生活中的通訊科技
94/12/08
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涂世雄｜
中原大學電機工程學系研究所
黃宗賢｜
中原大學電機工程學系研究所
倪明輝｜
中原大學電機工程學系研究所
打開通訊系統的先鋒
傳呼系統是最古老的個人通信，也是最簡單的技術，當然也是最便宜的。
傳呼系統是一種單向的通信系統，以廣播的方式傳送信息給一個人或一群人，它具備高效率的頻率使用特性，它的廣播功能更是大多數通信系統所無法提供的功能。
當傳呼系統技術演進時，資料的格式變得更多樣化。例如人們俗稱的呼叫器（B.B.call），最簡單的就是當有人要聯絡我們時，呼叫器可以告訴我們對方的電話號碼。在1990年代所開發的呼叫器已比較成熟，有的可以顯示呼叫者的電話號碼，有的可以接收文字訊息如電子信件，最先進的呼叫器甚至可接受事先錄好的數位語音的語音郵件。
日常生活的好幫手
在我們日常生活中，最常見的通訊工具就是電話，而無線電話系統是20世紀70年代所發展出來的一種行動通信方式。最初的無線電話是一種在類比方式下工作的無線電話，俗稱子母電話，一般稱作第一代無線電話。它適合在室內使用，和普通的電話相比，省去了話筒與主機之間連接的線，而採用無線連接的方式，因此帶來很多方便。
在1980年代，無線副機都是類比式的。無線副機的主要限制是只能在距離主機一段有限的距離裡面使用，一般而言是在50～100公尺範圍內。類比無線電話因為技術簡單，安裝簡便，成本比較低，又能為我們日常生活帶來不少的方便，所以發展很快，目前它的應用幾乎遍及世界各地。
類比無線電話雖然發展很快，應用非常廣泛，但也有一些難以克服的缺點，如保密性差、語音品質不高、抗干擾能力差、容量也小。因此在1980年，英國便有幾家公司開始研究解決這些問題，於是產生了第二代無線電話，我們就稱它是CT2。1989年首先推出了CT2系統，正式投入商用。隨著CT2標準的推出及公眾無線電話服務在英國的推展，在世界各地引起強烈反應，許多國家紛紛進行開發研究，為無線副機增添了不少的生力軍。
走到哪說到哪
不知各位有沒有想過，我們天天在講的手機有一段長遠的發展過程。最原始的手機是類比式的行動電話，行動電話系統採用先進行動電話系統AMPS，剛推出時話機的體積很大，發射和接收部分還需要另外用手提的，很不方便，最麻煩的問題是保密性非常差。
提到了行動電話就不得不說GSM這一套行動通訊系統。當行動電話的時代來臨時，美國和歐洲使用了非常多的系統，而這些系統彼此又不能相容，讓這些系統的研發工程師傷透了腦筋。後來歐洲決定要整合這些系統，因此GSM系統就應運而生。
GSM由多個行動電話交換中心組成，而行動電話交換中心是由交換機和通訊設備組成的，每個行動電話交換中心可以管轄好幾個基地臺。行動電話網路由許多蜂巢細胞網組成，每個蜂巢的通訊範圍由一個行動電話基地臺負責。
當我們用手機和朋友通電話時，信號由基地臺透過無線電傳到行動電話交換中心，再傳到公眾電話交換網，再送到朋友的手機。這條路徑是雙向的，也可由朋友的手機打到我們的手機。
當我們從一個行動電話基地臺，到另一個行動電話基地臺時，手機會自動把資料傳到下一個基地臺，這種動作稱為換手。這對GSM系統而言非常重要，如果不這麼做，我們就沒有辦法在另一個基地臺通話了。
