第 7 章無線網路

第 7 章無線網路

本堂課重點 • 7 - 1 無線傳輸技術介紹 • 7 - 2 IEEE 802.11 • 7 - 3 IEEE 802.11b 與 IEEE 802.11g • 7 - 4 IEEE 802.11a • 7 - 5 IEEE 802.11n－下一代 WLAN 的標準 • 7 - 6 藍牙技術 (Bluetooth) • 7 - 7 WiMAX－無線寬頻新主張 • 7 - 8 GSM、GPRS 與 3G

無線網路 • 網路在每個家庭中逐漸生根茁壯, 我們很難預測資訊科技的進步, 會為我們的生活帶來什麼樣的改變。 • 但我們可以確定一件事情, 就是悠遊在網路中的人們, 在追求速度之餘, 勢必會對於糾結纏繞的線路感到厭惡。 • 這點從無線鍵盤、無線滑鼠不斷推陳出新, 及近來無線網路 (Wireless Network) 的話題不斷在各報章雜誌中出現, 便可窺知一二。

無線網路 • 不過事實上, 無線網路應可細分為兩個部分來探討：第 1 個部分是負責電腦與電腦間的資料分享, 也就是取代或與原有的乙太網路搭配使用。 • 第 2 個部分則是讓個人數位設備與電腦溝通, 取代傳統的有線傳輸方式。 • 前者指的就是無線區域網路 (Wireless Local Area Network, WLAN), 後者最具代表性的就是手機上網, 也就是無線通訊 (Wireless Communication)。

7 - 1 無線傳輸技術介紹 • 所謂無線網路就是以電磁波為傳輸媒介, 來建立實體的網路連線。 • 若再依電磁波的屬性進一步細分, 則可分為紅外線 (Infrared, IR)、雷射 (Laser)、微波 (Microwave)、無線電波 (Radio Frequency, RF) 等等。

7-1-1 以紅外線與雷射為傳輸媒介 • 在無線網路的應用上, 紅外線或雷射最令人注意的特性有兩點： • 1. 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 • 2. 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。

紅外線 • 紅外線傳輸標準是在 1993 年由 IrDA 協會 (Infrared Data Association) 所制定。 • 其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, 目前幾乎所有筆記型電腦都配備有紅外線通訊埠。 • 紅外線傳輸有 3 種模式： • 直接式紅外線連接 (Direct-Beam IR, DB / IR)：將兩個要建立連線的紅外線通訊埠面對面, 之間不能有阻隔物, 即可建立連線。

紅外線 • 想當然爾, 這道連線是絕對安全的, 不需要擔心資料在傳送過程被人截取, 不過適用範圍也就非常小囉！

紅外線 • 散射式紅外線連接 (Diffuse IR, DF / IR)：散射式的連接方式不需要讓紅外線通訊埠面對面, 只要是在同一個封閉的空間內, 彼此即能建立連線。 • 不過很容易受到空間內其他干擾源的影響, 導致資料傳輸失敗, 甚至無法建立連線。

紅外線 • 全向性紅外線連接 (Omnidirectional IR, Omni / IR)：全向性連接則是擷取直接式和散射式二者之長, 利用一個散射式的紅外線基地台 (Base Station, BS) 為中繼站, 將各裝置的紅外線通訊埠指向基地台, 彼此便能夠建立連線。

紅外線 • 不過受限於以下幾個因素, 所以在無線區域網路中, 紅外線傳輸並不受到重視： • 傳輸距離太短：紅外線資料傳輸是以點對點的方式進行, 傳輸距離約在 1.5 公尺之內。 • 但是一個區域網路中, 不可能每個端點都在 1.5 公尺的範圍內緊緊相鄰, 光是這點就讓紅外線傳輸在無線區域網路中的應用, 蒙上一層陰影。 • 易受阻隔：紅外線傳輸的另一個問題就是易受阻隔, 這也是本節一開始提到的特性之一。

紅外線 • 當我們用紅外線建立連線之後, 只要有任何障礙物遮蔽到紅外線, 連線就會中斷, 若中斷超過一定時間, 則此次連線就會失敗。 • 由於紅外線的穿透率非常差, 就算兩個紅外線通訊埠之間僅相隔一本雜誌, 通常還是無法建立連線。 • 然而在架設區域網路時, 跨越障礙物是稀鬆平常的事, 所以紅外線實在不適合作為區域網路的主要傳輸媒介。

