無線網路之傳輸技術

依照各種無線網路的協定標準，大多使用 ISM（Industrial, Scientific, Medical Bands）頻段來傳輸訊息，這些頻段本來是開放給工業、科學和醫學界自由使用，使用者無須經由申請便可以自由使用，頻率為 902 ~ 928 MHz、2.4 G ~ 2.4835 GHz 和 5.725 ~ 5.850 GHz，如圖 15-1 所示。

由圖 15-1 所示，任何無線通訊設備都可使用這三個頻段來傳遞訊息，由此可見這些頻段上訊號必然是非常擁擠的。如何克服這些頻段的共享問題？除了限制各個無線通訊設備的傳送功率，以減少通訊設備之間的互相干擾外，並使用『展頻』（Spread Spectrum）技術來解決頻段共用的問題。有關展頻技術可區分為『跳頻展頻』（Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS）和『直接序列展頻』（Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS）兩種技術，本節將分別介紹。另一方面，許多無線網路也採用光的傳輸，這也是本節介紹的重點。

『展頻』（Spread Spectrum）技術原來是使用於軍事或情報單位的訊號傳輸，基本構想是將資訊的訊號延展成較寬的頻寬，以避免電波干擾或被攔截，目前大多將此技術應用在無線網路或無線電話上。我們就以下幾個步驟來介紹展頻技術的基本原理。

與『展頻』技術相對應的是一般無線傳輸的『窄頻』（Narrow Spectrum）技術。所謂『窄頻傳輸』，表示任何一個通訊發送器都必須藉由一個私有的頻道進行傳輸，當然同一地區發射電台的頻道都不可以相同，否則會發生『蓋台』的現象。任何一個國家為了重複使用這些頻道，都會對每一發射電台的區域與發射功率有所限制。也就是說，利用窄頻技術傳輸的頻道，都必須通過申請才可以使用，並且會限制發射功率，以免干擾到其他鄰近電台。

在無線網路（或行動電話）上，任何一部電腦（或通訊器）都可能會發送訊號，如要每一部電腦都享有一個獨立的頻道（窄頻技術），那幾乎是不可能的，此時便須利用展頻技術來解決多部發送器之間共享一個頻道的問題。基本上，展頻技術是利用共享頻道（如 ISM 頻道）來傳輸訊號，並且通訊雙方利用一個私有的頻道編碼表，來決定傳送與接收的順序，其他通訊器雖然也可接收訊號，但沒有此編碼表便無法知曉通訊內容。為了避免通訊器之間互相干擾，展頻傳輸都會限制每一發送器的功率大小。

展頻技術主要原理是為了對抗或抑制『同頻干擾』（其他系統在同一頻道上傳輸訊號）、或『多重路徑』（Multi-paths）傳輸（容後介紹）所造成的不利影響，而將傳輸訊號以一種甚至低於背景雜訊的功率來做傳輸，以避免被他人的偵測，進一步達到通訊的私密化。譬如圖 15-2 為一般窄頻的傳輸技術，假設信號在傳輸過程中遭受到一個高功率的同頻干擾，如此接收端所收到的是傳送信號和同頻干擾的合成訊號；由於同頻干擾的功率比信號強，而導致信號無法被有效的辨識出來。

如採用展頻技術，信號發射之前先將信號頻譜以某種方式展開後再傳送，傳輸中所受的同頻訊號干擾如圖 15-3 (a) 所示。而在接收端則以先前展頻的方式逆向操作，信號回復原來的頻寬範圍，而干擾訊號反而被展開成較低的增益，原訊號也因此較容易被辨識出來，解展頻後的訊號增益與頻譜關係如圖 15-3 (b) 所示。

圖 15-4 為展頻通訊的基本模型，通訊中雙方為了達到保密目的，將各持有一個『虛擬雜訊序列』（Pseudo-Noise Sequence, PNS）。傳送端將資料（數位資料）送進『編碼器』（Encoder）編碼成一序列的數位訊號（Non-Return Zero, NRZ 訊號），此數位訊號再和虛擬雜訊序列器所產生的數字序列相混合，調變在一個頻寬較大的載波頻率上，達到『展頻』的功能。接收端收到訊號後，再利用相同的虛擬雜訊序列解碼，將展頻訊號解碼成原訊號。

其他接收器雖然可以接收到訊號，但它的虛擬雜訊序列與傳送端不相同，也無法解碼出原來訊號，如此便能讓同一頻道給多人共同使用。常用的展頻傳輸技術有 FHSS 和 DSSS 兩種，又任何一種展頻技術也都有其相對應的編碼技巧，以下分別介紹之。

