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第 十五 章 Wireless LAN 網路

15-1 無線網路簡介 15-2 無線網路的傳輸技術 15-3 跳頻展頻技術 15-4 直接序列展頻技術 15-5 CDMA 多重存取技術 15-6 紅外線傳輸技術 15-7 IEEE 802.11 系列規格 15-8 WLAN 網路架構 15-9 WLAN 服務架構 15-10 CSMA/CA 協定. 15-11 CSMA/CA 運作模式之一 15-12 CSMA/CA 運作模式之二 15-13 WLAN 認證系統 15-14 WEP 有線等效保密法 15-15 IEEE 802.11 訊框格式

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第 十五 章 Wireless LAN 網路

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  1. 15-1無線網路簡介 15-2無線網路的傳輸技術 15-3 跳頻展頻技術 15-4直接序列展頻技術 15-5 CDMA 多重存取技術 15-6紅外線傳輸技術 15-7 IEEE 802.11 系列規格 15-8 WLAN 網路架構 15-9 WLAN 服務架構 15-10 CSMA/CA 協定 15-11 CSMA/CA 運作模式之一 15-12 CSMA/CA 運作模式之二 15-13 WLAN 認證系統 15-14 WEP 有線等效保密法 15-15 IEEE 802.11 訊框格式 15-16 IEEE 802.11 實體層 15-17 IEEE 802.11 延伸規格 15-18 HomeRF 無線網路 15-19 HiperLAN/2 無線網路 第十五章 Wireless LAN 網路

  2. 15-1無線網路簡介 • 無線網路 (Wireless Network) 的優點 • 高移動性(Mobility) • 節省建設費用(Cost Saving) • 縮短建構時間(Saving Time) • 克服環境困難(Difficult-to-Wire) • 無線網路的缺點 • 電波干擾問題 (Radio Interference Problem) • 保密問題(Security Problem) • 連線問題(Connection Problem) • 架設問題(Installation Problem) • 標準問題(Standard Problem) • 電源管理問題(Power Management Problem) • 無線網路的類別 • 無線區域網路(Wireless LAN, WLAN) • 無線寬頻網路(Wireless Broadband) • 無線長程網路(Wireless Long-Hual) • 無線區域通訊(Wireless Local Communication)

  3. 15-2無線網路的傳輸技術 (一) • 無線網路之共用頻道 • ISM (Industrial, Scientific Medical) 頻道 • 902 ~ 928 MHz • 2.4 ~ 2.4835 GHz • 5.725 ~ 5.850 GHz

  4. 15-2無線網路的傳輸技術 (二) • 何謂展頻 (Spread Spectrum) 技術 • 窄頻傳輸的同頻干擾 • 展頻技術抗拒同頻干擾

  5. 15-2無線網路的傳輸技術) (三 • 展頻通訊模型 • 虛擬雜訊序列(Pseudo-Noise Sequence, PNS) • 展頻技術： • 跳頻展頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) • 直接序列展頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)

  6. 15-3跳頻展頻技術 • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) • 將頻道劃分為若干個小頻道 • f1, f2, f3, f4, ..., fk • 傳輸訊號在這些小頻道之間跳躍發送 • 跳躍順序由『虛擬雜訊序列』(PNS) 所產生 • 發送訊號之前的調變技術： • BPSK (Binary Phase-Shift Keying) • QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying)

  7. 15-4直接序列展頻技術 (一) • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) • 虛擬雜訊序列與欲傳送的訊號相調變，使其產生頻寬較高的載波訊號。 • 利用 Exclusive-OR (XOR) 原理(◎) • 傳送訊號：s(t) • 虛擬雜訊序列：PN(t) • 調變訊號 (發送) 後：s(t) ◎ PN(t) • 接收端解調變： PN(t)◎s(t) ◎ PN(t) = s(t)

