Transcript CH07
CH07 無線網路
學習無線電信網路之基本概念
學習四個世代電信網路的演進與差異
瞭解電信網路發展的趨勢
認識無線數據網路之基本概念與生活中的應用
介紹無線網路的整合運用與未來發展的趨勢
7-1 無線電信網路與數據網路
簡介
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科技的進步與生活品質的提升
以往有線網路需藉由鋪設實體線路才得以互相通訊
無線網路不需架設任何線材便可使傳送端與接收端
之間進行連結
不受實體纜線的牽絆
使通訊更具行動性與機動性
有線網路
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Internet
無線網路
無線基地台
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無線網路分類
交換機
依傳輸的內容,可大致區分為:
基地台
「電信網路」(TeleCom)
以語音(voice)傳輸為主
利用手機來進行語音通訊
打電話
接電話
「數據網路」(DataCom)
看影片
以資料(data)傳輸為主
校園內或機場中提供手提電腦或PDA上網
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Internet
上網
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7-1-1 無線電信網路
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無線電信網路
由基地台與行動電話等設備所組成
處於基地台服務範圍內的手機可與基地台以無線的方
式傳輸語音
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無線電信網路
電信網路四個世代:
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1G,以類比(analog)聲音訊號為處理對象;
2G ,以數位(digital)聲音訊號為處理對象;
3G ,將語音服務與現有網際網路的服務整合;
4G ,提供更高速及更低延遲的行動通訊系統
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無線電信網路
不同世代的無線電信網路比較
電信網路
起始
世代
年份
傳輸速率(1Byte=8bits)
下載10MB檔案所需時間
(約三張一千萬像素照片)
1G
1980
類比訊號,不適用於資料傳輸
2G
1990
9.6kbps~64kps
約20分鐘50秒
3G
2000
144kbps~2.4Mbps
約33秒
4G
2010
100Mbps
約0.8秒
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7-1-2 無線數據網路
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無線數據網路
已普及應用在我們的日常生活周遭
常見的無線數據網路有:
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無線區域網路(WiFi)
無線個人網路(紅外線、藍芽、Zigbee)
無線都會網路(WiMAX)
無線射頻通訊(RFID、NFC)
衛星網路
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無線數據網路
無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN)
使用無線電波作為資料傳送媒介
通訊範圍通常為數十公尺至一百多公尺
目前通用的技術為WiFi
USB WiFi無線網卡
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Source: D-Link
WiFi無線網卡
WiFi無線AP
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無線數據網路
無線個人網路(Wireless Personal Area Network, WPAN)
提供小範圍內的無線通訊
通訊範圍通常為數十公尺
目前通用的技術主要有:藍芽、紅外線及Zigbee
紅外線(IrDa)
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藍芽耳機
ETC
遙控器
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無線數據網路
無線都會網路(Wireless Metropolitan Area Network, WMAN)
大範圍的無線公用網路
網路範圍通常涵蓋一個校園或一座城市
目前主導的通訊技術為新興的WiMAX及LTE
遠距離
高速率
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無線數據網路
衛星網路
主角為人造衛星及地球站
衛星網路具有通訊距離遠及覆蓋面積大等優點
目前有定位(GPS)、即時轉播、軍事監控、遠端資料傳
輸等應用
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無線數據網路
無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)
由讀取器(Reader)和RFID標籤(Tag)所組成
已普及應用於如捷運悠遊卡、花博卡、學生證、商店的防
盜系統等
RF訊號
回傳資料
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RFID Reader/Writer
RFID Tag
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無線數據網路
無線數據網路通訊技術比較
通訊技術
傳輸速率
(1Byte=8bits)
傳輸距離
下載10MB檔案所需時間
(約三張一千萬像素照片)
54Mbps
100m
約1.5秒
4M~16Mbps
2m
約5秒
720K~24Mbps
10m~100m
約3.3秒
Zigbee
250Kbps
10m~75m
約5分20秒
WiMAX
70 Mbps
48Km
約1.1秒
