Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
Module 9
เครือข่ายไร้สาย อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์ สาขาวิ ช าวิ ท ยาศาสตร์ แ ละเทคโนโลยี มหาวิ ท ยาลั ย สุ โ ขทั ย ธรรมาธิ ร าช
96304 Data Communications and Networking
1
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
เครือข่ายไร้สาย 9.1 ความรู้พ้ื นฐาน ่ วกับ ระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ เกีย 9.1.1 หลักการระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ 9.1.2 วิวัฒนาการของระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ 9.2 ความรู้พื้นฐาน ่ วกับ ระบบเครือข่ายไร้สาย เกีย 9.2.1 การเชื่อมต่อ และ ประเภทของเครือข่ายไร้สาย 9.2.2 ไวแมกซ์ 9.2.3 ไวไฟ 9.2.4 เครือข่ายไร้สายส่วนบุคคล 96304 Data Communications and Networking
2
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
9.1.1 หลักการระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ • การสื่อสารไร้สาย (wireless communication) หมายถึง การสื่อสารข้อมูลจากต้นทาง ไปยังปลายทาง โดย ไม่ใช้สายสัญญาณ เป็นตัวกลางในการเชื่อมต่อ นั่นเอง แต่ จะใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นตัวกลาง ในการรับส่งข้อมูล เช่น คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ หรือ อินฟาเรด เป็นต้น • การติดต่อสื่อสาร ระหว่าง อุปกรณ์สื่อสาร หรือ ระหว่าง คอมพิ วเตอร์ 2 เครื่อง หรือ กลุ่มของเครื่องคอมพิ วเตอร์ ที่สามารถสื่อสารกันได้ หรือ ระหว่าง คอมพิ วเตอร์ กับ อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อในเครือข่ายคอมพิ วเตอร์ 96304 Data Communications and Networking
3
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
9.1.1 หลักการระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ การสื่อสารไร้สาย
(wireless communication) ข้อได้เปรียบ • ไม่จําเป็นต้องการวางระบบโครงข่าย เพื่ อเชื่อมต่อระหว่างผู้ใช้กับผู้ให้บริการ เหมือนการสื่อสารแบบใช้สาย ข้อจํากัด • สัญญาณรบกวน (noise) และ สัญญาณแทรกสอด (interference) เกิดขึ้นแบบไม่มีรูปแบบที่แน่นอน ตลอดช่วงเวลาที่มีการสื่อสาร เนื่องจากการใช้อากาศเป็นตัวกลาง 96304 Data Communications and Networking
4
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
แนวคิดพื้ นฐานของระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ • พื้ นที่ในการให้บริการถูกแบ่งออกเป็นเซลล์ (cell) • แต่ละเซลล์จะมีสายอากาศในการส่งสัญญาณ ที่มีความถี่เป็นของตนเอง • เซลล์ของสถานีส่ง เรียกว่า สถานีฐาน (base station)
d d
R
d
d
d d
• ภายใน สถานีฐาน ประกอบด้วย 1) เครื่องส่งสัญญาณ 2) เครื่องรับสัญญาณ 3) หน่วยควบคุม • การออกแบบรูปร่างของเซลล์ 1) เพื่ อให้ครอบคลุมพื้ นที่การให้บริการ 2) รูปร่างของเซลล์ที่เหมาะสมที่สุด คือ แบบหกเหลี่ยม (hexagonal)
96304 Data Communications and Networking
5
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
