无线局域网的工作原理

无线局域网络简介

无线局域网：
无线局域网络(Wireless Local Area Networks； WLAN)是相当便利的数据传输系统，它利用射频(Radio Frequency； RF)的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到「信息随身化、便利走天下」的理想境界。

为何使用无线局域网络

对于局域网络管理主要工作之一，对于铺设电缆或是检查电缆是否断线这种耗时的工作，很容易令人烦躁，也不容易在短时间内找出断线所在。再者，由于配合企业及应用环境不断的更新与发展，原有的企业网络必须配合重新布局，需要重新安装网络线路，虽然电缆本身并不贵，可是请技术人员来配线的成本很高，尤其是老旧的大楼，配线工程费用就更高了。因此，架设无线局域网络就成为最佳解决方案。

什么情形需要无线局域网络

无线局域网络绝不是用来取代有线局域网络，而是用来弥补有线局域网络之不足，以达到网络延伸之目的，下列情形可能须要无线局域网络

◆ 无固定工作场所的使用者

◆ 有线局域网络架设受环境限制

◆ 作为有线局域网络的备用系统

无线局域网络存取技术

目前厂商在设计无线局域网络产品时，有相当多种存取设计方式，大致可分为三大类：窄频微波(Narrowband Microwave)技术、展频(Spread Spectrum)技术、及红外线(Infrared)技术，每种技术皆有其优缺点、限制、及比较，接下来是这些技术方法的详细探讨。

展频技术

展频技术的无线局域网络产品是依据FCC(Federal Communications Committee；美国联邦通讯委员会)规定的ISM(Industrial Scientific, and Medical)，频率范围开放在902M~928MHz及2.4G~2.484GHz两个频段，所以并没有所谓使用授权的限制。展频技术主要又分为「跳频技术」及「直接序列」两种方式。而此两种技术是在第二次世界大战中军队所使用的技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。

一、 跳频技术 (FHSS)

跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔(Dwell Time)为400ms。

二、 直接序列展频技术 (DSSS)

直接序列展频技术 (Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS)是将原来的讯号「1」或「0」，利用10个以上的chips来代表「1」或「0」位，使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率。而每个bit使用多少个chips称做Spreading chips，一个较高的Spreading chips可以增加抗噪声干扰，而一个较低Spreading Ration可以增加用户的使用人数。

基本上，在DSSS的Spreading Ration是相当少的，例如在几乎所有2.4GHz的无线局域网络产品所使用的Spreading Ration皆少于20。而在IEEE802.11的标准内，其Spreading Ration大约在100左右。

三、 FHSS VS DSSS调变差异

无线局域网络在性能和能力上的差异，主要是取决于所采用的是FHSS还是DSSS来实现、以及所采用的调变方式。然而，调变方式的选择并不完全是随意的，像FHSS并不强求某种特定的调变方式，而且，大部分既有的FHSS都是使用某些不同形式的GFSK，但是，IEEE 802.11草案规定要使用GFSK。至于DSSS则过使用可变相位调变 (如：PSK、QPSK、DQPSK)，可以得到最高的可靠性以及表现高数据速率性能。

在抗噪声能力卜方面，采用QPSK调变方式的DSSS与采用FSK调变方式的FHSS相比，可以发现这两种不同技术的无线局域网络各自拥有的优势。FHSS系统之所以选用FSK调变方式的原因是因为FHSS和FSK内在架构的简单性，FSK无线讯号可使用非线性功率放大器，但这却牺牲了作用范围和抗噪声能力。而DSSS系统需要稍为贵一些的线性放大器，但却可以获得更多的回馈。

四、 DSSS VS FHSS之优劣

截至目前，若以现有的产品参数详加比较，可以看出DSSS技术在需要最佳可靠性的应用中具有较佳的优势，而FHSS技术在需要低成本的应用中较占优势。虽然我们可以在网际网络内看到各家厂商各说各话，但真正需要注意的是厂商在DSSS和FHSS展频技术的选择，必须要审慎端视产品在市场的定位而定，因为它可以解决无线局域网络的传输能力及特性，包括：抗干扰能力、使用距离范围、频宽大小、及传输资料的大小。

