无线传输技术在过去五年中呈现了爆炸性的成长。无线数据传输藉由短距离无线技术（例如红外线和蓝牙）进行短暂的试验后，终于在1999年随着IEEE 802.11无线数据网络标准的订定而建立稳固的地位。IEEE 802.11成功的关键因素包括低成本、与既有IEEE 802.3以太网络之间的轻易整合、以及不同厂商产品之间的互操作性等。

不幸的是，无线数据通讯的普及，导致过多辅助性和重迭标准的形成。这些科技有些很容易建置，有些则不然。此外，移动电话业者所提供的数据传输服务（例如GPRS和1X），和宽带业者提供的无线VoIP电话服务，导致无线语音和无线数据通讯之间的界线模糊化。以下为目前现有或不久后将推出的无线传输技术：

随着无线数据传输市场的演进，它很自然的将会朝更有效率的方向发展，亦即无线数据和语音网络二者的统合。问题在于它是否将会成为移动电话（例如3.5G）的一种高速延伸，或者宽带标准（例如IEEE 802.16和IEEE 802.11）的一种VoIP延伸，亦或藉由结合这些标准以满足特定的服务型态。本文将探讨新兴无线技术的技术优点，以及无线技术成功的要素。这些信息有助于工程师更深入了解无线技术的未来方向。

讨论范围

本文将专注于探讨网络型的无线数据传输技术。虽然文中也将提及无线安全性的考虑，但是有关加密技术的细节并非本文讨论的范围。本文将不讨论下述专属性的封闭系统应用，这类应用并不能与其他厂商设备互通：

本文也不讨论单向应用，这类应用的无线讯号通常仅单向传输：

本文也不探讨未涉及无线数据传输的科技，例如纯语音的移动电话服务（1G- and 2G-only）。

成功的无线技术的构成要素

一个成功的无线技术是由下述四大要素建构而成：

大多数情形下，这些要素都必须达到有利的条件，才能构成一个成功的无线技术。以下将分别针对这些要素进行详细讨论。

不昂贵的科技

决定无线技术市场接受性的最大关键在于相对成本，特别是对于消费性应用而言。当研发出一个新技术时，较高的初期成本往往需要经过一段时间才能让市场接受，然而如果有足够的初期客户相信其科技价值，则有助于厂商的工程投资以降低成本，并刺激更多市场需求。关键在于技术本身要够简化到能够提供一个可接受的市场进入价格，同时产生一个合理的未来成本降低时程。理想而言，技术本身应免除权利金。蓝牙之所以未能获得广大接受性（而IEEE 802.11则能）的理由之一就是成本。硬件和软件堆栈的复杂性，导致较高的初期成本，而标准本身的专属性则使其难以在固定的授权费用下，降低任何短期的硬件或软件成本。

过度复杂化的无线规范，通常将导致过高的软件开发成本。较高的作业频率需要配合一个较复杂的硬件设计以及相对降低的生产良率。复杂的无线模块化架构导致终端装置必须设计更多译码硬件（耗用更多功率），因此造成更多的成本。此外，如果无线技术为了确保适当的涵盖范围，而要求每三公里（而非五公里）即需架设传输塔，则其固定建置成本也会增加。所有这些成本都将转嫁到用户身上。

开放标准也在科技成本中扮演重要的角色。开放标准藉由对所有人的公开，以鼓励竞争、互操作性和创新。遵循开放标准设计的产品，通常享有最低的整体成本，而客户也比较倾向于采购以开放标准为基础的无线产品。IEEE 802.11规范成功的部分原因，就是在开发上实行开放标准方法。

少数的用户会愿意负担较贵的价格，以成为新科技的率先拥有者。然而，可以预期的是价格侵蚀（price erosion）现象将随着时间而呈现，让价格可受到更多客户的青睐。固定的基础设施成本可能无法改变，因此成本的降低需要从硬件和软件方面着手。芯片厂商将把许多功能整合到单一芯片并缩减尺寸，而系统整合者则寻求方法减少软件以降低内存储存成本。一旦技术完全稳定后，软件即可以移到ROM以达到进一步的节省。此一成熟趋势已在以太网络卡、拨接调制解调器以及最近的IEEE 802.11b装置上出现过。然而，如果无线技术过于复杂或不断地修正，则需要一段时间才能降低成本。

