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目錄
Part I 概論：談無線網路之發展
第 1 章 無線網路之發展技術 1.1 無線網路之簡介 ......................................................................................... 1-2
1.2 無線隨意網路 ............................................................................................. 1-2
1.3 無線感測器網路 ......................................................................................... 1-4
第 2 章 無線傳輸之原理 2.1 無線傳輸 ..................................................................................................... 2-2
2.2 無線傳輸概念之媒介 ................................................................................ 2-2
2.2.1 電磁波 .............................................................................................. 2-2
2.2.2 傳輸頻帶 ......................................................................................... 2-3
2.2.3 頻譜規則 ......................................................................................... 2-4
2.3 無線傳輸模型 ............................................................................................. 2-5
2.3.1 自由空間遺失 ................................................................................. 2-6
2.3.2 都卜勒頻移 ..................................................................................... 2-6
2.3.3 慢/快衰落 ........................................................................................ 2-6
2.4 調變技術 ..................................................................................................... 2-8
2.4.1 類比調變 ......................................................................................... 2-8
2.4.2 數位調變 ....................................................................................... 2-10
2.5 多重存取 ................................................................................................... 2-14
2.5.1 隨機存取 ....................................................................................... 2-15
2.5.2 順序存取 ....................................................................................... 2-18
2.5.3 固定式存取 ................................................................................... 2-18
目錄
iii
2.5.4 組合式存取 .................................................................................... 2-24
2.5.5 媒體存取方式之比較 ................................................................... 2-24
2.6 結語............................................................................................................ 2-24
2.7 習題............................................................................................................ 2-25
Part II IEEE 無線網路通訊協定
第 3 章 WiFi 協定 3.1 WiFi簡介 ..................................................................................................... 3-2
3.2 IEEE 802.11網路架構簡介 ...................................................................... 3-3
3.3 IEEE 802.11之媒體存取層 ...................................................................... 3-4
3.3.1 分散式協調功能 ............................................................................. 3-5
3.3.2 中樞協調功能 ............................................................................... 3-12
3.4 IEEE 802.11e服務品質保證 ................................................................. 3-14
3.4.1 增強分散式通道存取 EDCA ....................................................... 3-15
3.4.2 訊務區別（Traffic Differentiation） ......................................... 3-15
3.4.3 EDCA緩衝器架構及參數組合資訊元素 .................................. 3-17
3.4.4 媒介競爭的例子 ........................................................................... 3-20
3.5 IEEE 802.11省電機制 ............................................................................ 3-21
3.5.1 IEEE 802.11 電源管理機制 ........................................................ 3-22
3.5.2 中控型網路的電源管理 ............................................................... 3-23
3.6 結語............................................................................................................ 3-24
3.7 習題............................................................................................................ 3-25
第 4 章 藍芽 4.1 藍芽簡介 ..................................................................................................... 4-2
4.2 藍芽協定 ..................................................................................................... 4-3
4.3 藍芽無線電層協定 ..................................................................................... 4-4