  8. 15-4直接序列展頻技術 (二) • 調變圖形

  9. 15-4直接序列展頻技術 (三) • BPSK 經由 DSSS 展頻功能圖 • BPSK 經由 DSSS 展頻之訊號變化圖

  10. 15-5 CDMA 多重存取技術 (一) • 無線電傳輸之多重存取技術 • 分頻多重存取(Frequency Division Multiple Access, FDMA) • 分時多重存取(Time Division Multiple Access, TDMA) • 分碼多重存取(Code Division Multiple Access, CDMA) • 分域多重存取(Space Division Multiple Access, SDMA) • 混合式多重存取(Hybrid Multiple Access, HMA)

  11. 15-5 CDMA 多重存取技術 (二) • CDMA 多重存取 • 多個通訊連線共用一個頻道 (ISM 頻道) • 利用不同的『虛擬雜訊序列』(FNS) (Code)

  12. 15-6紅外線傳輸技術 (一) • 紅外線 (Infrared, IR) 波長 • 850 ~ 900 nm • 不受限制使用 (不必經由申請核准)

  13. 15-6紅外線傳輸技術 (二) • 紅外線傳輸模式 (Infrared Data Association, IR/DA) • 直接光束 IR (Direct Beam IR, DB/IR) • 全向性 IR (Ominidirectional IR, Omini/IR) • 散射式 IR (Diffused IR, DF/IR) • Omini/IR

  14. 資料位元 16-PPM 調變記號 0000 0000000000000001 0001 0000000000000010 0011 0000000000000100 0010 0000000000001000 0110 0000000000010000 0111 0000000000100000 0101 0000000001000000 0100 0000000010000000 1100 0000000100000000 1101 0000001000000000 1111 0000010000000000 1110 0000100000000000 1010 0001000000000000 1011 0010000000000000 1001 0100000000000000 1000 1000000000000000 15-6紅外線傳輸技術 (三) • 紅外線調變技術 • 脈衝位置調變(Pulse Position Modulation, PPM) • 16-PPM： • 16-PPM 調變記號表

  15. 準 頻帶 傳輸速率 展頻技術 調變技術 傳輸距離 IEEE 802.11 2.4 GHz 2 Mbps DSSS/FHSS BPSK/QPSK 100 公尺 IEEE 802.11b 2.4 GHz 11 Mbps DSSS BPSK/QPSK 100 公尺 IEEE 802.11a 5 GHz 54 Mbps OFDM 50 公尺 IEEE 802.11g 2.4 GHz 54 Mbps DSSS OFDM 100 公尺 15-7 IEEE 802.11 系列規範 (一) • IEEE 802.11 系列規範 • IEEE 802.11 WLAN 網路特性 • 傳輸速率：1 Mbps、2 Mbps、11 Mbps (802.11b)、54 Mbps (802.11a) • 訊框：IEEE 802.11 訊框 • 傳輸媒介：無線電 (2.4 GHz、5 GHz)或紅外線 (850 ~ 900 nm) • 通訊協定：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CA) • 傳輸模式：分散式協調功能 (DCF) 與集中式協調功能 (PCF) 兩種。 • 安全性：認證 (Authentication) 與資料隱密 (Privacy) 功能。

  16. 15-7 IEEE 802.11 系列規範 (二) • 協定堆疊 • 無競爭服務與競爭服務 • PCF 與 DCF • 跳頻展頻(FHSS) • 直接序列展頻(DSSS)  • 紅外線 (IR)

  17. 15-8 WLAN 網路架構 (一) • 對等架構 (AD Hoc)網路 • 沒有『擷取點』(Access Point) • 前端對前端(Peer-to-Peer) 通訊

  18. 15-8 WLAN 網路架構 (二) • 基礎架構 (Infrastructure)網路 • 由擷取點 (Access Point) 為通訊中心 • 網路元件： • 工作站 (Station) • 擷取點 (Access Point) • 基本服務集 (Basic Service Set) • 分散式系統 (Distributed System) • 擴充服務集 (Extended Service Set)

