無線網路展頻(Spread Spectrum)技術
本文將介紹一些展頻技術，包括:
- UNII(Unlicensed National Information Infrastructure )
- ISM(Industrial, Scientific, and Medical)
- DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)
- OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
- FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)
UNNI
UNNI基本上是美國FCC 為無線區域網路設備指定的頻段集合。這些bands被分成不同的群組(如上圖所示)。
- U-NII-1頻段跨度為 5.15–5.25 GHz，提供了 100MHz 的運作頻譜。由於該頻段的範圍有限，因此特別適合室內無線區域網路部署。
- U-NII-2其覆蓋頻率範圍為5.25GHz- 5.3GHz。該頻段的無線區域網路設備也可以存取 100MHz 頻譜。
- U-NII-2A 擴展頻段從 5.35 GHz- 5.47 GHz，提供了額外的 120MHz 頻譜，這些頻段通常用於戶外部署，可以使高功率無線區域網路設備實現更長的覆蓋範圍。
- U-NNI-3頻率範圍從 5.725GHz — 5.85 Ghz。且此頻段為無線區域網路設備提供了100MHz的頻譜。
在某些情況下，頻道165可能被認為是佔據5.815GHz- 5.85GHz之間頻譜的ISM頻段的一部分。例如，頻道165可用於需要連接到行動單元的AP的生物醫學設備、在U-NII-2A與2C內運行的Wi-Fi網路。
有一個重要的要求稱DFS(Dynamic frequency selection)。這項要求源自於需要確保Wi-Fi設備避免與可能使用相同頻段的雷達系統干擾。DFS 作為 Wi-Fi 的一種機制，可以動態選擇頻率並主動監控無線電環境中是否存在任何潛在的雷達訊號。其目的是防止 Wi-Fi 設備對雷達系統造成干擾，雷達系統對於航空、氣象監測和軍事行動等各種應用都至關重要。
有了 DFS，Wi-Fi 無線電會定期掃描其正在運行的頻道以偵測雷達訊號。如果偵測到雷達訊號，Wi-Fi 無線電必須立即撤離該頻道並選擇沒有雷達活動的其他頻率。現在，這個動態選擇過程有助於確保 Wi-Fi 網路與雷達系統和諧共存，最大限度地減少干擾的可能性。
ISM(Industrial, Scientific, and Medical)
ISM 頻段涵蓋了專門為工業、科學和醫療設備無需授權操作保留的一系列無線電頻率。在這個頻段內，有三個不同的頻率範圍便於通訊和操作，即 902-928MHz、2400-24 83.5MHz 和 5725-5875MHz。
各種應用都利用 ISM 頻段來滿足連線需求，其中最顯著的例子包括 Wi-Fi、藍牙、Zigbee、固定電話、無線電話和微波爐。這些設備利用 ISM 頻段的免授權特性即可運作。
DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)
DSSS是一種將無線電頻道的頻寬劃分為較寬的頻帶，然後透過不同的頻率分別傳輸的技術。這種方法有助於實現可靠的資料傳輸並最大限度地降低干擾風險。那麼這實際上是如何實現的呢？它會獲取我們想要傳輸的資料訊號，並將其均勻地分佈在分配的頻譜內的一定頻率範圍內。
這種擴展有助於我們避免干擾並確保我們的訊號清晰地傳輸。這就像為我們的資料提供一個寬敞的空間，使其能夠順利傳輸，並進一步增強我們傳輸的可靠性和安全性。
DSSS為每個訊號分配一個獨特的正交頻率序列(orthogonal sequence of frequencies)，這意味著每個訊號都有自己特殊的一組頻率可供使用，從而減少了受外部來源干擾和故意干擾的可能性。
DSSS直接將資料訊號與高位元率序列(high bit rate sequence)組合在一起，這意味著不是按原樣傳輸資料，而是原始訊號中的每個位元都由傳輸訊號中的多個位元來呈現。這就像為我們的資料增加了一個提升，從而獲得更好的效能和更高的容量，而 DSSS 可提供高達 11Mbps 的速度。
現在，DSSS的開始處是承載著需要傳輸訊息的原始訊號，原始訊號是整個過程的基礎。因此調變器(modulator)在DSSS過程中起著至關重要的作用。它採用原始訊號並將其與稱為碼片(chips)的高位元率序列結合。而這個組合過程是透過一個叫做碼片級調變(chip level modulation)的過程來進行的。調變器本質上是將原始訊號乘以碼片序列(chip sequence)，並將原始訊號擴展到更寬的頻帶上。
碼片產生器( chips generator)產生高位元速率的碼片序列，這些碼片本質上是一系列二進位值，通常稱為碼片代碼(chips code)。碼片產生器會產生一個與要執行的特定傳輸相關的唯一碼片代碼(unique chips code)。
