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Wireless Personal Area Networks


Distributed Information Systems The Term Paper

Wireless Personal Area Networks

指導教授:莊裕澤 教授 莊裕澤 學生姓名:高婉婷 高婉婷 學生系級:資管所研一 學生學號:R89725011 R89725011

Wireless Personal Area Networks ~個 人 區 域 網 路~





一、PAN﹝Personal Area Networking﹞的問題……………P2 二、何謂 Wireless Personal Area Networks………………...P3 三、WPAN 的發展歷史…………………………………….P4 四、關於 IEEE 802.15………………………………………P5 五、關於 Bluetooth System……………………………………….P7 六、Bluetooth 的發展現況與未來展望…………………….P11 七、關於 HomeRF…………………………………………..P13 八、結論與心得……………………………………………..P14 九、參考文獻………………………………………………..P15

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一、PAN﹝Personal Area Networking﹞的問題 ﹝ 一、 ﹞的問題
在進入探討 WPAN 這個主題之前,我們先來看看 PAN 的挑戰和 限制,PAN 就是 Personal Area Networking,也就是連結在個人活動範 圍內各項隨身電子設備的小型網路,而它最大的問題和限制就在於實 體“線”本身。 線

用實體線路傳輸資料會有一些無可避免的問題,像是線路突然斷 掉、訊號在線路中迷路、外來的訊號突然闖進線路中,或者遺失與遠 端的連線???等,所以利用實體線路傳輸資料時,“線”本身就是一個非 常重要的 component,少了它或者它無法正常運作的時候,資料的傳 輸也就受到嚴重限制了。

接著試想一個人隨身帶著一個手錶、一支手機、一台 PDA 以及 一組個人用耳機,則他的身上至少會有三個顯示器﹝輸出設備﹞、兩個 輸入設備、一個麥克風和三個擴音器,如果他想要將這些設備連接在
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一起,以便這些設備彼此之間能夠分享資訊、傳遞資料,則他還必須 帶著兩條長範圍的連接線路﹝網路線﹞,否則他將無法將這些設備連接 在一起,由這個例子就可以感受得到實體線路對 PAN 的限制;而且 PAN 還會產生不必要的重覆﹝Duplication﹞,比方傳輸的資訊、硬體設 備輸入、輸出 Component、資料的輸入以及一些軟體的功能。

因此隨著網際網路應用的蓬勃發展,以及寬頻無線通訊技術的快 速發展,人們對於無線網路整合應用技術的需求也越來越迫切;展望 未來,無線通訊應用的終端產品必將整合資訊產品的功能,並逐漸朝 向輕、薄、短、小的方向發展,讓使用者更加易於攜帶及使用。

二、何謂 Wireless Personal Area Networks
隨著 Internet 和多媒體通訊技術的快速發展,人們對於寬頻、無 線通訊應用的需求也越來越急迫;繼廣域網路﹝WAN,Wide Area Networks﹞、都會區域網路﹝MAN,Metropolitan Area Networks﹞以及區 域網路﹝LAN,Local Area Networks﹞的發展之後,現在最熱門的技術是 無線網路小範圍應用的研究發展。目前在無線網路小範圍應用這方面 的代表性研究成果,主要有以下三項:以無線區域網路﹝Wireless LAN﹞ 為典型應用的 IEEE802.11 通訊協定、由多家著名資訊電腦、通訊、 及消費電子廠商為核心所發展的 HomeRF 業界標準,它們提出以家
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庭應用為背景的 SWAP(Shared Wireless Access Protocol)協定,以及 由 Ericsson 等公司發起成立的藍芽技術小組所提出的藍芽系統 藍芽系統 ﹝Bluetooth System﹞。

最近提出的 無線個人區域網路 ﹝WPAN,Wireless Personal Area 『無線個人區域網路 無線個人區域網路』 Network﹞在短時間內已經成為各方矚目的一個新焦點,可見其受重視 的程度。Wireless Personal Area Networks 簡稱為 WPAN,主要是將在 個人操作空間內的各項電子通訊產品,如個人電腦、PDAs、 Notebook、手機及某些可移動性的消費型電子元件…等,利用無線通 訊技術建立它們彼此的連線,以增加它們分享、共用資源的能力。

而目前在無線個人區域網路方面的技術發展目標主要是以 Bluetooth 技術為基礎,Bluetooth 已經成為目前通訊領域中的一個熱 門焦點 未來的 IEEE 802.15 也有可能會修訂 Bluetooth 以作為標準的 , 規範,預計在不久的將來它會成為無線網路通訊小範圍應用的國際標 準,在後面的章節裡還會對它有更多、更詳細的介紹。