衛星
400Kbps
>600Km
約3分20秒
RFID
212Kbps
15cm~5m
約6分17秒
WiFi
紅外線
藍芽
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各項技術發展的時間與傳輸速率
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多樣化的技術
提供不同的頻寬與通訊距離
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7-2 無線電信網路
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7-2-1 電信網路的演進
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電信網路的演進
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第一代行動通訊系統(簡稱1G)
類比式行動電話系統,也是最早期的行動電話系統
無法提供資料傳輸,主要是提供一般語音通訊服務
AMPS是台灣第一個引進的行動電話系統
是一種蜂巢式系統
其傳輸訊號以FM(調頻)形式調變
使用的頻率為800MHz
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第一代行動通訊系統(簡稱1G)
優點:
傳輸距離長
穿透性佳
沒有回音的困擾
缺點:
容易受外來的電波干擾而造成通話的品質不佳
容易遭到他人竊聽通話內容及盜拷
擴充功能差
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第二代行動通訊系統(簡稱2G)
改變語音的無線通訊技術
可提供語音、數據、傳真傳輸
所傳送的資料已完全數位化
目前使用最廣泛的是泛歐式數位行動電話系統(Global
System For Mobile Communication,簡稱GSM)
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第二代行動通訊系統(簡稱2G)
GSM使用頻段:
歐洲及亞洲:900/1800MHz
美國:1900MHz兩種
GSM系統優點
服務容量大
信號品質好
保密程度高
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第二代行動通訊系統(簡稱2G)
除了基本的語音服務外,還提供如
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通話限制(Call lock)
通話轉接(Call forwarding)
通話等待(Call waiting)
多方通話(Conference)
全球漫遊
簡訊服務(Short Message Service,簡稱SMS)
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第2.5代行動通訊系統(簡稱2.5G)
介於2G與3G之間的行動通訊系統
資料能以封包的方式進行傳送
連結網際網路分享網際網路上的資源
通用封包無線服務技術(General Packet Radio Service,GPRS)
下載能力:100kbps
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第三代行動通訊系統(簡稱3G)
提昇無線網路的頻寬及存取速度
高速的數據下載能力:300k~2Mbps
連結網際網路分享網際網路上的資源
提供網頁瀏覽、語音會議、電子商務資訊服務
可進行處理圖像、音樂、視訊通話
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第四代行動通訊系統(簡稱4G)
更高的數據吞吐量(Throughput)
靜態傳輸速率達到1Gbps,高速移動狀態下可達到100Mbps
更低傳輸延遲 (5ms以下)
更低的建設和運行維護成本
更高的資訊安全能力
支援多種品質保證服務(QoS)等級
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UGS:適用VoIP語音電話
rtPS:適用IP-TV
nrtPS:適用FTP
BE:適用上網
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第四代行動通訊系統(簡稱4G)
可能成型的4G標準為LTE(Long Term Evolution)Advanced
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傳輸速率:下載1Gbps、上傳500Mbps
已正式被列為全新的無線標準技術
能夠針對無線寬頻數據設計出最佳化的性能
能與現存GSM服務供應商的網路相容
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7-2-2 電信網路的架構
與運作方式
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電信網路的架構與運作方式
電信網路的架構為階層式架構,主要有三個階層:
行動電話
基地台
交換機
公眾網路
交換機
基地台
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電信網路的架構與運作方式
電信網路的運作方式主要可分為六種狀態
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手機開機
待機
打電話
接電話
換手
漫遊
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手機開機
手機開機後,必需要先讓基地台及電信公司的機房資料庫
知道自己的存在以及在那個基地台
行動電話
基地台A
基地台B
電信公司資料庫
1. 掃描基地台
2. 與訊號最強的基地台連線
3. 將自己的資訊告訴基地台
4. 基地台將手機資訊傳送到電信公司進行註冊
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待機
待機狀態下,為了知道基地台有沒有資料要送給自己,或
是有沒有人要跟自己通話
定期監聽目前和基地台所建立的連線和偵測訊號強度
如果訊號強度低於門檻值,手機將會開始尋找周遭訊號最強