4.4 藍芽的基頻層協定 ..................................................................................... 4-5
4.4.1 跳頻和跳頻序列 ............................................................................. 4-5
4.4.2 藍芽的分時雙工 ............................................................................. 4-6
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
iv
4.4.3 實體連接 ......................................................................................... 4-7
4.4.4 錯誤檢查 ......................................................................................... 4-8
4.4.5 藍芽封包格式 ................................................................................. 4-9
4.5 藍芽微網的建立及連接過程 .................................................................. 4-13
4.5.1 查詢階段 ....................................................................................... 4-13
4.5.2 掃描階段 ....................................................................................... 4-16
4.5.3 連線後的各種狀態 ....................................................................... 4-17
4.6 藍芽連線及應用層 .................................................................................. 4-17
4.6.1 連結管理協定 ............................................................................... 4-18
4.6.2 主機控制介面 ............................................................................... 4-18
4.6.3 邏輯連接控制及調整協定 .......................................................... 4-19
4.6.4 RFCOMM ...................................................................................... 4-20
4.6.5 服務發現協定 ............................................................................... 4-21
4.6.6 TCS-binary.................................................................................... 4-22
4.7 藍芽的應用及未來發展 .......................................................................... 4-22
4.8 習題 ........................................................................................................... 4-24
第 5 章 ZigBee 5.1 概述 ............................................................................................................. 5-2
5.2 IEEE 802.15.4實體層通訊協定 .............................................................. 5-3
5.3 IEEE 802.15.4資料鏈結層協定 .............................................................. 5-4
5.3.1 Superframe架構 ........................................................................... 5-5
5.3.2 資料傳輸模型 ................................................................................. 5-7
5.3.3 CSMA/CA機制 ............................................................................... 5-9
5.3.4 省電模式 ....................................................................................... 5-12
5.4 ZigBee網路層通訊協定 ......................................................................... 5-12
5.4.1 ZigBee網路的形成 ..................................................................... 5-13
5.4.2 ZigBee網路位址分配演算法 ..................................................... 5-14
5.4.3 ZigBee路由協定 .......................................................................... 5-16
5.5 ZigBee相關之研究課題 ......................................................................... 5-18
5.5.1 ZigBee網路生成問題 ................................................................. 5-18
5.5.2 ZigBee樹狀網路中資料傳遞排程 ............................................. 5-22
目錄
v
5.6 ZigBee之群播協定 ................................................................................. 5-26
5.7 結語............................................................................................................ 5-27
5.8 習題............................................................................................................ 5-28
第 6 章 WiMAX 協定 6.1 WiMAX概述 ................................................................................................ 6-2
6.2 IEEE 802.16規格 ...................................................................................... 6-2
6.3 IEEE 802.16之媒介存取控制層 ............................................................. 6-4
6.4 IEEE 802.16之實體層 .............................................................................. 6-6
6.4.1 IEEE 802.16之實體層雙工方式 .................................................. 6-6
6.4.2 實體層之常見規格 ......................................................................... 6-8
6.4.3 調變機制 .......................................................................................... 6-9
6.5 IEEE 802.16排程服務 ............................................................................ 6-10
