2015年6月30日 星期二

‧ 認識無線通訊


無線通訊(Wireless communication)是指多個節點間,不經由導體或纜線傳播,進行的遠距離傳輸通訊,利用收音機、無線電等,都可以進行無線通訊。
 
無線通訊包括各種固定式、行動式和可攜式應用,例如雙向無線電(英語:two-way radio)、手機、個人數位助理,及無線網路。其他無線電無線通訊的例子,還有GPS、車庫門遙控器(英語:Garage door opener)、無線滑鼠等。

大部份無線通訊技術會用到無線電,包括距離只到數公尺的Wi-fi,也包括和航海家1號通訊、距離超過數百萬公里的深空網路。但有些無線通訊的技術不使用無線電,而是使用其他的電磁波無線技術,例如光、磁場、電場等。

 

光電話
世界上第一次無線電話對話出現在1880年,當時使用的是光電話,由亞歷山大·格拉漢姆·貝爾及查爾斯·薩姆納·天特發明,並且申請專利。光電話藉由調變的光束來傳遞語音訊號。

在那個年代,還沒有設備可以提供電力,甚至連科幻小說中也還沒提到雷射,他們的發明在當時看來並沒有實用價值,而且通話的效果還會受到陽光及天氣的限制。光電話和自由空間光通信系統一様,在傳送器及發射器之間不能有阻隔光束的物體。數十年後,光電話才應用到了軍事通訊領域。

早期工作
戴維·E·休斯在1878年利用發射器傳送無線電達數百公尺遠。當時馬克斯威的電磁理論還不為世人周知,因而當代的科學家將此發明視為感應的結果。1885年湯瑪斯·愛迪生利用振動器磁鐵來作為感應的傳輸,在1888年時愛迪生布署了哈伊谷鐵路的信號傳輸系統,在1891年獲得使用電感的無線電專利(美國專利 465,971)。

1888年時海因里希·赫茲展示了電磁波的存在,這成了後來大部分無線科技的基礎。赫茲證明了電磁波在空間中會沿直線前進,可以被實驗設備所接收,不過他沒有繼續進行其他相關的實驗。賈格迪什·錢德拉·博斯當時開發了一個早期的無線電偵測設備,也有助於了解波長在數厘米內的電磁波特性。

 

無線電
「無線」一開始是指無線電的接收器,或稱為收發器(可以同時作為傳送及接收用途的設備),早在無線電報時代就已應用過類似設備。現在「無線」一詞是指現代的無線通訊,例如蜂巢式網路以及無線寛頻通訊,無線一詞也泛指任何一種不需要電線即可進行的應用,例如「無線遙控」、「無線能量轉換」,而不去區分實際應用的技術是無線電、紅外線或是超音波。

古列爾莫·馬可尼和卡爾·布勞恩因為在無線電報上的貢獻,獲得1909年的諾貝爾物理獎。

無線通訊模式
無線通訊可以用以下的方式進行:
無線電
無線電通訊及微波通訊用在長距離的通訊,需搭配高方向性的天線,或是短距離的通訊。

自由空間光通信
自由空間光通信系統(FSO)是利用光在自由空間(即空氣、外太空、真空)中行進來傳遞訊號的無線光通訊技術。自由空間光通信系統會使用可見光或是紅外線,例如遙控及紅外通訊等。

 

聲通訊
音波及超音波常用在短距離,利用音波來傳遞訊號的應用。

電磁感應
電磁感應主要是用在低能量及短通訊距離的應用,例如起搏器及短距離的RFID標籤。

無線網路
無線網路可以符合許多不同的需求,最常見的可以是方便筆記型電腦的用戶,在往來不同地方的路途中可以連網,另一個用途是由手機連網。若某一個網段的實際位置經常會變動,利用無線網路來連線是比較合理的方法。在以下的情形下可以使用無線網路:
網路的距離超過一般有線網路允許的長度。
‧作為備援網路,在正常網路異常時使用。
‧連接移動的或是暫時性的節點。
‧在一般網路布線困難或是費用過高的情形。
‧行動用戶連線或是連接到行動網路。

在開發射頻無線網路時,設計者需考慮以下的因素:
‧使用數百至數千MHz或是GHz的頻段。
‧運作範圍及電池壽命。
‧靈敏度及資料速率。
‧網絡拓撲及節點智能程度。

