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無線網路

第 11 章

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學習目標 無線網路的類型 802.11 的相關技術 802.11 b 、 a 、 g 、 n 三種產品的差異 GSM 、 WAP 、 GPRS 和 3G 的特性

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前言 21 世紀的網路 , 除了在傳輸速率方面持續提升之

外 , 另一個最為人稱道的改進就是『無線化』。 『無線化』意味著上網時再也不受網路線的牽絆 ,

或躺、或臥、或坐 , 在床上、在餐廳、在公園 , 我們隨時都可以自由自在地上網。

不過想要無線上網走透透 , 得先符合一個前提－擁有能無線上網的設備 , 以目前來說 , 最常用來無線上網的設備非『筆記型電腦』和『手機』莫屬。

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前言 筆記型電腦 (NB, Notebook) 主要是利用無線區域

網路的技術來上網；而手機 (Cellular Phone) 則是以 GPRS 或 3G 技術來連接網路。

兩種技術雖有不同的特性 , 卻不約而同地帶領人們進入一個更生活化、便利化的網路世界 , 揚棄了以前認為『坐在電腦前才能上網』的舊觀念。

現在 , 讓我們先來認識無線區域網路 , 再瞭解 GPRS 與 3G 的奧秘。

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11-1 無線網路的類型 一般而言 , 我們會依據無線網路的通訊範圍 , 將其

區分為以下 4 類 : 無線廣域網路 (WWAN) 無線都會網路 (WMAN) 無線區域網路 (WLAN) 無線個人網路 (WPAN)

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11-1-1 無線廣域網路 無線廣域網路 (WWAN, Wireless Wide Area Netw

ork) 是指傳輸範圍可跨越城市或國家的無線網路。 由於範圍廣大 , 通常是由電信

業者或專業的施工單位所架設與維護 , 一般人只是單純地透過個人裝置來使用無線廣域網路 , 例如：台灣地區行動電話所使用的 GSM (Global System for Mobile Communication) 通訊系統就是典型的 WWAN 。

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11-1-2 無線都會網路 無線都會網路 (WMAN, Wireless Metropolitan Are

a Network) 是指傳輸範圍可涵蓋整個城市 (鄉、鎮或市 ) 的網路 , 例如：聯繫座落在台北市不同行政區的兩棟辦公大樓或兩個校區。

通常需要用到無線都會網路的時機 , 多半是不想花大錢鋪設有線網路；或者是以無線都會網路作為有線網路的備援 , 在有線網路故障時 , 能迅速提供傳輸服務。

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無線都會網路 對於一般人而言 , 比較不熟悉無線都會網路的產品 ,

但是最近出現一位明日之星 － WiMAX (World Interoperability for Microwave Access) 。

在世界各國廠商的積極推動下 , WiMAX 可望在未來綻放耀眼的光芒 , 詳情請見本章末的特別企劃。

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無線都會網路

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11-1-3 無線區域網路 無線區域網路 (WLAN, Wireless Local Area Netwo

rk) 是指傳輸範圍在 100 公尺左右的無線網路 , 例如：住家中各個房間之間 , 或同一棟大樓的不同辦公室之間。

此外 , 還包括以下的使用時機： 不方便鋪設線路的地點 , 例如：校園的草地上或涼亭內。

使用者沒有固定位置的環境 , 例如：專供出租的禮堂或會議室 , 其隔間和家具可能經常變動。

臨時找不到有線網路的場合 , 例如：馬路邊或小吃店 , 附近沒有可用的網路線和網路插孔。

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無線區域網路

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11-1-4 無線個人網路 顧名思義 , 無線個人網路 (WPAN, Wireless Perso

nal Area Network) 是指在個人活動範圍內的無線網路。

其主要目的是讓個人使用的電子裝置 , 可以互相傳輸或通訊 , 例如：藍牙 (Bluetooth) 網路就是 WPAN 的代表。

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隨堂練習1. 請根據每個人的使用經驗 , 比較有線網路與無線網

路的優缺點。

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11-2 IEEE 802.11 的展頻傳輸技術 IEEE 802.11 為 IEEE (Institute of Electrical and

Electronics Engineers, 電子電機工程協會 ) 在 1997 年 6 月所發表的無線區域網路標準 , 其中規範了以下 3 種傳輸技術：

直接序列展頻 (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum)

跳頻式展頻 (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum)

紅外線 (IR, Infrared)

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IEEE 802.11 的展頻傳輸技術 雖然在 802.11 規格明白地指出可以使用紅外線為

傳輸介質 , 不過目前絕大部分的無線區域網路產品 , 都是以無線電波為傳輸介質。

主要是因為無線電波的穿透力強 , 而且是全方位傳輸 , 不侷限於特定方向。

若和使用紅外線的無線區域網路相比較 , 紅外線的傳輸距離短、傳輸速率慢 , 而且容易受阻隔。

綜合這些方面的考量 , 採用無線電波的產品還是廠商們的最愛 , 因此後文將僅介紹『直接序列展頻』和『跳頻式展頻』這兩種傳輸技術 , 不過在此之前 , 我們先來瞭解何謂展頻。

無線電波的英文為 Radio Frequency (RF) , 又譯為『射頻』 , 是屬於頻率較低的電磁波。

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11-2-1 何謂展頻 一般無線電通訊的訊號 , 都是使用『頻率範圍較窄、功率較高』的電波 , 這種電波有以下先天的缺點：

容易洩密因為頻率範圍窄 , 所以第三者只要用特殊儀器接收特定頻率範圍內的訊號 , 就能竊取到傳輸的內容。

容易受干擾即使通訊的雙方針對傳輸內容加密 , 以避免洩漏機密 , 但是第三者仍可發送頻率相同、但功率更高的干擾訊號 , 以阻撓接收端收取內容。

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何謂展頻 為了改進以上的缺點 , 軍方在 1950 〜 1960 年代運用展頻 (SS, Spread Spectrum) 技術 , 將原本『頻率範圍較窄、功率較高』的電波 , 轉變為『頻率範圍較寬、功率較小』的電波 , 如下圖：

