無線網路CH1
學校 : 中華大學 系所 ： 通訊工程學系 老師 ： 余誌民教授
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無線網路 序論
本章的章節
1.0無線通訊系統 1.1無線通訊的定義與簡單的分類 1.2無線網路的分類 1.2無線區域網路的架構 1.3無線區域網路的應用 1.4無線網路現況
1.1 蜂巢式系統的歷史 第一代（1G）無線系統主要是使用頻率多工 FDM（frequency division multiplexing） 來進行語音通訊。 第二代（2G）系統改採用分時多工TDM （time division multiplexing），使其亦 能處理資料這一部分。 第三代（3G）系統是為了滿足整合語音、資 料及多媒體流量的需求。 無線通訊 第一章 第1頁
1.1 蜂巢式系統的歷史
無線通訊 第一章 第6頁 表1.5
1.1 蜂巢式系統的歷史 第三代無線系統將具有許多子系統來涵蓋不 同的需求、特色與使用範圍。 細胞（cell）一詞基本上表示傳輸點所能覆 蓋的範圍，此點通常稱為基地台BS（base station），而微微（pico）、微(micro）、 巨（macro）等詞則用來表示不同的覆蓋傳 距。
無線通訊 第一章 第6頁
1.1 蜂巢式系統的歷史
無線通訊 第一章 第7頁 圖1.2
1.1 蜂巢式系統的歷史
無線通訊 第一章 第7頁 圖1.3
1.1 蜂巢式系統的歷史
無線通訊 第一章 第8頁 圖1.4
1.2 蜂巢式系統的特色 集中式AP（access point）負責與多種家用 裝置通訊，並透過區域性的無線模式來控 制。 不僅讓各裝置之間能更緊密地配合甚至亦能 透過語音或簡訊方式來遠端操控家用AP。
無線通訊 第一章 第8頁
1.2 蜂巢式系統的特色
無線通訊 第一章 第9頁 表1.6
1.3 蜂巢式電話系統的基礎 在所有實際用途上，細胞多以六邊形來近似 之。
無線通訊 第一章 第12頁 圖1.6
1.3 蜂巢式電話系統的基礎 無線服務分配到的頻寬有限，為了要增加整體系統 效能，必須使用一些多工技術。 主要有四種基本的多工技術，包括分頻多重擷取 FDMA（frequency division multiple access）、 分時多重擷取TDMA（time division multiple access）、分碼多重擷取CDMA（code division multiple access），及正交分頻多工OFDM （orthogonal frequency division multiplexing）。
無線通訊 第一章 第13頁
1.3 蜂巢式電話系統的基礎 一種叫做空間分隔多重擷取SDMA（space division multiple access）的新技術也正 被加以研究。 所有第一代蜂巢式系統都使用FDMA。
無線通訊 第一章 第13頁
1.3 蜂巢式電話系統的基礎
無線通訊 第一章 第13頁 圖1.7-1.9
1.3 蜂巢式電話系統的基礎
無線通訊 第一章 第14頁 圖1.10-1.12
1.3 蜂巢式電話系統的基礎 CDMA技術是最具有前景的。 不同用戶有不同的碼。 編碼的正交性讓來自不同用戶的傳輸資料能 同時使用同一頻率帶。
無線通訊 第一章 第15頁 圖1.13
1.3 蜂巢式電話系統的基礎 一種最新且正在崛起的技術是OFDM。 OFDM與FDMA系統不同，在FDMA整個頻寬是劃 分成不重疊的頻率子帶，此目的是為了消除 鄰近通道的干擾，對增進頻寬使用率毫無幫 助。而在OFDM，每個子載波在某一時間週期 內利用一小部分資料進行調變。
無線通訊 第一章 第16頁
1.3 蜂巢式電話系統的基礎 跳頻（frequency hopping） 當有多位用戶時，可以使用不同跳頻順序 來傳輸資訊，只要任一時間點上各個通道僅 有一位用戶在使用。
無線通訊 第一章 第16-17頁 圖1.16
1.4 蜂巢式電話系統的基礎建設架構 一個BS會包含基地收發台（base transceiver system; BTS）與基站控制台 BSC。塔台及天線是屬於BTS的一部分，而其 他電子裝置則是在BSC。 本籍註冊資料庫（home location register; HLR）與客籍註冊資料庫（visitor location register; VLR）是兩組漫遊管理 的資料庫。 無線通訊 第一章 第18頁
1.4 蜂巢式電話系統的基礎建設架構
無線通訊 第一章 第19頁 圖1.19
1.4 蜂巢式電話系統的基礎建設架構 在任何蜂巢式機制中，需要用到四個單工通 道來交換BS與MS之間的同步及資料。 從BS到MS的通道稱為下行通道（forward channel），在美國之外亦有稱為 downlinks，而MS到BS則稱為上行通道 （reverse channels或uplinks）。
無線通訊 第一章 第19頁
1.4 蜂巢式電話系統的基礎建設架構
無線通訊 第一章 第19頁 圖1.20
1.4 蜂巢式電話系統的基礎建設架構
無線通訊 第一章 第21頁 圖1.22
I.無線通訊網路簡介
本章的重要觀念
無線通訊網路是什麼 ? 無線通訊網路有那些種類 ? 無線通訊網路有什麼用途 ?