符合客户需求的科技

客户在选择无线技术时，都有其特定的需求。移动电话要能在涵盖范围内的任何地方都能通讯，而仅能容许适度的语音质量折损；而一个IEEE 802.11网络则要求在住家或办公室环境中，提供合理的高速数据传输率。

无线网络是一项强大的科技，而每天都有新应用被发明出来。如果无线技术没有规划未来的应用支持能力，它将不会那么普及。另一方面，延展性和安全性通常意谓着较复杂的用户设定。一个成功的科技应该在这所有属性之间取得均衡。

延展性

一个可延展的无线技术应该针对未来较高的位传输率、服务质量、范围延伸、功率管理、安全性和行动性等进行规划。这非仅可以确保科技的未来适用性，同时也让服务供货商有机会销售新的功能服务。

要将用户增加到一个既有网络也需要考虑一些事项。目前的移动电话基础设施提供一个庞大的涵盖区域，并且可以延展大量采用TDMA或CDMA多任务技术的客户，以确保每位用户都拥有一个通讯频道。IEEE 802.16标准提供一种类似的架构。然而，这些架构在建置上过于昂贵。

另一方面，IEEE 802.11采用一种类似IEEE 802.3有线以太网络标准的contention-based拓墣架构。多重IEEE 802.11客户端装置（station）将共享一个单一的频道，而数据碰撞将无可避免。由于这种拓墣没有复杂的中央控制器，因此非常便宜，但每一基地台不能延展超过10个无线装置，故只能提供地域性的涵盖。

安全性

一般而言，大多数客户都不愿意他们的移动电话被拷贝，或在开放环境下无线传送信用卡号码。如果这类问题未能快速解决，则安全漏洞所造成的负面效应将对无线技术带来灾难。

无线安全性涉及二个概念：认证与加密。认证程序是用来验证用户拥有合法的无线网络连接权，而若实行相互认证，则可以确保用户连接到一个真实的无线网络，而不是一个未经授权的非法网络。现今的移动电话是透过SIM卡进行认证，但是IEEE 802.11网络并没有广泛建置一个定义完善的认证标准。IEEE 802.11i标准指定采用IEEE 802.1X的port-based认证，但是该标准可能无法和既有的IEEE 802.11网络基础设施兼容。

加密是将实际的数据流量打散，以预防他人窃取无线传输的数据。简单的对称式静态加密钥（称为WEP keys）是定义在原始的IEEE 802.11标准内，用于无线传输链二端的数据加密和解密。然而，由于这种从不改变的加密钥在管理上和本质上的安全缺失，因此呈现了广为人知的安全问题，所以需要一种较动态而能够重新产生新钥的re-keying机制，这促成了WPA与IEEE 802.11i的发展。在新的加密机制下，联机密钥（session keys）采动态方式产生，并且频繁的变更。必须注意的是，高带宽讯号的加密／解密需要耗用较多处理资源，特别是在AES加密方面。大多数无线硬件芯片组将针对此一用途，而设计一个加密引擎，不过对于采用强大加密算法的行动应用而言，功率消耗将是一项令人关切的问题。

讽刺的是，如果安全功能很难启用，则用户可能干脆采非安全模式连接无线网络。试着想像，某位消费者走到陈列一大堆看似相同的基地台（access point）产品柜，然后很谨慎的挑选了一台号称拥有最新安全功能的无线基地台。然而，当他回到家接完线后，却被复杂的安全设定弄混淆，最后放弃尝试而选择使用默认的非保护模式。这真的不是客户的错，制造商需要设法让客户更容易地启用安全功能。随着各家公司皆为了无线传输的安全性而努力，这些设定程序最后将会让人浅显易懂，使终端用户不再伤脑筋。