『跳頻展頻』（Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS）技術是將可使用的頻段劃分為若干個小頻道，傳送端在這些小頻道之間變換（跳越）傳送，接收端也在相同跳越順序下接收訊號，如此便可達到雙方通訊的目的。如圖 15-5 所示，發送訊號將在 fx、fy、fz、fk、fm、… 頻道之間跳越傳送，接收端也在相同跳越順序下收取訊號。在一般規範下每秒至少跳越四個頻道，至於傳輸頻段中可區分為多少小頻道以供跳越，各個國家皆有不同規範，但至少需要 20 個頻道以上。以 IEEE 802.11 規範為例，它採用 2.4 ~ 2.4835 GHz 頻道（ISM 頻道），區分為 75 個跳越頻道，每一頻道頻寬為 1 MHz，規定每 250 ms 必須跳越一個頻道，也就是說每秒跳越 4 個頻道來傳輸信號。

如將圖 15-5 中的每一個頻道各給予一個順序編號，而發送端傳輸信號時所應填入的頻道號碼，就由圖 15-4 中的『虛擬雜訊序列』（PNS）產生器來產生，譬如，0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, … 的順序號碼。接收端以同樣的號碼順序由頻道上接收訊號，如果雙方的時序達到同步時，便能順利接收訊號而達到通訊的目的。

如圖 15-4，當傳送端將訊號發送到各頻道之前，也必須將訊號調變到該頻道上，一般在較低速率（2 Mbps 以下）的展頻傳輸（FHSS 或 DSSS）都採用 BPSK（Binary Phase-Shift Keying）或 QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying）調變方式。如以 IEEE 802.11 規格（BPSK）而言，每一訊號週期傳送兩個位元，頻寬為 1 MHz，則傳輸速率為 2 Mbps。（有關 BPSK 請參考第二章；QPSK 請參考第十四章介紹）

『直接序列展頻』（Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS）和跳頻展頻（FHSS）之間最大的不同點是，FHSS 的虛擬雜訊產生器是產生一序列的頻道編號，而傳輸訊號便在這些頻道之間跳越傳送；至於 DSSS 的『虛擬雜訊序列』（PNS）產生器則是產生一週期性的雜訊序列，將欲傳送的訊號和此 PNS 相調變，如果 PNS 的頻譜遠高於信號頻率，則信號就被展開在這 PNS 的頻譜上，因此稱之為『直接序列展頻』。接收端收取訊號後，也利用同樣的 PNS 訊號來解碼，如果雙方時序同步，便能順利由頻譜上解調變出原來的訊號。其他接收器雖然可以收到此訊號，但沒有相對應的 PNS 序列，也無法解調變出原來的訊號。

DSSS 調變技術是利用『互斥或閘』（Exclusive-OR, XOR）的基本原理，其運作方式如下：（類似加密/解密技術）

(c) 傳送訊號與 PNS 序列以 XOR 方式調變的結果為：PN(s) ⊕ S(t)

(d) 接收端以同樣的 PNS 序列解調變為：PN(t) ⊕ PN(s) ⊕ S(t) = S(t)

表示任何數 XOR 自己的結果是 0（PN(t) ⊕ PN(s) = 0），任何數和 0 執行 XOR 命令的結果不會改變原來的值（0 ⊕ S(t) = S(t)）。因此傳送端將傳送訊號和虛擬雜訊序列以 XOR 方式調變後發送出去，接收端受到訊號後也以同樣的虛擬雜訊序列執行 XOR 方式調變，便可得到原來的傳送訊號。

圖 15-6 為 DSSS 的編碼範例，假設傳輸資料 A（傳輸速率為 1/T）與 PNS 訊號 B（頻寬為 1/Tc）經過 XOR 調變後，成為傳輸訊號 C，此時便將傳輸訊號展開到 PNS 訊號上（T > Tc）（如圖 15-6 (a) 所示）。接收端將訊號再經過同樣的 PNS 序列調變，便會回復原來的輸入訊號，如圖 15-6 (b) 所示。在圖 15-6 中，展頻後頻寬是 PNS 頻寬的倍數，亦即 fc = T/Tc，此頻寬又稱為 Chip-Rate，如本範例之 fc = 4，一般稱為 4-chip 的展頻碼。

圖 15-6 僅說明 DSSS 的基本原理，一般在無線傳輸方面，都必須將傳輸訊號（數位訊號）調變到某一個載波頻道上，而以類比傳輸技術來發送及接收訊號。比較完整的 DSSS 調變功能可如圖 15-7 所示，輸入數位資料經由 BPSK（Binary Phase-Shift Keying）調變後成一類比訊號，再和虛擬雜訊序列調變後，展開成較寬的頻譜（展頻功能）再發送出去。圖 15-8 為圖 15-7 中每個功能步驟的輸出波形。

圖 15-8 為 BPSK 調變技巧，每一個訊號變化可承載一個位元，但 DSSS 展頻傳輸一般都使用在高傳輸速率上，而編碼技術大多採用QAM（Quadrature Amplitude Modulation），每個訊號變化可以承載 8 個位元（256 QAM）以上（請參考第十四章 ADSL 部份），傳輸速率可達 10 Mbps 以上。

