Transcript 第 1 章

第 7 章
無線網路
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無線傳輸技術介紹
 無線網路的傳輸技術可分為兩大類：
– 較高頻電磁波(光學傳輸)
• 紅外線(Infrared, IR)和雷射(Laser)
– 較低頻電磁波(無線電波傳輸)
• 窄頻微波(Narrowband Microwave)、802.11無線
區域網路、HomeRF、藍芽(Bluetooth)
• 行動電話
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以光為傳輸媒介
 不管是紅外線或雷射，因為是利用光做
為傳輸媒介，所以都必須受限於較高頻
電磁波(光)的特性：
– 無法穿透大多數的障礙物，就算穿透了也
會出現折射和散射的情況
– 行進路徑必須為直線，不過這點可以透過
折射及散射的方式解決。
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紅外線
 紅外線傳輸標準是在1993年由IrDA協會
(Infrared Data Association)所制定
– 目的是為了建立互通性佳、低成本、低耗
能的資料傳輸解決方案。
– 目前幾乎所有電腦都配備紅外線通訊埠
 三種傳輸模式
– 直接式紅外線連接(Direct-Beam IR, DB/IR)
– 散射式紅外線連接(Diffuse IR, DF/IR)
– 全向性紅外線連接(Omnidirectional IR,
Omni/IR)
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直接式紅外線連接
 兩通訊埠需面對面，之間無阻隔。這種方
式安全不易被截取，但通訊範圍相當小
– 實際上通訊埠所射出之紅外線以圓錐形散出，
所以偏移15度內應可收到
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散射式紅外線連接
 通訊埠無需面對面，只要同在一封閉空間
即可建立連線，但容易受到其他干擾源影
響而致資料傳送失敗，甚至無法連線
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全向性紅外線連接
 取直接式與散射式兩者之優點，利用一
散射式紅外線基地台(Base Station, BS)為
中繼站，各裝置紅外線通訊埠則指向基
地台以建立連線
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紅外線傳輸的缺點
 紅外線因受限以下兩個因素，故在無線
區域網路中並不受重視
– 傳輸距離太短：以點對點方式傳輸距離約
僅1.5公尺，不適用無線區域網路
– 易受阻隔：光傳輸原本之特性。連線建立
後若有障礙遮蔽，則連線會暫時中斷，但
若超過特定時間，則連線便可能永久中斷
• 紅外線穿透力差，連雜誌都無法穿透，而無線
區域網路所架設之環境，障礙物稀鬆平常，故
不適合用紅外線
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雷射
 連接模式僅直接式連接一種
– 因雷射光束集
中幾乎無散射，
如此也成安
全連線的
一個極佳
選擇
 適用環境：
在空矌或擁有制高點的地方，而兩端中
間區域(路面或水面)不適合或不願意挖掘
以埋設管線時
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以較低頻電磁波為傳輸媒介
 較低頻電磁波的穿透力強，而且是全方
位傳輸，不侷限於特定方向。適用於：
– 當使用者不願意負擔佈線和維護線路的成本
– 環境上有許多障礙物時
 因頻帶為重要資產，所以受管制，因此
常用公用頻帶2.4 GHz，但也需利用展頻
配合調變以避免互相干擾
– 公用頻帶原規劃給工業、科學及醫療(ISM,
Industrial, Scientific, and Medical)免執照使用，
除2.4-2.4835 GHz外，在台灣尚有40.66
(40.66-40.70) MHz及5.8 (5.725-5.825) GHz 7-10/51
窄頻微波
 與雷射類似可提供點對點的遠距離連
– 是使用高頻短波之電波(雷射則為光波，頻
率更高)，易受水氣及串音影響
– 頻帶在3-30 GHz，為節省頻寬及避免串音，
所以使用非常窄的頻寬來傳輸訊號
• 頻寬恰可塞入訊號，較不會干擾到鄰近頻道
 亦有使用公共頻帶，但干擾多品質差
 除頻帶問題外，另一問題為標準問題，
各家標準不同，需同家產品才易相通
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IEEE 802.11
 1997年6月發表為無線區域網路實體層
與鏈結層所使用的標準
 實體層規範3種傳輸技術
– 直接序列展頻(Direct Sequence Spread
Spectrum, DSSS)
• 1 Mbps: DBPSK; 2 Mbps: DQPSK
– 跳頻式展頻(Frequency Hopping Spread
Spectrum, FHSS)
– 紅外線(Infrared, IR)(較不常用)
 鏈結層之MAC則使用CSMA/CA
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何謂展頻？
 無線傳輸技術訊號容易受到干擾與攔截
 展頻通訊原來自軍方，保密能力與抗干
擾能力都很強
 展頻(Spread Spectrum)傳輸技術是透過
傳輸頻率的展開來傳遞資料，一方面讓
攔截動作更加困難，另一方面降低雜訊
干擾的影響
 常見之兩種展頻技術：直序展頻與跳頻