概說 無線通訊網路是達到網路使用普及的好方法，因為 使用者可透過無線通訊網路，在任何時間與地點使 用網路 無線通訊的目標，是要達成一人一號的全球個人通 訊網路 電腦網路可以藉由無線通訊技術而無限延伸，現有 網路的接觸面將更深入人類生活的各個層面 我們可以想像在無線通訊網路普遍使用之後，許多 需奔波各地從事資訊及各類服務的從業人業，將重 新定義他們的工作地點
無線通訊的定義與簡單的分類 無線通訊(Wireless Communications)就是藉由 電磁波，經由空氣介質的傳送，來達到通訊的目的 無線通訊網路是利用無線電波(radio frequency: RF)來連接包括電腦在內的各種設備，由於不需要 實體纜線，所以不受時間、空間的限制 以使用者端的狀況來區分，可將無線通訊簡單地分 為兩大類： 行動式通訊(Mobile Communication)-使用者可處於 快速移動的狀況 定點式通訊(Stationary Communication)-使用者的位 置改變，必須限制在一定的範圍與速度之內
無線通訊網路的種類與應用
分類 的主要考慮因素 從通訊的特性作簡單的分類，以下六項是主要考慮 因素：
通訊的方向性是單向或雙向 傳輸資料的性質與種類 所使用的頻率區段 使用的範圍與限制 使用者的位移狀態 通訊時間的長短
例如呼叫器(Pager)，其通訊是單向性，傳輸的是 資料而非語音，使用的範圍限於國內，使用者的移 動性不受限制，通訊時間短
從涵蓋範圍來看無線通訊網路 電腦網路用涵蓋範圍來分類，無線通訊網路也能以 類似的方式來區分各種不同的網路，這種分類相當 簡單明瞭
無線區域網路 (WLAN, wireless local area network) 無線個人網路 (WPAN) 無線廣域網路 (WWAN, wireless wide area network) 固定式的無線網路 (Fixed Wireless) 無線網路的協定 (Protocols)
無線區域網路 (WLAN) 範圍約辦公室或是一般校園的大小 IEEE 802.11b是WLAN的標準協定，使用 2.4GHz的頻段，支援11Mbps的傳輸速率 IEEE 802.11a使用5GHz的頻段，支援54Mbps 的傳輸速率 IEEE 802.11g是WLAN的標準協定，使用 2.4GHz的頻段，支援54Mbps的傳輸速率 歐洲發展的HiperLan/2也是WLAN的協定，使用 5GHz的頻段，可支援54Mbps的傳輸速率
無線廣域網路 (WWAN) 主要運用為蜂巢網路(Cellular Network)與衛星 (Satellite) WWAN的兩種運用方向 純粹資料傳送服務，例如CDPD(Cellular Digital Packet Data)網路可支援19.2Kbps的資料傳輸速率 包含各種通訊服務，如資料、語音與多媒體等
無線個人網路 (WPAN) 無線個人網路涵蓋區域比WLAN或WWAN都來的 小 要求的資料傳輸速率或是功率都不高 以藍芽(Bluetooth)技術建立的Bluetooth piconet為例，約能涵蓋一般住家範圍
固定式的無線網路 (Fixed Wireless) 指通訊器具之間以無線的方式通訊，但是器具本身 的位置是固定的 LMDS(Local Multipoint Distribution service) 是一種固定式的無線網路技術，以一對多架構在 216MHz到600MHz的頻段上傳訊，速率可達 155Kbps，涵蓋範圍達10Km的半徑
無線網路的主要媒介 無線網路的技術演進對於所形成的無線網路結構會 有一定的影響，例如： 蜂巢網路要建置基地台並取得使用頻率的執照 無線區域網路可以自行架設，不經由電信業者 無線個人網路強調的是架構簡單、有彈性的極小區 域的互連
無線網路的主要媒介 無線電頻率(radio frequency) 無線電的使用受到管制，某些頻率的使用必須有執照
雷射 (laser)
雷射技術的使用成本較高 通常架設在建築物之間傳訊，再以光纖連接建築物內部 網路
紅外線 (Infrared)