的基地台重新進行註冊
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打電話
當使用者要打電話給其他人時:
基地台A
0932------
中華電信機房
威寶電信機房
基地台B
0973******
1. 打給0973******
2. 尋找0973******
3. 0973是威寶門號,
將要求轉給威寶機房
(4. 威寶機房尋找0973******在哪個基地台)
5. 0932------要打電話給0973******
6. 0932-----打電話給你
(已接通)
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(已接通)
(已接通)
8. 建立連線
(已接通)
7. 接電話
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接電話
當使用者按下接聽鈕後
1. 手機將同意基地台的通話要求
2. 基地台和手機穩定的連線以進行通訊
如使用者不接聽
1. 手機回拒基地台的通話要求
2. 基地台再回傳拒絕的訊息給對方手機
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換手
使用者因處於移動狀態而遠離目前提供服務的基地台時,必
須進行基地台的服務轉移
0932------
原始基地台 基地台A 基地台B
1. 基地台偵測到手機訊號過低
交換機
2. 0932------需要換手
3. 要求測量0932------手機訊號強度
4. 回傳測量結果
(5. 交換機挑選訊號最強之基地台A為新基地台)
6. 0932------將改由基地台A負責
7. 將轉換成由基地台A服務
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漫遊
漫遊是讓使用者可以在外國使用行動電話網路的服務
舉例來說,當你到北京旅遊時:
0932------
基地台
台灣電信機房
北京電信機房
基地台
行動電話
1. 漫遊服務要求
2. 是否要提供服務給0932------?
3. 0932------是合法的,請提供服務
(4. 紀錄0932------資訊)
5. 我要打給0932------
6. 請找0932-----7. 有人打電話給你
8. 建立連線
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7-2-3 電信網路的語音
與多媒體服務
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電信網路的語音與多媒體服務
語音服務:
電話插播、指定轉接、
號碼保密、多方通話及
接聽限制、視訊電話等
資訊服務:
簡訊、桌布及鈴聲下載、
行動電影、金融資訊、
休閒資訊、行動字典、
行動交友、行動點歌等
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7-3 無線數據網路
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無線數據網路
無線數據網路的應用
網頁瀏覽
電子郵件
股票報價
數位電視
多媒體服務
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Source: http://www.tku.edu.tw
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無線網路與有線網路的差異
無線網路
空間上
不再受限於實體的網路線路
在網路通訊範圍可任意移動
成本上
節省了安裝、佈線、修補、遷移的費用
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常見的無線數據網路
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無線衛星網路
無線區域網路
無線感測網路
無線個人網路
無線射頻辨識系統
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7-3-1 無線衛星網路
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無線衛星網路
無線衛星網路的原理
利用衛星與衛星地面站傳輸
資料的網路架構
藉由無線電波當作傳遞資料
的媒介。
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無線衛星網路的優點
網路佈建成本較低
穩定性高,不會受到會受到地震、颱風、海嘯等天
災的影響
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Source: http://www.epochtimes.com/b5/11/6/15/n3287111.htm
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不同網路的比較表
不同網路下的特性比較表
有線網路
無線網路
衛星網路
通訊距離
╳
╳
○
通訊品質
○
╳
○
資料傳送容量
○
╳
○
網路佈建效率
╳
○
○
抵抗災害影響
╳
○
○
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Source: 衛星網管系統設計與應用研究, http://csie.npu.edu.tw:8080/%BE%C7%B3N%AC%E3%A8s/6/B/5.pdf
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7-3-2 無線區域網路
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無線區域網路
無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)
主要概念是以無線方式連接電腦,進行資源分享
以無線頻道作傳輸媒介的電腦區域網路
AP
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Source: http://www.gohappy.com.tw/shopping/Browse.do?op=vp&sid=2&cid=36675&pid=1318874