以上介紹了 FHSS 和 DSSS 兩種展頻技術，接下來，我們來討論兩者的差異。如以單一頻寬來比較，由於 DSSS 每個頻道在傳輸訊號時，所使用的頻寬（22 MHz）遠大於 FHSS 的頻寬（1 MHz），一般而言，頻寬愈寬表示可承載的傳輸速率愈高，因此，DSSS 可獲得的資料傳輸速率大於 FHSS 展頻傳輸。

接下來比較兩者對於『多重路徑訊號』（Multi-Path Fading）的解析能力。首先來介紹何謂『多重路徑訊號』？如圖 15-9 所示，當傳送端發送訊號之後，訊號在空中以發散方式傳播出去，各個發散電波也許會經由折射、反射或延遲，以不同的路徑到達接收端。因此有可能接收端所收到多筆訊號都是同一筆訊號所產生的，這就是多重路徑訊號。接收端如何去分辨與過濾掉其他較弱的訊號，而只接收較強的一筆訊號即可，這就是多重路徑訊號需具解析能力的原因。在這方面，由於 DSSS 使用較寬的頻寬來傳遞訊號，當遇到多重路徑干擾時，由於干擾訊號大於展頻訊號頻寬的機率不大，因此訊號傳遞也不會被中斷。但在相同情況下， FHSS 則會因為多重路徑干擾的影響而造成部份訊號被中斷；當訊號無法傳遞時，系統會被要求重送；如果重傳的頻率很高時，整個系統運作的效能就會大大降低。

對於頻帶（如 2.4GHz 頻帶）使用率而言，FHSS 則充分運用了頻道的資源。由於 FHSS 是以跳越形式的相位差異來區分不同的通訊連線，因此可以充分運用 2.4 GHz 頻帶的所有頻寬。然而 DSSS 是以不同頻道來區別不一樣的無線連線，加上展頻後的訊號頻寬高達 22 MHz，在考慮同頻及鄰頻的干擾情況下，整個 2.4GHz 的頻帶只能劃分出三個完全不會互相干擾、且可同時使用的頻道（各個國家規範有所不同），這三個群組頻道之間，至少必須相隔 25 MHz 以上，無形中浪費許多可使用的頻道。

無線電（Radio）傳輸的『多重存取』（Multiple Access, MA）技術有下列幾種類型：

(1) 『分頻多重存取』（Frequency Division Multiple Access, FDMA）：主要是將可用的頻段劃分成若干個頻道，不同使用者同時使用各自的頻道來通訊，以達到多重存取的目的。

(2) 『分時多重存取』（Time Division Multiple Access, TDMA）：TDMA是將時間分個為若干個時槽（Time Slot），使用者在不同時槽裡，使用所有的頻道來通訊，以達到多使用者通訊的目的。

(3) 『分碼多重存取』（Code Division Multiple Access, CDMA）：CDMA 是不分割頻道與時間，使用者之間以不同的通訊語法來通訊，就好像許多人在同一空間內，以不同語言方式來溝通一樣，雖然同一時間及頻道有許多人在發言，但可由不同語言來分辨交談的對象。

(4) 『分域多重存取』（Space Division Multiple Access, SDMA）：分域多重存取是利用天線及信號處理的技巧，來分辨空間上不同位置但可能同時使用相同頻率及編碼方式的使用者。

(5) 『混合式多重存取』（Hybrid Multiple Access, HMA）：混合式的多重存取有混合分頻及分碼的 FCDMA（Frequency –Code Division MA），以及混合分時及分碼的 TCDMA（Time –Code Division MA）等。

有關 FDMA 與 TDMA 部分，本書第二章已詳細介紹過，這裡只針對無線區域網路較常用的 CDMA 加以介紹。

CDMA 是一種多工技術，主要應用於展頻傳輸上。我們可以回顧一下 FHSS 和 DSSS 兩種展頻技術，它們的展頻技巧都是利用『虛擬雜訊序列』（PNS）將傳輸信號展開到較寬的頻譜上，傳送端和接收端以相同的虛擬雜訊序列來互相辨識對方的通訊。如果欲達到多重存取的目的，便需要產生多個虛擬雜訊序列讓不同的使用者使用，通訊雙方皆用各自的虛擬雜訊序列來互相辨識。也就是說，對每一個通道都必須給予一個獨立的虛擬雜訊序列，而此虛擬雜訊序列是一連串的0 或 1 字碼所構成，也稱之為『數碼』（Code）；而不同通道皆只以各自的數碼（Code）來通訊，因此稱之為『分碼多重存取』（Code Division MA, CDMA）。