1993年標準化 紅外線傳輸的有效距離為30呎，傳訊時設備之間必須無 視線障礙(clear line of sight)
無線網路的主要媒介 微波 (Microwave) 作為遠距離通訊之用，需要建置中繼站 使用頻率在2GHz到40GHz
藍芽(Bluetooth)技術 適用於小區域的無線通訊，可節省一般週邊設備連接線 的使用與數量 例如電腦與數位相機、手機之間的資料傳輸
衛星通訊技術 衛星通訊可以提供語音、資料與定位服務，當地面通訊 受到破壞時，衛星通訊通常還能保持通訊能力 分為三大類，低軌道、中軌道與同步軌道
無線網路的主要媒介 低軌道(LEOs, Low Earth Orbits) 衛星距地表約100-300英哩，繞行地球一圈約90分鐘
中軌道(MEOs, Medium Earth Orbits) 衛星距地表約6000-12000英哩
同步軌道(GEOs, Geostationary Orbits) 衛星距地表約22282英哩
無線通訊網路的歷史 MTS (Mobile Telephone Service) 由貝爾電話實驗室發展，是美國最早的公眾行動通訊系 統(public mobile system) MTS僅支援半雙工通訊
IMTS(Improved Mobile Telephone Service)
貝爾公司於1965年推出IMTS，支援全雙工通訊 在30MHz~30MHz頻段內分配19個30KHz的頻道 在450MHz頻段內分配26各25KHz的頻道 無線電塔必須建立在高處，涵蓋範圍廣達50英哩
無線通訊網路的歷史 AMPS (Advanced Mobile Phone Service) 早期AT＆T的工程師想到將無線電訊號的發射台分佈在 通訊區域內，當使用者移動時，這些發射台進行轉接 (handoff)的功能，使通訊不中斷，如此可以讓更多使用 者同時進行通訊 AMPS是美國早期類比蜂巢技術的標準 FCC(Federal Communications Commission)決定每 一個市場中必須有兩個業者平均分配666個頻道，因此 產生所謂的A頻段業者(A band carrier)與B頻段業者(B band carrier)的觀念
MSAs (metropolitan statistical areas)與 RSAs(rural service areas)
無線通訊網路的歷史 MSAs (metropolitan statistical areas)與 RSAs(rural service areas) FCC把美國分成734個蜂巢市場(cellular market) 大型的都會型市場稱為MSA ，預期的地理範圍涵蓋 150,000以上的人口，全美國有306個MSA 比較小型的鄉村與郊外區域稱為RSA，預期的地理範圍 涵蓋150,000以下的人口，全美有428個RSA
行動無線通訊系統的分類 由上到下的發展為類比進化到數位通訊的歷程
蜂巢的概念與設計 人們聽到無線通訊，首先想到的是手機或呼叫器，
手機的使用是由於蜂巢網路(cellular network)的建 立 早期的行動無線電系統為了涵蓋較大的區域，通常 將高功率的發射器架設在高塔上 如此造成涵蓋區域內所使用的頻段無法再使用 (reuse)，因為會造成干擾(interference) 可用頻段無法再增加會影響用戶數量的擴增，且高 功率下發射的電磁波有危害人體的疑慮 因此發展出蜂巢網路希望在同樣涵蓋範圍達到更高 的容量(capacity)，而且不增加使用的頻寬
蜂巢式無線通訊系統的主要組成
蜂巢式無線通訊系統的主要組成 蜂巢式無線通訊系統包含行動台(mobile station)也
就是一般的手機、行動電話，基地台(base station) 涵蓋細胞(cell)範圍的通訊 細胞聚集在一起類似蜂巢，所以將其稱為蜂巢網路 基地台會與行動交換中心(mobile switching center) 透過固定網路(fixed network)連接在一起 細胞涵蓋範圍較小，所以發射器的功率不必高，且 非鄰近的基地台可以再用頻率，因為相隔的距離夠 遠，沒有干擾問題