6.5.1 頻寬請求機制 ............................................................................... 6-11
6.5.2 服務品質保證（Quality of Service, QoS） ............................ 6-11
6.6 省電機制 ................................................................................................... 6-15
6.7 移動存取 ................................................................................................... 6-18
6.8 結語............................................................................................................ 6-19
6.9 習題............................................................................................................ 6-20
Part III 無線隨意及網狀網路協定
第 7 章 無線隨意網路路由協定 7.1 無線隨意網路 ............................................................................................. 7-2
7.2 無線隨意網路特性 ..................................................................................... 7-3
7.3 主動式路由策略 ......................................................................................... 7-4
7.3.1 距離向量路由協定 ......................................................................... 7-5
7.3.2 鏈結狀態路由協定 ......................................................................... 7-7
7.4 回應式路由策略 ......................................................................................... 7-8
7.4.1 回應式路由協定 ............................................................................. 7-8
7.4.2 主動式與回應式路由之比較 ....................................................... 7-11
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
vi
7.4.3 混合式路由 ................................................................................... 7-13
7.5 位置輔助路由策略 .................................................................................. 7-14
7.6 結語 ........................................................................................................... 7-16
7.7 習題 ........................................................................................................... 7-17
第 8 章 無線隨意網路電源管理協定 8.1 概述 ............................................................................................................. 8-2
8.2 IEEE 802.11電源管理 .............................................................................. 8-2
8.3 非同步式電源管理協定 ............................................................................ 8-6
8.4 半同步式電源管理協定 .......................................................................... 8-12
8.5 電力控制（Power Control） ................................................................. 8-16
8.5.1 BASIC協定 ................................................................................... 8-16
8.5.2 定期脈衝調整的電力控制協定 .................................................. 8-17
8.5.3 利用忙碌訊息的電力控制協定 .................................................. 8-21
8.6 結語 ........................................................................................................... 8-23
8.7 習題 ........................................................................................................... 8-24
第 9 章 無線隨意網路廣播問題 9.1 概述 ............................................................................................................. 9-2
9.2 廣播風暴問題 ............................................................................................. 9-2
9.2.1 冗餘重播 ......................................................................................... 9-3
9.2.2 媒介競爭 ......................................................................................... 9-5
9.2.3 封包碰撞 ......................................................................................... 9-6
9.3 應用於移動無線隨意網路的廣播技術 ................................................... 9-6
9.3.1 簡單氾濫式 ..................................................................................... 9-7
9.3.2 機率基礎方式 ................................................................................. 9-7
9.3.3 區域基礎方法 ................................................................................. 9-8
9.3.4 鄰居資訊方法 ................................................................................. 9-9
9.3.5 群集基礎方法 ............................................................................... 9-11
9.3.6 綜合比較 ....................................................................................... 9-12
9.4 結語 ........................................................................................................... 9-13
目錄
vii
9.5 習題............................................................................................................ 9-14