雷射 • 雷射和紅外線同屬較高頻率電磁波傳送技術, 不過雷射無線網路的連接模式只有直接式連接一種。 • 這是因為雷射是將光集成一道光束, 再射向目的地, 途中幾乎不會產生散射現象, 在許多需要安全的連線環境中, 雷射絕對是一個極佳的選擇。 • 通常在空曠或擁有制高點的地方, 而且不願意或不能挖掘路面、埋設管線時, 最適合用雷射來建立兩個區域網路間連結的通道。

雷射

雷射 • 上圖需要連線的兩棟大樓被海所隔, 若大費周章的沿著週邊道路埋設管線, 不僅成本高, 且維護不易, 因此採用雷射便是一個很好的方式。

雷射 • 當我們的辦公室分處馬路的兩側時, 若要使用電纜或光纖連線, 則勢必要挖馬路埋設線路。 • 但是馬路不是說挖就能挖, 因此改採用雷射建立連線, 會是比較適合的方式 (但需考慮天氣變化對雷射傳輸的干擾)。

7-1-2 以無線電波為傳輸媒介 • 無線電波的特性與頻帶管理：目前大部分的無線網路都是採用無線電波為傳輸媒介, 這是因為它的穿透力強, 而且是全方位傳輸, 不侷限於特定方向。 • 和雷射或紅外線相較之下, 無線電波傳輸特別適合用在區域網路。 • 此外, 當使用者不願意負擔佈線和維護線路的成本, 而其環境又有許多障礙物時, 採用無線電波的無線網路幾乎是唯一的解決方案！

以無線電波為傳輸媒介 • 不過, 不管在任何地區, 無線電波頻帶都是一項寶貴的公共資產, 也都受到政府部門特別的管制。 • 因此無線網路所採用的無線電波頻率大多設定在 2.4 GHz 公用頻帶, 以避免相關的法律問題。 • 不過因為是公用頻帶, 包括工業、科學與醫學的許多設備, 都會將無線電波頻率設在這個頻帶內 (例如：微波爐、數位無線話機、對講機) 。

以無線電波為傳輸媒介 • 因此大多透過展頻技術配合調變技術發送訊號, 以避免訊號互相干擾。 • 一般無線電通訊的訊號, 都是使用『頻率範圍較窄、功率較高』的電波, 這種電波有以下先天的缺點： • 容易洩密：因為頻率範圍窄, 所以第三者只要用特殊儀器接收特定頻率範圍內的訊號, 就能竊取到傳輸的內容。

以無線電波為傳輸媒介 • 容易受干擾：即使通訊的雙方針對傳輸內容加密, 以避免洩漏機密, 但是第三者仍可發送頻率相同、但功率更高的干擾訊號, 以阻撓接收端收取內容。 • 為了改進以上的缺點, 軍方在 1950 〜 1960 年代運用展頻 (SS, Spread Spectrum) 技術, 將原本『頻率範圍較窄、功率較高』的電波, 轉變為『頻率範圍較寬、功率較小』的電波, 如下圖。

以無線電波為傳輸媒介 • 經過展頻處理後的訊號, 因為功率比雜訊還低, 會被一般的接收器視為雜訊。

以無線電波為傳輸媒介 • 即使被偵測到, 因為其頻率涵蓋範圍很廣, 敵方很難發送這麼大範圍的干擾訊號, 因此能達到保密和抗干擾的目的。 • 所以簡單地說, 展頻就是將電波涵蓋的頻率範圍擴展開來, 把功率降低, 使波形由『尖高形』變成『寬扁形』, 以增強抗干擾能力和隱密性。

以無線電波為傳輸媒介 • 當然啦, 以上的說法係假設敵方不懂展頻技術, 才能達到保密效果。 • 事實上, 各國研究展頻技術已經數十年, 累積了許多破解之道, 目前軍方即使用展頻技術仍未必能保證安全傳輸, 也因此將一些展頻技術逐漸開放給民間使用。