简易使用性

有线方案（例如以太网络和USB）都超乎想象的简单，只需要接上电缆和简单的组态程序即可。有线方案藉由判断是否存在实体连接来确认用户，但无线网络就无法做到。早期的IEEE 802.11b无线方案特别让用户感到挫折，因为他们当时必须面对一大堆从未看过的新设定，包括SSID、WEP keys、DTIM间距（DTIM Interval）、信标间距（Beacon Interval）、访问控制列表（Access Control Lists）、基本速率（Basic Rates）和支持速率（Supported Rates）等。当然，如果有任何不正确的组态设定就无法联机；相对的，标准以太网络TCP/IP组态则不需要担心一般网络联机问题。作者回想2001年在一项IEEE 802.11大会中，当时与会者有超过一半具备IEEE 802.11功能的笔记本电脑，无法连接到IEEE 802.11b基地台。

IEEE 802.11装置制造商面对蜂拥而至的电话支持，以及客户退货，于是很快就建立一个「自动组态」设定选项，简化客户的设定程序。一旦科技变得容易使用时，就能获得广大支持。

移动电话实现了最高的「简易使用性」概念；这项概念的终极目标是要将科技隐藏起来，让客户不用顾及科技的细节部分。消费者使用移动电话就像使用一般电话一样简单便利，因此促成这项科技的广大接受性。

可靠的技术

很明显的，无线技术必须是可用的。更明确的说，客户对于此项技术的认知应符合产品营销所宣称的涵盖范围和效能。就像万有引力定律一样，无线通信同样有一些不能忽略的物理事实。以下将探讨关于无线通信行为与限制。

自由空间损失

一个可靠的无线连接必须在发射和接收两端都拥有强大的讯号强度，而仅允许最低限度的干扰。距离、功率、天线尺寸和工作频率，都会显著影响无线效能，一如自由空间损失（free space loss）方程序所示：

Pr = PtGtGr（λ/4λR）2

其中

Pr = 接收端功率

Pt = 发射端功率

Gt = 发射端天线增益

Gr = 接收端天线增益

λ = 辐射讯号波长

R = 发射器与接收器之间的距离

上述方程序显示，接收端功率随着发射器与接收器之间距离的线性增加，而呈现指数下降。该方程序也显示，接收端功率取决于发射端功率以及发射和接收两端之天线增益（antenna gain）。天线增益越高，经由无线讯号的发射与接收也越能达到更高的效率。

再者，在固定发射功率下，接收端功率将随着λ（辐射讯号波长）的增加而增加。由于λ和频率成反比，因此这意谓着接收端功率会随着频率的增加而呈现线性下降，这是因为较高的频率在自由空间会更快速的衰减。如果你在一个固定的「发射－接收」距离条件下将射频增加一倍，那么你也将需要增加一倍的发射功率，才能在原有的射频条件下达到相同效能。

带宽

Shannon信道容量（channel capacity）方程序描述在特定带宽条件下的最高理论比特率：

C=W log2（1 + S/N）

其中

C=W log2（1 + S/N）

C = 信道容量（bits）

W = 带宽（hertz）

S = 讯号功率

N = 噪声功率

S/N = 讯号噪声比（signal to noise ratio） = 10 log （SNR），例如，1000 for 30 dB SNR

绕射、反射与吸收

无线电波的另一项特性是能够绕过角落、表面反射以及穿透实心对象。许多因素决定一个无线电波的绕射、反射与吸收性质，例如表面的导电性和对象密度等。然而，如果这些因素维持常数而频率提高，则无线电波将会减少绕射及反射、并且穿过实心对象时会有较高的吸收率。一旦频率超过约10GHz，则除了极短距离外，讯号就只能做到视线传输（Line of Sight；LOS）。

无线技术所采用的频率调变类型，将影响整体效能。正交分频多任务（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；OFDM）调变的特性，让其特别适用于多重路径环境，例如住家或办公室。另一方面，直接序列展频（Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS）和跳频展频（Frequency Hopping Spread Spectrum；FHSS）调变则比较适用于开放环境和行动应用上。由于这些无线电波特性模型的拋物线方程序过于复杂，因此不再此讨论，有兴趣者可以从Maxwell的方程序导出这些特性。