展頻
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直接序列展頻(1/3)
 將窄頻寬、高能量的位元訊號與展頻碼
做運算，原訊號被延展為數倍頻寬，並
將訊號以較低能量送出
時域
頻域
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直接序列展頻(2/3)
 課本：在傳送訊號時會在2.4GHz頻帶中
選擇連續的頻帶，並將展頻後的資料在
這些頻帶上傳送出去
– 這是屬多載波方式，直序不一定要多載波
 接收端收到訊號後用同樣的展頻碼再做
一次運算，將訊號還原回原資料
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直接序列展頻(3/3)
 DSSS實際使用的頻帶依國別而異
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跳頻式展頻
 將資料分成小區塊及頻帶切成小頻帶，
每次傳送一區塊資料時，會隨機選擇某
個小頻帶來傳送
– 因傳送頻率為跳躍，所以竊聽不易
– 所使用的調變技術為GFSK (Gaussian
Frequency Shift Key)，基本速率是1 Mbps，
最高為2 Mbps
– 比DSSS容錯力高，因若某頻帶干擾多，只
會影響到一小部分資料
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WLAN架構-Infrastructure (1/2)
 需使用Access Point (AP，俗稱基地台或
存取點)，AP兩個主要功能
– 延長傳輸的距離(因會將收到的訊號再生)
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WLAN架構-Infrastructure (2/2)
– 擔任無線網路和有線網路間的橋樑
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WLAN架構-Ad-Hoc
 不使用Access Point，各電腦直接以無線
網路卡互傳資料
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802.11b (1/5)
 802.11最高傳輸速率僅2 Mbps，市場接
受度很低。802.11工作小組隨後在1999
年推出802.11b帶動了WLAN (Wireless
LAN，無線區域網路)的蓬勃發展
 802.11b的正式名稱為Higher-Speed
Physical Layer Extension in the 2.4GHz
Band，此名稱隱含的意義為只是擴充
802.11實體層的功能，其它部分仍然沿
用802.11的規格。
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802.11b (2/5)
 802.11b主要做了以下較重要的修改
– 引進CCK調變技術
• 仍使用DSSS但採用CCK (Complementary Code
Keying)調變技術，CCK並非使用固定的展頻碼，
是根據所要傳送的訊號，使用不同的展頻碼，可
多種的資料組合，因此能提升資料傳輸速率
– 使用短前置訊號(Preamble)和表頭模式
• 802.11b改用短前置訊號與表頭模式(Short
Preamble And Header Mode)，前置訊號從802.11
的144 Bits縮為72 Bits，並將表頭的傳輸速率由
802.11的1 Mbps提升為2 Mbps，使得傳送前置訊
號和表頭的時間縮為原本的一半，相對地提高資
料的傳送效率
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802.11b (3/5)
• 前置訊號用來使接收端和發送端能同步；表頭
則用來記錄封包長度、協調速率、偵錯等
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802.11b (4/5)
 802.11b傳輸速率有四種：1Mbps、2
Mbps、5.5 Mbps和11 Mbps
– 最高傳輸速率接近10 Base乙太網路，因此逐
漸被大眾所接受
– 不同速率使用不同調變(802.11亦是如此)
• 1 Mbps使用DBPSK (Differential Binary PSK)
• 2 Mbps使用DQPSK (Differential Quadrature PSK)
• 5.5 Mbps及11 Mbps使用CCK
 WECA (Wireless Ethernet
Compatability Alliance無線
乙太網路相容聯盟)
– 執行相容性認證，該認證標準
稱為Wi-Fi (Wireless Fidelity)
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802.11b (5/5)
 802.11b的市場現況
– 台灣網路市場2002年802.11b崛起深耕。國
內外廠商競相推出802.11b的無線網路卡與
AP，功能愈來愈強、價格愈來愈低，也愈
來愈多地點設有無線上網之據點。
 802.11b的未來發展
– 2003 HomeRF宣布下台一鞠躬，藍芽在價
格、傳輸速率和普及率方面尚難以威脅
802.11b，因此802.11b穩居WLAN市場盟主，
但802.11a及g這兩種規格都擁有更高的傳輸
速率、更安全的加密技術，一旦量產可望
奪下802.11b的王位，許多廠商將研發和生
產重心逐漸轉移到802.11a或802.11g