แนวคิดพื้ นฐานของระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ • พื้ นที่ในการให้บริการถูกแบ่งออกเป็นเซลล์ (cell) • แต่ละเซลล์จะมีสายอากาศในการส่งสัญญาณ ที่มีความถี่เป็นของตนเอง • เซลล์ของสถานีส่ง เรียกว่า สถานีฐาน (base station)
d d
R
d
d
d d
เมื่อมีการเคลื่อนย้ายของอุปกรณ์โมบาย จากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง ทําให้ต้องมีกระบวนการการถ่ายโอน การเรียกจากสถานีเครื่องรับส่งหนึ่ง ไปยังเครื่องรับส่งอื่น เรียกว่า แฮนด์ออฟ (handoff)
96304 Data Communications and Networking
6
โครงสร้างพื้ นฐานระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ มีส่วนประกอบหลัก ได้แก่ 1) หน่วยโมบาย (mobile unit) 2) สถานีฐาน (Base Station: BS) 3) ชุมสายสลับช่องสัญญาณโมบาย (Mobile Telecommunications Switching Office: MTSO) Base Transceiver Station Public Telecommunications Switching Network
Mobile Telecommunications Switching Network
Base Transceiver Station
Base Transceiver Station
โครงสร้างพื้ นฐานระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ การสื่อสารระหว่างหน่วยโมบาย และสถานี BS มีช่องสัญญาณสื่อสาร 2 ประเภท 1) ช่องสัญญาณควบคุม 2) ช่องสัญญาณทราฟฟิก (traffic)
Base Transceiver Station Public Telecommunications Switching Network
Mobile Telecommunications Switching Network
Base Transceiver Station
Base Transceiver Station
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
6
ขั้นตอน การติดต่อสื่อสาร ระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ 1 การเริ่มต้นของหน่วยโมบาย 2 การร้องขอการติดต่อ 3 การเพจจิง (paging) 4 การตอบรับการเรียก 5 การสนทนา 6 การแฮนด์ออฟ
96304 Data Communications and Networking
9
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
การจัดการระบบโทรศัพท์เซลลูลาร์ การโอนย้ายข้ามเซลล์ (Handoff)
เป็น ขั้นตอนการเปลี่ยนการติดต่อสื่อสาร ของ หน่วยโมบายกับสถานีฐานหนึ่งไปยังอีกสถานีหนึ่ง ่ หน่วยโมบายเกิดการเคลื่อนที่จากเซลล์หนึ่งไปยังเซลล์หนึ่ง เมือ
พารามิเตอร์ที่สําคัญ คือ ระดับความแรงของสัญญาณ
ระหว่างหน่วยโมบายกับสถานีฐาน
การโอนย้ายข้ามเซลล์ แบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ 1) ฮาร์ดแอนด์ออฟ (Hard Handoff)
ใช้แนวทาง break-before-make เครื่องลูกข่ายติดต่อกับสถานีฐานได้เพี ยงสถานีเดียว ในช่วงเวลาใด ๆ ซึ่งในกรณีนี้จะไม่ซับซ้อน
2) ซอฟต์แอนด์ออฟ (Soft Handoffs)
ใช้แนวทาง make-before-break เครื่องลูกข่ายจะติดต่อกับสถานีฐานเดิมไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะสามารถย้ายไปติดต่อกับสถานีใหม่ได้
96304 Data Communications and Networking
10
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
ผลกระทบของการแพร่กระจายคลื่นวิทยุโมบาย (Mobile Radio Propagation Effects) 1) ความแรงของสัญญาณ
ควรมีระดับความแรงของสัญญาณที่เพี ยงพอ เพื่ อทําให้คุณภาพของการสื่อสารเป็นไปอย่างปกติ
2) การจางหายของสัญญาณ
การแพร่กระจายของสัญญาณ อาจเกิดการกระจัดกระจายของสัญญาณ ทําให้การรับสัญญาณที่สถานีปลายทางผิดพลาดได้