  19. 15-8 WLAN 網路架構 (三) • WLAN 網路架構 • 由多個基本服務集所構成 • 由有線網路連結各個基本服務集 • 工作站在基本服務集之間『游牧』

  20. 15-9 WLAN 服務架構 (一) • WLAN 網路服務運作系統 • 工作站服務(Station Service) • 分散式系統服務(Distributed System Service) • 聯結服務 (Association) • 取消聯結服務 (Disassociation) • 分送服務 (Distribution) • 整合服務 (Integration) • 重聯結服務 (Re-association)

  21. 15-9 WLAN 服務架構 (二) • WLAN 網路服務運作 • 無變動 • 基本服務區內的變動 • 擴充服務區內的變動

  22. 15-10 CSMA/CA 協定 (一) • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) • IEEE 802.11 MAC 通訊協定 • 『無線乙太網路』(Wireless Ethernet) • 無線電波上非常困難偵測碰撞現象

  23. 15-10 CSMA/CA 協定 (二) • CSMA/CA 運作模式 • 分散式協調功能(Distributed Coordination Function, DCF) • 競爭式服務 (Contention Service) • 集中式協調功能 (Point Coordination Function, PCF) • 無競爭式服務 (Contention-Free Service)

  24. 15-10 CSMA/CA 協定 (三) • 基本存取機制 • 由『訊框間隔』 (Interval Frame Space, IFS)長短來決定發送訊框的時機。 • 短訊框間隔(Short Interval Frame Space, SIFS) • CTS, ACK 或 Poll Response • PCF 訊框間隔(PIFS) • PCF 運作服務 • DCF 訊框間隔(DIFS) • DCF 運作服務 • 延長訊框間隔(EIFS) • 重送訊框

  25. 15-11 CSMA/CA 運作模式之一 (一) • 分散式協調 (DCF) 運作 • 載波感測，如空閒，則等待 DIFS 時間間隔， • 再等待一個時機時間，才發送訊框。

  26. 15-11 CSMA/CA 運作模式之一 (二) • RTS/CTS 協調功能 • 確認(Acknowledge, ACK) • 要求傳送(Request to Send, RTS) • 允許傳送(Clear to Send, CTS)

  27. 15-11 CSMA/CA 運作模式之一 (三) • 虛擬載波偵測(Virtual Carrier Sense) • 網路配置向量(Net Allocation Vector, NAV)

  28. 15-11 CSMA/CA 運作模式之一 (四) • 解決『隱藏工作站問題』

  29. 15-11 CSMA/CA 運作模式之一 (五) • 後退演算法與碰撞延遲 • 競爭視窗 (Contention Window, CW) • 7, 15, 31, 63, 127, 255, 255, 255, ..., 255 • 後退時間 • Backoff = INT(CW * Random()) * Time-slot • CW 介於 CWmin 與 CWmax  之間 • Random() 為 0 與 1 之間的隨機值 • Time-slot = 傳送端啟動延遲 + 媒介傳遞延遲 + 感測媒介反映延遲 • 運作範例：

  30. 15-12 CSMA/CA 運作模式之二 (一) • 集中式協調功能(Point Coordination Function, PCF) • 提供『無競爭』(Contention Free) 服務 • 集中協調者(Point Coordinator) • 擷取點 (Access Point) 負責 • 集中式協調元件： • 可輪詢工作站 (CF_Pollable) • 非輪詢工作站 (Non_CF_Pollable) • 無競爭輪詢 (Contention Free Poll, CF_Poll)

  31. 15-12 CSMA/CA 運作模式之二 (二) • 超級訊框週期 • 週期性出現 • 無競爭週期 • 競爭週期 • 可能縮短無競爭週期

  32. 15-12 CSMA/CA 運作模式之二 (三) • PCF 運作程序之一 • 協調者是傳送工作站或接收工作站

  33. 15-12 CSMA/CA 運作模式之二 (四) • PCF 運作程序之二 • 協調者不是傳送工作或接收工作站

  34. 15-13 WLAN 認證系統 (一) • 開放式系統 (Open System)認證 (Authentication) • 由『MAC 位址』認證 • 擷取器或其他工作站負責