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何謂展頻 經過展頻處理後的訊號 , 因為功率比雜訊還低 , 會被一般的接收器視為雜訊。

即使被偵測到 , 因為其頻率涵蓋範圍很廣 , 敵方很難發送這麼大範圍的干擾訊號 , 因此能達到保密和抗干擾的目的。

所以簡單地說 , 展頻就是將電波涵蓋的頻率範圍擴展開來 , 把功率降低 , 使波形由『尖高形』變成『寬扁形』 , 以增強抗干擾能力和隱密性。

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何謂展頻 當然啦 , 以上的說法係假設敵方不懂展頻技術 , 才

能達到保密效果。 事實上 , 各國研究展頻技術已經數十年 , 累積了許多破解之道 , 目前軍方即便使用展頻技術仍未必能保證安全傳輸 , 也因此一些展頻技術逐漸開放給民間使用。

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直接序列展頻 (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) 的發送方式 , 是將處理過的訊號透過多個頻道同時送出 , 如下圖：

至於實際上用到哪些頻道 , 會因國別而異 , 以 802.11 DSSS 為例 , 頻道編號與各國允許使用的頻道如下表。

11-2-2 直接序列展頻技術

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直接序列展頻技術

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直接序列展頻技術 雖然在上表列出了 14 個頻道 , 但是因為每個頻道

的頻率範圍有部分重疊 , 為了避免相互干擾 , 實務上只使用不互相干擾的頻道。

以台灣市場的 802.11b/g 產品為例 , 通常只有第 1〜 11 頻道可用。

若要在相近的地點放置多部基地台 (AP, Acess point) , 最多僅能 3 部 , 而且必須分別使用第 1 、 6 、11 頻道 , 才能有最佳品質的訊號。

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直接序列展頻技術

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11-2-3 跳頻式展頻技術 跳頻式展頻 (FHSS, Frequency Hopping Spread S

pectrum) 是將一個頻道切割成數十個子頻道 , 然後每次使用不同的子頻道傳送資料。

當然在連線的兩端會先協議好要使用那些子頻道 , 然後按照一定的規則 , 輪流使用這些子頻道傳送資料 , 因為它所使用的頻道變來變去 , 所以稱為『跳頻』。

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跳頻式展頻技術 這種跳頻式的傳輸方式 , 因為每傳送一段資料後 ,

下一次要用那一個頻道傳送 , 只有接收端才會知道 , 外界難以得知 , 所以能減低被竊聽或干擾的風險。

以 802.11 FHSS 為例 , 將 2.4000 GHz〜 2.4835 GHz 劃分成 79 個頻道 , 每個頻道的頻寬為 1 MHz 。

但是受限於各國的法令 , 實際能用哪些頻道會依國別而有差異 , 以下列出部分國家 ( 或區域 ) 開放使用的 FHSS 頻道。

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跳頻式展頻技術

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跳頻式展頻技術 在跳頻式展頻的傳輸過程中若遭遇干擾 , 通常只是某個子頻道受到干擾 , 其餘子頻道仍可正常傳輸 , 因此只需再重傳一次被干擾子頻道的資料即可 , 毋須重傳所有的資料。

換言之 , 跳頻式展頻擁有相當好的抗干擾能力。

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11-2-4 OFDM 展頻技術 除了跳頻式展頻技術之外 , 稍後發展出的 OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交分頻多工 ) 展頻 , 其工作原理 , 也是將一個頻道切割成多個子頻道 (Subchannel, 又稱 Subcarrier) , 然後在這些子頻道同時傳送訊號 , 使訊號一整排地並列送出。

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OFDM 展頻技術 與其它展頻技術的差異在於 , 這些訊號彼此互為正交 (Orthogonal) , 不會互相干擾 , 因此能提升傳輸速率。

在實作方面 , 各家廠商切割頻道的方式未必相同 , 以 802.11a 為例 , 是將 20 MHz 寬的頻道切割成 52 個 300KHz 寬的子頻道 , 其中 48 個用在傳輸資料訊號 , 4 個用來傳輸同步訊號。

訊號部分重疊而且不會互相干擾的特性稱為『正交性 (Orthogolity) 』 , 換言之 , 互為正交的訊號不會互相干擾。

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11-3 IEEE 802.11b 由於 802.11 規格所支援的最高傳輸速率僅有 2

Mbps, 因此市場接受度很低。 802.11 工作小組隨後在 1999 年推出改良版的

『 802.11b 』規格 , 終於獲得各廠商的青睞 , 也帶動了 WLAN 的蓬勃發展。

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IEEE 802.11b 802.11b 的正式名稱為『 Higher-Speed Physical L

ayer 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。

大體而言 , 802.11b 做了以下較重要的修改： 引進 CCK 調變技術

802.11b 實體層使用 DSSS 展頻 , 而且採用 CCK(Complementary Code Keying) 調變技術。

CCK 在調變時並非使用固定的展頻碼 , 而是根據所要傳送的訊號 , 使用不同的展頻碼 , 以表現出較多種的資料組合 , 因此能提升資料傳輸速率。

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IEEE 802.11b 使用『短前置訊號和表頭』模式

802.11 實體層在傳送資料時 , 會加上前置訊號 (Preamble) 與表頭 (Header) 。

前者主要用來使接收端和發送端能同步；後者則記錄了封包長度、協調速率、偵錯碼等等。但是 , 前置訊號與表頭都只能以 1 Mbps 的速率傳送 , 成為拖垮效率的瓶頸。

因此 802.11b 改用『短前置訊號與表頭』模式 (Short Preamble And Header Mode), 將前置訊號的長度從 144 Bits 縮短為 72 Bits, 並將表頭的傳輸速率由 1 Mbps 提升為 2 Mbps 。

如此一來使得傳送前置訊號和表頭的時間縮減為原本的一半 , 相對地提高資料的傳送效率。

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IEEE 802.11b

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IEEE 802.11b 對使用者而言 , 上述措施所導致最明顯的進步 , 便