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802.11a與802.11g (1/4)
 802.11a：全名為High Speed Physical layer
in The 5GHz Band
– 和802.11b同樣只是擴充802.11實體層的功能
• 由於實體層有極大的變異，導致802.11a和
802.11b無法相容
 802.11a的特點
– 使用5 GHz頻帶
• 由於微波爐、無線電話、藍芽裝置和802.11b等
都用2.4 GHz頻帶，會出現相互干擾。
• 802.11a使用5.15-5.25，5.25-5.35與5.725-5.825
GHz三段頻帶，每一段有4個20 MHz的頻帶可供
使用，因此802.11a總共有12個可用頻帶。
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802.11a與802.11g (2/4)
• 5 GHz頻帶又稱為UNII (Unlicensed National
Information Infrastructure) Band，在美國與台灣均開
放免申請，但是有些國家則為管制頻帶。
• 不使用2.4 GHz頻帶使得802.11a與802.11b不相容
– 最大傳輸速率為54 Mbps
• 利用OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing正交分頻多工)技術，將頻帶切割成多
個子頻帶(Subchannel，又稱Subcarrier)，然後在這
些子頻帶同時傳送訊號，這些訊號互為正交，不會
互相干擾。
• OFDM技術再搭配BPSK、QPSK、QAM三種調變技
術，使得802.11a有6、9、12、18、24、36、48、54
Mbps等8種傳輸速率，其中6、12、24是強制規格，
其它則為選擇性的
• 智邦有產品可用Turbo模式飆到72 Mbps並不符合
802.11a規格，只可用在智邦之產品
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802.11a與802.11g (3/4)
 802.11a的現況
– 產品價格昂貴：動輒上萬元對企業而言不
經濟
– 與802.11b不相容：因802.11b已占多數，要
消費者放棄不易，因此802.11a僅能吸引尚
未架設無線區域網路的用戶
 802.11a的未來
– 為了解決上述問題，可將多個晶片整合到1、
2個晶片以降低晶片組成本；另一方面開發
適用802.11a和802.11b雙頻晶片以便使兩種
網路能互相交換資料。
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802.11a與802.11g (4/4)
 802.11g：因相容且具有更高的傳輸速率
而被視為802.11b的火力加強版
 802.11g的特點
– 使用2.4 GHz頻帶
• 與802.11b產品能相容，即兩者之產品能建立連
線，適合用來將現有的802.11b網路逐步升級
– 最大傳輸速率為54Mbps
 802.11g的現況與未來
– 802.11g擁有802.11a的最高傳輸速率，又能
和802.11b相容，兼具兩派之優點，被視為
無線區域網路的明日之星。
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HomeRF (舊版)
 國際電信聯盟(ITU, International
Telecommunication Union)所推一種家用無
線標準，低成本低耗能，可傳數據語音
– 使用共享無線存取協定(Shared Wireless
Access Protocol, SWAP)傳數據及語音
• 數據：用FHSS在2.4 GHz，速率為2 Mbps
• 語音：用DECT (Digital Enhanced Cordless
Telephone)標準以TDMA提供6個全雙工數位語音
通道，每個通道速率為32 kbps
• 其他特點：涵蓋範圍達50公尺、支援128個節點
(包括基地台CP, Control Point)、可和藍芽設計在
同一個裝置中
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高速HomeRF (舊版)
 2000年12月提出HomeRF 2.0
 傳輸速率最高達10 Mbps，亦支援 5
Mbps、1.6 Mbps和0.8 Mbps。
 相容於HomeRF 1.2的設備。
 耗電量比市面上任何無線設備還要低。
 同時最多可以有8個連線。
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藍芽技術(Bluetooth)
 哈拉德藍牙：10世紀挪威維京國王統一了
丹麥。易利信用其名來發展無線通訊
– 1994年易利信為使手機與無線耳機連線而開
始，98年5月與Nokia, Intel, IBM, Toshiba組成
藍芽同好群(Bluetooth SIG, Bluetooth Special
Interest Group)
 藍芽：可用於電信和電腦的無線傳輸技術
– 傳輸速率為1 Mbps
– 短距離、低功率、低成本
– 例：手機回家可當無線話機、選台器、PDA
– 目前朝向資訊家電方向發展
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藍芽應用範圍
 語音及數據資料的即時傳輸
– 電腦、PDA或手機可上網及收mail
 取代有形線路
– 一般10 m，加上放大器可達100 m
 快速方便的網路連接
– 傳輸範圍內經簡單認證便可建立連線