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世界共通的免費頻段
ISM頻段
專門用於工業(Industrial)、科學(Scientific)與醫療研究
(Medical)使用
不須經過申請許可證而可以免費使用
900MHz、2.4GHz、5.7GHz
900 MHz
2.4 MHz
5.7 MHz
ISM免費頻段
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Source: 維基百科
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使用免費頻段的技術
目前常見使用免費頻段的技術
WiFi
藍芽
ZigBee
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無線區域網路的通訊模式
基礎建設模式(Infrastructure Mode)
隨建即連模式(Ad-Hoc Mode)
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基礎建設模式
多個可攜式電腦透過一個網路存取器連接
基礎建設模式下,無線區域網路中的使用者皆可透過AP上網。
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使用基礎建設模式的環境
公共區域的使用者
捷運站、機場、醫院、賣場或餐飲店(麥當勞)
有線區域網路架設受環境限制
作為有線區域網路的備用系統
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Source: http://www.trtc.com.tw/ct.asp?xItem=5068823&ctNode=22278&mp=122031
Source: http://www.taoyuan-airport.com/chinese/Publish.jsp?cnid=1348
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隨建即連模式
多個可攜帶式設備(如筆記型電腦)透過點對點(peerto-peer,P2P)的方式進行通訊。
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隨建即連模式下,使用者之間無須AP即可連線
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隨建即連的特色
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不需要無線存取器
簡化網路的管理
具更高移動性
容易佈建
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使用隨建即連的環境
個人區域網路
家庭區域網路
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使用隨建即連的環境
軍事用途
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Source: http://big5.cri.cn/gate/big5/gb.cri.cn/27824/2010/07/26/541s2933565.htm
Source: http://big5.china.com/gate/big5/game.china.com/onlinegame/jiong/11083938/20110513/16538622.html
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使用隨建即連的環境
緊急救災
搜救行動
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Source: http://www.zhgpl.com/doc/1014/8/7/8/101487821.html?coluid=137&kindid=4930&docid=101487821
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7-3-3 無線感測網路
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感測器與人類
人要感知外界的訊息,必
須借助感覺器官
人類沒有能力
感知電磁場
無色無味的氣體
為達到上述目的,感測器
是必須的
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Source: http://www.chinaparent365.com/html/06/1106-20586.html
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何謂感測器
感測器是一種能把物理量、化學量與生物量等轉變
成便於利用、辨識之電子訊號的器件。
感測器體積雖小,但功能卻齊全,其硬體組成的部
份有如一個微小的電腦晶片。
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感測器組成
感測器主要由四個基本部分所組成︰
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感測單元 (Sensing Unit)
處理單元 (Processing Unit)
無線傳輸單元 (Wireless Transmission Unit)
電力供應單元 (Power Unit)。
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感測單元
感測單元包含
感測元件
負責偵測環境 (溫度、濕度、壓力…)
訊號轉換單元
感測元件所收集到的資料乃使用類比訊號
訊號轉換元件將類比訊號轉換成數位訊號
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處理單元
處理單元包含
儲存單元
感測器將收集到的環境資訊
儲存在儲存元件中
處理單元
類似於個人電腦中的CPU
負責執行事先置入之程式碼
CH07 無線網路
時間
溫度
是否超過
門檻值
10:30
30℃
否
10:40
31.5℃
否
10:50
32.2℃
否
