有線~無線楖論(4)

有線~無線楖論的最後，才要提我的主要目的

即無線網路系統中的內容。

以下是我從整理出的內容:http://www.techbang.com/posts/15863-introduction-to-network-infrastructure-5-80211-and-80211a?page=1

 

無線網路的規格定義在IEEE 802.11(有線則是802.3)。

定義：

IEEE 802.11定義了運作頻率設定在2.4GHz。會選擇這個頻率是因為2.4GHz屬於ISM（Industrial, Scientific and Medical radio band，工業、科學以及醫療無線頻段），

 

資料表示 : 格雷碼

格雷碼（gray code）

十進位數字轉為二進位時，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9分別會轉換成0000、0001、0010、0011、0100、0101、 0110、0111、1000、1001。但在通訊世界裡則是採用格雷碼，所以0∼9會被轉換為0000、0001、0011、0010、0110、 0111、0101、0100、1100、1101，由於各組之間只有變換1個位元，可以降低傳輸時出錯的機會。

（假設以二進制為0的值做為格雷碼的0）
G：格雷碼 B：二進制碼
G(N) = (B(n)/2) XOR B(n)

 

展頻

data link layer:

802.11在媒體層(data link，定義出其CRC這種檢查及Frame大小)的部分採用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)(**RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send）。

physical layer :

展頻（Spread Spectrum）的概念，展頻就是把1組資料量較少的資訊，加以放大並放在1組資料量較多的資訊上，好比把1MB的資料，增肥到10MB的大小，但內部包含的實際資訊卻跟1MB沒有兩樣。這麼做當然對於傳輸速度是有害的，但在無線網路的環境中，有些事比起傳輸量來說更需要克服。

展頻有許多好處，第一就是對抗雜訊，由於生活環境中充滿許多電磁波，甚至是地球或是外太空也都會來尬一角。舉個簡單例子，展頻之後使用 11111111代表原始的1、00000000代表原始的0，如果今天好死不死11111111被干擾成10111110，也可以辨識出這其實是代表 1。第二就是可以用來隱藏或是加密訊號，通常我們想要傳輸的資料只占據一個相當小頻寬的基頻訊號，利用展頻技術把基頻延伸到大範圍的頻帶上，讓傳輸能量降低成與背景值差不多，避免引起他人注意；此外把這個把原始信號與加密信號經過一翻計算後傳送出去，只有擁有加密信號的人能夠解出原始訊號，其他人看到就只是一些無意義的資料。

而且展頻之後，可同時容許多人在同一頻率中進行通訊，大家的頻寬都是相等的，這就是所謂的CDMA（Code Division Multiple Access，分碼多重存取）。

CDMA

雖然CDMA沒有使用在802.11之中，但由於CDMA的原理相當神奇又有趣，容筆者在此先說明一下。想要使用CDMA，則此網路中的每個節點都必須要有1組編碼，而大家的編碼必須兩兩呈現正交的性質，內積值必須為零。假設現在有2組節點，A的編碼為[1、1]、B為[1、-1]，兩者經計算後的內積值為零，符合正交的要求。如果今天A要傳送1，則經過CDMA編碼後變成[1、1]；如果要A要傳送0，則是取補數[-1、-1]，B的原理也是一樣。

如果今天A點傳送1[1、1]、B傳送0[-1、1]，兩者在空氣介質中向量合變成[0、2]；某C點想要解出[0、2]的資訊，便把[0、2]和 A[1、1]、B[1、-1]作內積，得出2和-2。在大於零等於1、小於零等於0、等於零沒發射訊號的原則下，得知A發出了1、B發出了0。

 

FHSS

802.11在2.4GHz傳輸頻率中定義的展頻方式有2種，一種是FHSS（Frequency-Hopping  Spread  Spectrum，跳頻展頻），另一種則為DSSS（Direct-Sequence Spread Spectrum，直接序列展頻）。