– 比紅外線1.5 m遠且通訊埠無需面對面
 3合1電話
– 手機在家可當無線話機，在公司亦可當分
機
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藍芽技術的標準
 使用2.4 GHz FHSS，為抗干擾之方法
– 高速跳頻每秒1600次且封包採用小封包
– 使用錯誤控制
• 語音正確性要求不高，封包遺失不重傳
• 數據資料有錯誤會要求傳送端重送
 Piconet：一個藍芽網路總共可有8個藍
芽裝置，其中一個是主控端(Master)，其
他裝置則是用戶端(Client)。
 Scatternet：一Piconet內之裝置可成為另
一個Piconet的成員，將藍芽網路無限的
延伸出去，形成一個大的網路。
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藍芽高速跳頻之影響
 因高速跳頻，使得亦使用2.4 GHz之其他
設備會因為藍芽快速跳頻而判斷所有頻
道皆有干擾而丟棄每個封包
 IEEE 802.11b即使使用DSSS，當與藍芽
設備鄰近時，兩者效能皆會下降
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802.16 – WiMAX (1/4)
 無線傳輸的物理限制(電磁波)
– 依頻率由低至高可粗分為：無線電(radio)、
微波(microwave)、紅外線(infrared)、可見光
(visible)、紫外線(ultraviolet)、X、射線等
– 較低頻與較高頻電磁波分界約在微波與紅外
線之間，較低頻電磁波較常應用在非定向傳
輸上，反之，較高頻則較常應用在定向傳輸
– 更高要求：
• 更快的傳輸速率：釋出尚未開放使用的頻段，並
使用更先進的傳輸編碼
• 更方便的移動性
• 更遠的傳輸距離：加大功率(得修改相關電信法規)，
但涵蓋範圍變大令可用的總傳輸頻寬縮水(指易干
擾需間隔開)，可使用尚在實驗階段的智慧型定向
天線來因應
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802.16 – WiMAX (2/4)
 WiMAX的定位與未來發展
– Intel、富士通、Nokia... 等組成WiMAX
(Worldwide Interoperability for Microwave
Access)聯盟著手802.16的願景
• 更快的傳輸速率(70Mbps)、更遠的傳輸距離(50
公里)、更高的安全性、更強的移動支援能力
– 電磁波頻率越高，所承載的傳輸頻寬也越
寬(傳輸速率更快)，傳輸距離越短。加大功
率，可提高傳輸距離，但可用的總傳輸頻
寬縮小
• 智慧型定向天線(在無線基地台的圓形涵蓋範圍
裡切割出6個扇形區段，基地台可以對這6個扇
形區段使用同頻率的無線訊號
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802.16 – WiMAX (3/4)
• 尚在實驗階段，且佔用更多的頻段及更高的功
率，如此會讓筆記型電腦的電池使用時間縮水，
並引發健康方面的疑慮，且定向傳輸也使行動
上網的困難度升高
– 聯盟現階段重點不在成為下一個無線區域
網路標準，而是訴諸於傳輸距離更遠的市
場區隔
• 與固網業者既有ADSL有線寬頻技術與無線電信
業者的GPRS或3G技術相較量的意味，適用於
如美國偏遠地區，業者得花費較高的網路架設
成本才能提供同等品質的ADSL或3G連線服務。
在這個只提供較少數遠距用戶的寬頻連線市場
裡，WiMax就成了很適用的遠距寬頻連線技術
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802.16 – WiMAX (4/4)
– 目前WiMAX有著如下表所示的各種實體層
規格：
– 未來802.16的各種實體層規格是否都能成為
主流，端視市場需求以及業者量產相關產
品的能力(也就是技術研發/改良能力)而定。
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何謂GSM (1/2)
 民國86年，台灣開放GSM行動電話的經
營執照，有5家業者取得：遠傳電訊、
台灣大哥大、和信電訊、東信電訊以及
泛亞電訊
 GSM：Global System for Mobile
Communications全球行動通訊系統
– 歐洲電信標準學會(ETSI, European
Telecommunications Standard Institute)於
1990年底所制定的數位行動網路標準。
 各國頻帶不同，共有900、1800、1900
MHz三個頻帶
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何謂GSM (2/2)
 為同時服務多個用戶，將每個頻道切割
成多個子頻道，每個子頻道再以TDMA
(Time Division Multiple Access，分時多
重存取)供用戶輪流使用
– 例如8個用戶使用同一子頻道，可設定每個
用戶一次只能用1/8秒，每隔1秒就可以輪一
次。此1/8秒的時間單位稱為時槽(Time Slot)
– 可使用的時槽有限，在傳送數據資料時，
最高只能達到9600 bps，不符現代需求
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何謂GPRS (1/3)
 GPRS：General Packet Radio Service
– 架構在現有GSM系統之上，改用封包來傳送
 GPRS提供4種編碼機制，可提供不同的資
料傳輸速率(理論上限是指當所有的時槽