第 10 章 無線網狀網路簡介與佈建 10.1 概述 ......................................................................................................... 10-2
10.2 無線網狀網路的架構 ............................................................................ 10-3
10.3 SEE網狀網路 ........................................................................................ 10-5
10.3.1 鄰近節點探索（Neighbor discovery） ............................... 10-5
10.3.2 頻道選擇（Channel selection） .......................................... 10-6
10.3.3 連接建立（Link establishment） ........................................ 10-8
10.3.4 連結狀態評估（Local link state measurement） ............ 10-8
10.3.5 路徑選擇與轉送（Path Selection and Forwarding） ...... 10-9
10.4 無線網狀網路之網路規劃技術 ......................................................... 10-13
10.4.1 頻道分配技術 ........................................................................ 10-14
10.4.2 閘道器佈置方法 .................................................................... 10-18
10.5 無線網狀網路之自我組態技術 ......................................................... 10-20
10.5.1 動態頻道選擇法 .................................................................... 10-20
10.5.2 閘道器搜尋法 ........................................................................ 10-25
10.5.3 閘道器選擇法 ........................................................................ 10-26
10.6 多頻道媒介存取層協定 ..................................................................... 10-28
10.6.1 只需要單一收發器的多頻道媒介存取控制協定 .............. 10-28
10.6.2 需要數個收發器的多頻道媒介存取控制協定 .................. 10-35
10.7 多頻道路由協定 .................................................................................. 10-37
10.7.1 Hyacinth ................................................................................ 10-38
10.7.2 WCETT Metric ....................................................................... 10-39
10.7.3 CA-AODV ............................................................................... 10-41
10.7.4 JMM（Joint Multi-channel and Multi-path control） ... 10-43
10.8 結語 ...................................................................................................... 10-45
10.9 習題 ...................................................................................................... 10-46
第 11 章 車載隨意網路短距離專用通訊協定 11.1 車載隨意網路簡介 ................................................................................ 11-2
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
viii
11.2 WAVE/DSRC通訊架構 ........................................................................ 11-3
11.3 IEEE 802.11p網路架構 ....................................................................... 11-4
11.4 IEEE 1609通訊標準 ............................................................................. 11-6
11.4.1 IEEE 1609.1 ............................................................................. 11-7
11.4.2 IEEE 1609.2 ............................................................................. 11-8
11.4.3 IEEE 1609.3 ........................................................................... 11-11
11.4.4 IEEE 1609.4 ........................................................................... 11-14
Part IV IEEE 無線網路通訊協定
第 12 章 無線感測器網路之應用 12.1 無線感測器網路簡介 ............................................................................ 12-2
12.2 智慧型家電系統 .................................................................................... 12-3
12.2.1 智慧型節能家電系統 .............................................................. 12-3
12.2.2 智慧型室內燈光調節系統 ...................................................... 12-5
12.2.3 智慧型追蹤閱讀面檯燈系統 .................................................. 12-7
12.3 災難救助與導引系統 ............................................................................ 12-9
12.3.1 火災資訊與救援系統 .............................................................. 12-9
12.3.2 行動無線感測與監控系統 .................................................... 12-10
12.3.3 緊急逃生導引系統 ................................................................ 12-11
12.4 健康照護系統 ...................................................................................... 12-13
12.4.1 居家老人照顧系統 ................................................................ 12-13
12.4.2 身體感測網路健康照護系統 ................................................ 12-14
12.4.3 以無線感測為基礎之居家照護系統 ................................... 12-15
12.5 環境監控系統 ...................................................................................... 12-17