是傳輸速率涵蓋 1 Mbps 、 2 Mbps 、 5.5 Mbps 和 11 Mbps 等 4 種。

最高傳輸速率已經接近了 10 BaseT 乙太網路的水準 , 因此逐漸被大眾所接受。

802.11b 會配合不同的傳輸速率而採用不同的調變方式：在 1 Mbps 時採用 DBPSK 調變；在 2 Mbps 時採用 DQPSK 調變；在 5.5 Mbps 和 11 Mbps 時則採用 CCK 調變。

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IEEE 802.11b 另一方面 , 由電腦軟硬體製造廠商、網路設備製造商、消費性電子產品製造商共同組成 WECA (Wireless Ethernet Compatability Alliance) 聯盟 , 執行各家產品的相容性認證 , 該認證標準稱為 Wi-Fi(Wireless Fidelity) 。

凡是通過 Wi-Fi 認證的產品 , 表示完全遵循 802.11 組織制定的規格 , 所以彼此之間一定可以互通 , 不會有不相容的問題。

此舉不但掃除了消費者在選購產品時的疑慮 , 也提升了產品的穩定度。

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IEEE 802.11b

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IEEE 802.11b 自從英特爾 (Intel) 推出 Centrino 晶片組 , 將 8

02.11b 整合在其中後 , 掀起了一股寬頻上網革命 , 幾乎所有的筆記型電腦都將無線上網列為標準功能。

再加上各地方政府對於公共場所的無線上網建置工作 , 亦如火如荼地展開。

在機場、捷運站、連鎖咖啡店、世貿展覽場等等地點 , 都已經提供無線上網服務。

至於確切的上網據點 , 請查詢下列廠商的網站。

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IEEE 802.11b

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IEEE 802.11b 根據業者估計 , 全球使用 802.11b 網路設備的用戶數量約在 1500~3000 萬戶。

毫無疑問地 , 802.11b 已經是無線區域網路裡普及率最高的規格 , 不過因為它的傳輸速率不夠快 , 目前逐漸被 802.11g 取代。

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隨堂練習1. 請根據每個人的使用經驗 , 討論 802.11b 有哪些缺點？

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11-4 IEEE 802.11a 802.11a 的全名為『 High-Speed Physical Layer in

The 5GHz Band 』 , 如同 802.11b, 它也只是修改 802.11 實體層的功能 , 其它部分則沿用 802.11 的規格。

但是由於實體層有極大的改變 , 導致 802.11a 和 802.11b 成為『你走你的陽關道 , 我過我的獨木橋』 , 彼此無法相容。

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802.11a 的特點 關於 802.11a, 大眾較為熟悉的改變為以下兩點：

使用 5 GHz 頻道由於微波爐、無線電話、藍牙裝置和 802.11b 等等都使用 2.4 GHz 頻道 , 使得該頻道顯得很『擁擠』 , 時常會出現彼此互相干擾的狀況。

因此 802.11a捨棄 2.4 GHz 頻道不用 , 改用 5 GHz 頻道。

5 GHz 頻道又稱為 UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) Band, 在美國與台灣均開放免申請即可使用 , 但是有些國家則列為管制頻道。

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802.11a 的特點以美國為例 , 它使用了 5.15〜 5.25 GHz 、 5.25〜

5.35 GHz 與 5.725〜 5.825 GHz 三段頻率範圍 , 每一段再切割為 4 個 20MHz 的頻道 , 因此 802.11a 總共有 12 個可用頻道 , 如下表：

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802.11a 的特點不使用 2.4 GHz 頻道所造成的負面影響 , 便是 802.

11a 與 802.11b 彼此不相容。換言之 , 802.11a 設備與 802.11b 設備彼此不能溝通。

因此消費者在購買網路設備時 , 若要與 802.11b 網路連接 , 那麼千萬不要考慮 802.11a, 否則會架設成『一區兩制』的無線區域網路。

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802.11a 的特點 最大傳輸速率為 54 Mbps

除了使用不同的頻道之外 , 802.11a 與 802.11b 的另一大差異便是將最大傳輸速率提升到 54 Mbps 。

而其中的幕後功臣正是採用了 OFDM 展頻技術。 OFDM 技術再搭配 BPSK 、 QPSK 、 QAM 3 種調變技術 , 使得 802.11a 有 6 、 9 、 12 、 18 、 24 、36 、 48 、 54 Mbps 等 8 種傳輸速率。

但是只有 6 、 12 、 24 是強制 (Mandatory) 規格 , 也就是所有的 802.11a 設備都必須提供這 3 種傳輸速率。至於其它的傳輸速率 , 則由廠商自行決定是否要提供。

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802.11a 的展望 目前市場上對於 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： 802.11a 產品價格普遍比 802.

11b/g 高得多 , 若要整個企業全面採用 , 所需的預算通常會讓老闆猶豫再三。

與 802.11b/g 不相容：由於 802.11a 與 802.11b/g 不相容 , 但是 802.11b畢竟占有絕大多數的市場 , 想要消費者忍痛放棄它實屬不易 , 因此 802.11a 僅能吸引尚未架設無線區域網路的用戶。

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802.11a 的展望 為了解決上述問題 , 網路晶片廠商一方面將多個晶

片整合到 1 、 2 個晶片 , 以降低晶片組的成本 , 連帶降低產品價格。

另一方面開發適用於 802.11a 、 802.11b 和 802.11g 3 種規格的『 3 頻晶片』 , 盡力提升 802.11a 產品的競爭力。

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隨堂練習1. 如果要在公司架設無線網路 , 您是否會採用 802.1

1a 技術？原因為何？

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11-5 802.11g 大多數使用者都將 802.11g 視為 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關心：

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 。換言之 , 802.11g 產品與 802.11b 產品能建立連線 , 所以很適合用來將現有的 802.11b 網路逐步升級。

