無線區域網路

本章重點 第 4 章 無線區域網路 4-1 無線傳輸技術 4-2 IEEE 802.11 無線區域網路 4-3 IEEE 802.15 - 藍牙與 ZigBee 4-4 NFC 與 RFID 實作練習 : 使用 itaiwan 免費 WiFi 服務 http://www1.chihlee.edu.tw/teachers/chienhua/ Note: Some slides and/or pictures in the following are adapted from slides 2015 旗標出版股份有限公司. 2 前言 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) 4-1 無線傳輸技術 無線電波因為是透過開放的媒介傳輸 無線傳輸要制訂媒介存取控制方法, 解決碰撞問題 4-1-1 展頻技術 (Spread Spectrum) 4-1-2 CSMA/CA 媒介存取控制方法 3 4

4-1-1 展頻技術 容易洩密 容易受干擾 常見的展頻技術 跳頻式展頻 直接序列展頻 跳頻式展頻 將連續的頻道切割為多個子頻道, 然後將資料分割依序傳送, 傳送與接收端會依據展頻碼決定使用的頻道 5 6 直接序列展頻 將每個窄頻寬 高能量的位元訊號 (0 與 1) 與特別設計的展頻碼做運算, 將原本的訊號延展為數倍頻寬的低功率訊號後傳送出去 4-1-2 CSMA/CA 媒介存取控制方法 無線電波會因為傳輸距離的限制, 而無法偵測所有的碰撞 7 8

4-1-2 CSMA/CA 媒介存取控制方法 可改採主動避免碰撞的 CSMA/CA 技術來解決 RTS/CTS 訊框 在傳送資料訊框之前, 先傳送一個很小的 RTS 訊框, 確認不會發生碰撞後才開始傳送 9 10 4-2 IEEE 802.11 無線區域網路 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 : 跳頻式展頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 直接序列展頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) 紅外線 (Infrared, IR) IEEE 802.11 無線區域網路 4-2-1 802.11 無線網路架構 4-2-2 802.11a 4-2-3 802.11b 4-2-4 802.11g 4-2-5 IEEE 802.11n 11 12

Wireless Standards 4-2-1 802.11 無線網路架構 802.11 有以下 2 種無線網路架構 : Infrastructure Ad Hoc 13 14 Infrastructure 架構 Infrastructure 架構的特徵是用到了 AP (Access Point, 俗稱基地台或存取點 ) AP 的兩個功能是 : 轉送訊號 橋接器 Infrastructure 架構 轉送訊號 15 16

Infrastructure 架構 橋接器 Ad Hoc 架構 不使用 AP, 每台電腦使用各自的無線網路卡互傳資料 17 18 內建 軟體基地台 的 Wi-Fi Direct Wi-Fi Direct 是在裝置中以軟體的方式實作一個基地台 (Soft AP), 因此讓裝置間可不透過基地台即能建立連線 4-2-2 802.11a 正式名稱為 High-Speed Physical Layer in the 5GHz Band, 和 802.11 其他規格無法相容 802.11a, 最主要的特色為以下 2 點 : 使用 5 GHz 頻道 最大傳輸速率為 54 Mbps 802.11a 產品的接受度並不高, 主要的原因為 : 產品價格相對較高 與其他 802.11 規格不相容 例如 802.11a 與 802.11b/g 彼此不相容 19 20

4-2-3 802.11b 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 引進 CCK (Complementary Code Keying) 調變技術 使用 短前置訊號和表頭模式 (Short Preamble and Header Mode) 802.11b 接近 10 Mbps 乙太網路的傳輸速度 Wi-Fi 認證提升相容性 21 22 4-2-4 802.11g 802.11g 就像是 802.11b 的 火力加強版, 因為前者與後者相容, 但是具有更高的傳輸速率 從使用者的角度來看, 以下兩點最為大眾所重視 : 使用 2.4 GHz 頻道 因為 802.11b 也用 2.4 GHz 頻道, 這意味著 802.11b 產品能相容於 802.11g 最大傳輸速率提升為 54 Mbps 採用 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交分頻多工 ) 展頻技術, 將傳輸速率提升 4-2-5 IEEE 802.11n 802.11n 採用 MIMO (Multi-Input Multi-Output, MIMO) 技術, 是從硬體架構下手, 利用多支天線來改進傳輸品質 MIMO 天線變多, 也變聰明 23 24

MIMO 主要技術 空間多工傳輸 (Spatial division multiplexing) IEEE 802.11n 時空區塊編碼 (STBC, Space-Time Block Coding) 傳輸波束成形 (Transmit Beam Forming): 探知接收端的方位後, 利用多天線傳送單一 加強 的訊號給接收端 25 26 IEEE 802.11n 實體層技術的加強 加強 OFDM 調變 40MHz 頻帶 縮短訊號間隔 MAC 層的改進 Frame Aggregation ( 訊框匯集 ) 功能, 將多個訊框合成一個, 提升實際的資料傳輸量 雖然 802.11n 的資料傳輸率提升不少, 但和乙太網路相比還差一大截, 為了讓無線區域網路能達至少 1Gbps 的水準, IEEE 802.11 委員會已成立 802.11ac 802.11ad 工作小組, 研擬更高速的傳輸規格 4-2-6 802.11ac 802.11ac 改用 5GHz, 頻寬更大 不易干擾 新標準理論傳輸值最高可達 6.93Gbps, 並新增多天線 多裝置同步傳輸 更穩定的 Wi-Fi 訊號等技術特性 27 28