12.5.1 VigilNet ................................................................................... 12-17
12.5.2 地球生態監測系統 ................................................................ 12-19
12.5.3 礦坑監測系統 ......................................................................... 12-20
12.5.4 道路路面監測系統 ................................................................ 12-21
12.5.5 火山爆發監測系統 ................................................................ 12-22
12.6 結論 ....................................................................................................... 12-23
目錄
ix
12.7 習題 ...................................................................................................... 12-24
第 13 章 感測器技術 13.1 前言 ......................................................................................................... 13-2
13.2 傳輸平台 ................................................................................................. 13-2
13.3 感測元件介紹 ...................................................................................... 13-10
13.3.1 光感測元件 ............................................................................ 13-11
13.3.2 溫度與濕度感測器 ................................................................ 13-12
13.3.3 氣體感測器 ............................................................................ 13-13
13.3.4 加速度感測計 ........................................................................ 13-13
13.3.5 電子羅盤 ................................................................................ 13-15
13.3.6 GPS衛星定位接收器 ........................................................... 13-16
第 14 章 無線感測器網路之佈建、傳輸及安全協定 14.1 無線感測網路監控應用 ........................................................................ 14-2
14.2 無線感測器網路覆蓋問題 .................................................................... 14-2
14.2.1 以二元模型（Binary model）為基礎的覆蓋問題解決 方法 ........................................................................................... 14-3
14.2.2 覆蓋問題與排程協定 .............................................................. 14-8
14.3 無線感測器網路資料傳輸協定 ......................................................... 14-11
14.3.1 地理基準之路由協定 ........................................................... 14-12
14.3.2 坡度基準之路由協定 ........................................................... 14-15
14.3.3 階層式之路由協定 ................................................................ 14-17
14.3.4 亂數行為之路由協定 ........................................................... 14-19
14.4 無線感測器網路中 路由機制之安全與防禦 ................................... 14-21
14.4.1 路由機制上的攻擊方式 ....................................................... 14-22
14.4.2 無線感測器網路之安全防禦 ............................................... 14-26
14.4.2.2 洩孔攻擊之防禦 ................................................................ 14-27
14.5 結論 ...................................................................................................... 14-29
14.6 習題 ...................................................................................................... 14-30
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
x
第 15 章 移動式感測器網路 15.1 簡介 ......................................................................................................... 15-2
15.2 移動式感測器的行動管理方案 ............................................................ 15-3
15.2.1 利用移動式感測器協助自動化佈建網路 ............................. 15-3
15.2.2 利用移動式感測改善網路覆蓋和網路連結 ....................... 15-11
15.2.3 移動式感測器之派遣方案 .................................................... 15-14
15.3 移動式資料收集器移動路徑之規劃策酪 ......................................... 15-18
15.3.1 利用資料收集器轉遞資料 .................................................... 15-18
15.3.2 利用資料收集器收集資料延長網路生命 ........................... 15-25
15.4 3D移動感測網路 ................................................................................ 15-32
15.4.1 感測器介紹 ............................................................................. 15-32
15.4.2 動作還原及辨識方法 ............................................................ 15-33
15.5 移動式感測網路之硬體平台與應用系統 ......................................... 15-37
15.5.1 移動式感測器行動管理相關應用與實做系統 ................... 15-37
15.5.2 移動式資料收集器相關應用與實做系統 ........................... 15-39
15.5.3 3D移動感測應用 ................................................................... 15-39
15.6 結語 ....................................................................................................... 15-42
Part V RFID
第 16 章 RFID 技術簡介 16.1 概述 ......................................................................................................... 16-2