11:00
32.3℃
否
11:10
32.8℃
否
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無線傳輸單元
感測器大多佈建在戶外空曠的環境,無
法以有線網路將其連結
感測器內均含有無線傳輸的單元
負責感測器之間的溝通
負責感測器與無線資料收集器的通訊。
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電力供應單元
由於感測器大多被佈建於戶外空曠的環境,無法以
插電的方式提供電源給感測器
每個感測器中均會設計電力供應單元,一般而言,
感測器通常是以電池為其電力來源。
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感測元件的種類
超音波感測器
溫溼度感測器
三軸加速度感測器
顏色感測器
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Source: http://www.parallax.com/Store/Sensors/tabid/86/Default.aspx
GPS 接收器
紅外線動作感測器
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感測元件的種類
電子羅盤
霍爾效應感測器
重力感測器
濕度感測器
薄膜震動感知器
非接觸導通感測器
CH07 無線網路
Source: http://www.parallax.com/Store/Sensors/tabid/86/Default.aspx
壓力感測器
聲音感測器
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無線感測網路架構
無線感測網路是由下述所組成
無線資料收集器
感測器節點
感測器間的通訊方式則是採用無線
通訊技術
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無線感測網路
感測器的設計目標
省電, 價格低廉, 體積小
並配備簡單的感測裝置、運算裝置、無線傳輸裝置
感測裝置可針對環境中我們所感興趣的事物(如溫度、
光源等)做偵測的行為
透過無線傳輸裝置,將資料回傳給資料收集器
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無線感測網路的應用
在農業上
在土壤中佈建溫溼度感測器,實作自動灑水系統。
CH07 無線網路
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無線感測網路的應用
在自然生態環境上
提供遭受火災或化學污染的位置
CH07 無線網路
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無線感測網路的應用
國防軍事上
國邊境監控,或是在人員、裝備及軍火上加裝感測器以
供識別
電子羅盤
紅外線動作
感測器
三軸加速度
感測器
GPS 接收器
顏色感測器
超音波感測器
CH07 無線網路
Source: http://paulmcleary.typepad.com/paul_mcleary/2009/07/technology-push-thats-really-waiting-for-a-requirements-pull.html
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無線感測網路的應用
醫療領域上
監測人體各項健康數據及各項行為的目的
CH07 無線網路
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無線感測網路的應用
在娛樂方面上
任天堂公司所研發之Wii遊戲主機
透過三軸加速度感測器偵測遊戲手把的移動
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Source: http://www.nintendo.tw/
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無線感測網路的應用
在公共建設上
可應用於橋樑安全監控,利用感測器監視橋樑、高架橋、高速公
路等道路環境,感測橋墩結構是否遭到破壞。
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無線感測網路的應用
居家自動化及控制
安全系統
燈控系統
遠端控制系統
環境感測系統
CH07 無線網路
Source: http://focus.ti.com/analog/docs/gencontent.tsp?familyId=367&genContentId=24190
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物聯網與感測器
物聯網(The Internet of Things,IOT)
將感測器裝備於各種真實物體
通過網際網路聯接起來
經過介面與無線網路相連,實現使用者與各物體之間的溝通操作。
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7-3-4 無線個人網路
CH07 無線網路
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無線個人網路-藍芽
藍芽起源
1994年易利信成立的一個專案
易利信公司於1998年進一步與Nokia、
Intel、IBM 以及Toshiba等廠商,共同
組成「藍芽同好協會」
藍芽名稱
10世紀挪威之一國之君的名字-維京
國王哈拉德藍芽(Harald Bluetooth)
CH07 無線網路
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藍芽的應用
藍芽耳機
藍芽手錶
藍芽滑鼠
藍芽安全帽
藍芽雨傘
藍芽揚聲器
CH07 無線網路
Source: 耳機(Motorola HT820)、手錶(Citizen VIRT W700)、藍芽雨傘(http://keepraining09.blogspot.com/2009/04/blog-post_28.html)
藍芽滑鼠(Logitech V470)、藍芽安全帽(Motorola Burton RED Tantrum G1 Bluetooth)、藍芽揚聲器(Jawbone JAMBOX)
84