96304 Data Communications and Networking
11
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
9.1.2 วิวัฒนาการของระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ • เป็นการสื่อสารโดยช่องสัญญาณเสียง ใช้วิธีการกระจายสัญญาณข้อมูล เครื่องสแกนตรวจหาความถี่ สามารถตรวจจับและดักฟังการพู ดสนทนากันได้
ยุคที่ 1
• เป็นสัญญาณแอนะล็อก ระบบ AMPS ความมั่นคงปลอดภัยของข้อมูลตํ่า • ระบบเครือข่าย AMPS ประกอบด้วย พื้ นที่ให้บริการในรูปแบบเซลล์ ระบบ AMPS นั้น จะใช้ช่องสัญญาณในการรับส่งข้อมูล แบบ Full-Duplex จํานวน 832 ช่อง ส่งสัญญาณข้อมูล ใช้ความถี่ตั้งแต่ 824 - 849 MHz การรับสัญญาณ ใช้ความถี่ตั้งแต่ 869 ถึง 894 MHz
96304 Data Communications and Networking
12
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
9.1.2 วิวัฒนาการของระบบเครือข่ายเซลลูลาร์
ยุคที่ 2
• ใช้สัญญาณดิจิทัลในการสื่อสาร • ส่งผ่านทางคลื่นไมโครเวฟ • เริม ่ สามารถใช้งานทางด้านข้อมูลได้ สามารถรับส่งข้อมูลต่าง ๆ และติดต่อเชื่อมโยงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น • มีอยู่ 3 ระบบ ได้แก่ 1) D-AMPS เป็นระบบที่สามารถทํางานร่วมกับระบบ APMS สามารถให้บริการพร้อมกันทั้ง 2 ระบบ ในเขตพื้ นที่เซลล์เดียวกันได้ 2) GSM ใช้หลักการการรวมช่องสัญญาณสื่อสาร แบบแบ่งเวลา หรือ TDMA 3) CDMA แบ่งคลื่นสัญญาณเป็นช่องสัญญาณแคบ ๆ อนุญาตให้แต่ละสถานีสามารถใช้คลื่นสัญญาณ ทั้งหมดได้ในเวลาเดียวกัน
96304 Data Communications and Networking
13
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
9.1.2 วิวัฒนาการของระบบเครือข่ายเซลลูลาร์
ยุคที่ 2.5
• หารูปแบบใหม่ ๆ เช่น EMS, MMS รวมถึง บริการอินเทอร์เน็ตไร้สายผ่ายอุปกรณ์สื่อสาร เช่น PDA, Smart Phone เป็นต้น • มาตรฐานเทคโนโลยีการสื่อสารข้อมูลถูกกําหนดขึ้น ภายใต้แนวคิดในการพั ฒนาเครือข่ายเดิม § ระบบ GSM เทคโนโลยี HSCSD, GPRS หรือ EDGE § ระบบ CDMA เทคโนโลยี CDMA2000 1xEV-DV หรือ CDMA2000 1xEV-DO • เทคโนโลยีเชื่อมต่อวงจรแบบแพ็ กเก็ตสวิตชิง ถูกนํามาใช้งาน • พั ฒนาเทคโนโลยี GPRS ซึ่งต่อมาพั ฒนาไปเป็นเทคโนโลยี EDGE ทําให้สามารถรองรับการสื่อสารข้อมูลได้ดีขึ้น
96304 Data Communications and Networking
14
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
9.1.2 วิวัฒนาการของระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ • พั ฒนาระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ ให้มีการใช้งานได้หลายเทคโนโลยี • เชื่อมต่อแบบไร้สายด้วยความเร็วสูง ทําให้สามารถรับส่งข้อมูลได้รวดเร็วขึ้น
ยุคที่ 3
• ใช้ช่องสัญญาณความถี่ และ ความจุในการรับส่ง ข้อมูลที่มากกว่า ทําให้ประสิทธิภาพในการรับส่งข้อมูล แอปพลิเคชัน รวมทั้งบริการระบบเสียงดีขึ้น • พั ฒนาบริการมัลติมีเดียให้สมบูรณ์มากขึ้น เช่น รับส่งข้อความที่มีขนาดใหญ่ ประชุมทางไกลผ่าน หน้าจออุปกรณ์สื่อสาร ดาวน์โหลดเพลง เป็นต้น • ส่งข้อมูลแบบดิจิทัลแพ็ กเก็ต เป็นเทคโนโลยีการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพ ในการรับส่งข้อมูลแบบไร้สายทั้งเสียง ภาพ ข้อมูล และภาพวิดีโอ ด้วยความเร็วถึง 2 Mbps ผ่านโทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์ไร้สายความเร็วสูง