FHSS跳頻機制，FHSS需要一段較大的頻寬，再將這個頻寬切割成許多較小的頻寬，就可以在這些不同的小頻寬之間不斷切換傳輸，就是FHSS的跳頻機制。在802.11中，使用FHSS展頻使用2.4∼2.4835GHz頻帶，將其以1MHz的方式切出頻道，每個頻道的停留時間為19TU（Time Unit、1TU＝1024μs）。事實上使用頻率範圍、切割的頻道數、各頻道駐留時間以各國規定為準，像是美國FCC聯邦通訊委員會就制定出75個以上的頻道數和最大駐留時間為390TU。

DSSS

DSSS直接序列展頻顧名思義，直接將欲傳輸的0或是1代換成1串序列碼傳送出去，實際代換的方式為域傳送的資料位元值與虛擬雜訊碼進行XOR運算，而虛擬雜訊碼在此使用巴克碼（Barker code）。

調變(modulation)

想要傳遞的資料經過展頻之後，接下來便是要如何把資料放在載波（carrier）上，而把1010111110111011010101⋯⋯這類的二元碼變成實際在介質中傳播，就稱為調變（modulation），無線網路就是變為電磁波傳送，光纖則是以光來傳送

調變大致上可分為2種，分別為類比調變和數位調變。類比調變的例子就是收音機的調幅（AM）或是調頻（FM），波形雖然有振幅或是頻率上的變化，但波形是連續的，不會發生這個時間點為波谷底點，下個時間點突然變成波峰頂點。而數位調變就會發生這種情形，比較像是由一段段的波形組合起來。若以道路來比喻，類比調變像是連續彎道山路，數位調變則比較像都市裡的十字路口。

 

GFSK

因應FHSS和DSSS不同的特性，其調變的方式也不相同。FHSS採用GPSK（Gaussian frequency-Shift Keying，高斯頻率偏移調變、高斯頻移鍵控），GFSK是FSK加上高斯濾波器組成，高斯濾波器的功用在於平滑化訊號，因此GFSK的本質還是 FSK。

FSK的調變方式相當簡單，選定一載波頻率Fc，再選定一差值頻率Fd，如果今天想要傳送1，就傳送Fc＋Fd的頻率，想要傳送0，就傳送Fc－Fd的頻率即可。FHSS展頻再加上2GFSK（2種頻率變化的GFSK）可帶來1Mbps的頻寬。

如果需要2Mbps的頻寬，則是改採4GFSK，由於有4種頻率變化，可對應22種資料00、01、11、10，所以每次傳輸時由1bit改為2bit，頻寬直接翻倍。

DPSK

另外一種DSSS所搭配的調變方式為DPSK（Differential Phase-Shift Keying，相位差調變、差分相移鍵控），屬於PSK的1個分支。PSK在傳輸訊號的時候，使用的頻率、振福是相等的，差別在於相位的不同，藉由相位的不同代表不同的資訊。

所謂DPSK的D就是相差、差異的意思，所以是藉由目前波形相位減去上次相位之後的角度差異作為判斷的依據。1個完整的sin波形從 0開始，到波峰時的相位角為90度，下降到0的相位角為180度，波谷的相位角則為270度。

在802.11中使用的DPSK有2種，分別為DBPSK和DQPSK，其中B代表Binary（雙）、Q代表Quadrature（正交），DBPSK利用2種相位差表示，DQPSK利用4種相位差表示，這兩種調變正好可提供1Mbps和2Mbps的傳輸速率。

但由於使用編碼速率11M symble/sec的關係，加上DPSK調變，傳輸能量會在選定的頻率±11MHz的地方以|Sin(x)|函數的方式出現，共佔去22MHz的頻寬。這在使用11個頻道（2.412∼2.462GHz，以5MHz劃分）的國家地區使用時，僅有3個不相互干擾的頻道（頻道1、6、11）。