第四章 網路通訊技術的創新過程
第一節 區域網路
二、 無線區域網路
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二、 無線區域網路
無線區域網路(wireless local area network, WLAN)由於不需佈線、不需施工與線路規 劃，可節省成本、縮短網路建構時間，且容易維護，無蟲害及鼠害導致斷線問題，並可以 快速變更網路架構，不需重新佈線。同時無線網路可以結合現有的有線網路資源，但又可 讓使用者漫遊，隨時隨地都可以使用網路。因此無線網路的優勢就是無實體線路的障礙和 可攜帶性，使用上相當便利，因此應用層面於近年來迅速擴大，舉凡飯店、機場、餐廳和 咖啡廳，皆積極佈建無線區域網路的環境(也就是所謂的熱點, hot-spot)，只要消費者於筆記 型電腦或手持式裝置有裝無線網卡，便可以隨時隨地上網，存取自己想看的資訊，豐富自 己的生活。
實際上，無線區域網路傳輸的技術已有十幾年的歷史，但由於以往無線傳輸產品的規 格眾多，各家通訊大廠鎖定特定需求的族群，開發出許多專屬規格的產品，缺乏共通性的 結果，導致無線傳輸產品的應用一直無法普及，產品進步也相當緩慢，直到3Com、Alcatel、
BreezeCom、 Cisco、Colubris、Enterasys、Intersil、 Intermec及Symbol等9家業者，於1996 年3月共同設立WLANA聯盟之後（Wireless LAN Association），無線傳輸的規格才正式出 現，該聯盟所訂定的規格於1997年獲得國際電機電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronic Engineers , IEEE）認可，並頒佈為IEEE 802.11的正式標準。此文件定義無線網路 在實體層(Physical Layer) 與資料鏈結層 (Data Link Layer) 所使用的標準，總資料傳輸速率 設計為2Mbit/s，主要採用直接序列展頻 (DSSS)的傳輸技術。兩個裝置之間的通訊可以裝 置到裝置（ad hoc）的方式進行，也可以在基站（Base Station, BS）或者存取點（Access Point，
AP）的協調下進行， 如下圖所示。
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圖 4-6 Ad hoc 與 AP 的通訊方式 資料來源: http://www.wireless-router-net.com
WLAN所使用的頻寬是所有裝置共享的，當愈多裝置使用無線網路時，其傳輸的速度 就會跟著降低，加上其實體層所使用的是採用CSMA/CA (Carrier Sense Multi
Access/Collision Avoidance)硬體溝通方式，此技術是先去偵測工作頻帶中的電磁波能量，若 超過基準值，則判定頻道被佔用，所以它是一種 「先聽再說」的設計，亦即傳送端在傳送 之前必頇先偵測頻道上是否正被使用，如果沒有則傳輸將進行。假如頻道上已有信號正在 傳遞，那麼傳送端將會隨機短暫等待再重新傳送，這個等待時間叫作 backoff，然而backoff 時間並不保證碰撞不會發生，為了避免訊框因碰撞及干擾造成遺漏，接收端成功接收訊框 後會立刻回傳認可（Acknowledgment）信號，當傳送端未收到acknowledgment，傳送端將 等待 backoff 時間再重送訊框。此種機制可視為半雙功(half-duplex)的方式，因此802.11真 正有效的傳輸資料並不到1Mbps。而當時主流市場的有線乙太網路傳輸速率最高已可達10 Mbps，且往100Mbps邁進中。另外，早期的無線網路產品極為昂貴又有相容性的問題，所 以市場對於原始802.11標準的反應並不熱烈。
兩年後，也就是1999年，802.11標準已朝兩個方向演進，一為802.11b，其使用開放給 工業、科學、醫學三個主要機構使用ISM(Industrial Scientific Medical Band, 頻帶為2.4～