96304 Data Communications and Networking
15
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
9.1.2 วิวัฒนาการของระบบเครือข่ายเซลลูลาร์ ยุคที่ 4
• มีมาตรฐานการสื่อสารไร้สายหลายชนิด ขึ้นกับรูปแบบการใช้งาน และ สถานที่ใช้งาน ของผู้ใช้บริการเป็นสําคัญ • มาตรฐานการสื่อสาร นําเทคโนโลยีและบริการประยุกต์ต่าง ๆ มาให้บริการ ผู้ใช้บริการสามารถนําอุปกรณ์สื่อสารแบบผสมผสาน สามารถติดต่อสื่อสารกับเครือข่ายได้หลายประเภท
96304 Data Communications and Networking
16
9.2.1 การเชื่อมต่อและประเภท ของเครือข่ายไร้สาย โครงสร้างในการเชื่อมต่อเครือข่ายไร้สาย 1) การเชื่อมต่อแบบรวมศูนย์
(centralized topology) คือ การเชื่อมต่อที่ทุกการสื่อสาร ของสถานีผู้ใช้บริการ (user station) ทําผ่านสถานีฐาน (base station) ไม่ว่าเป็นการสื่อสารระหว่างสถานีผู้ใช้กับสถานีฐาน หรือการสื่อสารระหว่างสถานีผู้ใช้ด้วยกันเอง
2) การเชื่อมต่อแบบกระจายศูนย์
(decentralized topology) คือ โครงสร้างการเชื่อมต่อของเครือข่ายที่ทุกการสื่อสาร ระหว่างสถานีผู้ใช้บริการ (user stations) ไม่จําเป็นต้องส่งผ่านสถานีฐาน (base station) ผู้ใช้บริการสองสถานีใด ๆ สามารถสื่อสารระหว่างกันได้โดยตรงเสมอ 96304 Data Communications and Networking
17
9.2.1 การเชื่อมต่อและประเภท ของเครือข่ายไร้สาย สัญญานในการเชื่อมต่อเครือข่ายไร้สาย สัญญาณการเชื่อมต่อเครือข่าย
คลื่นความถี่วิทยุ
อินฟาเรด
ย่านความถี่เสรี หรือ ย่านความถี่ ISM (Industrial, Scientific and Medical band radio frequency) เป็นย่านความถี่สาธารณะ สามารถใช้งานโดยไม่ต้องขออนุญาต สําหรับประเทศไทย เครื่องวิทยุคมนาคมที่ใช้งานเครือข่ายแลนไร้สาย 2.4 GHz มีกําลังส่งไม่เกิน 100 mW 5 GHz มีกําลังส่งไม่เกิน 1000 mW เป็นเครื่องวิทยุคมนาคมที่ได้รับยกเว้นไม่ต้องได้รับใบอนุญาต 96304 Data Communications and Networking
18
ประเภทของเครือข่ายไร้สาย
WWAN IEEE 802.20
ไวแมกซ์ ไวไฟ
< 15 กิโลเมตร
WMAN
< 5 กิโลเมตร
WLAN
< 100 เมตร
WPAN บลูทูธ ซิกบี
< 10 เมตร
96304 Data Communications and Networking
19
9.2.2 ไวแมกซ์ (WiMAX) (Worldwide Interoperability for Microwave Access) • เป็นการสื่อสารในเครือข่ายแมนไร้สาย ที่ใช้เทคโนโลยีบรอดแบนด์ความเร็วสูง • เน้นการให้บริการการสื่อสารข้อมูลเป็นหลัก • องค์กร IEEE กําหนดมาตรฐานการสื่อสารไร้สายระยะไกลขึ้น เป็นกลุ่มที่กําหนดชื่อด้วยตัวเลข 802.16 • ใช้เทคนิคการมัลติเพล็กซ์หลายคลื่นพาห์แบบโอเอฟดีเอ็ม (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex) ที่ทําให้สามารถรับส่งสัญญาณได้ดีขึ้น • เป็นการสื่อสารแบบไม่เป็นเส้นตรง (Non Line of Sight; NLOS) • รูปแบบการสื่อสารแบบแพร่กระจายคลื่นวิทยุรอบทิศทาง (omni-direction) หรือ แบบกําหนดทิศทาง (directional) โดยขึ้นกับการเลือกใช้ระบบสายอากาศ
