取 • 2.5.1.2 CSMA • CSMA 在無線網路的環境底下，有隱藏節點（Hidden-node problem）的問題，當兩個站台距離太遠時，兩者並無法監聽到對方是否發正在發送訊號。

30. 2.5 多重存取 • 2.5.1 隨機存取 • 2.5.1.2 CSMA • RTS/CTS/ACK 機制，讓傳送資料的兩端先建立可靠的連線。RTS/CTS/ACK 機制如圖2.15 所示，當A 要傳送資料給B 時，先傳送RTS 給站台B，若B 允許，則傳送CTS 給A，同時範圍內的其他站台也會監聽到這個訊號，因此不會再發送訊號給站台B 而干擾到站台A 的傳送，此時站台A 才開始傳送資料給站台B，當資料傳送結束後，站台B 再發出ACK 訊號，表示資料接收結束。

31. 2.5 多重存取 • 2.5.1 隨機存取 • 2.5.1.3 CSMA/CD 與CSMA/CA • CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）定義乙太網絡（Ethernet）中電腦之間的溝通方式。CSMA/CD 要求當資料送出後，持續檢測傳輸的電纜中電壓的變化。當碰撞發生時，電纜中的電壓就會隨著發生變化，此時發送端則延遲一段隨機的時間後，重新監聽傳輸媒介，等通道淨空後再進行傳送。 • CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）則是定義了無線網路中，發生傳輸碰撞的處理方法。這是由於在無線網路中並不容易去偵測到訊號的碰撞現象。因此，在無線網路中採取碰撞避免（Collision Avoidance,CA），來避免碰撞的發生。

32. 2.5 多重存取 • 2.5.2 順序存取 • 16Mbps，Token ring 的基本原理是利用標記（Token）來避免網路中的衝突。

33. 2.5 多重存取 • 2.5.3 固定式存取 • 2.5.3.1 FDMA • FDMA（Frequency Division Multiple Access）的運作方式是在頻率上直接切割，將頻寬切成數個等寬的頻道，每個頻道供一個使用者使用。所以在同一時間能夠有多人同時享用這個傳輸媒介。

34. 2.5 多重存取 • 2.5.3 固定式存取 • 2.5.3.2 TDMA • TDMA（Time Division Multiple Access）（Falconer et al., 1995）技術允許多個使用者使用相同頻率來存取媒介，TDMA 會在時間軸上邏輯地劃分許多等長的訊框（Frame），每個訊框中在細分為許多等長的時槽（Time slot），每個訊框的第一號時槽組成TDMA 的第一號頻道，其餘依此類推，每一頻道供一位使用者使用，所以不同使用者的訊號不會重疊。

35. 2.5 多重存取 • 2.5.3 固定式存取 • 2.5.3.3 CDMA • CDMA（Code Division Multiple Access）是允許多個使用者在同一時間，使用相同的頻率傳送資料，而不會相互干擾的技術。每一組傳輸都會給予一特殊的Code，而要傳送的位元，會先經過編碼再傳送出去。

36. 2.5 多重存取 • 2.5.3 固定式存取 • 2.5.3.4 FHSS • 展頻（Spread spectrum, SS）是將訊號作二次調變的技術。 • 跳頻展頻（Frequency-hopping spread spectrum, FHSS）是讓訊號在不同的時槽使用不同的頻率送出的技術。透過跳頻展頻讓發送端與接受端兩者能夠在訊號同步且同時的情況下以特定的窄頻載波來進行訊號傳送。

37. 2.5 多重存取 • 2.5.3 固定式存取 • 2.5.3.4 FHSS

38. 2.5 多重存取 • 2.5.3 固定式存取 • 2.5.3.5 DSSS • 直接序列展頻（Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS）的技術是將原始的資料與展頻碼（chipping sequence）作XOR 的運算後，使原始資料展開成x 倍的細小片段（Chip stream），可將原本較高功率且頻寬較窄的訊號，轉換為高頻寬低功率的訊號。

39. 2.5 多重存取 • 2.5.3 固定式存取 • 2.5.3.6 OFDM 與OFDMA • 正交分頻多工技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）。 • 使用子載波（Sub-Carrier）來傳輸數據符號（Symbol），每一個數據符號代表某個固定大小及相位的無線電電波。傳輸時用許多子載波，若以較低頻率的數據符號傳送資料，而且各個子載波的頻率距離就是數據符號之頻率的話，則這些次載波會成正交狀況，不會互相干擾。 • OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）是OFDM 技術的演進，使用者可以選擇通道條件較好的子通道（Sub-Channel）進行數據傳輸。

40. 2.5 多重存取 • 2.5.4 組合式存取 • 組合式存取是將上述方法合併使用