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802.11直接序列展頻技術，還因為採用效率更高的CCK編碼技術，達到11 Mbps最大傳輸速 率，802.11b還包含PBCC™做為另一個編碼技術選項，提供額外的3分貝編碼增益，因此能 在5.5至11 Mpbs資料速率範圍內，提供更遠的連線距離。另一為802.11a, 其使用ISM頻段上 5Ghz來做資料的傳輸, 採用一種多載波調變技術，稱為OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交分頻多工技術) 最大資料傳輸速率可達54 Mbps。有了清楚的遵循方向之後，廠商便積極成立聯誼會及測詴實驗室，使得相關產品的問 題得到解決，各家廠商可以遵行標準，開發出彼此間相容，具有共通性的產品，消費市場 比較容易接受，而且產品 在大量製造之下，成本下降的速度快，價格滑落的結果也帶動需 求的成長，使產業呈現良性的競爭與循環。
由於802.11a使用5GHz頻帶，無法與802.11b或802.11無線區域網路相互通訊, 且其穿透 率比較差及價錢也比較貴。2000年三月，IEEE 802.11工作小組特別成立一個研究小組，探 討是否能擴展802.11b標準，使其支援20 Mbps以上更高速率。2000年七月，此研究小組乃 升格為正式任務小組（Task Group G），負責制訂一套新標準，使用2.4 GHz頻帶，但必頇提 供更高傳輸速率。於是在2003年新的標準使用802.11g定義出來了，其保持使用與802.11b 的2.4GHz的頻段，並吸納了802.11a的OFDM展頻技術，使其最大資料傳輸速率亦可達到 54Mbps。
儘管802.11a/g已達54Mbps，但由於頻寬是共享且是半雙工的傳輸方式, 實際的傳輸也 大概只有23Mbps，對於多媒體的傳送仍有頻寬不足的情況。故在2004年時802.11n的標準在 IEEE（國際電子電機工程學會）被提出，原本僅是希望改變過去單天線的無線網路基地臺
（Access Point，AP）設計，以多加一組天線的方式，提升無線網路的傳輸效率與覆蓋率。
但此後，相關廠商之間對於802.11n標準該採用的頻譜通道大小發生爭執，一派認為該採用 先前無線網路技術中使用的20MHz，一派則認為該擴大所使用 的頻譜，採用40MHz來提 升傳輸效能。加上後來各家廠商陸續提出不同的方案，制定802.11n標準的爭論於是逐漸白
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熱化，整個標準的審查和制定逐漸延宕下來。這可以從2006年5月，IEEE準備通過802.11n 草案1.0標準時的狀況看出來，當時草案標準1.0僅得到未過半的支持率，針對此一標準草 案，IEEE更收到了將近1萬2千個不同意見，這是過去所有無線網路標準審核中，從未發生 的狀況。過去Wi-Fi無線技術的802.11a/b/g，每個標準的討論時間約在2年左右，而802.11n 光是提出第一版草案，就已經花費了將近兩年，而且第一版草案還在史無前例的多數不同 意見下，遭到否決。
會有這麼激烈的爭論，最主要是802.11n這個標準被寄予厚望，由於802.11n的PHY層，
能夠提供理論值高達300Mbps的傳輸效能，這也使得 802.11n和先前局限在54Mbps傳輸速 率的其他標準不同，能跨過使用無線網路傳輸影音的門檻。此外，由於802.11n標準的AP，
整合了 MIMO（Multi-input Multi-output，多重輸入輸出）技術，如下圖所示。天線採用多 發多收的設計，改變原本單天線的模式，使得802.11n標準的AP能夠以2×2、3×3（2 根天 線發訊號，2根天線收）等方式，大幅提升原本Wi-Fi網路的數據傳輸率及覆蓋範圍，減少 死角。在經過多方角力、討論之後，IEEE終於在2009年9月正式通過802.11n 的標準。802.11n 其速度不僅已超越有線網路主流的速度100Mbps，且其也可以滿足多媒體無線傳輸的需求。
圖 4-7 MIMO 的系統示意圖 資料來源: http://www.mem.com.tw
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WLAN系統架構：