9.2.3 ไวไฟ (Wi-Fi) (Wireless Fidelity) • เครือข่ายแลนไร้สาย (Wireless Local Area Network: WLAN) หรือที่นิยมเรียกกันว่า ไวไฟ • ระบบสื่อสารข้อมูลที่นํามาใช้ทดแทนหรือเพิ่ มต่อ กับระบบเครือข่ายแลนใช้สายแบบดั้งเดิม • ส่งคลื่นความถี่วิทยุในย่านความถี่วิทยุ ในการรับและส่งข้อมูล ระหว่างคอมพิ วเตอร์แต่ละเครื่องผ่านอากาศ ทะลุกําแพง เพดานและสิ่งก่อสร้างอื่น ๆ โดยไม่ใช้สายสัญญาณ • ใช้เทคนิคการมัลติเพล็กซ์หลายคลื่นพาห์แบบโอเอฟดีเอ็ม (OFDM: Oorthogonal Frequency Division Multiplex) • ใช้อยู่ 2 ย่านความถี่ คือ ย่านความถี่ 2.4 GHz และ 5 GHz ซึ่งเป็นย่านความถี่ที่สหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (International Telecommunication Union : ITU) กําหนดให้เป็นย่านความถี่ที่สามารถใช้งานได้อย่างเสรี โดยไม่ต้องมีใบอนุญาต • มาตรฐานหลักของระบบเครือข่ายไวไฟ และอุปกรณ์เครือข่ายไวไฟ คือ มาตรฐาน IEEE 802.11
ตารางเปรียบเทียบคุณสมบัติของมาตรฐาน Wi-Fi แต่ละแบบ มาตรฐาน
IEEE 802.11b
IEEE 802.11a
IEEE 802.11g
IEEE 802.11n
IEEE 802.11ac
เวลาที่ประกาศ มาตรฐาน
2542
2542
2546
2552
2554
ย่านความถี่ที่ใช้
2.4 GHz
5 GHz
2.4 GHz
2.4 GHz หรือ 5 GHz
5 GHz
อัตราเร็วสูงสุด
11 Mbps
54 Mbps
54 Mbps
600 Mbps
6.93 Gbps
เทคนิค การแผ่ความถี่
DSSS, HR-DSSS
-
DSSS, HR-DSSS
DSSS
เทคนิค การมัลติเพลกซ์
-
OFDM
OFDM
OFDM
OFDM
MIMO
-
-
-
MIMO
MU-MIMO
802.11b
802.11b, 802.11a, 802.11g
802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n
คุณสมบัติ
ความเข้ากันได้ กับมาตรฐาน เดิม
-
-
9.2.4 เครือข่ายไร้สายส่วนบุคคล 1.บลูทูธ (bluetooth) • ระบบสื่อสารของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสองทาง • รองรับการใช้งานการสื่อสารไร้สายระยะใกล้ หรือ short-range wireless communication มีกําลังส่งตํ่า มีระยะทําการระหว่างอุปกรณ์ ที่รองรับบลูทูธด้วยกันเพี ยง 10 เมตร • ใช้สําหรับต่อเข้าเป็นระบบเน็ตเวิร์คขนาดเล็ก ที่อุปกรณ์แต่ละตัวอยู่ไม่ห่างกันมาก เรียกว่า เครือข่ายไร้สายส่วนบุคคล (WPAN) • ทํางานที่คลื่นความถี่ 2.4 GHz ซึ่งเป็นคลื่นความถี่เสรี • ประยุกต์ใช้กับข้อมูลทั้งแบบเสียงพู ด (voice) และแบบข้อมูล (data) • มาตรฐาน IEEE 802.15.1 • ถูกพั ฒนามาอย่างต่อเนื่อง จากเวอร์ชัน 1.0 จนถึงปัจจุบันเวอร์ชัน 5.0
9.2.4 เครือข่ายไร้สายส่วนบุคคล
2.ซิกบี (ZigBee) • ใช้งานระบบติดตามและควบคุม (Monitoring and Control) แบบไร้สาย สําหรับอุตสาหกรรมและที่อยู่อาศัย • มาตรฐาน IEEE 802.15.4 • ใช้สําหรับการสื่อสารความเร็วตํ่า ใช้กําลังไฟฟ้าน้อย อุปกรณ์ราคาถูก และมีคุณสมบัติการจัดการตัวเองได้ • เทคโนโลยีไร้สายที่ร่วมกันสื่อสารข้อมูล ผ่านตัวรับรู้ขนาดเล็ก จํานวนเป็นพั น ๆ หมื่น ๆ ชิ้น ที่ฝังอยู่ตามส่วนต่าง ๆ ในอาคาร สํานักงาน โรงงาน หรือแม้แต่ในบ้าน
Module 09 ▶ เครือข่ายไร้สาย ผู้สอน ▶ อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์
Module 9
เครือข่ายไร้สาย อาจารย์ปิยพร นุรารักษ์ สาขาวิ ช าวิ ท ยาศาสตร์ แ ละเทคโนโลยี มหาวิ ท ยาลั ย สุ โ ขทั ย ธรรมาธิ ร าช
96304 Data Communications and Networking
25