蜂巢網路工作的原理 蜂巢網路(cellular network)是由許多細胞(cells)區域
所組成，每一個細胞內有一個蜂巢基地台，也稱為 基地收發台(BTS, base transceiver station)與位於 該細胞區域內的行動電話 (cell phone)通訊 行動電話(cell phone)開機後，會和最近的基地台聯 絡，建立連接，稱之為登錄(registration)程序 行動電話本身稱為行動用戶單位(MSU, mobile subscriber unit)或行動系統(MS, mobile system)， 俗稱行動台 一般基地台由天線、放大器(amplifier)、接收器與發 送器組成，行動電話也有類似裝置，軟硬體具有轉 換語音訊號與無線電訊號的功能
蜂巢網路工作的原理 基地台語行動交換中心(MSC, mobile switching center)之間有上傳連接(uplink)，可能是光纖線 路或無線通道(例如微波連線) MSC是蜂巢網路的神經中樞， 一個蜂巢網路中有 好幾個MSC，每個MSC負責數個細胞區域與基地 台的通訊作業 MSC也執行通話的路由引導(call routing)，傳送 指令給基地台 MSC也稱為MTSC(mobile telephone switching office)、MSC(mobile-service switching center)或MTX(mobile telephone exchange)
蜂巢網路工作的原理 HLR(home location register)資料庫記載MSC 涵蓋區域內所有的行動電話的地理位置 驗證中心(authentication center)辨識行動用戶 透過資料庫保存相關資料 MSC會把通話導向GMSC(gateway mobile switching center)，GMSC接收來自所有MSC的 通話請求，然後導向收話者的路由(route) 每個蜂巢網路只有一個GMSC，假如通話目標位於 傳統的電話網路或其他的蜂巢網路，GMSC可以送 通話請求到指定的網路，但兩個蜂巢網路之間要有 漫遊協定(roaming agreement)
蜂巢電話如何連上網路 蜂巢電話有內部記憶體，稱為NAM(number assignment module)，行動辨識碼(MIN, mobile identification number)，手機的電話號 碼、手機連接的系統辨識號碼(SID, system ID) 與用戶的付費項目等資訊都儲存其間 手機本身有一個機身序號(ESN, electronic serial number)，一般撥*#06#可以看到此號碼，可以 防止手機被盜用 手機開機後或開始接收來自基地台的overhead signal，有SID以及手機向網路表明自己的方法， 當手機接收到來自多個基地台的訊號時，
蜂巢電話如何進行通話 一般手機使用pre-origination dialing，亦即撥耗 時並沒有真正連上網路，撥完號碼按<送出>鍵以 後，網路會確認手機目前連上適當的頻道。MSC決 定頻道後將資料透過基地台送到手機上 接者手機打MIN、ESN與要撥打的號碼送出，經由 基地台送達MSC，MSC確認手機的真實性後，把 通話請求(call request)送給GMSC GMSC依據撥號的目的地把通話請求送往目標網 路，GMSC與對方的網路系統交換傳訊資訊 (signaling tones)，確認系統之間的連線正常 隨後收話者就會聽到電話鈴響，接電話以後就開始 通話
轉接(handoff)的觀念 蜂巢電話網路是由許多重疊的細胞組成，每一個細 胞內都有一個基地台，雖然我們將細胞畫成六角 形，但實際上細胞像是重疊的圓形區域 一個蜂巢網路擁有有限數目的可用頻率，也稱為頻 道(channel) 蜂巢電話透過這些頻道來收送資料，為有效利用所 分配到的頻道，蜂巢電話運用所謂的頻率再用 (frequency reuse)的技術，提升使用效能
蜂巢網路的工作原理 一般基地台由天線、放大器(amplifier)、接收器