  35. 15-13 WLAN 認證系統 (二) • 共享密匙式 (Shared Key) 認證 • 共享密匙 • 如 RADIUS 管理分配 • 盤問與回應(Challenge/Response) • 詢問雙方鑰匙是否相同

  36. 15-14 WEP 有線等效保密法 (一) • 有線等效保密法(Wired Equivalent Privacy, WEP)的特色 • IEEE 802.11 規範 • 抗竊聽性強 • 具有自我同步能力 • 效率高 • 出口性爭議 • 選項功能 • WEP 運作原理 • 加密/解密功能

  37. 15-14 WEP 有線等效保密法 (二) • WEP 演算法的加密過程 • 初始向量 (Initial Vector, IV) • 密匙 • 虛擬亂數產生器 (Pseudo Random Number Generator, PRNG) • 完整演算法 (Integrity Algorithm) • CRC 除法器

  38. 15-14 WEP 有線等效保密法 (三) • WEP 演算法的解密過程

  39. 15-15 IEEE 802.11 訊框格式 (一) • MSDU (MAC Service Data Unit)訊框分割 • 上層協定資料單元：如 LLC 層 (LLC_PDU) • 分割為若干個 MPDU (MAC Protocol Data Unit) • 切割臨界值 (Fragmentation Threshold) • 流量控制： • 採用 Stop-and-Wait 法

  40. 15-15 IEEE 802.11 訊框格式 (二) • MPDU (MAC Protocol Data Unit) 訊框格式 • 訊框標頭(Header) • 訊框實體(Frame Body) • 訊框檢查序列 (Frame Check Sequency)

  41. 跳頻展頻規範 頻段： 2.4 ~ 2.4835 GHz (ISM 頻段) 至少分割為 10個頻道 250 ms跳躍一次 (每秒 4 次) GFSK (Gaussian Frequency Shift Key) 1 Mbps 傳輸率 4 Level GFSK 2 Mbps 傳輸率 直接序列展頻規範 頻段：2.4 GHz ISM 劃分為 14 個小頻道，每一 DSSS 佔用 5 個頻道 11-chips PNS (Pseudo Noise Sequence)  +1 -1 +1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 傳輸速率為 1 Mbps，BPSK 編碼 (2 Level) 則頻寬為 22 MHz 含頻道間隔，則佔用 30 MHz 紅外線規範 IR 波長：850 ~ 950 nm 範圍：10 公尺 16-PPM：傳輸率為 1 Mbps 4-PPM：傳輸率為 2 Mbps 15-16 IEEE 802.11 實體層

  42. 特性 802.11 802.11b 802.11a HiperLAN/2 傳輸頻段 2.4 GHz 2.4 GHz 5 GHz 5 GHz 最高傳輸速率 2 Mbps 11 Mbps 54 Mbps 54 Mbps Layer 3 最高速率 1.2 Mbps 5 Mbps 32 Mbps 32 Mbps 媒介存取 CSMA/CA CSMA/CA CSMA/CA TDD/TDMA 連接性 Conn.-less Conn.-less Conn.-less Conn.-oriented 群播 Yes Yes Yes Yes QoS 功能 (PCF) (PCF) (PCF) ATM/802.1p 展頻方式 DSSS/FHSS DSSS/FHSS Single Carrier Single Carrier with Dynamic Frequency Selection 認證（資料加密） RC4-40 RC4-40 RC4-40 DES, 3DES, X.509 固定網路連結 Ethernet Ethernet Ethernet Ethernet, IP, ATM, 管理方式 802.11 MIB 802.11 MIB 802.11 MIB HiperLAN/2 MIB 無線電波鏈路品質控制 No No No Link Adaption 15-17 IEEE 802.11 延伸規格 (一) • IEEE 802.11 系列規格 • IEEE 802.11、IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g