802.11ac 採用更高 5 GHz 頻段取代舊有 2.4 GHz 頻段, 提供更快的傳輸速率和更穩定的訊號 改採 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 的調變技術, 單一封包可負載量增加 波束 (Beam Forming) 技術標準化, 各家廠商技術通用 新標準從現有支援 4 根天線擴增至 8 天線 支援同時多裝置連網的 Multi-User MIMO 技術現身 802.11ac 用雙頻產品解決傳輸距離縮短問題 29 30 802.11ac 802.11ac 31 32

802.11ac 802.11 無線網路應用案例 : 免費的 itaiwan 與 Taipei Free Wi-Fi 網路服務 33 34 4-3 IEEE 802.15 - 藍牙與 ZigBee IEEE 802.15 工作小組主要負責無線個人區域網路 (WPAN, Wireless Personal Area Network) 標準, 所謂 PAN 指的是電腦與電腦裝置之間連線的網路, 例如 USB FireWire 都是有線 PAN, 而藍牙 紅外線 ZigBee 則是無線 PAN (WPAN) 本節將說明以下兩種技術 : 4-3-1 藍牙技術 (Bluetooth) (IEEE 802.15.2) 4-3-2 ZigBee 技術 (IEEE 802.15.4) 4-3-1 藍牙技術 (Bluetooth) 藍牙是什麼? 藍牙就是一種同時可用於電信和電腦的無線傳輸技術 短距離 低功率 低成本 35 36

藍牙技術 (Bluetooth) 藍牙的功用 語音及數據資料的即時傳輸 取代實體線路 快速方便的網路連接 MacBook Air, Mac Mini and iphone 4S use Bluetooth 4.0. 藍牙技術 (Bluetooth) 藍牙技術的規格 使用 2.4 GHz 公用頻帶, 和跳頻式展頻傳輸技術 一個藍牙網路網路 (Piconet) 總共可以有 8 個藍牙裝置 37 38 藍牙技術 (Bluetooth) 藍牙技術 (Bluetooth) 主控端 (Master) 可以和同一網路中的任一個用戶端 (Client) 通訊, 用戶端則只能與主控端通訊 藍牙裝置依據輸出功率區分成 3 種等級 (Class): 39 40

藍牙技術 (Bluetooth) Bluetooth Topologies 藍牙的連結 使用之前必須先和主控端配對, 配對成功後, 即可建立以下兩種連結之一 : 非同步連接 同步連接 藍牙的規範 (Profile) 為了讓各種裝置可以正確運作, 依照用途制訂了許多種規範 如 : 立體聲音訊傳輸規範 (A2DP, Advanced Audio Distribution Profile) 人機界面規範 (HID, Human Interface Device Profile) 物件交換規範 (OPP, Object Push Profile) 41 Source: Bluetooth SIG Core_V3.0 + HS document, 21-Apr-09 42 藍牙技術 (Bluetooth) 藍牙的演進 Bluetooth V1.2 Bluetooth V2.0 + EDR Bluetooth V2.1 + EDR Bluetooth V3.0 + HS Bluetooth V4.0 + LE Wireless Standards Personal 802.15 Bluetooth ZigBee 60 GHz UWB 802.11 Wi Fi Local NAN GSM, WCDMA, LTE Wide (3GPP* based) TVWS 802.22 Regional Metro 802.16 WiMAX LAN = local area networking PAN = personal area networking MAN = metropolitan area networking WAN = wide area networking NAN = neighborhood area network RAN = regional area networking TVWS = television white spaces 3GPP = 3 rd generation partnership project 43 44