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802.11g 最大傳輸速率提升為 54 Mbps

早期礙於美國聯邦通訊委員會 (FCC, Federal Communication Committee) 的法規限制 , 在 2.4 GHz 不得使用 OFDM 技術。

直到 2001 年 5 月解除此禁令後 , 802.11g 便採用 OFDM 技術 , 將傳輸速率提升到 54 Mbps 。

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802.11g 802.11g 擁有 802.11a 的高傳輸速率 , 又能和 8

02.11b 相容 , 可說是兼具兩派之優點 , 因此已經是無線區域網路的明星。

目前市面上絕大多數的無線區域網路產品 , 都已經投入 802.11g 的懷抱。

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802.11g

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隨堂練習1. 請試著比較 802.11g 與 802.11a 的差異 , 並說明為何前者比後者普及。

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什麼是『 Super G』？ 雖然 802.11a 和 802.11g 的最大傳輸速率都是

54Mbps, 可是在市面上卻看的到許多產品 , 標榜自 己的最大傳輸速率可達到 108 Mbps 或 125

Mbps, 這到底是怎麼回事？莫非又是廠商在耍噱頭 , 或做不實廣告？

都不是 , 108 Mbps 或 125 Mbps 可都是有理論根據所計算出來的 , 不是噱頭或造假。

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什麼是『 Super G』？ 話說無線區域網路晶片大廠 Atheros 為了提升傳

輸速率 , 研發一種獨門秘技 , 可隨時監測頻道的使用情形 , 一旦發現有閒置的頻道可用 , 便以『多頻道傳送』、『資料壓縮』或『加大封包容量』等方式 , 大幅提高傳輸速率 , 理論上可達到 108 Mbps 。

將此技術應用在 802.11g 的產品便稱為『 Super G 』；運用在 802.11a/g 雙頻的產品便稱為『 Super AG 』。

目前採用這類技術的廠商有可瑞加 (Corega) 、友訊 (D-Link) 、 Netgear 和 PCI 等等。

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什麼是『 Super G』？

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什麼是『 Super G』？ 除了 Atheros 之外 , 另一家無線網路晶片大廠 Br

oadcom 也推出自己的加速技術－ Afterburner, 可將最大傳輸速率提升到 125 Mbps 。

目前華碩 (ASUS) 和巴比錄 (Buffalo) 都有推出這類的產品 , 不過在包裝上卻並未標示『 Afterburner 』 , 而是以『 Turbo G 』和『 125 High Speed Mode 』來稱呼。

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什麼是『 Super G』？

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什麼是『 Super G』？ 但是我們要知道：無論採用哪一種加速技術 , 它們

都不是經過 IEEE 認可的標準規格 , 所以只有在通訊的雙方都支援相同加速技術時 , 才能發揮效果。

否則 , 還是只能以標準的 54 Mbps 傳輸。

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11-6 802.11n 網路的頻寬似乎就和金錢一樣 , 永遠不嫌多、總是

不夠用。 然而 , 網路技術的發展速度更超乎我們的預期 , 在

802.11g 的 54 Mbps 還來不及被嫌棄時 , 802.11n 標準已經蓄勢待發了。

IEEE 於 2006 年通過 802.11n 的第一版草案 (Draft), 以 MIMO (Multi-Input Multi-Output, 多重輸入多重輸出 ) 技術為核心。

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MIMO －天線變多 , 也變聰明 從 802.11 的原始版本進步到 802.11a/b/g, 主要

在於改進展頻和調變技術 , 偏向於軟體面的改變。 但是 MIMO 技術則是從硬體架構下手 , 利用多支天線來改進傳輸品質。

在現實的網路環境中 , 接收端的天線除了接收強度最大的訊號之外 , 也會收到經過反射或散射而來的訊號 , 這類訊號統稱為 『多路徑訊號』 (Multipath Singal) 。

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MIMO －天線變多 , 也變聰明 在以往都將多路徑訊號視為雜訊 , 但是 MIMO 卻

使用多支天線收集這些訊號 , 經過特殊處理後反而可以增強主訊號 , 獲得最佳的訊號品質和傳輸速率。

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2.0 版草案通過 , 多家產品已通過認證 其實在 802.11n 草案通過之前 , 就已經有廠商推

出 MIMO 控制晶片 , 號稱可將傳輸速率提升到 108 Mbps 或 240 Mbps, 市面上將使用這類晶片的商品稱為『 Pre-N 』規格。

以 Airgo 為例 , 它的第 3 代 MIMO 晶片傳輸速率為 240 Mbps, 並且宣稱與 802.11n 規格相容 , 一旦 802.11n 正式標準定案 , 三個月內就能推出產品 , 傳輸速率可進一步提升為 300 Mbps 。

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2.0 版草案通過 , 多家產品已通過認證 2007 年中 2.0 版草案通過後 , Wi-Fi 聯盟 (Wi-Fi

Alliance) 開始提供 802.11n 相關產品的測試及認證。

目前在其官方網站上以可查詢已通過 802.11n 草案認證的產品 , 從晶片大廠 Atheros 到台灣常見的可瑞加 (Corega) 、友迅 (DLink) 、巴比錄 (Buffalo)... 等廠商都已有通過認證的產品。

在 http://www.wi-fi.org/80211n-draft2.php 網頁可查得通過 802.11n 2.0 版草案認證的相關產品。

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2.0 版草案通過 , 多家產品已通過認證 隨著 CPU 龍頭老大英特爾 (Intel) 及蘋果 (Appl

e) 電腦的 Apple TV 、 AirPort Extreme 和 Mac 產品陸續採用 802.11n 2.0 版草案規格 , 802.11n 要稱霸市場只是早晚的事。

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11-7 802.11 各規格的比較 前面為您說明了 802.11 各種規格 , 下面我們簡要列出各規格的差異 , 供您參考比較：

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11-8 藍牙技術 藍牙 (Bluetooth, 早先被譯為藍芽 , 2006 年已統