取舍

增加射频频率似乎会产生许多用户不希望见到的效应，那么为何不使用较低频率？其理由有几点，兹分述如下：

这对客户而言代表何种意义？它意谓着大多数宽带无线服务将需要位于LOS或NLOS（Near Line of Sight）频段，以支持成长中的高带宽应用的需求。不幸的是，这表示典型行动装置将因为无线应用所采用的高频和大带宽，而需要耗费较高的功率。也因此客户将无法享受如同第一代模拟移动电话般的漫游涵盖范围，而且电池寿命也将成为客户关切的问题。这对于无线技术设计师而言，是一项持续的挑战。

政治与营销对科技支持之影响性

政治与营销的影响性是任何科技必须面对的一项变量。大多数人都知道1980年代的VHS和Betamax录像带格式之间的战争，其结果告诉我们当强大的营销力量介入时，最好的技术方案不见得都会是赢家。重要的是，要知道谁在支持某一特定无线技术，以及其支持的理由为何。

当电子电机工程师学会（IEEE）于1999年建立802.11a标准时，它被视为是一项优于IEEE802.11b的标准。它提供更大带宽（54Mbps vs. 11Mbps）和更多非重迭的信道（8 vs. 3），而室内涵盖范围则大致上相同。有趣的是，用户被说服升级至IEEE 802.11g（这项标准相对于IEEE 802.11b而言并不算是一个多强的扩充）以达到较高的IEEE 802.11a比特率。IEEE 802.11g之所以赢了，是因为它拥有较多制造商支持，而不是它的功能较为强大。

如果某些国家要求实行特定版本的无线标准，以便让他们自己的科技产业受益，那么要开发一个全球性的方案（除了不同国家之间的频谱配置之外）将特别困难。最近的例子像是IEEE 802.11a对抗欧洲的Hyper LAN，以及中国希望建立他们专属的无线网络标准等。欧洲移动电话标准和北美标准之间的不兼容也是一个经典例子。虽然他们或许可以藉由此种策略获得短期的区域性利益，但长期而言，制造商的「主场」优势并不利于用户，因为他们无法获得一个全球标准所代表的经济规模。如果存在一个全球性的标准，则可以免除将多重科技复制到一支单一的移动电话和多重相同的基础设施，那么移动电话一定会更便宜。

现有科技与问题

传统上而言，信息网络（例如有线电话网络）和初期的移动电话标准（1G、2G）都是以语音为主。若要确保自然的语音通话必须要能维持低于100微秒（millisecond）的延迟，故这种电路交换式系统强调的是低延迟。即使像是传真机和拨接调制解调器此类的数据服务需求成长时，这些科技也只是单纯的被增加到电路交换式网络。

过去十年来，随着网络的兴起所带动的数据服务需求已远超乎语音服务。当一个网络被设计用于支持大量应用时，才算得上有效率，因此服务供货商竞相采纳以数据为中心的分封交换式网络（packet-switched），取代以语音为中心的电路交换式网络。

不幸的是，分封交换式网络在提供低延迟语音通讯方面的功能并不理想。因此，现有的GSM、CDMA和TDMA移动电话标准仍利用电路交换式信道以支持语音通话，而网络的链接则采用分封交换式的GPRS和1X延伸以提供数据通讯。

其他类型的无线分封交换网络，例如IEEE 802.11，则因为承袭了IP-based分封交换网络的延迟问题，因此难以为语音通话提供可靠的服务质量（QoS）。这个问题目前正透过多种专属性的方案解决，因为服务供货商和电信业者都尝试藉由一个分封交换网络为用户提供串流媒体和VoIP网络电话功能。这些市场的成长都将受到局限，直到QoS达到标准化的一天。

IEEE 802.16标准提供一个类似分时多任务存取（TDMA）的网络拓墣，为每一个作业中联机（active connection）提供部分带宽确保，试图藉此解决QoS问题，然而这并无法排除其余分封Internet（IEEE 802.16网络所连接的部分）的QoS问题。这些网络在提供串流媒体和VoIP功能时将继续面对挑战，直到能够将一个完整的端对端QoS标准建置到整个网络，或是网络容量出现戏剧性的提升以协助舒缓延迟问题。