16.1.1 1991~2000 .............................................................................. 16-3
16.1.2 2001~2005 .............................................................................. 16-4
16.1.3 2006~2009 .............................................................................. 16-4
16.2 RFID系統介紹 ....................................................................................... 16-5
16.2.1 系統元件與溝通流程 .............................................................. 16-6
16.2.2 通訊原理 ................................................................................... 16-8
16.2.3 RFID標籤的種類 ..................................................................... 16-9
16.2.4 RFID與條碼比較 ................................................................... 16-11
目錄
xi
16.3 RFID的相關應用 ................................................................................ 16-12
16.3.1 RFID的應用實例 .................................................................. 16-12
16.3.2 與藍芽的整合應用 ................................................................ 16-13
16.3.3 與無線感測網路的整合應用 ............................................... 16-17
16.3.4 近場通訊手機 ........................................................................ 16-21
16.4 RFID潛在的問題 ................................................................................ 16-22
16.5 結語 ...................................................................................................... 16-22
16.5 習題 ...................................................................................................... 16-23
第 17 章 RFID 系統安全 17.1 前言 ......................................................................................................... 17-2
17.2 RFID系統安全性分析 ........................................................................... 17-2
17.2.1 系統架構之安全性分析 .......................................................... 17-2
17.2.2 資訊安全元素分析 ................................................................... 17-3
17.2.3 資訊安全等級與運算能力分析 .............................................. 17-4
17.3 RFID安全性議題 ................................................................................... 17-5
17.3.1 標籤至讀取器的安全性議題 .................................................. 17-7
17.3.2 讀取器至中介軟體的安全性議題 .......................................... 17-9
17.3.3 中介軟體至後端伺服器的安全性議題 .............................. 17-10
17.4 RFID安全防護 .................................................................................... 17-10
17.4.1 EPCGlobal Gen2標準的安全防護機制 ........................... 17-11
17.4.2 利用金屬干擾的安全防護機制 ........................................... 17-12
17.4.3 雜湊鎖機制 ............................................................................ 17-12
17.4.4 阻擋標籤的安全防護 ........................................................... 17-16
17.4.5 利用 Gen2 Password的安全防護 ..................................... 17-16
17.5 結語 ...................................................................................................... 17-17
17.6 習題 ...................................................................................................... 17-18
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
xii
Part VI GPS 與無線感測網路定位技術
第 18 章 GPS 定位技術簡介 18.1 GPS簡介 ................................................................................................ 18-2
18.2 GPS系統架構 ........................................................................................ 18-2
18.3 GPS運作原理 ........................................................................................ 18-3
18.3.1 三角定位法 ............................................................................... 18-4
18.3.2 GPS與三角定位法 ................................................................. 18-4
18.3.3 GPS訊號 .................................................................................. 18-5
18.3.4 GPS誤差 .................................................................................. 18-6
18.4 A-GPS與 D-GPS簡介 ......................................................................... 18-7
18.4.1 A-GPS運作原理 ...................................................................... 18-8
18.4.2 A-GPS種類與應用 .................................................................. 18-9
18.4.3 D-GPS ........................................................................................ 18-9
18.5 其他衛星導航系統簡介與相關應用 ................................................. 18-10