一全球中文譯名為 『藍牙』 ) 技術的誕生要回溯到易利信 (Ericsson) 公司在 1994 年的一個研發專案。

該專案的目的是使手機能和無線耳機連線 , 讓使用者帶著無線耳機就能講手機 , 擺脫耳機線的束縛。

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藍牙技術 到了 1998 年 5 月 , 易利信邀集 Nokia 、 Intel 、

IBM 及 Toshiba 等重量級廠商 , 共同組成『藍牙同好協會 (Bluetooth SIG, Bluetooth Special Interest Group) 』 , 目標便是制定一套短距離無線傳輸技術的標準 , 這項標準就命名為『藍牙』。

藍牙這個稱呼是源自於 10 世紀的丹麥國王－『哈拉德藍牙』 (Harald Bluetooth), 他因統一北歐而流傳後世。易利信的行銷人員希望藍牙技術也能統一消費性電子商品市場 , 因此以藍牙國王之姓來命名。

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11-8-1 藍牙技術的特性 藍牙技術是以低功率的無線電波來傳輸 , 具有『短

距離』、『低速率』和『低成本』的特性。 透過它 , 可讓一個電信設備或資訊產品具備多樣化

的功能 , 例如：一隻具有藍牙功能的手機 , 在家裡可以當成無線電話或選台器來用 , 甚至還能當做 PDA (Personal Digital Assistant, 個人數位助理 ) 來用。

它常見的應用範圍如下。

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藍牙技術的特性 建立無線個人網路 (WPAN)

藍牙的傳輸距離只有 10 公尺 (若加上頻率放大器則可延伸到 100 公尺 ) , 大約涵蓋個人週邊的 3C 產品。

在此範圍內的電腦主機、鍵盤、印表機、手機、傳真機、選台器、電話等等設備 , 只要具備藍牙傳輸功能 , 就能互相建立連線 , 完全不需要再用實體線路連接。

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藍牙技術的特性 兩個裝置間互相傳輸資料

只要是在傳輸的範圍之內 , 兩個藍牙設備經過簡單的溝通 , 便可以快速地建立連線 , 完全毋須人為設定。

坊間經常可見到的藍牙耳機 , 無論是搭配手機使用 , 或搭配電腦使用 , 都很容易上手。

若與紅外線技術相比 , 藍牙傳輸距離遠比紅外線的 1.5 公尺來的遠 , 建立連線時又毋須使紅外線通訊埠面對面 , 這些都彰顯出藍牙的優勢。

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藍牙技術的特性

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藍牙技術的特性 即時傳送語音或數據資料

這方面最典型的例子 , 就是前面提過的『多合一手機』 , 在戶外是行動電話 , 在家可以當無線電話或選台器 , 在公司開會時還能當 PDA 用 , 而且設定簡單又方便 , 不但節省成本 , 便利性也高。

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11-8-2 藍牙技術的規格 在無障礙狀況下 , 藍牙的傳輸範圍為 10 公尺 (cl

ass 2) 或 100 公尺 (class 1), 也是使用 2.4 GHz 公用頻道 , 採用的展頻技術是跳頻式展頻 (FHSS) , 其原理和 IEEE 802.11 的 FHSS 相似 , 只不過其跳躍的頻率高達每秒 1600 次。

一個藍牙網路 (Piconet) 總共可以有 8 個藍牙裝置 , 其中一個扮演主控端 (Master), 其他裝置則是用戶端 (Client), 同時每一個藍牙裝置又可以成為另一個藍牙網路的成員 , 藉由此特性可將藍牙網路延伸出去 , 形成一個更大的藍牙網路。

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藍牙技術的規格 藍牙所使用的是最擁擠的 2.4 GHz 頻道 , 因此如

何防止干擾、維持傳輸品質就非常重要。 藍牙對此問題採取以下的解決方法：

因為語音資料對於正確性的要求比較不高 , 聽得清楚就行了 , 因此在傳輸語音時 , 若有封包遺失 , 並不會重送 , 以避免降低效能。

在傳輸數據資料時 , 接收端會檢查每個封包的正確性 , 若有錯誤則會要求發送端重送此封包 , 以確保資料無誤。

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藍牙技術的規格 目前最新的藍牙規格為 2.1 版 , 除了相容於舊版

的藍牙之外 , 更改善了藍牙裝置配對的方便性和安全性 , 並降低了耗電量 , 使裝置的續航力更高。

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隨堂練習 請找出曾用過藍牙設備的使用者 , 詢問他們的使用心得 , 並與 Wi-Fi 做一簡單的比較。

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11-9 GSM 與 GPRS 1989 年台灣正式提供行動電話的服務 , 當時一隻行動電話要價數萬元 , 申請一個門號至少要半年 , 因此除了少數政商人士外 , 對老百姓來說 , 使用行動電話根本是個虛幻的神話 , 這個現象一直到 1996 年都是如此。

到了 1997 年 , 台灣開放 GSM 行動電話的經營執照 , 如同市場預測 , 果然帶動國內行動電話的普及 , 在短短的數月間 , 國內行動電話的擁有率大幅提昇。

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GSM 與 GPRS 邁入了 21 世紀後 , 台灣地區的行動電話普及率已經是亞洲前 3 名 , 幾乎到了人手一機的程度。

本節我們就來聊聊台灣行動電話所採用的 GSM (Global System for Mobile Communications, 全球行動通訊系統 ) 系統 , 同時也說明 GPRS (General Package Radio Service, 整合封包無線服務 ) 技術。

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11-9-1 GSM GSM 是歐洲電信標準協會 (ETSI, European Tele

communications Standard Institute) 於 1990 年所制定的數位行動網路標準 , 該標準主要是規範如何將類比式的語音轉為數位的訊號 , 再藉由無線電波傳送出去。

既然是採用無線電波 , 那當然要談到所使用的頻道。為了適應各國對無線電頻率的使用規定各有不同 , 因此 GSM 可以應用在 900 MHz 、 1800 MHz及 1900 MHz 等三個頻道。

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GSM 在 GSM 系統中 , 訊號的傳送方式和傳統有線電話