新的3G移动电话网络拓墣承诺较高的数据传输率：307Kbps（CDMA2000）和384Kbps（UMTS）。然而，这些速率仍然无法和单纯的数据网络（提供megabits等级的带宽）例如IEEE 802.11与802.16相提并论。人们现在仍然需要部署个别的语音和数据网络，除非传统语音网络和纯正数据网络之间的差距缩小。

值得注意的是，用户愿意容忍较低的语音质量，以换取其他效益（例如行动性）。目前的GSM、CDMA和TDMA标准利用一种较高的压缩率，以达到最大的带宽使用，因而造成语音质量的折损，但并不会降低影响到通话。毕竟，移动电话的通话质量很难达到使用传统地面线路电话的质量。

无线标准

现行的IEEE 802.11a/b/g标准（Wi-Fi）正快速朝低成本迈进，如同V.92拨接调制解调器和10/100以太网络卡的情形。不过，目前仍有一些重要的功能强化发展（参见附录词汇列举的IEEE 802.11工作小组）。可以被预期的是，当用户对于拥挤的2.4GHz空间感到挫折时，将会对IEEE 802.11a（5.3/5.8GHz）重新产生兴趣。

一些新的宽带无线数据标准（IEEE 802.16、802.20和802.22）已被发展出来，目的是为了解决固定和行动宽带应用需求。然而，从目前移动电话市场在宽带数据存取方面的发展看来，我们无法得知这些标准是否真的能占有一席之地。

目前的2G和2.5G移动电话网络（GSM、TDMA、CDMA、GPRS、1X）试图在语音和数据通讯需求中寻找平衡，但是用户需要等到3.5G网络出现才能获得超越拨接调制解调器的传输速率。此种升级程序可能需要数年的时间，而单纯支持数据通讯（data-only）的无线标准（例如IEEE 802.16）将先出现。

未来趋势

更大带宽

随着以太网络速率的发展，对于数据传输率的需求将更高。无线标准，特别是针对固定式无线通信（fixed wireless）而发展的标准，未来应该规划支持更高的传输速率，而且要有足够的弹性以依照每位用户的需求，来配置不同的带宽，以发挥最大的频谱效率。例如，无线USB支持超过1Gbps速率，IEEE 802.11标准支持较高速率的强化版IEEE 802.11n，而IEEE802.16标准也可支持变带宽连接的强化版IEEE 802.16.d。

电池寿命和无线范围

IEEE 802.16及其他新兴无线标准将解决IEEE 802.11的无线涵盖问题，而且还可提供大家所期待的高传输率，确实令人感到振奋。然而，面对可用频谱的限制和用户数量的增加，其可能要求降低有效范围以支持较高用户密度，或者要求采用固定的点对点无线链以降低和其他用户的干扰。再者，这些新宽带科技将采用高过移动电话或IEEE 802.11设备的频率，这意谓着讯号比以往更倾向视线传输（LOS）。

同样的，我们也可以很高兴的想象未来3G和3.5G移动电话网络，在享有如同现今无线范围的同时，仍可提供宽带传输速率。就这方面而言，另一个要解决的问题是：电池寿命。

功率的定义是指频域（frequency domain）内之无线讯号的积分。更简单的说，频率曲线底下的面积代表讯号传输时所需的功率。较大带宽需要更多频谱或频谱密度，而这代表需要更大的功率。例如像超宽带（Ultra Wideband；UWB）等科技，允许讯号散布在一个较大的频谱，因此能达到较低的整体讯号噪声比（SNR）。但是在曲线底下的总面积（亦即整体功率），等同于一个在较高频谱密度作业之较小带宽讯号。

这对于行动用户而言代表何意义？今天的2.5G移动电话提供一个有效的30Kbps数据速率。根据Shannon方程序，为了让一台拥有1Mbps数据速率的掌上型装置，使其通讯范围达到与移动电话相同，发射功率将需增加33倍。而功率的增加，显然将对电池寿命构成严峻的挑战。

行动宽带装置将需要新的电池科技，以支持今日的无线技术。此外，这些新的无线标准，也必须能够规划动态功率和动态频率配置，以充分发挥功效。

服务质量

现在的2G、2.5G和3G移动电话网络利用电路交换式连接，为语音流量提供适当的服务质量（QoS）。然而，串流媒体例如影音应用则属于分封交换式，不论是移动电话网络的数据报套接字（GPRS和1X），或者纯数据网络（IEEE 802.11和802.16），都无法忽略数据流量的服务质量（QoS）需求。