18.5.1 歐盟 Galileo ........................................................................... 18-10
18.5.2 俄羅斯 GLONASS ................................................................. 18-10
18.5.3 日本 QZSS ............................................................................. 18-10
18.5.4 中國北斗導航系統 0.2 .......................................................... 18-11
18.5.5 GPS相關應用 ........................................................................ 18-11
18.6 定位感知服務 ...................................................................................... 18-12
18.6.1 LBS（Location-Based Service）簡介 .............................. 18-12
18.6.2 LBS（Location-Based Service）運作原理 ..................... 18-12
18.6.3 LBS（Location-Based Service）服務應用 ..................... 18-13
18.7 結論 ....................................................................................................... 18-17
18.8 習題 ....................................................................................................... 18-18
第 19 章 無線感測網路定位技術 19.1 簡介 ......................................................................................................... 19-2
19.2 基本定位原則 ........................................................................................ 19-3
19.2.1 ToA、TDoA和 AoA ................................................................ 19-3
19.2.2 RSS ............................................................................................ 19-5
目錄
xiii
19.3 定位技術 ................................................................................................. 19-6
19.3.1 三點定位法 ............................................................................... 19-6
19.3.2 多點定位法 ............................................................................... 19-8
19.3.3 樣本比對定位法 .................................................................... 19-10
19.3.4 最佳化搜尋演算法 （Optimization Search Method） .. 19-13
19.4 結論 ...................................................................................................... 19-15
19.5 習題 ...................................................................................................... 19-16
Appendix 動手做無線感測器網路
附錄 A 無線感測器硬體製作技術 A.1 JENNIC無線網路模組 ............................................................................ A-2
A.2 JENNIC特點 ............................................................................................. A-3
A.3 JN-5139硬體介面介紹 ........................................................................... A-4
A.3.1 數位輸入輸出腳位（Digital Input/Output Pin） .................... A-4
A.3.2 類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter; ADC） ...... A-6
A.3.3 數位類比轉換器（Digital to Analogue Converter; DAC） .. A-6
A.3.4 比較器（Comparators） ............................................................ A-7
A.3.5 串接週邊介面（Serial Peripheral Interface;SPI） ................. A-8
A.3.6 串列通訊介面（Serial Communications） ............................. A-8
A.3.7 兩線式串列傳輸介面（Two-Wire Serial interface (SIF)） .... A-9
A.4 JENNIC實驗板製作 ................................................................................ A-9
A.4.1 元件介紹 ...................................................................................... A-10
A.4.2 電路設計流程 .............................................................................. A-12
附錄 B 無線感測器實驗 B.1 使用 jennic開發程式的環境 ................................................................... B-2
B.1.1 Jennic安裝 ..................................................................................... B-2
B.1.2 撰寫 Jennic開發程式的簡要步驟 .............................................. B-4
B.1.3 Jennic開發程式篇 ........................................................................ B-5
B.1.4 開發無線網路應用程式 ................................................................ B-8
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
xiv
B.2 Jennic程式開發實作 ............................................................................... B-9
B.2.1 LED燈號閃爍控制 ...................................................................... B-10
B.2.2 透過 UART進行資料溝通 .......................................................... B-12
B.2.3 中斷通知 AppQueue的使用 ..................................................... B-15
B.2.4 開發無線傳輸程式 ...................................................................... B-19
B.3 習題 ........................................................................................................... B-26
參考資料
無線傳輸之原理
無線傳輸
無線傳輸概念之媒介