無線網路的應用,包括點對點通訊、點對多點通信、廣播、蜂窩網路,及其他無線網路,與Wi-Fi技術。

電磁波頻譜
光、顏色、AMFM廣播,以及許多電子設備都用到電波波頻譜,可用來通訊的無線電頻譜頻率中,視為是公共財財產,會由國家級的機構管理,例如美國的美國聯邦通信委員會,英國的Ofcom英語Ofcom,這些機構會定義,誰可以使用哪一個頻段的頻率,以及其目的為何。

若公共頻段像個人使用的電磁波頻譜一様,沒有類似的控制或替代配置措施,可能會出現混亂,例如飛機沒有特別可以用在航管上的頻率,而業餘無線電操作者的訊號干擾航管訊號,使得飛行員無法正常使飛機降落。無線通訊的頻帶由9 kHz300 GHz

無線通訊技術的應用
行動電話
行動電話應該是無線通訊,最廣為人知的應用之一,在2010年底時全世界已有超過46億手機。行動電話藉由無線電波,使不同地方的用戶可以互相電話聯絡。用戶可以在行動通信基地的範圍內使用手機,基地台會接送及接收手機的信號。

無線資料傳輸
無線資料傳輸是行動運算中,不可少的一部份。有許多可用的技術,差異是在地區的可用性、覆蓋範圍及性能,在一些情形下,用戶必須可以佈署多種連線方式,並在不同模式中切換。為了簡化使用者所花的時間,可以使用連接管理軟體(英語:connection manager software),或者使用MVPN,將數個連線處理為一個保全的單一虛擬網路(英語:virtual network)。

以下是一些用在無線資料傳輸的無線通訊:
Wi-Fi是無線的區域網路,讓可攜式的運算裝置,以簡單的方式連接到網際網路,藉由IEEE 802.11 a,b,g,n等標準,Wi-Fi的速度接近一些有線的網路。Wi-Fi已成為家中、辦公室及公共空間熱點的事實上的標準。有些企業是每月收取一次Wi-Fi的費用,有些企業則是免費提供,因為提供Wi-Fi可以提昇他們產品的銷售額。

蜂巢式網路:只要離最近的基地台十到十五公里以內即可使用,其速度隨著科技的演進而提昇,從早期的GSMCDMAGPRS,到像是W-CDMAGSM增強數據率演進(EDGE)或是CDMA20003G網路。

行動衛星通訊:可以用在無法用其他無線技術通訊的情況,例如廣大的鄉村地區,或是遙遠的地方。通訊衛星在運輸、航空、航海及軍事上格外的重要。

無線感測器網路:可以直接偵測有關的物理量,監控及收集資料,產生有意義供人觀看的顯示,並提供一些決策的機能。

無線供電
無線供電是指在使用電線的情形下,將電能從電源傳到另一個沒有內建電源的設備中。有二種基礎的無線供電方式,可以用光束/雷射,無線電或是微波傳輸,或是使用近場感應的方式。幾種方式都會用到電磁波磁場。

無線醫療技術
像無線體域網(mobile body area networks,簡稱MBAN)等新技術,可以利用無線技術監測血壓、心跳、含氧濃度及體溫。無線體域網會送出低功率的無線信號給接收器,再傳送到監控設備或是護理站。這種技術減少了有意或是無意造成的感染風險,或是因為有線接線斷線而產生的問題。

電腦介面設備
最早的鍵盤、滑鼠等設備都是有線的,後來也慢慢出現了無線的介面設備,多半是利用Bluetooth技術的設備,其反應可能會略慢於有線的設備,但兩者的差距越來越小。

像鍵盤、滑鼠等電腦的無線介面設備,一般是由電池供電,會傳送射頻的訊號,到接到電腦USB埠上的接收器。因為使用射頻訊號,使得資料可以用無線的方式傳遞,並且擴展使用的範圍,一般可以到三公尺。距離、實體的障礙物、其他的無線訊號甚至是人體都可能降低其信號品質。

2007年底時開始討論無線鍵盤保全的問題,當時發現微軟在使用27 MHz的系列,其加密的實現方式高度的缺乏保全性。

                                                                                                                                                                                                                            

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