的方式相同 , 都採用電路交換 (Circuit Switch) 技術。

這個技術是讓通話的兩端獨佔一條線路 , 在未結束通話前 , 此線路將一直被佔用著。

想像一下家用電話在使用時的情形：當我們和朋友講電話時 , 這條電話線就被我們獨佔著 , 即使雙方都不講話 , 其它人也別想使用這條線路 , 這就是電路交換技術的特性。

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GSM 但是 GSM 有一個致命的缺陷－數據傳輸的速率只

有 9.6 Kbps 。這個問題讓我們想用手機上網時 , 感到非常的不便。

為了解決這個問題 , 專家們在 1998 年提出一種新的技術來加速 GSM 的數據傳輸 , 這就是 GPRS 的由來。

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11-9-2 GPRS GPRS 可算是數位行動通訊時代的寬頻網路架構 , 它和 GSM 的關係就如同傳統撥接上網和 ADSL 寬頻上網的關係一樣。

傳統數據機和 ADSL 數據機 , 同樣是透過電話線路 , 但是傳輸效能有著天壤之別 , 而 GPRS 和 GSM 也是如此。

事實上 , GPRS 也是利用現有的 GSM 架構 , 將資訊傳輸技術改變後 , 以達到高速傳輸的功能。

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GPRS 簡單來說 , GPRS 只是一項加快數據傳輸的技術 ,

在無線電波的傳遞上 , 還是以 GSM 的規格在進行 , 所以我們其實可以把 GPRS 視為 GSM 的加強模組。

因此一般認為 GPRS 並非新一代的行動通訊系統 , 充其量只能算是 GSM 通訊系統的改良。

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GPRS 不過 , GSM 採用的是電路交換技術 , 但 GPRS

則是採用封包交換 (Packet Switch) 技術。 封包交換技術的特色 , 是將要傳送的資料切割成許多小封包 (Packet), 每個封包都標有目的地位址 , 然後看那一個頻道有空就將封包送出去。

如此一來 , 每一個頻道都不會閒置 , 可以大幅提昇傳輸效能。

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GPRS 但是 , 封包交換技術並不是獨佔頻道 , 而是讓大家共用 , 所以當多人使用時效能就會下滑 , 再加上周圍環境的干擾 , GPRS 的傳輸速率通常不超過 115 Kbps 。

以市售的 GPRS 手機為例 , 大多也只能跑到 64 Kbps, 雖然比不上 802.11b/g, 不過已經遠勝於 GSM 了！

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隨堂練習1. 目前 GPRS 並不流行 , 請分析其原因可能是什麼 ,

例如：價格太高、傳輸速率慢或操作不便？

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11-10 WAP 「秀才不出門 , 能知天下事。」－藉由網際網路讓這個夢想成真了！

不管是查詢資料、網路交易、收發電子郵件或是想找個人玩玩連線遊戲 , 只要有一部能上網的電腦 , 輕輕鬆鬆家中坐 , 點幾下滑鼠就萬事 OK 了。

不過網際網路雖然方便 , 可是電腦並不是隨處都有 , 就算我們隨身攜帶筆記型電腦 , 可是要上網時 , 附近未必就有網路線插孔或 Wi-Fi 基地台。

更何況筆記型電腦所費不貲 , 如果能將網際網路搬到更短小輕薄、而且便宜的手機上 , 那該有多好！

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WAP 於是在 1997 年 6 月 , 行動電話大廠易利信 (Er

icsson) 、諾基亞 (Nokia) 、摩托羅拉 (Motorola) 和美國 Phone.com 公司攜手合作 , 邀集學者專家和技術人員熱烈討論後 , 於同年 9 月共同制定新一代的行動電話網路協定 WAP (Wireless Application Protocol, 無線應用協定 ) 。

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11-10-1 WAP 的架構 WAP 的功用其實類似網際網路的 HTTP 協定 ,

但主要是用在無線通訊設備 ( 可以是手機或 PDA 之類的設備 , 後文均以手機為代表 ) 上。

HTTP 傳送的是 HTML (Hyper Text Markup Language, 超連結文字標記語言 ) 格式的資料 , 而 WAP 傳送的是 WML (Wireless Markup Language, 無線標記語言 ) 格式的資料。

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WAP 的架構 之所以要特別開發新的格式 , 而不採用原有的 HT

ML, 是因為目前手機的螢幕較小 , 記憶體最多也不過數十 KB, 而且傳輸速率相對較慢。

但是以一般的 HTML 網頁來看 , 最簡單的也要近百 KB, 對於無線通訊設備而言 , 要承載這些資訊猶如螳臂擋車般不自量力 , 所以必須有一套專為無線通訊設備設計的語言才行。

HTTP 所採用的通訊協定是 TCP/IP, 而 WAP 所採用的通訊協定則是 WDP (Wireless Datagram Protocol), 不過嚴格來說 , WDP 並非是要取代 TCP/IP, 而是為了讓 WAP 能使用 TCP/IP 來存取網際網路。

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WAP 的架構 首先我們看一下個人電腦如何讀取 Web 伺服器的

網頁：

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WAP 的架構 再來看看手機如何透過 WAP 讀取網頁：

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WAP 的架構 我們會發現其實上面兩個圖非常相近 , 只是在 WA

P 裝置和 WAP 伺服器間多了一台 WAP 閘道器 (WAP Gateway) 。

而 WDP 就是在 WAP 裝置和 WAP 閘道器間運作 , 這部分也才是 WAP 連線架構中的重點 , 因為 WAP 可以說只存在於這個部分。

WAP 閘道器的主要功能就是轉送 WAP 裝置的要求 , 並編譯、檢查伺服器回傳的資料為 WML 格式後 , 再傳回給 WAP 裝置。

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WAP 的架構 從 WAP 閘道器到 WAP 伺服器 , 其實就和用電