IEEE 802.15 Standards Bluetooth Evolution 802.15.1: Adopted from Bluetooth SIG 802.15.4: Used by ZigBee 802.15.4g Smart Utility Networks (smart grid applications) 802.15.3: UWB (Ultra Wide Band) WiMedia Alliance (disbanded); ECMA-368 802.15.3c (60 GHz) Basis for 802.11ad Common architecture, channelization and bandwidth sharing techniques with WirelessHD, ECMA-387 and draft 802.11ad http://grouper.ieee.org/groups/802/15/ 45 v1.2 v2.0 + EDR v2.1 + EDR V3.0 + HS V4.0 + LE November 2003 November 2004 July 2007 April 2009 June 2010 Cell phone, headsets, notebooks, car kits, New applications include: stereo headphones, sunglasses, radios, picture frames, PMPs New applications include: high speed New features: LE PHY and Link layer; low printers, GPS, data transfers and latency MAC; LE direct test mode; AES cameras, MP3 players video downloads 2.4-2.4835 GHz AFH across 79 channels at 1600 hops per second 2.4-2.4835 GHz AFH or 802.11 channels 2.4-2.4835 GHz AFH 40 chan, 2MHz each Class 1: 100 meter (100 mw); Class 2: 10 meter (2.5 mw); Class 3: 1 meter (1 mw) 100 mw, 1W, 4W 0.01 mw (-20 dbm) to 10 mw (+10 dbm) GFSK (1 Mbps) GFSK (1Mbps), π/4 DQPSK (2 Mbps), 8DPSK (3 Mbps) OFDM with BPSK, QPSK,16-128QAM GFSK TDMA multiple access (+ CSMA/CA for HS) Manual pairing and security settings Automatic discovery/security settings via SSP AES 5x Battery life LE protocol & PHY GFSK = Gaussian frequency shift keying π/4 DQPSK = pi/4 rotated differential quaternary phase shift keying 8DPSK = 8 phase differential phase shift keying AFH = adaptive frequency hopping MAC = medium access control LE = low energy EDR = enhanced data rate HS = high speed SSP = secure simple pairing AES = advanced encryption standard 46 ZigBee ZigBee 技術從 1998 年開始發展, 主要由 Honeywell 等公司組成的 ZigBee 聯盟 (ZigBee Alliance) 所主導, 後來在 2003 年被 IEEE 納入 IEEE 802.15.4 標準中 最長傳輸距離 100 公尺, 速率介於 20~250 kbps 之間 低速 低耗電 低成本 支援大量節點 一個 ZigBee 網路內最高可以有 65535 個節點 Source: ZigBee Alliance http://www.zigbee.org/specifications/zigbee/networktopology.aspx 網狀網路 (Mesh) ZigBee 是由節點組成網狀網路 47 48

ZigBee 的應用 主要使用於無線感測網路, 由溫度 濕度 振動... 等感測器所組成的無線網路 ZigBee 的相容性 目前各家廠商會各自實作其專屬的 ZigBee 應用層而無法互通, 例如 A B 廠商的家庭自動化方案都使用 ZigBee 進行無線通訊, 但是因為應用層不同而無法互通, 所以一旦採用了 A 廠商的方案, 所有設備都必須向 A 廠商購買, 無法混合使用 A B 廠商的 ZigBee 設備, 因此也形成了 ZigBee 產品推廣的最大阻礙 49 50 Bluetooth LE vs. ZigBee 4-4 NFC 與 RFID ZigBee Bluetooth LE Older protocol with more (non-interoperable) versions Market mindshare but not much shipment (not in PCs or mobile phones yet) Low power Simple stack Presence in big existing markets (phones, automotive, consumer, etc.) Lower power, depending on application GATT is simple and profile specific stack GATT = generic attribute profile 4-4-1 RFID 4-4-2 NFC Poster Point of Sale (POS) terminal for mobile payments 51 52

4-4-1 RFID RFID 是 Radio Frequency Identification 的縮寫, 其最廣為人知的應用就是各類電子票證 RFID 的組成元件 讀卡機 (Reader) 標籤 (Tag) 天線 (Antenna) 後端系統 RFID RFID 的標籤種類 被動式 (Passive) 53 54 RFID 半主動式 (Semi-Passive) 亦稱為電池輔助被動式 (BAP, Battery-Assisted Passive), 標籤上具備電池供應電力, 因此傳輸距離較遠, 但同樣要接近讀卡機時才會運作 當讀寫動作完成時, 標籤會再進入休眠模式以節省電力 主動式 (Active) 主動式標籤本身不但具備電力, 而且會定時主動發送訊號廣播其標籤識別碼, 因此可用以實作定位的功能 RFID RFID 規格由 ISO 及 EPCGlobal 制定, 有以下幾種標準 : ISO/IEC 14443 Identification cards Contactless integrated circuit cards Proximity cards ISO/IEC 15693 Identification cards Contactless integrated circuit cards Vicinity cards IEC 18000 Information technology Radio frequency identification for item management 55 56

4-4-2 NFC NFC 是 Near-Field Communication 的縮寫, 除了保有 RFID 識別功能, 可讓行動電話像悠遊卡一樣當成支付工具, 亦具備通訊的能力 NFC 的規格 主動通訊模式 (Active Communication Mode) 被動通訊模式 (Passive Commucation Mode) 當成讀卡機 模擬成 RFID 標籤 與另一個 NFC 裝置做點對點傳輸 NFC NFC 與 RFID 的比較 與手機結合 NFC 也是 RFID 讀卡機 簡化配對程序 資料傳輸 57 58 實作練習 : 使用 itaiwan 免費 WiFi 服務 使用 itaiwan 免費 WiFi 服務 59 60

使用 itaiwan 免費 WiFi 服務 使用 itaiwan 免費 WiFi 服務 61 62 Reading Assignment Chapter 4 of 最新網路概論第 14 版, 施威銘 第 4 章 無線區域網路 Slides developed by Chien-Hua Tsai 63 End of the Chapter