一般而言，DSSS由于采用全频带传送资料，速度较快，未来可开发出更高传输频率的潜力也较大。DSSS技术适用于固定环境中、或对传输品质要求较高的应用，因此，无线厂房、无线医院、网络社区、分校连网等应用，大都采用DSSS无线技术产品。FHSS则大都使用于需快速移动的端点，如行动电话在无线传输技术部分即是采用FHSS技术；且因FHSS传输范围较小，所以往往在相同的传输环境下，所需要的FHSS技术设备要比DSSS技术设备多，在整体价格上，可能也会比较高。以目前企业需求来说，高速移动端点应用较少，而大多较注重传输速率、及传输的稳定性，所以未来无线网络产品发展应会以DSSS技术为主流。

消费者选购无线局域网络时需要特别注意下列的特性，以决定自己合适的产品，包括：

◎ 涵盖范围；

◎ 传输率；

◎ 受Multipath影响程度；

◎ 提供资料整合程度；

◎ 和有线的基础设施之间的互操性；

◎ 和其它无线的基础设施之间的互操性；

◎ 抗干扰程度；

◎ 简单、易操作；

◎ 保密能力；

◎ 低成本；

◎ 电流消耗情况。

IEEE 802.11之相关信息

因应无线局域网络的强烈需求，美国的国际电子电机学会于1990年11月召开了802.11委员会，开始制定无线局域网络标准。

承袭IEEE802系列，802.11规范了无线局域网络的介质存取控制 (Medium Access Control ； MAC)层及实体 (Physical ；PHY)层。此较特别的是由于实际无线传输的方式不同，IEEE802.11在统一的 MAC层下面规范了各种不同的实体层，以因应目前的情况及未来的技术发展。目前802.11中制订了三种介质的实体，为了未来技术的扩充性，也都提供了多重速率 (Mulitiple Rates)的功能。这三个实体分别是：

一、2.4GHz Direct Sequence Spread Spectrum

速率1Mbps时用DBPSK调变 (Difference By Phase Shift Keying)

速率2Mbps 时用DQPSK调变 (Difference Quarter Phase Shift Keying)

接收敏感度 –80dbm

用长度11的Barker码当展频PN码

二、2.4GHz Frequency Hopping Spread Spectrum

速率1Mbps时用 2-level GFSK调变，接收敏感度 –80dbm,

速率2Mbps时用4-level GFSK调变，接收敏感度 –75dbm,

每秒跳2.5个 hops

Hopping Sequence在欧美有22组，在日本有4组

三、Diffused IR

速率1Mbps时用16ppm调变，接收敏感度2 ×10-5mW/平方公分

速率2Mbps时用4ppm调变，接收敏感度8 ×10-5mW/平方公分

波长850nm~950nm

其中前两种在2.4GHz的射频方式是依据ISM频段以展频技术可做不须授权使用的规定，这个频段的使用在全世界包含美国、欧洲、日本及台湾等主要国家都有开放。第三项的红外线由于目前使用上没有任何管制(除了安全上的规范)，因此也是自由使用的。

IEEE 802.11 MAC的基本存取方式称为 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)，与以太网络所用的CSMA/CD (Collision Detection)变成了碰撞防止(Collision Avoidance)，这一字之差是很大的。因为在无线传输中感测载波及碰撞侦测都是不可靠的，感测载波有困难。另外通常无线电波经天线送出去时，自己是无法监视到的，因此碰撞侦测实质上也做不到。在802.11中感测载波是由两种方式来达成，第一是实际去听是否有电波在传，及加上优先权的观念。另一个是虚拟的感测载波，告知大家待会有多久的时间我们要传东西，以防止碰撞。

无线局域网络之产品简介

Access Point
一般俗称为网络桥接器，顾名思义即是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之桥梁，因此任何一台装有无线网卡之PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络之资源。除此之外，AP本身又兼具有网管之功能，可针对接有无线网络卡之PC作必要之控管。