雖然GSM通訊系統有攜帶方便、保密性較高等優點，但還是滿足不了我們的需求，因為我們想要的是可以上網的手機，GPRS就因應了這個需要而出現了。
目前最流行的無線通訊系統，當屬GSM行動電話通訊系統；在有線通訊系統上，則是當紅的網際網路。儘管這兩種網路系統都蓬勃發展，但是因為GSM網路的連線是以電路交換方式，而網際網路上的資料傳遞，採用封包交換的方式，導致彼此間的網路幾乎都是獨立運作，並不互相連接。
所謂GPRS簡單地說，就是把封包交換的概念引進GSM的系統中。而GPRS這種服務，就是在現有的GSM網路上，加上幾個數據交換節點，因為數據交換節點具有處理封包的功能，所以GSM網路能夠和網際網路互相連接，而GSM網路無線傳輸的便利與網際網路資訊的豐富能彼此共享。GPRS手機和基地臺間的傳輸速率，最高可達到160 Kbps，比起現在GSM用來傳輸資料的9.6 Kbps速率，可說是大幅提高。
GPRS的網路架構是在現有的GSM網路架構上再增加兩個新的網路設備節點，分別是SGSN與GGSN，他們具有封包處理與傳送的功能。SGSN負責記錄在服務區域內有哪些使用者，若是使用者傳送的是屬於封包的資料，經由判斷會把封包的資料傳給SGSN，由SGSN做封包的交換與傳輸。GGSN是GPRS與外界網路的一個閘道，因此能把外界網路的封包傳送到GPRS網路，或把GPRS網路內的封包傳出到外界的網際網路上。
來自太空的傳聲筒
當我們抬頭仰望星空時，映入眼簾的是點點繁星，但是你可曾注意到在地球的外圍，還有一群默默幫我們傳遞訊息的衛星，正在不停地運轉。
由於衛星通信具有涵蓋大區域、單點對多點及裝設迅速等其他通信系統難以比擬的特點，同時其用途廣泛，不僅可把現有細胞式行動電話延伸至高山、僻野、海上和航空器中，也因具有較寬的頻寬與全面覆蓋的優點，可以有效提升與整合電信服務領域。
一般而言，通信衛星大都屬於同步衛星。這類衛星固定在地球表面上方35,787公里的軌道上，與地球維持同步旋轉，因此可視為地球上的固定點而稱為同步衛星。由於衛星廣播範圍很大，彼此之間也可以互傳訊息，只要有3顆相距120o 的同步衛星，幾乎可以對全球任何地方（除了南北極某些地區外）傳送資料。
到處都可以上網
資訊發達的時代，人們會要求訊息能夠立即掌握，但是面對著一臺笨重的桌上型電腦，不免讓人洩氣。對於數位資訊，以往受傳統網路架構的限制，使用者只能在某一特定範圍內連上網路，這對資訊的取得是一個十分嚴重的限制。因此，建立一個可以隨時隨地上網的無線網路環境，的確是十分迫切的需要。
由於無線區域網路的架設比較不受地形的影響，有施工容易、工時短的優點，一般使用者只需要安裝無線網路卡，再加上一部可移動的資訊裝置，像是筆記型電腦、PDA，就可以輕鬆地隨時隨地取得網路上的資源。
目前所採用的無線區域網路（WLAN）的標準，是依據國際電機和電子工程師協會（IEEE）所公告的標準。
展頻是目前WLAN中使用最廣泛的傳輸技術，原本是由軍方為避免信號擁擠和被監聽而發展出來的，它又可分為跳頻展頻和直序展頻兩種展頻技術。
跳頻展頻是在2.4 GHz頻帶以1 MHz的頻寬劃分成75～81個無線電頻率通道，並且使用接收和發送兩端一樣的頻率跳躍模式接發訊號及防止資料擷取。
直序展頻技術是把原本0與1的高功率、窄頻寬的位元訊號，透過虛擬隨機序列和相位移轉技術，轉變成低功率、寬頻帶（在2.4 GHz頻帶，分成13個頻道，每個頻道頻寬是5 MHz）的載波訊號，這些轉變後的載波訊號被稱為spreading chips，chips數愈多可以增加資料安全性，愈低則增加使用者數目。