  43. 15-17 IEEE 802.11 延伸規格 (二) • IEEE 802.11b 規格 • 2.4 GHz ISM 頻段 • 採用『高速直接展頻』(High Rate DSSS, HR/DSSS) • 11-chips PNS • HR/DSSS :  • 5.5 Mbps：4 位元 CCK 調變技巧 • 11 Mbps：8 位元 CCK 調變技巧 • DSSS： • 1 Mbps : DBPSK 調變技術 • 2 Mbps : DQPSK 調變技術

  44. 傳輸速率 調變方式 6 Mbps BPSK 9 Mbps BPSK 12 Mbps QPSK 18 Mbps QPSK 24 Mbps 16 QAM 36 Mbps 16 QAM 48 Mbps 64 QAM 54 Mbps 64 QAM 15-17 IEEE 802.11 延伸規格 (三) • IEEE 802.11a 規格 • 5 GHz U-NII (Unlicensed Nation Information Infrastructure) • 5.725 ~ 5.850 GHz • 125 MHz 頻寬可使用 • 展頻技術採用『正交分頻多工』(OFDM) • 利用多個頻道同時傳送資料，以提高傳輸速率 • 如 ADSL • 調變技術： • BPSK (Binary Phase-Shift Keying) • QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) • QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

  45. 15-17 IEEE 802.11 延伸規格 (四) • IEEE 802.11g 規範 • 2.4 GHz ISM 頻段 • 採用 DSSS 展頻技術 • 傳輸速率：最高 54 Mbps • 兩個編碼規範： • CCK/OFDM • PBCC-22 • 安全規範 • 修正 WEP 機制 • 採用 IPSec 技術

  46. 15-18 HomeRF 無線網路 • HomeRF (Home Radio Frequency) • ITU 制定標準 • 網路範圍：50 公尺 (100 mW) • 頻段：2.4 GHz ISM • 採用 FHSS 展頻技術 • 每秒跳躍 50 次 • 採用 CSMA/CA 協定，但沒有 RTS/CTS 及 PCF 機制 • 傳輸速率： • 1 Mbps : 2-Level FSK 編碼 • 2 Mbps : 4-Level FSK 編碼 • 保密機制： • 採用 Blowfish 加密法 • 多重存取技術： • 分時多工技術 (TDM) • 提供語音傳輸

  47. 15-19 HiperLAN/2 無線網路 (一) • ESTI BRAN 系列規格 • HiperLAN (High Performance Radio LAN) • ESTI (Europen Telecommunication Standard Institute) • BRAN (Broadband Radio Access Network) • 標準規範： • HiperLAN/1 • HiperLAN/2 • HiperLink • HiperAccess

  48. 15-19 HiperLAN/2 無線網路 (二) • 各規範之功能：

  49. 規範 HiperLAN/1 HiperLAN/2 HiperAccess HiperLink 網路型態 Wireless LAN ATM 短程連結 ATM 長程連結 無線寬頻連結 操作環境 室內/戶外 室內/戶外 戶外 室內/戶外 最大距離 50 公尺 50 公尺 5000 公尺 150 公尺 頻段 5 GHz 5 GHz 5 GHz 17 GHz 傳輸速率 23.5 Mbps 54 Mbps 25 Mbps 155 Mbps 最大功率 1 W 1 W 1 W 100 mW 15-19 HiperLAN/2 無線網路 (三) • 系列標準規範

  50. 15-19 HiperLAN/2 無線網路 (四) • HiperLAN/2 的特性 • 高傳輸率：可達 54 Mbps • 連結導向 • QoS 功能：符合語音、視訊要求 • 自動分配頻寬 • 安全系統：DES 及 3DES 加密標準 • HiperLAN/2 運作方式 • 固定網路內移動

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