Wireless LAN Card
一般称为无线网络卡，其与传统之Ethernet网络卡的差别是在于前者之资料传送乃是藉由无线电波，而后者则是透过一般的网络线。

目前无线网络卡的规格大致可分成2M, 5M, 11M,三种，而其适用之界面可分为PCMCIA, ISA, PCI三种界面。

Antenna

一般称为天线，此天线与一般电视，火腿族，大哥大所用之天线不同，其原因乃是因为频率不同所致，WLAN所用之频率为较高2.4GHz之频段。

天线之功能乃是将source之信号，藉由天线本身的特性而传送至远处，至于能传多远，一般除了考虑source的output power强度之外，其另一重要因素乃是天线本身之dBi值，即俗称的增益值，dB值愈高，相对所能传达之距离也更远。通常每增加8dB则相对之距离可增至原距离的一半。

一般天线有所谓指向性(Uni-direction)与全向性(Omni-direction)两种，前者较适合于长距离使用，而后者则较适合区域性之应用。

产品Q & A

Q1：何谓无线网络?

ANS：一般来讲，所谓无线，顾名思义就是利用无线电波来作为资料的传导，而就应用层面来讲，它与有线网络的用途完全相似，两者最大不同的地方是在于传输资料的媒介不同。除此之外，正因它是无线，因此无论是在硬件架设或使用之机动性均比有线网络要优势许多。

Q2：无线网络与有线网络相较之下，有那些优点?

ANS：就使用上它的机动性，便利性，是有线网络所不及，就成本上，它可省下一笔可观的布线费用，修改装潢费用，基本上使用的空间较为弹性许多。

Q3：无线网络对人体是否有所影响?

ANS：因无线网络的发射功率较一般的大哥大手机要微弱许多，无线网络发射功率约60~70mW，而大哥大手机发射功率约200mW左右，而且使用的方式亦非像手机一般直接接触于人体，因此较无安全上之考量。

Q4：若要架构一个无线网络，其最基本之配备需要有那些?

ANS：一般架设无线网络的基本配备就是一片无线网络卡及一台桥接器(AP)，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源。

Q5：无线网络就使用是否会被干扰或影响其它设备运作?

ANS：基本上无线网络所使用之频段是属于ISM 2.4GHz的高频率范围，就日常生活，或办公室等等所用之电器设备是不会相互干扰，因频率差异甚多，而且无线网络本身共有12个信道可供调整，自然干扰的现象就不必担心。

Q6：何谓ISM频段?

ANS：ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此频段( 2.4~2.4835GHz)主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会(FCC)所定义出来，属于Free License，并没有所谓使用授权的限制。

Q7：何谓展频 (Spread Spectrum)?

ANS：展频技术主要又分为「跳频技术」及「直接序列」两种方式。而此两种技术是在第二次世界大战中军队所使用的技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。对于一个非特定的接受器，Spread Spectrum所产生的跳动讯号对它而言，只算是脉冲噪声。因此对整体而言是一种较具安全性的通讯技术。

Q8：何谓跳频(Frequency-Hopping Spread Spectrum)?

ANS：跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS)在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔 (Dwell Time)为400ms。

Q9：何谓直接序列展频(Direct Sequence Spread Spectrum)?

ANS：直接序列展频技术(Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS)是将原来的讯号「1」或「0」，利用10个以上的chips来代表「1」或「0」位，使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率。而每个bit使用多少个chips称做Spreading chips，一个较高的Spreading chips可以增加抗噪声干扰，而一个较低Spreading Ration可以增加用户的使用人数。

基本上，在DSSS的Spreading Ration是相当少的，例如在几乎所有2.4GHz的无线局域网络产品所使用的Spreading Ration皆少于20。而在IEEE 802.11的标准内，其Spreading Ration只有11，但FCC的规定是必须大于10，而实验中，最佳的Spreading Ration大约在100左右。

Q10：无线网络所能含盖的范围有多广?

ANS：一般无线网络所能含盖的范围应视环境的开放与否而定，若不加外接天线而言，在视野所及之处约250M，若属半开放性空间，有隔间之区域，则约35~50M左右，当然若加上外接天线，则距离可达更远，此关系到天线本身之增益而定，因此需视客户之需求而加以规划之。

Q11：无线网络于使用之过程其保密性为何?