微波主要用於大樓間LAN網路連接，這需要使用到碟形天線，而且天線必須在我們看得到的範圍內。使用紅外線傳送資料，雖然效果較不理想，但是在短距離的傳輸中卻是綽綽有餘。
至於無線區域網路互相連接的方式，主要分為有網路互通基礎建設Infrastructure和無線網路卡點對點互通Ad-Hoc兩大類。
所謂Infrastructure，就是由裝有無線網路卡的電腦連上無線集線器，再由無線集線器幫忙連結到有線的網際網路。Ad-Hoc的方式則是有數個筆記型電腦，而這些筆記型電腦都安裝了無線網路卡，在一個小區域裡，彼此以點對點方式通訊，和Infrastructure不同的是Ad-Hoc不用連上有線的網路。
集合行動方便、傳輸速率快與成本低於一身的WLAN是目前的當紅炸子雞，未來值得我們好好地注意，因為它的潛力無限。
麻雀雖小五臟俱全
為了有別於無線區域網路和手機系統的架構，無線區域迴路應運而生。所謂的無線區域迴路，是應用數位無線電波來提供通訊。無線區域迴路與行動電話的最主要差異，在於通訊範圍的限制，無線用戶迴路一般使用固定式電話機，不能提供漫遊的功能。另外一方面，因為無線區域迴路不需要專用交換機，所以無論是系統或手機費用都比行動電話低廉，這一點對開發中國家的通訊，或是布線與線路維護困難的地方，提供了很大的幫助。
對於無線區域迴路的應用而言，類比蜂巢式技術有許多優點，類比蜂巢式技術的一個蜂巢範圍，比數位蜂巢式的蜂巢範圍有更大的涵蓋區域。但是它也有缺點，例如類比蜂巢提供較低的網路容量（摩托羅拉的窄頻AMPS技術除外）。除了這些之外，和有線傳輸技術（64 Kbps）比較，由於一般類比或數位蜂巢式技術都提供較低的用戶位元速率，根據取樣原理，這樣會導致較差的語音品質和較低的數據傳輸。
雖然說蜂巢式技術擁有上述的弱點，但由類比蜂巢所衍生的無線區域迴路技術，仍繼續被用來提供基本電話服務。主導蜂巢式技術的大廠，堅信在無線區域迴路市場起飛之後，目前廣為採用建設行動通訊的蜂巢技術，將在量產和經濟層面的考量下，成為不可或缺的重要解決方案。
地球的嚮導
時代在變，世界在變，當然我們也要跟著變。在過去，航海家如果沒有了羅盤便會失去方向，而身處在高山或曠野的人，沒有了地圖便會迷路，今天完全不用怕，因為全球定位系統（GPS）會幫我們找到回家的路。
衛星定位系統是以全球為範圍，利用衛星找出物體精確方位的系統。GPS裝置利用衛星通訊把接收器的位置顯示在地圖中，透過衛星導航系統，協助我們判別位置。
每個衛星都持續發射載有衛星軌道資料及時間的無線電波，提供給地球上的各種接收機應用。GPS主要由24顆繞極衛星組成，分成6個軌道，繞行地球1周約12小時。
地面管制站是為了追蹤及控制衛星運轉而設置的，主要工作是負責修正與維護每個衛星保持正常運轉的各項參數資料，確保每個衛星都能提供使用者接收機正確的訊息。
我們使用接收機追蹤所有的GPS衛星，就可以立刻計算出接收機所在位置的座標、移動速度及時間。GPS現在正被汽車導航系統、可攜式電腦設備（如車用電腦、筆記型電腦、PDA等）、無線手持式設備（如大哥大、呼叫器、個人定位器等），以及消費性產品（如手表、航海用定位器等）所採用，未來會有更多樣的接收機加入，GPS的應用會更廣泛，迷路這個名詞就可以丟掉了。