都分配給單一使用者)：
–
–
–
–
CS-1：9.05Kbps，理論上限為 72.4Kbps
CS-2：13.4Kbps，理論上限為 107.2Kbps
CS-3：15.6Kbps，理論上限為 124.8Kbps
CS-4：21.4Kbps，理論上限為 171.2Kbps
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何謂GPRS (2/3)
 和GSM的關係
– GSM網路只需進行一些軟硬體昇級即可提
供GPRS服務，例如：使用支援GPRS的手
機、基地台則需更新軟體以支援GPRS的封
包傳送方式。
– 整個網路中需加入2項新的元件：用以連接
數據網路(例如：Internet)的GGSN (Gateway
GPRS Support Node)，以及負責建立數據連
線的SGSN (Serving GPRS Support Node)
– GSM使用線路交換、GPRS使用分封交換
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何謂GPRS (3/3)
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3G－第3代行動通訊系統(1/3)
 緣由
– 國際電信聯盟(International Telecommunication
Union, ITU)在提出IMT-2000 (International
Mobile Telecommunication - 2000)計劃時欲建
立下一代行動通訊的標準，一般俗稱的第3代
行動通訊標準(簡稱3G)
– 原始目的是希望建立全球一致的行動通訊標
準，但基於廠商及國家利益仍難以達成。因
此ITU採納了5種無線電波存取技術，都可達
到對傳輸速率的基本需求：車輛行進至少128
kbps，靜止時高達2 Mbps。
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3G－第3代行動通訊系統(2/3)
 兩種主流：W-CDMA和CDMA 2000
– W-CDMA：Wideband Code-Division
Multiple Access(寬頻分碼多工存取)
• CDMA是美加2G系統之一。其原理是指定給每
個用戶端不同的展頻碼，基地台可同時傳送多
人的資料給每個用戶端，但用戶端收到的訊號
與展頻碼運算後只會得到屬於自己的資料，傳
給其它用戶端的資料會被視為雜訊。如此，同
一個頻道同時可供多人使用。W-CDMA就是使
用較寬的頻帶(5 MHz)來提供更高速的傳輸，以
封包形式傳送資料時，可提供384 kbps至2
Mbps的速率。
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3G－第3代行動通訊系統(3/3)
• W-CDMA是針對GSM系統所設計，ETSI制訂的
使用W-CDMA技術的3G標準稱為UMTS
（Universal Mobile Telecommunication System)，
所以也常有人用UMTS來代表W-CDMA系統。
– CDMA2000：較適合於目前使用CDMA技
術的升級方案，與W-CDMA一樣都使用
CDMA技術，兩者的展頻運算方式不同，
使用頻道也不同，CDMA2000的頻道寬度
為1.25 MHz，而且CDMA2000還支援一種
特殊的模式，可將3個頻道合成一個頻道使
用。
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WAP
 1997年6月，Ericsson, Nokia, Motorola,
Phone.com首度合作於12月定了WAP
(Wireless Application Protocol)
– 為一種新的行動通訊技術讓手機(或PDA)可
以存取網際網路的資訊
– 3個致命缺點：太慢、太貴、缺乏內容
• 受限於GSM 9.6 kbps
• 比電腦上網之價格約貴十倍
• 惡性循環，所以內容提供者少
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WAP標準 (1/2)
 WAP與HTTP類似，但主要用在無線設備
– 網頁語法：HTTP用HTML (HyperText Markup
Language)，WAP則用WML (Wireless ML)
• 因無線通訊設備頻寬、螢幕、記憶體都較小，所
以HTML不適合，所以發展新的WML
– 通訊協定：HTTP用TCP/IP，WAP則用WDP
(Wireless Datagram Protocol)
• WDP並非取代TCP/IP，而是用在手機與WAP閘道
器之間
• WAP閘道器的作用：轉送WAP裝置的要求，編譯、
檢查WAP伺服器回傳資料為WML格式，再傳給
WAP裝置
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WAP標準 (2/2)
HTTP
 與HTTP架構稍異
WAP
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WAP和GPRS/3G的關係
 WAP：主要說明資料如何在無線環境傳
送，包括保密、壓縮及顯示
 GPRS/3G：為GSM之延伸，將GSM電路
交換改為支援分封(封包)交換
 兩者關係有點像HTTP與ADSL之關係
 以OSI層次來對應
– WAP對應HTTP在7-5層
– WDP對應TCP/IP在4-3層
– GPRS對應ADSL在1-2層(原課本對應不好)
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