三、WPAN 的發展歷史
WPAN 的技術最早是從 1997 年 IEEE Portable Application Standards Committee﹝PASC﹞內部的一個“ad hoc”團隊所開始研究發

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展,而在同一時期並沒有其它小組或者標準機構投入相關的研究;一 直到 1998 年 3 月一個隸屬於 IEEE 802.11 的研習小組開始發展 Project Authorization Request﹝PAR﹞,進而在 1999 年 3 月衍生出 IEEE 802.15 WPAN 工作小組,這個工作小組的主要任務就是要針對短距離、小範 圍的無線網路內發展出無線個人區域網路的標準。

IEEE 802.15 WPAN 工作小組的成員主要由 Federal Express、 Intermec Technologies、Boeing、Harris、Symbol Technologies 以及 Texas Instruments…等 50 家公司所參與組成,802.15 工作小組主要是 針對 WPAN 在 0~10 公尺小範圍內、資料傳輸速率小於 1Mbps、小型 化、低成本,以及低電力消耗的市場,邀請產業界提出市場需求及技 術的解決方案,其所制定的新標準主要以 2.4GHz 技術為發展基礎, 將可以和現存 802.11 無線區域網路的標準共用,而這項技術也與由 Bluetooth Special Interest Group﹝SIG﹞所主導發展中的藍芽技術相當雷 同近似,所以 802.15 工作小組所發展出來的技術解決方案並不會讓 人覺得陌生,反而有份熟悉感;雖然 802.15 標準可能會因為藍芽發 展的標準而受到排斥,但不論最後大家所採用的標準為何,能與其它 的技術共存使用是這個工作小組的首要原則,所以工作小組強調其所 發展出來的標準有三個主要的目標:具有廣泛的市場應用性、能夠與
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既有標準共存或共同運作,以及能夠被廣泛地使用;也就是強調標準 全球化的重要性,期望建立一套在每一個地方都能夠使用的通訊標 準。

四、關於 IEEE 802.15
與其它的無線通訊協定﹝如:HomeRF、Bluetooth﹞比較起來,IEEE 802 協定主要 focus 在 ISO/OSI Reference Model 中的較低層,比較圖 如下:

IEEE P802.15 WPAN 工作小組被授權發展針對短距離無線網路 內的個人區域網路標準,他們的主要工作就是要建立產業內新興的需 求規格、提供一個公開的討論空間讓各方共同討論提議、定義相關的 名詞以及建立一致的解決方案。 目前 IEEE 802.15 WPAN 的技術特點如下:

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“A”List -”
1. 使用全世界目前還未經認可﹝unlicensed﹞的射頻頻譜分佈,像是 2.4GHz 頻段。 2. 相對於目標設備﹝target device﹞而言,是低成本的。 3. 體積小,約小於.5 立方英寸﹝包含天線和電池﹞。 4. 容易管理的,目前只使用非常低的消耗量。 5. 非同步﹝Asynchronous﹞或非連結導向﹝Connection-less﹞的資料連結。 6. 在同一個區域內能允許多個無線個人區域網路並存﹝400 平方英尺 內能容納 20 個 wireless PANs﹞。 7. 在同一個區域內能允許與多種無線系統﹝例如:P802.11﹞共存。 8. 有 WPAN 網路存取控制﹝Network Access Control﹞。

“B”List -”
1. 設備之間最大的通訊距離約 0─10 公尺。 2. 網路支援最少 16 個通訊設備。 3. Bridges 或者 Gateways 能夠連結到其它的資料網路。 4. 從一個通訊設備﹝device﹞傳送資料到另外一個設備的資料傳輸量 ﹝Delivered Data Throughput﹞約 19.2~100 kbits/s。 5. 在 WPAN 內的所有通訊設備必須要能夠彼此互相溝通、連結。 6. 提出 QoS 以支援多種流量型態﹝traffic types﹞。
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7. 同步﹝Synchronous﹞以及連結導向﹝Connection-oriented﹞的資料連結。 而 P802.15 WPAN 的技術需求與 IEEE P802.11 比較如下圖所示:

五、關於 Bluetooth System
在無線個人區域網路發展技術方面,Bluetooth System 相較而言 似乎更具有代表性。Bluetooth Special Interest Group﹝SIG﹞在 1998 年 5 月由 Ericsson、IBM、Intel、Nokia 和 Toshiba 五大家公司作為原始發 起組織,以參與 Bluetooth 標準規格的制定,在發展一年多的時間內 就吸引了近 2000 家國際上有影響力的公司加入,成為 Adopter 的一 員,參與 Adopter 的成員主要包括無線通訊廠商、電腦系統廠商、電 腦周邊設備廠商以及半導體製造廠商…等,到了 1999 年底,美國的 四大家公司 3COM、Lucent、Microsoft 和 Motorola 也紛紛加入成為
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Bluetooth 的發起組織,使得 Bluetooth 的標準在與 SWAP、IEEE 802.11???等類似應用的標準競爭中脫穎而出。