ANS：基本上GEMPLEX之无线网络技术采DSSS系统，本身就具有防窃听之功能，另外再加上资料加密功能(WEP40bits)的双重防护下，因此其安全性是相当周全。

Q13：何谓桥接器(Access Point)?

ANS：Access Point，一般俗称为网络桥接器，顾名思义即是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之桥梁，因此任何一台装有无线网卡之PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络之资源。除此之外，AP本身又兼具有网管之功能，可针对接有无线网络卡之PC作必要之控管。

Q14：Access Point在使用上可同时支持多少工作站?

ANS：理论上是可以支持到一个CLASS C，但为了让工作站本身有足够之频宽可利用，一般建议一台AP约支持20~30左右之工作站为最佳状态。

Q15：何谓漫游(Roaming)功能?

ANS：如同大哥大一般，可漫游在不同的基地台之间，无线网络工作站亦可漫游在不同的AP之间，只要AP群的ESSID定义一样，则自然无线网络工作站可自由的漫游于无线电波所能含盖之区域。

Q16：若无线网络之设备架设于室外，其如何防止雷击?

ANS：基本上无线网络可配置避雷器之设备，此设备可选购装设于无线网络设备上，以利外来之突波造成系统损坏。

Q17：何谓Access Control?

ANS：基本上每张无线网卡上都有一组独一无二的硬件地址，即所谓的MAC address，经由Access Control table可定义某些卡可登入此AP，某些卡被拒绝登入，如此便能达到控管的机制，可避免非相关人员随意登入网络，窃取资源。

Q18：何谓ASBF?

ANS：ASBF(Automatic Scale Back Functionality)，此项功能是Gemplex AP特有之功能，保证WLAN始终处于最佳的联机品质，除此之外，并提供支持多重厂商的无线网卡，但其网卡必须是符合IEEE 802.11之规范而设计。

Q19：何谓Power Management?

ANS：由于Notebook使用约2小时左右后便必须充电，若又同时使用其它外围设备，则必定更加耗电，因此此项功能乃在于有效的管理无线网络卡所消耗之电量，换句话说，它能适时控制当有DATA sending or receiving时，是处于”Wake up status”，反之则处于power down mode。

Q20：天线所使用之导线的长度是否有影响传输品质?

ANS：一般来讲，天线所使用之导线的长度，材质，阻抗匹配，均会对讯号造成某程度之影响，而最明显的就是增益衰减。通常以20 feet之长度而言就会让讯号衰减约1.2dBi左右，而平均每衰减8dBi就会让原传输之距离约缩减一半，因此导线之长度与品质在无线产品的应用上是不容忽视的。

Q21：架设指向性天线时，是否有工具可提供指示，让讯号品质达到最佳化?

ANS：Gemplex之Bridge本身有提供一套软件联机品质校正程序，其中是以图形曲线的方式呈现于屏幕上，使用者可明显看出该讯号目前强弱之状况，而加以调整天线的位置，已达最佳状态。

Q22 : 何谓 Ad-hoc ?

ANS : 构成一种特殊的无线网络应用模式，一群计算机接上无线网络卡，即可相互连接，资源共享，无需透过Access Point.

Q23 : 何谓 Infrastructure ?

ANS : 一种整合有线与无线局域网络架构的应用模式，透过此种架构模式，即可达成网络资源的共享，此应用需透过Access Point.

Q24 : 何谓 BSS ?

ANS : 一种特殊的Ad-hoc LAN的应用，称为Basic Service Set (BSS)，一群计算机设定相同的BSS名称，即可自成一个group，而此BSS名称，即所谓BSSID。

Q25 : 何谓 ESS ?

ANS : 一种infrastructure的应用，一个或多个以上的BSS，即可被定义成一个Extended Service Set ( ESS )，使用者可于ESS上roaming及存取BSSs中的任何资料，其中Access Points必须设定相同的ESSID及channel才能允许roaming.