问题的起点在于无线网络数据流量与Internet交会的地方。现今的IP-based网络在QoS方面未能让人满意。TCP/IP协议的设计目的是要提供高效率的封包传输，而非提供使用电话时所期待的语音优先效率。IP-based网络的不确定性本质，让VoIP和串流媒体内容供应者感到头痛，因为IP-based网络并没有万用的QoS方案。

这项问题在contention-based无线IP网络拓墣（例如IEEE 802.11）更为严重。除了讯号衰减和外部干扰之外，数据碰撞也将随着用户的增加而大幅提高，结果造成大量的封包丢弃或多次重试，因此进一步降低或延迟数据传输。如果数据必须通过一个无线网状网络的多段接续（multiple hops），则整体延迟很快就会变得让人无法接受，特别是对于VoIP而言。未来的IEEE 802.11e标准将解决一些QoS问题，但不幸的是，它要求支持的IEEE 802.11设备也必须具备IEEE 802.11e兼容性，然而有大量的IEEE 802.11设备并无法透过韧体升级至IEEE 802.11e。除非客户愿意采用一种专属性或单一厂商方案，否则IEEE 802.11将无法在最近提供适当的QoS功能。

安全性

未来的IEEE 802.11e标准将解决一些QoS问题，但不幸的是，它要求支持的IEEE 802.11设备也必须具备IEEE 802.11e兼容性，然而有大量的IEEE 802.11设备并无法透过韧体升级至IEEE 802.11e。除非客户愿意采用一种专属性或单一厂商方案，否则IEEE 802.11将无法在最近提供适当的QoS功能。

虽然现在有数种认证方法存在（包括2G及后继移动电话网络的SIM卡），不过未来的趋势仍朝向采纳ITU X.509数字认证或者IEEE 802.1X认证结合ITU X.509数字认证。数字认证提供弹性，可以延展到所需的安全层级，若有需要的话也能予以取消。IEEE 802.16和IEEE 802.11i标准都已规划采纳数字认证，不需要使用SIM卡即能提供以网络为基础的安全性。

数据加密方面，诸如IEEE 802.11和IEEE 802.16数据网络正转移到提供动态密钥再生成（regeneration）的先进加密标准（AES）。硬件厂商正积极开发优化AES加密引擎，以降低功耗和提升数据处理效能。

除了以UWB或ZigBee-style网络为基础的极短距网络之外，利用认证服务器和数字认证的方法可能将成为一种强制的要求。强大的加密将扮演越来越重要的角色，协助预防揽截攻击（man in the middle）和保护敏感性的数据。其挑战在于如何建置强大的安全性，而不会折损效能或让客户面对更多组态设定问题。大多数IEEE 802.1X认证系统仍将仅采用服务器认证，例如EAP-FAST、EAP-PEAP和EAP-TTLS，直到客户端数字认证机制变得较不复杂化。

互操作性和网状网络

网状网络（mesh network）如果建置正确，应能大幅增加今日IEEE 802.11网络的涵盖面和容错能力。然而，无线网状网络标准，例如IEEE802.11s和IEEE 802.16f，数年后才会出现。在此同时，虽然有数种专属性方案可供采纳，不过这些方案设定过于复杂而且可能没有解决QoS问题。于是，在目前网状网络技术仍为专属性情况下，除了在校园或企业内部等封死循环境以外的领域，成长将极为有限。

现今存在许多无线技术，而且还有更多正在发展中。很重要的是，必须确保一个无线建置符合现在与未来的网络需求。选出一个赢家或许是件困难的工作，但藉由检视无线技术的优点，我们将更易于做出决策。

许多科技失败的原因在于建置程序过于复杂化，而另有些则需要投资昂贵的硬件。然而在多数情形下，科技失败的最简单理由是因为它未能符合用户的期望。当我们在构思一个新的无线技术时，应谨记这些概念。

---本文由Wind River Systems提供---

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