發送者和接收者都知道這個代碼，這使得他們能夠同步通訊。一旦原始訊號與碼片序列通過調變器進行組合，就會得到擴頻訊號(spread signal)，擴頻訊號是一種頻寬更寬的訊號，佔據了其頻譜的較大一部分。它由透過片碼級調變過程擴展到多個頻率的原始訊號組成。這種擴展有助於提高訊號抵抗干擾、雜訊和衰落效應的能力。因此，擴展訊號透過通訊通道傳輸，而在接收端，該過程則相反。
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
OFDM是一種廣泛用於無線通訊的技術，尤其是在 Wi-Fi 網路環境中。現在，它的基本原理是將無線通道分成許多個窄帶子載波(narrowband subcarriers)，這些子載波彼此獨立或正交(orthogonal)運行，從而最大限度地減少干擾。
OFDM為 Wi-Fi 帶來了相當大的推動力，因為它能夠平行傳輸更多資料。透過利用多個子載波，Wi-Fi 設備可以同時傳輸資料的不同部分，從而實現更高的資料速率並增強網路容量。這種平行傳輸能力就像高速公路上有多條車道，每條車道容納單獨的資料流。
此外，由於子載波是正交性的(orthogonal)，因此它是一種非常好的抗干擾緩解策略，這使得它非常適合擁有大量設備的高密度環境，並且子載波之間的非重疊頻率最大限度地減少了它們之間發生干擾的可能性。因此，這裡的底線是OFDM 有助於實現更高的資料速率並增加 Wi-Fi 網路的容量。
OFDM中不同的子載波具有特定的作用(如上圖)。
- 導頻子載波(pilot Subcarriers)用於幫助同步頻率偏移校正和通道估計(synchronization frequency offset correction and channel estimation)。它們攜帶已知資料，接收器可以使用這些資料來校準和調整訊號。
- DC子載波(Direct current Subcarriers)用於以零頻率傳輸訊息，它們有助於DC平衡和載波恢復，並確保訊號正確對齊且無失真。
- 資料子載波(data subcarriers)承載著需要傳輸的實際資料，並且這些子載波可以根據訊號品質和可用頻寬調整為不同的調變方案。
- 保護子載波(Guard subcarriers)用於防止因無線通道延遲擴展(delay spread of the wireless channel)而引起的訊號間干擾，並充當資料子載波之間的緩衝區，以最大限度地減少通道延遲擴展的影響。
甚麼是延遲擴展？ 正如我們已經在其他無線網路文中提過的，無線訊號由於發射器和接收器之間的反射可以採取多條路徑。因此，這些保護子載波(Guard subcarriers)充當緩衝區，以最大限度地減少延遲的影響。
Frequency hopping Spread Spectrum(跳頻展頻)
FS 是一種用於無線通訊的技術，它利用多種頻率來傳輸資料。但是，資料訊號並不局限於單一頻率，而是被分成多個小資料包，每個資料包通過不同的頻率進行傳輸，這種方法有助於實現可靠的通信，同時減少 FHSS 中的干擾和雜訊(noise)。
用於傳輸的頻率按照發送方和接收方都知道的預定模式變化，這種模式允許協調和可預測的跳頻，透過不斷改變頻率，可以最大限度地減少干擾和雜訊對無線通訊的影響，FHSS 提供了更高的安全性其他展頻技術。不斷的頻率變化使得竊聽者或干擾者難以攔截或破壞通訊。
動態跳頻(Dynamic frequency hopping)增加了隨機性，從而增強了安全性。跳頻時間是指跳頻過程中在每個頻率上所花費的時間，FS 就像從一塊墊腳石跳到另一塊墊腳石。
發送方和接收方就預定的跳頻模式達成一致，該模式指定了在移動到下一個頻率之前在每個頻率上花費的時間。而且這種模式在設備之間同步，另一方面確保了無縫通訊。
Dwell time
停留時間是指設備在跳頻序列期間停留在特定頻率的時間。這就像在跳到下一塊踏腳石之前在踏腳石上中間時間。該設備在每個特定頻率上花費固定的時間，然後轉換到下一個頻率和跳變模式，並按照具有特定跳變(hopping pattern)和停留時間的預定模式從一個頻率跳變到另一個頻率。
FS(跳頻) 提供以下效益
- 它有助於減輕干擾和雜訊對無線通訊的影響，因為訊號頻率快速變化，任何影響一個頻率的干擾對通訊的整體影響較小。
- 增強了傳輸的安全性。正如我們所提到的，頻率的變化使得竊聽者或干擾者難以攔截或破壞通訊。
讓我們來看看 Wi-Fi 的一些主要版本以及他們現在使用的傳輸方案 802.11 Prime 同時使用了 DSSS 和 FHSS，並且轉向 11b，它專門使用直接序列(direct sequence)作為其傳輸方案。
- 802.11a採用OFDM作為其傳輸方案
- 802.11g 結合了直接序列(direct sequence)和 OFDM，並且依靠OFDM進行資料傳輸
- 902.11ac 在 802.11a X 模組中也採用了OFDM