圖 15-10 為 CDMA 應用在 DSSS 展頻環境下的概略圖，假設網路中有 k 個工作站，每個工作站皆有一獨立的虛擬雜訊序列（cn(t), n = 1, 2, .., k），發送端和接收端以相同的 PNS 序列來辨識雙方的通訊訊息。譬如，接收端以 c1(t) 序列來解調變出 d1(t) 的訊號。

『紅外線』（Infrared, IR）傳輸是以『光』（Optical）做為傳輸媒介，這與前面所述的無線電波（Radio）傳輸技術有很大的不同點。一般而言，可見光的波長大致上是介於 400（藍光） ~ 700（紅光）nm 之間，只要光的波長大於 700 nm，就屬於紅外線的範圍了，因此，紅外線的頻譜相當的寬廣，要發展出高傳輸速率的無線網路環境也比較容易。一般紅外線網路所採用的波長都介於 850 ~ 900 nm 之間，如圖 15-11 所示。

另外，紅外線的頻譜完全不受管制，不像無線電波網路，除了特定的頻段（如 ISM 頻帶）可以不受管制外，其餘頻帶在使用之前都必須經過申請核准後才可使用。由於光無法穿透障礙物，因此紅外線網路可以被限制在特定範圍之內，不必像無線電波必須防範不明人士的竊聽行為。再者，只要是在不同房間，也不用擔心不同的無線網路之間互相干擾。但是紅外線也有缺點，由於紅外線容易受到燈光及日光燈的干擾，因而易造成傳輸距離的縮短；一般的做法是將輸出功率加大，以克服其他光源的干擾。

一般將利用紅外線所構成的網路稱之為『IR/DA』（Infrared Data Association），目前紅外線傳輸大致有下列三種模式：

(1) 『直接光束 IR』（Direct Beam IR, DB/IR）模式：表示紅外線僅能夠做直線方向傳遞，其原因為光無法經過折射或反射來傳導，發送端和接收端之間必須完全對應在同一『視線』（Line of Sight）上傳輸。另一方面，光若集中在某一方向傳遞，其能量較不容易發散掉，如此也能延伸傳遞的距離。因此，DB/IR 大多是應用於建築物之間的點對點（Point-to-Point）連線使用，之間的傳輸距離也可達數公里；但它並不適合室內無線網路或移動式（Mobile）接收器使用。

(2) 『全向性 IR』（Ominidirectional IR, Omini/IR）模式：在 Omini/IR 模式中，必須有一台全向性的基地台（Base Station），而發射出方向性較為廣泛的紅外線。無線裝置（如移動式 Notebook 電腦）只要對準該基地台，便可以透過基地台和無線網路通訊，如圖 15-12 所示。基地台和無線裝置之間也是以『視線』方向通訊，之間如有任何障礙也會阻擋紅外線通過，並將使通訊中斷。Omini/IR 模式在一般無線網路上應用也非常普遍，每一個基地台所負責傳遞的區域稱之為『細胞區域』（Cell Zone），一個無線網路所涵蓋的地區可由多個全向性基地台來構成。

(3) 『散射式 IR』（Diffused IR, DF/IR）模式：DF/IR 模式表示發射的紅外線經過折射後，仍然可以通訊，也就是說，發射與接收設備之間不需要是『視線』方向，兩者位置之間也不需要完全淨空才可通訊，這種特性非常接近無線電波的傳輸，但 DF/IR 只能侷限於同一房間內才可以通訊。

紅外線傳輸原理如同無線電波一樣，必須利用編碼技術將資料調變成訊號，再附加到載波頻率上，發送訊號時再將載波訊號轉換成紅外線發送出去，其調變技術一般都採用『脈衝位置調變』（Pulse Position Modulation, PPM）。以 IEEE 802.11（1 Mbps DF/IR）為範例，它是採用 16-PPM（PPM with 16 Positions）的調變技術，這種調變技術是利用 4 bits 的資料位元分別表示 16 種調變記號（Symbols），表示方法如表 15-1 所示。每筆資料的符號變化： 1 表示較高的發射能量； 0 表示能量較低。圖 15-13 為每一調變符號的週期，分為 16 個間隔時間，每一間隔時間如表 10-4 中的調變記號，而間隔時間為 250 us，也就是說，每 16 個間隔時間（16 × 250 ns）傳遞 4 個位元，因此其傳送速率計算如下：

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

如以 IEEE 802.11 的 2 Mbps DF/IR 標準，係採用 4-PPM（PPM with 4 Positions）調變技術，利用 2 bits 的資料位元分別表示四種調變記號，如表 15-2 所示。如同圖 15-13 一樣，每個調變記號間隔時間為 250 ns，每 4 個間隔時間（4 × 250 ns）傳送兩個位元，則其傳輸速率計算如下：

資料位元	4-PPM 調變記號
00	0001
01	0010
11	0100
10	1000