無線傳輸模型
調變技術
多重存取
結語
習題
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
2-2
2.1 無線傳輸 無線網路是以電磁波作為資訊傳遞的媒介所建立的網路連線。常見傳輸技術
有紅外線（Infrared, IR）、802.11 無線區域網路、藍芽（Bluetooth）、RFID等。本章將針對無線傳輸做概念性的介紹，首先將介紹無線傳輸的媒介、傳
輸頻帶與無線傳輸的特性；然後將簡介無線訊號調變技術，最後則是介紹無
線網路在傳輸時所使用的多重存取協定。
2.2 無線傳輸概念之媒介
2.2.1 電磁波
在 1865 年由英國物理學家 James Maxwell 提出了電磁學方程式，其預測出
空間中存有電磁波，而在 1887 年由德國物理學家 Heinrich Hertz 以實驗證
實了電磁波的存在。電磁波是振盪且互相垂直的電場與磁場的結合。電磁波
在空間中以波的形式移動，並藉此傳遞能量和動量。電磁波振動的速率決定
了波的頻率（Frequency），而波在一秒內重複的次數稱之為赫茲（Hertz），
關於波的基本性質見圖 2.1，波長（Wavelength）為 λ，而頻率為 f，則有下
列關係式：
c = λ× f
其中 c 為一常數代表光速。
圖 2.1：電磁波
第 2章 無線傳輸之原理
2-3
2.2.2 傳輸頻帶
電磁波傳播的範圍稱為電磁波譜，在圖 2.2 中，我們可以看到電磁波分為數
個頻帶。較高的頻帶可以攜帶較多的資訊，但是超過可見光的頻帶極少使用
在無線傳輸，因為高頻之訊號其傳輸距離通常較短，且較易被障礙物阻隔，
所以平常所熟悉的一些無線通訊方式，都是利用較低頻的頻帶來做傳輸，在
圖 2.3 顯示一些系統所使用的無線電頻帶，舉例來說，小於 3KHz 的是用於
潛艇之通訊。無線電波（Radio waves）、微波（Microwaves）與紅外線
（Infrared）是三個最常見於運用在無線傳輸的三個頻帶。
106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021
可見光微波
無線電波 紅外線 紫外線 Gamma射線
X光
頻率(Hz) 圖 2.2：電磁波譜
3k 30k 300k 3M 30M 300M 3G 30G 300G
頻率(Hz)
圖 2.3：日常生活中電磁波之應用
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
2-4
無線電波具有穿透性而且不具方向性的特性。低頻的無線電波被運用於
WiFi 與無線區域網路等；高頻的無線電波能夠藉由大氣中的電離層反射，
因此能夠長距離的傳輸，而平常所收聽的 AM 及 FM 廣播，則是介於 20K～300MHz 之間，而電視頻道，則是位於 300MHz 左右，而日常生活中不可
或缺通訊方式—手機，則是介於 300MHz 之頻帶附近，都是用運用於高頻無
線電波的例子。
微波的頻率範圍在 2GHz～40GHz 間，波長相較於無線電波較小，同時訊號
容易變弱。微波的訊號傳輸是以以直線方式進行且無穿透性，為了讓訊號能
夠避開障礙物而傳輸的更遠，因此微波的基地台通常設置在高山或大樓頂
樓，若是透過環繞地球上的通訊衛星作為傳輸的中繼站，則可以跨越地形障
礙，使傳輸距離更遠。GPS 定位與衛星通訊等都是微波的應用。而微波並不
只運用於通訊，家中常見的微波爐也是微波的應用之一。
紅外線利用光作為傳輸媒介，是屬於不可見光的一種，傳輸具有方向性而不
具穿透性且傳輸距離短。由於陽光也帶有紅外線，因此紅外線傳輸並不適合
使用在戶外。最常見的應用是家中各式各樣的電器遙控器。
2.2.3 頻譜規則
因為無線傳輸不必使用特定的傳輸媒介，如果同一區域有多人使用同樣的頻
率來傳輸，則會造成干擾，降低了傳輸的效率及品質。近年來己有統一的國
際組織來管理這些頻帶的使用範圍。ITU（International Telecommunications Union）是世界上制定頻譜範圍的組織，ITU 將世界上的頻譜分為三個區域，
(1) 美洲，(2) 歐洲、非洲以及前蘇聯，(3) 亞洲和大洋洲。同時也將頻譜的
取得使用區分為需取得執照（licensed band）與不需取得執照（Unlicensed band）兩種。
在各個國家之中，對於需取得執照的頻譜分配方法不盡相同，大致上可分為
三種：競標、彩票與拍賣。競標的方式為各家想要取得頻帶的經營行動通訊
業者之廠商，提出其想要經營的方案與服務等，將此提案交與政府，而政府
第 2章 無線傳輸之原理
2-5
再根據其開價與其提出的方案來做出裁決，不過此方法較不公正，因為決定
完全掌握在政府手中，可能造成不公平的情況。而彩票的方式則是想要取得
頻帶的廠商，在贏得彩卷後才能有資格經營，但可能造成贏得彩卷取得資格
的廠商，將彩卷轉賣給其他廠商，造成另一種弊端。而拍賣則是政府公開拍
賣頻譜，讓想要經營的業者來取得，這樣可以讓頻譜有效的被利用，但廠商
若以較貴的價格取得頻譜，則其經營時，勢必價格也會較高。每項都有其優
缺點，政府應考量現實情況來決定要採用那種方案。同時頻寬（Bandwidth）被視為是有限資源的公共財，所以不經允許取得頻譜使用執照的廠商不得 使用該頻譜。
對於使用者而言，只要取得了相對應的設備，就可以在不需取得執照頻譜上
進行資料傳輸。藍芽（Bluetooth）、RFID 與 ZigBee 三者都是使用不需取得
執照頻譜作為傳輸的應用。不過由於無法規範使用者利用不需取得執照頻譜
傳輸，為了避免使用者的相互干擾，不需取得執照頻譜傳輸資料被要求必須
使用展頻（Spreading spectrum）來減少干擾發生。目前有直接序列式展頻
（Direct sequence spread spectrum, DSSS）、跳頻式展頻（Frequency-hopping spread spectrum, FHSS）、及正交劃頻多工技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）三種技術。
2.3 無線傳輸模型
無線傳輸速率可根據 Shannon 公式計算出其理論的最大值，其中的 W 代表
位元傳輸速率，而 H 代表頻寬（Hz），S/N 表示訊號和雜訊的比例（Signal to noise rate），公式如下：
2log (1 )SW HN
= +
雖然根據此公式可以計算出理想的最大傳輸速率，但是在現實生活中，因為
電磁波傳遞的一些性質，造成傳輸速率無法達到此理論值（Andersen et al., 1995）。底下簡述三種和波傳遞有關的重要物理性質，『自由空間路徑遺失
無線網路 ─ 通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務
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（Free space loss）』和『都卜勒頻移（Doppler shift）』以及『慢/快衰落 （Slow/fast fading）』。
2.3.1 自由空間遺失
在空間中，無線傳輸之訊號，會隨著傳輸者和接收者之間的距離漸遠而衰
減。若訊號的波長為 λ，而訊號的頻率為 f，而傳輸者和接收者之間的距離
為 r 時，且 c 為光速，則自由空間遺失的關係式如下：
Free space lossnn
crfr⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ 44
此式子可看出，在傳輸過程中所喪失的能量，會與傳輸者與接收者之間的距
離 r 之 n 次方成正比。
2.3.2 都卜勒頻移
或許我們都有這樣的經驗，當你被平交道的欄杆阻擋的時候，如果注意聽火
車聲，將會發現火車自遠方來時，與遠離你時，其聲音似乎不同。其實火車
所發出的聲音之頻率是一定的，可是火車聲卻因火車的接近或離去而有所不
同，這種現象早在 1842 就由都卜勒（J. C. Doppler）提出來，我們稱之為都
卜勒效應（Doppler effect）。而由都卜勒效應所引起的頻率變化則稱為都卜
勒頻移（Doppler shift）。當接收端或傳送端兩者距離改變時，在接收端所
接收到訊號的頻率，和發送端所發出的頻率不盡相同，稱之為『都卜勒頻
移』，當兩者彼此逐漸接近時，接收端的頻率會較發送端高，若兩者漸遠離
時，則接收端的頻率會較發送端低。
2.3.3 慢/快衰落
當電磁波在傳輸的過程中，碰到障礙物時會有反射、繞射和散射三種可能的
情況（Cheng, 1989）。
第 2章 無線傳輸之原理
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反射（Reflection）：當電磁波撞到一物體，且此物體比其波長還大，則
會產生反射。
散射（Scattering）：當電磁波撞到與波長大小相當的物體，會產生散射。
繞射（Diffraction）：當電磁波撞上一個無法穿越的物體，會在物體被
遮蔽的後方產生新的波。
上述三種情況如圖 2.4 所示。
圖 2.4：反射、散射與繞射
無線傳輸若在傳輸時，因障礙阻隔環境影響與受到外界干擾性因素影響，而
會有反射、繞射、散射等現象，使訊號經由許多不同的傳輸路徑到達接收 端，造成了多路徑效應（Multipath effect），這些經由不同的路徑到達接收
端的訊號在到達的時間上會有些許的不同，過度延遲到達接受端的訊號也可
能會干擾到下一個傳送的訊號。快衰落（Fast Fading）指的是在短距離內的
移動造成訊號強度變化的現象。而慢衰落（Slow fading）則是指較長距離的
移動期間訊號平均值等級的變化。當傳輸的環境中，發射端與接受端兩者之
間若存在著直視路徑（Line of sight），則快衰落也稱之為萊斯衰減（Ricean fading）。反之瑞雷衰減（Rayleigh Fading）指的是發射端與接受端兩者之
間的直視路徑不存在的快衰弱現象。
第 2章 無線傳輸之原理
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2.7 習題
1. 數位調變和類比調變有何不同？試舉例比較。
2. 數位調變有分為波幅調變、波頻調變、二元相位調變和四相位調變四種，試比較其相同、相異之處，其及優缺點。
3. 比較 FDMA、TDMA與 CDMA三種的相同、相異之處。