WLAN系統的主要組成元件大致為PA(功率放大器)、RF (射頻)、MAC/Baseband、記憶 體與 Host Interface 等，下圖為 WLAN 系統架構示意，各主要元件簡介如下：
圖 4-8 WLAN 架構圖 資料來源: 拓墣產業研究所 1. Antenna：天線，用來收發無線電波之用。
2. PA(Power Amplifier)：功率放大器，傳送時用來將 RF 信號大，以利遠方接收端 順利接收，而接收時則先將訊號放大再傳到 RF/IF轉換器，為整個系統最耗電的元件，現 今已有少數廠商成功將 PA整合進 RF Transceiver中。
3. RF/IF：一般 RF(射頻)收發器整合了包括 LNA、濾波器、混頻器、震盪器等元件，
用來處理類比訊號在傳送或接收時的必要工作；而 IF(中頻)則是用來將高頻訊號轉換至基 頻可處理的頻率範圍，但現今廠商多已使用零中頻技術將中頻元件省略，以降低成本。
4. MAC/Baseband：MAC 與 Baseband 早先本來是分屬兩個部分，但現今已多被整 合在一貣。Baseband(基頻)主要用來處理訊號的調變(Modulation)/解調變(Demodulation)工 作，並負責將射頻傳來的訊號轉為 MAC 所需的資料形式；而 MAC 則為整個 WLAN 的
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核心部位，負責控制整體訊號的傳輸過程以及提供安全性、QoS 能力，其中可能會包含微 處理器、內部隨機存取記憶體、介面存取控制器等。
5. Host Interface：用來提供與外部設備連接的介面，目前較常見的實作為 PCI、mini PCI、Cardbus、USB、MII、PCI-e ,等。
以下就主要的有線區域網路（WLAN）技術的發展過程加以整理並繪圖表如下。由此 圖表來看，可知有線區域網路的速度皆是往5倍速甚至也是10倍速的速度在提升。
表 4-2 主要無線區域網路速度及標準發展歷程
通過日期 技術標準 展頻方式 使用頻帶 傳輸速度(max) 傳輸距離 1997 802.11 FHSS/DSSS 2.4GHz 2 Mbps 70 1999 802.11b DSSS 2.4GHz 11Mbps 100 1999 802.11a OFDM 5GHz 54 Mbps 50 2003 802.11g OFDM 2.4GHz 54 Mbps 100 2009 802.11n OFDM 2.4GHz/5GHz 600Mbps >100
資料來源: 本研究整理
圖 4-9 主要無線區域網路技術及標準發展歷程 資料來源: 本研究整理
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三、 有線區域網路與無線區域網路綜合比較 :
目前有線區域網路(LAN)，除大型企業外或電信局局端外會有10Gbps速度以上的需求 外。一般的家庭、公司有線區域網路，目前通常也只是用到100Mbps，最快用到1000Mbps, 100Mpbs這樣的速度已可輕鬆地處理複雜多媒體的傳輸，不會因此造成傳輸的瓶頸，
1000Mbps當然可以讓網路傳輸的速度再加快，尤其在傳輸大檔案時特別有用。
而無線區域網路(WLAN)在不斷地改善之外，傳輸速度也已可超過100Mbps，但由於其 無線的頻寬是整個無線區域網路的所有裝置共享的，無法像有線有線區域網路一樣可以使 用專屬頻寬全雙工的方式傳輸，因此傳輸效率稍差，但已足以應付一般的多媒體傳輸，若 真的需要較為高速的無線傳輸如450Mbps、600Mbps，目前許多廠商也有這樣的解決方案。
下圖繪製了有線區域網路及無線區域網路在時間的歷程上，速度發展的比較，本圖主 要是以家用或常見的速度為主。由於網路的速度動輒就是5倍或10倍速的速度在升級，為了 要將全部世代的速度繪製在同一圖表中，因此用數學式log的方式來加以表達。
圖 4-10 有線區域網路與無線區域網路速度之比較(單位:Mbps) 資料來源: 本研究整理
由此圖可以看出，無線區域網路雖然較有線區域網路發展來得慢，但其速度已可愈來
由此圖可以看出，無線區域網路雖然較有線區域網路發展來得慢，但其速度已可愈來