腦連上網際網路是一模一樣的 , 甚至 , WAP 伺服器通常就是 Web 伺服器 , 只是同時提供了利用 WML 語法寫成的 WAP 網頁而已。

也就是說 , 原本在 Web 伺服器上的程式、資料庫(例如： CGI 、 ASP 、 Perl 、 PHP 等 ) 都毋須改變 , 只要將輸出的部分改為 WML 格式 , 即可讓 WAP 手機使用 , 這也就是為何可以利用手機上網訂票、進行交易的關鍵因素 , 因為變動幅度愈小 , 成本愈低 , 願意投入的廠商才會愈多。

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WAP 的架構

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WAP 的架構

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11-10-2 WAP 和 GPRS 的關係 WAP 主要是在說明資料如何在無線通訊網路中傳

輸 , 包括如何進行保密的動作 , 如何將資料壓縮以減少頻寬的損耗 , 以及如何在手機上正確的顯示出所要求的資訊。

而 GPRS 則是 GSM 系統的延伸 ( 或說是強化功能 ), 主要是把原本 GSM 系統只能用電路交換 (Circuit Switch) 的資訊傳輸方式 , 改為支援封包交換 (Packet Switch) 的傳輸模式 , 讓傳輸的速度由 GSM 的 9.6 Kbps 躍昇到 GPRS 的 171.2 Kbps 。

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WAP 和 GPRS 的關係 了解 WAP 和 GPRS 的功能後 , 大家應該會發

現 , 若硬要把 WAP 和 GPRS 拿來做比較 , 就好像是把 HTTP 和 ADSL 拿來相比一樣 , 根本是無從比較。

不過這兩者雖然不能比較 , 卻可以搭配使用 , 就像是利用 ADSL 寬頻上網後 , 再透過 HTTP 協定去存取網站的資料 , 兩者有相輔相成之效。

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11-11 3G －第 3 代行動通訊系統 國際電信聯盟 (ITU, International Telecommunicati

on Union) 為因應未來的行動通訊需求 , 早在 1992 年就提出 IMT-2000 (Internat ional Mobile Telecommunication - 2000) 計畫 , 廣納各方提出的建議 , 以期及早建立下一代行動通訊的標準 , 這可以說是第 3 代 (3G, 3 Generation) 行動通訊標準的緣起。

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3G －第 3 代行動通訊系統 IMT-2000 的原始目標包括：

一隻手機、全球漫遊。 傳輸速率達到 2Mbps 。 使用 2GHz 頻率。 在西元 2000 年提供上述服務。

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3G －第 3 代行動通訊系統 很遺憾地 , 到了 2000 年 , 沒有任何一家業者能完成這些目標。

經過重新討論之後 , ITU 將傳輸速率的要求修正為：在靜止時則可達到 2 Mbps, 在低速移動 (例如：步行 ) 時可達 384 Kbps, 在高速移動 (例如：行進中的車輛 ) 時可達 128 Kbps 。

至於其它的目標則不再堅持 , 開放給各國廠商自行發揮。經過市場的自然淘汰 , 僅剩下 W-CDMA 和 CDMA 2000 兩種技術可望成為主流 , 由於台灣採用的系統以前者為主 , 因此後文只介紹 W-CDMA 。

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11-11-1 W-CDMA 在介紹 W-CDMA (Wideband Code Division Multip

le Access, 寬頻分碼多工存取 ) 之前 , 我們先來瞭解 CDMA 的意義。

打個比方來說 , CDMA 就像是一大群人在大禮堂內談話 , 但是每一組談話者都用自己的語言 , 並將其它語言視為「雜音」、不予理會 , 例如：說國語的將台語、英語當成雜音；講台語的也不理會國語、英語的內容…等等 , 因此能讓多組交談同時進行。

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W-CDMA CDMA 使用 DSSS 展頻技術 , 並指定給每個用戶端不同的展頻碼 , 因此雖然在同一個頻道內有多個訊號 , 但是用戶端將收到的訊號與自己的展頻碼運算之後 , 就會濾除其它用戶端的訊號 , 得到屬於自己的訊號。

而 W-CDMA 就是『寬頻的 CDMA 』 , 可提供更高的資料傳輸速率。

由於它是針對 GSM 系統所設計 , 因此多數採用 GSM 系統的國家 , 都很自然地選擇 W-CDMA 為其 3G 解決方案。

歐盟所制訂的 W-CDMA 標準稱為 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), 所以也常有人用 UMTS 來代表 W-CDMA 系統。

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W-CDMA 由於日規的 W-CDMA 與 UMTS 不完全相容 , 因此日本製的 W-CDMA 手機未必能在全球漫遊 , 但是 UMTS 手機卻可在日本使用。

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11-11-2 台灣第 3 代行動網路的發展 台灣自 2005 年 7 月開始推出 3G 服務 , 目前

中華電信、台灣大哥大、遠傳電信和威寶電信等 4 家 , 都是採用 W-CDMA 系統 (唯有亞太電信採用 CDMA 2000 系統 ) 。

主打的幾乎都是『行動上網』、『影像電話』、『手機打電玩』等等 , 還看不出有何非用 3G 不可的應用 , 或許是因此 , 許多人都還在觀望 , 導致 3G 人口仍屬少數。

雖然 3G 網路可以達到 384Kbps 的傳輸速率 , 但對於多媒體影音這樣大量的傳輸仍嫌不足 , 再加上 3G 網路的費用仍然偏高 ( 傳輸速率和費用比 ) 致使 3G 網路的推展不如預期。

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台灣第 3 代行動網路的發展 於是業者寄望於速度更快的 3.5G (後詳 ), 期待更高的頻寬可以帶更多、更優質的應用 , 以提高消費者使用的意願。

不過 , 除了設法吸引消費者之外 , 接下來第三代行動網路還必須面臨 WiMAX 無線網路的挑戰；但對於消費者而言 , 或許兩者的競爭反而是一種福音呢。

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3.5G 網路 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) 是一種新的移動通訊技術 , 又被稱為 3.5 G 通訊技術。