藍芽技術是由產業聯盟所主導發展的無線網路傳輸標準規格,針 對短距離無線傳輸連結的需求,提供 Data and Voice access points、 Cable Replacement 及 Ad Hoc Networking 三個領域的功能,能夠連結 行動電話、notebook、PCs 及其它可移動性元件等通訊設備,創造無 線語音及數據通訊的環境;而藍芽技術屬於一種系統解決方案,包含 硬體、軟體以及使軟硬體能夠在多種機器上彼此溝通的能力,藍芽規 格定義的是一個完整的系統,而它主要是使用可取得的 2.4GHz ISM ﹝Industrial, Science and Medicine﹞頻段,以確保全世界溝通頻道的並容 性。

藍芽無線個人區域網路系統架構主要分為四個層次:Application Framework、Control Interface、Link Manager 以及 Radio & Baseband, 藍芽系統架構圖與 OSI Reference Model 的比較如下圖:

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每一層各司其職,它們主要的功能分別是: 1. Application Framework 層 提供網路應用時所需要的應用程式界面 : ﹝Application Programming Interface﹞。 2. Control Interface 層:提供通訊設備對 Bluetooth 模組的界面功能。 3. Link Manager 層:提供 Bluetooth 模組通訊協定的功能。 4. Radio & Baseband 層:提供 Bluetooth 模組的硬體功能。

而 Bluetooth 的系統架構與 IEEE 802 協定的對應關係圖如下:

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Bluetooth 根據網路的概念提供點對點和點對多點的無線連結, 在任意一個有效通訊的範圍內,所有設備的地位都是平等的,首先提 出通訊要求的設備稱為“主設備”﹝Master﹞,而被動進行通訊的設備則稱 為“從設備”﹝Slave﹞。利用 TDMA 的技術,1 個 Master 最多可以同時和 7 個 Slave 進行溝通,並和多個 Slave﹝最多可超過 200 個﹞保持同步但 不通訊 一個主設備和一個以上的從設備所構成的網路稱為 Bluetooth 。 的“主從網路”﹝Piconet﹞ 若兩個以上的主從網路之間存在著設備間的通 , 訊,則構成了 Bluetooth 的“分散網路”﹝Scatternet﹞;基於 TDMA 原理和 Bluetooth 設備的平等性,任何一個 Bluetooth 設備在主從網路或分散 網路中的角色,可以是主設備,也可以是從設備,更可以同時是主設 備也是從設備,因此在 Bluetooth 中沒有基站的概念,而且所有的設 備都是可移動的。主從網路和分散網路的示意圖如下圖:

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從設 備 1

從設 備 1 從設 備 4 從設 備 5 從設 備 2

主設備 A

主設備 A
從設 備 2

從設 備 6

從設備3 從設備3 /主設備 B

從設 備 3

Piconet

Scatternet

目前 Bluetooth System 的技術特點如下: 1. 設備之間最大的通訊距離大約在 10─100 米。 2. 主要的小型無線通訊系統在 2.4 GHz 的 ISM 頻段工作,使用了 79 個頻道,頻道間隔為 1 MHz,系統採用數據包的形式傳送資料, 按時分雙工﹝TDD,Time Division Duplex﹞方式工作,而調變技術採 用 GFSK 調變。 3. 最大發射功率分為三個等級,分別是:100mW (20dBm)、2.5mW (4dBm) 和 1mW (0dBm),在 4~20dBm 範圍內要求採用功率控制。 4. 支援同步、連結導向連線和非同步、非連結導向連線,分別是 SCO ﹝Synchronous Connection-Oriented Link﹞和 ACL﹝Asynchronous Connection-Less Link﹞,前者主要傳送語音、影像等及時性強的訊 息,必須在規定的時隙傳輸,而後者則以傳送數據資料為主,可 以在任意的時隙傳輸,每當 ACL 傳輸佔用 SCO 的預留時隙時, 一旦系統需要 SCO 傳輸,ACL 則自動讓出這些時隙以保證 SCO