藍芽技術
藍芽系統可由下述裝置組成一個小型的網路(Piconet)
一台主控端
最多七台受控端
CH07 無線網路
85
藍芽優勢
藍芽優勢
資料傳送安全度高
耗電量低
藍芽耳機可讓使用者遠離手機,減少手機電磁波
的傷害
藍芽傳輸甚至可無視牆壁、口袋、或公事包的存
在而順利進行
CH07 無線網路
86
藍芽技術分類
目前藍芽技術大致上可分為四大版本
藍芽1.0版本最高傳輸速率為1Mbps左右
藍芽2.0版本最高傳輸速率可達3Mbps左右
藍芽3.0及4.0版本最高傳輸速率均可達24Mbps左右
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7-3-5 無線射頻識別系統
CH07 無線網路
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無線射頻辨識系統簡介
無線射頻辨識系統(RFID)
採用射頻訊號以無線方式
傳送數碼資料
識別卡不必與讀卡機接觸
就能讀寫數碼資料
免除現代人經常要從數張
卡片中,找尋特定卡片的
煩惱。
CH07 無線網路
Source: http://www.sheeee.com/sheeee/43/n-418043.html
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RFID技術
RFID是一種透過無線射
頻方式自動辨識物件的
技術
電子標籤(Tag)
讀取器(Reader)
RFID Tag
CH07 無線網路
Source: http://darrenosborne.com/2011/04/22/tech-know-rfid-tags/
Source: http://www.barcodesinc.com/symbol/mc9000rfid-zoom.htm
RFID Reader
90
RFID電子標籤
RFID電子標籤
被動式
沒有提供電源,其電源由讀取器透過無線射頻讀取電子標
籤內之資訊時產生的電磁場供應。
主動式
由內建電池供應電源,並在感應到讀取器讀取資料時,將
資料傳送給讀取器。
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RFID電子標籤
主動式與被動式電子標籤比較表
主動式標籤
被動式標籤
優點
缺點
優點
缺點
讀取距離較長
尺寸較大
尺寸較小
讀取距離較短
可重複讀寫
較貴
較便宜
大部份為唯讀
資料來源:資策會創研所
CH07 無線網路
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RFID電子標籤
RFID電子標籤與條碼標籤之優缺點比較
功能
RFID電子標籤
條碼標籤
讀取數量
可同時讀取多個標籤
一次只能讀取一個標籤
遠距讀取
無需光線即可讀取或更新
讀取條碼時需要光線
資料容量
儲存的資料容量大
儲存的資料容量小
讀寫能力
電子資料可反覆被覆寫
條碼資料不可更新
讀取便利性
讀取標籤時,即使標籤與讀取器間有障礙物,依
然可以順利讀取
讀取條碼時,條碼與讀取器間不
可有障礙物
高速讀取
可進行高速移動讀取
移動中讀取有所限制
堅固性
在嚴酷、惡劣與骯髒的環境下依然可讀取資料
當條碼汙穢或損壞時將無法讀取,
即無耐久性
資料來源:工研院
CH07 無線網路
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RFID的應用
門禁系統
CH07 無線網路
Source: http://140.124.77.80/rfid_lab/images/stories/stock_check/1.JPG
Source: http://www.eprice.com.hk/mobile/news/4882/1/
電子錢包
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RFID的應用
悠遊卡聯合票證
防竊(盜)應用方面
CH07 無線網路
Source: http://2.bp.blogspot.com/-00rkr8_fUo8/TmTEu8p_XWI/AAAAAAAAAqE/DBrO7A-IFyU/s1600/EM500.jpg
Source: http://www.bis.com.tw/web/productdetail?ID=32
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RFID的應用
物流應用
感測器 (溫度、濕度、加速度、RFID)
Internet
Perishable goods
控制中心
CH07 無線網路
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RFID的應用
智慧運輸
中央控制系統
RFID tag
RFID reader
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RFID的優勢
RFID技術優勢
高速移動物體識別
多目標辨識
非接觸識別
具有巨大的發展潛力與應用空間,亦被認為是21世
紀最有發展前途的資訊技術之一。
CH07 無線網路
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7-4 無線網路的整合運用
與未來趨勢
CH07 無線網路
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無線網路的整合運用
無線通訊的應用現已普遍存在於每個人的生活中
紅外線(IrDa)
CH07 無線網路
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無線網路的未來趨勢
無線電信網路及數據網路
提供了多種不同的通訊距離與傳輸速率
這兩種網路正積極地整合
在不久的未來
使用者將可透過雙網手機進行語音及視訊服務
享有無線電信網路的高移動性
享有無線數據網路的高速傳輸與價格低廉
CH07 無線網路
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無線網路的未來趨勢
現有的無線通訊需求,將走向
模組多元化、資料數位化、多媒體支援、以及無邊際
地漫遊
通訊設備的多元化與個人化
整合不同性質的網路通訊系統
RFID
IrDa
CH07 無線網路
4G
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