HSDPA 是以 W-CDMA 為基礎 , 利用 MIMO 的技術提高傳輸速度 , 並相容於 W-CDMA 通訊協定( 支援 3.5G 的裝置亦可使用 3G 網路 ), 因而被

稱為 3.5G, 而非 4 G 通訊技術( 關於 4G 的說明請參考下一頁 ), 目前國內各電信業者大多

已提供 3.5G 網路。

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隨堂練習1. 台灣目前使用 3G/3.5G 手機的人數 , 遠比使用 3

G/3.5G 服務的人數多。換言之 , 許多人是將 3G/3.5G 手機當成一般 GSM 手機在用。請討論為何大家不願意使用 3G/3.5G 服務？

2. 如果業者願意免費提供一項 3G/3.5G 服務 , 您認為哪一種最實用？行動上網、即時影像或其它？

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢 目前無線上網主要的技術為 Wi-Fi 與 3G/3.5G,

Wi-Fi 的距離過短 , 而且移動中無法使用 , 至於 3G/3.5G 的速度仍然不夠快 , 所以無線上網的技術仍有相當大的改進空間。

為了提供更好的無線上網環境 , 業界正在發展第 4 代行動通訊技術 (4G), 其目標包括：

高速移動中最高傳輸率能達到 100 Mbps 、低速移動或靜止時最高傳輸率能達到 1 Gbps 。

任兩個通訊端點間的傳輸率能達到 100 Mbps 。 可支援例如高畫質視訊等次世代多媒體應用。完全使用 IP (參見第 12 章 ) 封包的網路。

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢 此外 , 許多電信業者也想提供使用者寬頻上網服務 ,

但是受限於法令和成本 , 無法挖路鋪設自己的線路 , 所以都得依賴中華電信的線路 , 這也就是大家吵得最凶的『最後一哩』 (Last Mile) 問題。

4G 技術除了可以提供手機、 PDA 等行動裝置上網 , 筆記型電腦、個人電腦也可透過支援 4G 的無線網路卡連上網路。

因為 4G 網路的速度已經可以媲美 ADSL 等固網寬頻 , 又不必拉線 , 只要建立基地台即可提供網路服務 , 所以被視為解決 『最後一哩』問題的最好方法。

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢 目前 4G 技術共有兩種規格：WiMAX 與 LTE 。 WiMAX 主要由電腦資訊業者推動，其技術類似

Wi-Fi 。 LTE 則被電信業者所支持，其技術類似原有的 3G

/3.5G ，隨後將分別說明這兩種規格。 『最後一哩』 (Last Mile) 是指『從電信業者的機房到用戶住宅』之間的線路 , 也是最複雜、最難施工的線路。能掌握了這段線路 , 才能掌握最大的商機。

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢 WiMAX

IEEE 802.16 網路是一種長距離傳輸的寬頻無線網路 , 有人將它視為『無線的 ADSL 』 , 也有人認為是『長距離的 802.11 』。

不過 , 由於它的的涵蓋範圍遠大於 802.11 網路 , 所以被界定為無線都會網路 (WMAN) , 而非無線區域網路 (WLAN) 。

為了研發與推廣 802.16 產品 , 英特爾 (Intel) 、富士通等廠商籌組了 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) 聯盟 , 從此 WiMAX 就與 802.16 劃上等號。

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢

目前已經套用在產品的 802.16 標準有『 802.16-2004 』和『 802.16e 』兩個版本。

前者適用於定點的網路裝置 , 故被稱為『固定式 WiMAX 』標準；後者則適用於定點或移動的網路裝置 , 故被稱為『行動式 WiMAX 』標準。

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢

WiMAX 的傳輸距離可達 30 英哩 ( 約 50 公里 ) , 最大傳輸速率為 75 Mbps, 而 WiMAX II (802.16m) 最大速率更高達 1Gbps 。

WiMAX 所使用的頻率範圍很廣 , 從 2 GHz 到 66 GHz, 例如：美國使用 2.5GHz, 歐洲採用 3.5GHz, 南韓則使用 2.3〜 2.4 GHz 。

廠商在開發產品時 , 會考量目標市場有哪些開放頻道或免費頻道可用 , 然而這也造成在甲地買的 WiMAX 裝置 , 到了乙地未必能使用的困擾 , 所以在頻道的使用管理方面 , 還有很大的改進空間。

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢

2007 年 7 月 , 臺灣正式發出 WiMAX 執照給 6 家業者 , 原本各家業者預計於 2008 推出 WiMAX 服務 , 不過由於各廠牌設備的互通性問題 , 以及基地台建設的進度落後 , 所以會延遲到 2009 下半年才能推出服務。

毫無疑問地 , WiMAX 已經被寄予厚望 , 在未來的 『無線寬頻存取』 (Broadband Wireless Access) 技術中擔任要角 , 希望在不久的未來 , 台灣民眾便能從 WiMAX 的行動通訊能力中 , 享受到無比的便利。

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢 LTE

除了由 Intel 等電腦廠商推動的 WiMAX 以外 , Nokia 、 Sony Ericsson 與 T-Mobile 等電信業者也正在推廣 LTE (Long Term Evolution) 做為新一代無線寬頻存取的技術。

LTE 是從 GSM 所衍生而來的 , 最大的特點是相容於 2G/3G 技術 , 使用者除了可以透過 LTE 基地台上網 , 即使在沒有 LTE 基地台的地方 , 仍然可以使用現有的 2G/3G/3.5G 基地台上網。

相較於 WiMAX 使用者一定要有 WiMAX 基地台才可以上網 , 相容性可說是其最大的優勢。

特 別 企 劃

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WiMAX 與 LTE － 4G 無線寬頻上網新趨勢

目前 LTE 的規格仍在制訂中 , 也尚無相關的產品 , 進度落後於競爭者 WiMAX, 加上台灣政府大力推動 WiMAX, 所以 LTE 在台灣的知名度較低。

不過由於 LTE 具有相容於 2G/3G 的優勢 , 加上各大電信業者的支持 , 未來前景值得我們關注。

特 別 企 劃