(receiver)與發送器(transmitter)所組成 行動電話也有類似裝置，兩者之間以無線方式通 訊，軟硬體具有轉換語音訊號與無線電訊號的功能
蜂巢網路的工作原理 行動交換中心(MSC, mobile switching center)，也
稱為MTSC(mobile telephone switching office)、 MSC(mobile-service switching center)或 MTX(mobile telephone exchange) 基地台與MSC之間有上傳連接(uplink)，可能是光纖 線路或是無線的通道-例如具有1.544Mbps速率的微 波連線 MSC是蜂巢網路的神經中樞，一個蜂巢網路中可能 有好幾個MSC，每個MSC負責數個細胞區域與基地 台的通訊作業
蜂巢網路的工作原理 MSC對系統的資料庫有存取的能力，例如
HLR(home location register)資料庫記載MSC涵蓋 區域內所有行動電話的地理位置 蜂巢系統中有一個驗證中心(authentication center)，負責辨識行動用戶，並保存相關資料 MSC會把通話導向GMSC(gateway mobile switching center)，GMSC接收來自所有MSC的通 話請求，然後引導到收話者的路由(route) 每一個蜂巢網路只有一個GMSC，通話目標位於傳 統電話網路，GMSC可以送到指定網路，若是其他 蜂巢網路，需要兩者之間有漫遊協定
蜂巢設計中頻率再用的觀念
蜂巢設計中頻率再用的觀念 基地台所涵蓋的地理區域稱為細胞(cell) 某個基地台所分配到的頻道組(channel group)與鄰
近的基地台所分配的頻道組是不同的，所以不會互 相干擾 圖中以相同字母代表使用相同頻道組的細胞 細胞涵蓋的區域也稱為footprint，一般來說形狀是 不定的，以六角形畫出細胞涵蓋範圍只是一種簡單 的表示 每個細胞實際的涵蓋範圍必須由現場的測量或傳導 預估模型(propagation prediction model)來決定
蜂巢設計中頻率再用的觀念 假設系統總共有T個雙向的頻道(duplex channel)，
每一個細胞分配有k個頻道 若將所有頻道平均分配給N個細胞，則下面的公式 可表示其關係： T = kN 由於N個細胞使用了所有的頻率，我們將它稱為一 個叢集(cluster)，則以叢集配置方式複製M次之後， 可以代表一個蜂巢系統的頻道總數C，其實就是系 統的通訊容量 C = MkN = MT
蜂巢設計中頻率再用的觀念 N代表叢集的大小(cluster size)，通常為4、7或12 叢集愈大則細胞半徑與共頻道的細胞(co-channel
cells)之間的距離之比例越小，所以共頻道的干擾 (co-channel interference)也會較弱 頻率再用因素(frequency reuse factor)可以用1/N 表，所以每個細胞分配到的頻道數目剛好是系統總 頻道數的1/N
基地台天線
無線通訊的簡單分類
無線通訊相關的標準
無線通訊相關的標準 一般辦公室的無線服務以 無線區域網路(WLAN)與無線交換機(wireless PBX)居多
行動用戶著重在蜂巢式的無線通訊服務 GSM資料傳輸速率可達100Kbps TDMA資料傳輸速率可達30Kbps
SMR(Specialized Mobile Radio)用於警務、消防救 難、計程車等行業
無線通訊應用的分類 垂直的(vertical) 水平的(horizontal)
無線網路中的私密(privacy)與安全 (security)問題
私密(privacy)與安全(security)問題 無線病毒(wireless viruses)的作用 蜂巢手機(cell phone)的危機 與網路安全相關的協定 IPSec協定 SSL (Secure Sockets Layer)
無線通訊的另類分類 固定式的無線通訊(fixed wireless communication) 行動式的無線通訊(mobile wireless communication) 光學式的無線通訊(optical wireless communication)