公用頻帶只有 2.4 GHz 嗎？ • 事實上, 整個無線電頻譜有許多頻帶是屬於公用頻帶, 依用途不同而有所區別, 同時每個國家所開放的公用頻帶範圍和數量也不一定相同。 • 像 2.4 GHz (2.4000 ~ 2.4835 GHz) 頻帶原本是規劃給工業、科學及醫療 (Industrial, Scientific and Medical, ISM) 領域免申請即可使用。

公用頻帶只有 2.4 GHz 嗎？ • 但後來也開放給所有使用無線電磁波的設備使用, 而且幾乎全世界 (除了西班牙和法國) 都開放使用, 所以無線網路設備也大多採用 2.4 GHz 頻帶為主要傳輸頻率。 • 在台灣, 屬於 ISM 頻帶的公用頻帶還有 40.66 MHz (40.66 ~ 40.70 MHz)、5.8 GHz (5.725~5.875 GHz) 等。

7-1-3 以微波為傳輸媒介 • 微波和雷射類似, 一樣可提供點對點的遠距離無線連結, 應用方式也類似。 • 微波也容易受到外在因素的干擾, 例如：雷雨或鄰近頻道的串音 (Crosstalk) 干擾。 • 微波頻帶介於 3 ~ 30 GHz 之間, 而為了節省頻寬和避免串音的干擾, 因此微波設備通常都不使用公用頻帶, 而且以非常窄的頻寬來傳輸訊號。

以微波為傳輸媒介 • 這種窄頻微波的頻寬只剛好能將訊號塞進去而已, 如此不但可以佔用較少的頻帶, 也可以減輕串音干擾的問題。 • 那如果不申請專用頻道, 難道就不能使用窄頻微波嗎？ • 事實上也有廠商嘗試開發使用公用頻帶的微波產品, 不過如同前面所提, 微波很容易受到串音的干擾。

以微波為傳輸媒介 • 而在公用頻帶內, 有太多的無線電產品會發出電波, 就算是用了窄頻的技術, 無可避免還是會被其他訊號干擾到, 導致傳輸品質不良。 • 目前的微波系統除了頻帶的問題之外, 另一個大問題是沒有統一的標準。 • 這是個很嚴重的問題, 因為沒有統一的標準, 所以各家廠商所生產的產品無法互通。

以微波為傳輸媒介 • 一旦採用了某一家的微波設備後, 後續的採購就必定要買相同廠牌的產品, 否則不能互相通訊。 • 若是想換別的廠牌, 就必須將整套設備全部更新。 • 這點比頻帶問題更直接的影響到微波系統網路的普及。

7 - 2 IEEE 802.11 • IEEE 802.11 最早由 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, 電子電機工程師協會) 在 1997 年 6 月正式發表, 此文件在實體層規範了 3 種傳輸技術： • 直接序列展頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) • 跳頻式展頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) • 紅外線 (Infrared, IR)

IEEE 802.11 • 雖然在 802.11 可以使用紅外線為傳輸介質, 不過目前絕大部分的產品都是以無線電波為傳輸介質, 因此後文將僅介紹『直接序列展頻』和『跳頻式展頻』這兩種傳輸技術。

7-2-1 直接序列展頻 • 直接序列展頻是將每個窄頻寬、高能量的位元訊號 (0 與 1) 與展頻碼 (Spreading Code) 做運算, 將原本訊號延展為數倍頻寬, 並將訊號能量降低到低於背景雜訊 (Background Noise), 再把訊號傳送出去：

直接序列展頻 • 運算過程簡化為下圖 • 當接收端收到訊號時, 會用同樣的展頻碼再做一次運算, 將訊號還原成所需的資料。

直接序列展頻 • 直接序列展頻在傳輸訊號的過程中, 會在 2.4GHz 頻帶中, 選擇一些連續的頻道, 並將展頻後的資料利用多個頻道同時傳送出去：

直接序列展頻 • 至於直接序列展頻實際使用的頻道, 會依國別而異, 詳見下表：

直接序列展頻 • 802.11 定義的直接序列展頻技術可使用不同調變技術以提供 2 種速率： • 1 Mbps：採用 DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) 調變技術。 • 2 Mbps：採用 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) 調變技術。