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傳輸的及時性。 5. 支援 64 kb/s 的及時語音傳輸和各種速率的數據資料傳輸,語音和 數據資料可單獨或同時傳輸;當只傳輸語音訊息時,Bluetooth 設 備最多能夠同時支援 3 路全雙工的語音通訊,而要同時傳輸語音 訊息和數據資料或僅傳輸數據資料時,系統可支援 433.9 kb/s 的對 稱全雙工通訊或 723.2kb/s、57.6 kb/s 的非對稱雙工通訊。 6. 採用 CRC﹝Cyclic Redundancy Check﹞ FEC﹝Forward Error Correction﹞ 、 及 ARQ﹝Automatic Repeat Request﹞,以提高資料傳輸、通訊的可靠 性。 7. 跳頻技術是 Bluetooth 的關鍵技術之一,採用高跳頻速率使得 Bluetooth 系統具有足夠強的抗干擾能力。

藍芽技術可以建立小區域的無線通訊網,也就是前述的無線個人 區域網路﹝WPAN﹞。根據 IEEE 802 標準,任何一個藍芽設備都可以得 到一個唯一的、公開的 BD?ADDR 位址,進而可以使各種電子設備 在全世界任意的小區域內建立設備間的無線通訊網路,因此具有非常 廣闊的應用和市場。

的發展現況與未來展望 六、Bluetooth 的發展現況與未來展望

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Bluetooth 無線通訊技術在經過多年努力發展之後,目前已有某 些廠商推出所謂的雛型產品﹝prototype﹞,而最早上市的產品是去年底 易利信所生產搭配行動電話使用的耳掛式“無線”免持聽筒耳機;至於 其他大多數的廠商則希望能在今年年中推出 Bluetooth 相關產品,一 般預計在 2005 年後 Bluetooth 才能普遍應用在所有資訊及通訊???等各 項產品上。

在元件﹝Components﹞開發方面,目前已有多家廠商投入開發﹝包 括:Ericsson、Nokia、Philips、Silicon Wave、Toshiba???等﹞,大部分廠 商都以開發單一晶片﹝single chip﹞作為產品的終極目標,業界估計 Bluetooth 單晶片初期上市價格約為 25 至 30 美元 大約要到公元 2005 , 年才會下降至 5 美元的售價目標;由於初期單價偏高,只會加裝在高 單價的大哥大手機﹝如:易利信 T28、R320﹞和筆記型電腦內。在 Development Toolkits 方面,目前也有多家廠商正在著手發展, Symbionics 和 Ericsson 已合作推出 Bluetooth 開發環境,該環境整合 Ericsson 的 Radio Module、VLSI 的 Baseband chip 及 Firmware,加上 Interface 及 Application Development Board 而其他公司也將陸續推出 , 其相關元件之 Development Kits。另外,在 Protocol Software 及 Application Software 方面則尚未看到廠商推出具體的發展結果。

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國內在這方面的研究也不落人後,工研院電通所正著手計畫開發 Bluetooth Chipset 元件,而資策會網路通訊實驗室也針對語音及數據 傳輸服務功能,開發一系列 Bluetooth 產品所需的通訊協定軟體,並 轉移給國內廠商,以整合成完整功能之 Bluetooth 產品。 由於 Bluetooth 強調資訊與通訊技術的結合,提供行動電話、可 攜式電腦及周邊設備的無線連結,對於未來通訊網路﹝尤其是無線個 人區域網路﹞的應用提供一個非常寬廣的前景,又因為它強調體積 小、價格低、易於使用,所以更容易受到大家的青睞。

未來待技術發展成熟,以致 Bluetooth 的價格大幅下降後,也會 開始在低價位的手機、數位相機、電腦周邊產品﹝如:印表機、鍵盤、 滑鼠、喇叭、掃描器﹞、傳真機及汽車內部配備﹝如:無線喇叭、麥克 風、車用大哥大免持聽筒、車用電腦配備﹞等上加裝,而能普遍應用 於短距離的無線通訊環境。

最後,當家庭網路也發展成熟的時候,勢必也會廣泛地應用 Bluetooth 在各種家電設備上,包括:電視、音響、電冰箱、冷氣、 電鍋、微波爐???等各種設備,都可能加裝。業界預計到公元 2005 年時, 第三代行動電話每支都會加裝 Bluetooth,筆記型電腦、GSM 手機會
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有八成以上加裝,至於 PDA、電腦周邊產品、掌上型電腦等,也會 有五成以上加裝藍芽。

目前國內個人電腦大廠如:宏碁、神通、英業達、廣達、仁寶, 主機板大廠華碩,PC 周邊設備大廠明碁、致伸,IC 大廠華邦等多家 業者,都已加入「藍芽」的國際聯盟,共同致力推動這項個人化無線 通訊的技術革命。