Q26 : 何谓 SNMP ?

ANS : “ Simple Network Management Protocol “，一种网管的通信协议，透过SNMP的软件可以连接至可支持SNMP的装置并可收集该装置所有的信息并做其它整合性的应用，Gemplex Wireless LAN product 就有support此功能。

Q27 : 何谓 WEP ?

ANS : “ Wired Equivalent Protection “，一种将资料加密的处理方式，WEP 40bits的encryption 乃是IEEE 802.11的标准规范。透过WEP的处理便可让我们的资料于传输中更加安全。

无线局域网络之应用

大楼之间

大楼之间建构网络的连结，取代专线，简单又便宜。

餐饮及零售

餐饮服务业可使用无线局域网络产品，直接从餐桌即可输入并传送客人点菜内容至厨房、柜台。零售商促销时，可使用无线局域网络产品设置临时收银柜台。

医疗

使用附无线局域网络产品的手提式计算机取得实时信息，医护人员可藉此避免对伤患救治的迟延、不必要的纸上作业、单据循环的迟延及误诊等，而提升对伤患照顾的品质。

企业

当企业内的员工使用无线局域网络产品时，不管他们在办公室的任何一个角落，有无线局域网络产品，就能随意地发电子邮件、分享档案及上网络浏览。

仓储管理

一般仓储人员的盘点事宜，透过无线网络的应用，能立即将最新的资料输入计算机仓储系统。

货柜集散场

一般货柜集散场的桥式起重车，可于调动货柜时，将实时信息传回office，以利相关作业之逐行。

监视系统

一般位于远方且需受监控现场之场所，由于布线之困难，可藉由无线网络将远方之影像传回主控站。

展示会场

诸如一般的电子展，计算机展，由于网络需求极高，而且布线又会让会场显得凌乱，因此若能使用无线网络，则是再好不过的选择。

DSSS vs FHSS

DSSS
FHSS

展 频 特 性
将原信号 “1” 或 “0” 利用10个以上的chips代表“1” 或 “0”，使得原来较高功率，较窄频率变成具有较宽频的低功率。
同步，同时接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号。对于一个非特定的reveiver，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，只能算是脉冲噪声而已。

调 变 差 异
PSK，DBPSK，DQPSK
GFSK

抗 噪 声 能 力
DSSS之DQPSK调变方式是采 线性放大器组成，其作用范围和抗噪声能力效果佳。
FHSS之FSK调变方式架构简单，采非线性功率放大器组成

。

差 异 性
High Speed

Long Distance

Easy Integration

适用于较固定环境中使用

作用范围较大
Low Speed

Short Range

Carrier Data Voice

Better Security

DSSS与 FHSS 之取决端视产品在市场定位而定，因为它可以解决无线局域网络的传输能力及特性，包括抗干扰能力，使用距离范围，频宽大小及传输资料的大小。DSSS技术适用于固定环境中，或对传输品质要求较高的应用，因此，无线厂房，无线医院，网络社区，大都采用DSSS无线技术产品。而FHSS则大都使用于需快速移动的端点，如行动电话，其无线传输的技术部份即采用FHSS展频技术。

无线网络技术比较表

Item
Specification
Wireless LAN

802.11
HOME RF

1.09
BLUETOOTH

Application High speed wireless data networking(long distance)
Wireless communication in home & SOHO
Wireless communication in short range

Technology
FHSS,DSSS
FHSS
FHSS

Frequency
RF 2.4GHz
RF 2.4GHz
RF 2.4GHz

Power
+18dbm
+18dbm
+18dbm

Data rate
11Mbps
11Mbps
1Mbps

Distance
150M
50M
10M

Transmission
DSSS: Data

FHSS: Data & Voice
Data & Voice
Data & Voice

Specification
IEEE
Home RF group
Bluetooth SIG

Interface
USB,ISA,PCI,PCMCIA
N/A
Module

Main structure
MAC,RF,Baseband
MAC,RF,Baseband
RF,Baseband,HCI,Ling manager

Power

consumption
250mA
100mA
40mA

Cost
High
Middle
Low