7-2-2 跳頻式展頻 • 跳頻式展頻會先將要傳送的資料分割成許多區塊, 並將連續的頻道切割為多個小頻道, 每次依序傳送區塊時, 會隨機選擇要把封包放到哪個頻道：

跳頻式展頻 • 這種跳頻式的傳輸方式, 無形中也降低了被竊聽的風險。 • 因為每傳送一段資料後, 下一次要用那一個頻道傳送, 只有接收端才會知道, 外界根本無從得知。 • 跳頻式展頻所使用的調變技術為 GFSK (Gaussian Frequency Shift Key), 基本頻寬是 1 Mbps, 最高為 2 Mbps。

跳頻式展頻 • 此外跳頻式展頻通常比直接序列展頻有較高的容錯能力。 • 這是因為就算傳送資料的過程中, 被外在因素所干擾, 也只會造成某個小頻道無法傳送資料, 發送端只要針對被干擾的部分重送即可。

7-2-3 OFDM 展頻 • OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交分頻多工) 展頻的工作原理, 是將一個頻道切割成多個子頻道 (Subchannel, 又稱 Subcarrier), 然後在這些子頻道同時傳送訊號, 使訊號一整排地並列送出。 • 由於這些訊號彼此互為正交 (Orthogonal), 不會互相干擾, 因此能提升傳輸速率。

OFDM 展頻 • 在實作方面, 各家廠商切割頻道的方式未必相同。 • 以 802.11a 為例, 是將 20 Mhz 寬的頻道切割成 52 個 300KHz 寬的子頻道, 其中 48 個用在傳輸資料訊號, 4 個用來傳輸同步訊號。

7-2-4 802.11 的網路架構 • 802.11 規範 2 種無線網路架構：Infrastructure 與 Ad Hoc。 • Infrastructure 架構的特徵是用到了 AP (Access Point, 俗稱基地台或存取點)：

802.11 的網路架構 • AP 有 2 個主要的功能： • 將收到的無線訊號再生, 然後轉送出去, 補償訊號強度的不足, 延長傳輸的距離。

802.11 的網路架構 • 擔任無線網路與有線網路的橋樑, 透過 AP 可以將無線網路與乙太網路連接起來。

802.11 的網路架構 • 至於 Ad Hoc 網路架構如下圖所示：

802.11 的網路架構 • 此架構的特徵為不使用 AP, 每台電腦使用各自的無線網路卡互傳資料。 • 例如多台筆記型電腦彼此利用內建的無線網路卡或外接式無線網路卡相連, 就成為一個 Ad Hoc 架構的無線網路。

7 - 3 IEEE 802.11b 與 IEEE 802.11g • 7-3-1 802.11b • 7-3-2 802.11g • 7-3-3 WiFly －台北無線網路新都

7-3-1 802.11b • 由於 802.11 規格所支援的最高傳輸速率僅有 2 Mbps, 因此市場接受度很低。 • 802.11 工作小組隨後在 1999 年推出改良版的『802.11b』規格, 終於獲得各廠商的青睞, 也帶動了 WLAN 的蓬勃發展。 • 802.11b 的正式名稱為『Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band』, 隱含著『802.11b 只是擴充 802.11 實體層功能』的意義, 至於其它部分仍然沿用 802.11 的規格。

802.11b • 大體而言, 主要是做了以下的修改： • 引進 CCK 調變技術：802.11b 實體層使用 DSSS 展頻, 而且採用 CCK (Complementary Code Keying) 調變技術。 • CCK 在調變時並非使用固定的展頻碼, 而是根據所要傳送的訊號, 使用不同的展頻碼, 以表現出較多種的資料組合, 因此能提升資料傳輸速率。

802.11b • 使用『短前置訊號和表頭模式』：802.11 實體層在傳送資料時, 會加上前置訊號 (Preamble) 與表頭 (Header)。 • 前者主要用來使接收端和發送端能同步；後者則記錄了封包長度、協調速率、偵錯碼等等。 • 但是, 前置訊號與表頭都只能以 1 Mbps 的速率傳送, 成為拖垮效率的瓶頸。

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