相信如果 Bluetooth 能夠順利推展與應用,對於台灣的資訊業、 電子業及通訊業都會有很大的衝擊,而更重要的是,對於人類生活的 方式也會有深遠的影響。

七、關於 HomeRF
目前在無線家庭通訊網路系統的發展技術方面,主要以 HomeRF 為基礎。HomeRF 為多家資訊電腦公司、通訊及消費性電子廠商所發 起的業界標準,提出 SWAP﹝Shared Wireless Access Protocol﹞的設計理 念、整合 DECT 網路的語音通訊協定﹝TDMA﹞及 IEEE 802.11 無線區 域網路的數據傳輸通訊協定﹝CSMA/CA﹞,以結合家庭裡的電腦、電話 及消費性電子設備,並提供設備之間無線傳輸、相互通訊 ﹝Communication﹞及相容操作﹝Interoperation﹞的功能,並連結外部的電話
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網路以及網際網路,進而整合成一個家庭無線通訊環境。

HomeRF 的系統架構主要分為三個層次:Applications、Protocols 及 Platform;每一層的功能如下: 1. Application 層:提供系統應用服務,分為無線語音及無線數據兩 種類型的服務;無線語音服務主要提供外部電話的連線、內部無 線分機的接通等功能,而無線數據服務則是提供網際網路服務、 資源分享、印表機分享等服務。 2. Protocol 層:提供網路通訊所需要的通訊協定,包括 TCP/IP 及 SWAP 等通訊協定軟體及電腦裝置所需的驅動程式。 3. Platform 層:提供網路傳輸所需的硬體功能。

目前 HomeRF 的技術特點如下: 1. 使用 2.4 GHz 尚未經認可﹝unlicensed﹞的頻段。 2. 使用跳頻式展頻技術﹝Frequency Hopping Spread Spectrum﹞。 3. 提供 1-2Mbps 的數據資料傳輸速度及最多可支援七人同時使用的 語音通訊。

八、結論與心得
過去兩個星期以來,在蒐集、閱讀相關資料、文獻的過程中,讓
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我對 WPAN 有更深一層的認識,也對 WPAN 的相關發展技術如: IEEE802.15、藍芽???等有初步的了解,更深刻地體悟到繼網際網路這 場大革命之後,緊接而來的就是下一波無線網路的風潮。

可以想像得到我們未來生活或者工作的樣子:桌上型電腦的周邊 設備都是透過無線傳輸,如:無線印表機、無線鍵盤、無線滑鼠以及 無線喇叭等,擴充整體工作環境的空間和彈性;筆記型電腦可以透過 行動電話以無線通訊方式接收電子郵件,行動電話可顯示由電腦上所 接收到的電子郵件訊息,更可以透過筆記型電腦、個人數位助理和行 動電話上的通訊錄資訊的自動同步更新功能同步更新同一份資料,節 省許多工作時間;而無線語音傳輸功能可省略行動電話手機與頭戴式 免持聽筒之間的連線,方便使用者空出雙手工作;利用數位照相機透 過行動電話做即時資料傳輸,節省往返的傳遞時間以及提高資訊的及 時性;更重要的是,未來的我們可以視隨時的需要,就能夠很容易地 建構出一個隨意通訊網路﹝Ad Hoc Network﹞以分享資源,解決網路架 設困難的問題,我個人覺得這將是一個很重要的突破。

雖然目前 WPAN 的發展還只是在初步階段,並沒有一個非常明 確的標準,產品的價格也非常昂貴,但是我對它未來的發展和應用潛 力有絕對的信心,我相信只要多給它一點時間,待技術發展更趨成熟
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之後,它所帶來應用的影響和衝擊將和 Internet 一般,令人雀躍!

我們應該拭目以待!

九、參考文獻
1. 論文 Paving the way for personal area network standards: an overview of the IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks
Siep , T.M.; Gifford, I.C.; Braley, R.C.; Heile, R.F. IEEE Personal Communications , Volume: 7 Issue: 1 , Feb. 2000

2. 網站 http://www.bluetooth.com,此為 Bluetooth SIG 官方網站 3. 網站 http://www.ieee802.org/15/ 4. 網站 http://www.homerf.org 5. 網站 http://www.ericsson.se/ 6. 網站 http://www.ietf.org/proceedings/99jul/ 7. 網頁 http://www.iis.org.tw/gold/techn/tech-3.htm 8. 網頁 http://www.ntpo.nsc.gov.tw/active/no12/d1.html 9. 網頁 http://www.telecomn.com/big5/mobile_comm/Focus8_2000_02.htm 10.網頁 http://www.ietf.org/proceedings/99jul/slides/mobileip-802_15-99jul /sld001.htm

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