WLAN之ISM與UNII頻帶釋疑(擷錄部分)

WLAN之ISM與UNII頻帶釋疑(擷錄部分)

ISM 頻帶的特色是「牛驥同皁」，也就是所有的設備都可使用(共有制)；而UNII頻帶帶給WLAN族群的好處是純粹作通訊使用，故不會有微波爐等干擾情況出現。

Hedy Lamarr在二次大戰期間提出跳頻展頻(FHSS)的構想並申請專利，她自德國逃到美國而成為好萊塢紅星，可惜FHSS被軍方秘密採用，也沒付給Hedy任何權利金！

FHSS之後有了DSSS(直序展頻)，後來又有了OFDM技術。這三種技術在軍中被廣泛採用，直到民間業者不斷爭取無需執照的商業運用，聯邦通訊委員會(FCC)才在1986年開放902~928MHz(簡稱900MHz頻段)，2.400~2.4835GHz(簡稱2.4GHz頻段)，以及5.725~5.875(簡稱5.8GHz頻段)等三段頻帶，稱為ISM(Industrial、Scientific與Medical)頻帶。

市面上出現許多的ISM設備，如Walkie Talkie、嬰兒監視器、無線話機、塑膠袋封口機、微波爐等，而由於902~928MHz可用的國家並不多，廠商多已朝2.4GHz開發這些設備，目前這設備更開始朝向5GHz發展，例如不少微波爐業者在開發5GHz磁控管，若成本允許，則5.8GHz微波爐很快將上市。

ISM Band的特色是「牛驥同皁」，也就是所有的設備都可使用，因此其使用效率遠高於其他頻段。論起此頻帶對國家的實用性，國防用途或行動通訊都得靠邊站，筆者預測美國的MMDS頻道(2.1、2.5與2.7GHz)應遲早會落到WLAN的地盤，雖然3G行動通訊業不停在遊說FCC希望取得這三個頻道，而且看來2.1GHz落袋已沒問題。

1996年各國政府都在推動國家資訊基礎建設(National Information Infrastructure；NII)計劃而增加不少光纖通訊設施，美國政府為弭平數位落差，而再開放了無需執照的UNII(Unlicensed NII)頻帶，期望新的通訊業者能藉由這個頻段，以低廉的價格提供消費者寬頻服務，使得全民都能有機會上網而不會造成Internet弱勢族群。

UNII頻帶帶給WLAN族群的好處是純粹作通訊使用，故不會有微波爐等干擾情況出現。但是UNII頻帶在5GHz中共有三段，分別是UNII-1的5.125~5.25GHz、UNII-2的5.25~5.35GHz，以及UNII-3的5.725~5.825GHz三段；而UNII-3竟然與ISM頻段中的5.8GHz重疊，故讓許多人產生了疑惑。

FCC功率規定與計算

UNII-3設備只能用於室外，其輸出功率規定與ISM相同；亦即若使用全向天線，則輸入天線的功率(Intentional Radiator；IR)為1W、天線的輸出功率(Effective IR Power；EIRP)為4W。假設一個6dBi的全向天線，若輸入功率是1W，亦即30dBm，則天線的輸出功率就是36dBm，亦即4W。

要了解IR及EIRP的計算，必須知道dB、dBm、dBw、dBi等觀念。

dB就是分貝(Decibel)，假設有一個放大器能將輸入的功率放大10倍，若套到10×Log(x)公式，則為10×Log(10)=10×1=10，亦即提昇10個dB，我們說該放大器的增益為10dB。因為100^.3=2，故10Log(2)=3，所以3dB表示2倍。

同理，4dB表示2.5倍、5dB表示3倍、6dB為4倍、13dB為20倍、60dB為100萬倍、90dB表示10億倍。

我們再定義一個1/1000W為一個dBm，m表示 Milliwatt。因為10×log(1)=0，故0dBm表示1mW，而10dBm為0dBm的10倍，亦即10mW，13dBm為20mW；若dB數為負值，則為縮小的倍數，如-90dBm為10的-12W，亦即0.000000000001W。dBw的w表示1W，故1dBw=30dBm、20dBw=50dBm、0dBw表示30dBm。

dBi的i表示Isotropic Antenna，這是一個理想天線，它能以球狀方式向外發送能量，而且天線本身不會產生損耗。這種天線實際上作不出來，太陽可算一個實例。但數學模型很容易建立，故任何天線都可與Isotropic天線比較且定義其增益值。故理想天線本身的增益值一定是0dBi，且它的立體放射圖形一定是球型。

若找到一支0dBi的天線，是否表示它是理想天線？需檢查其特性曲線圖形是否為球型，通常是全向或半方向天線。全向天線在水平方向為360度，但垂直方向有限，好比一個甜甜圈。故若某全向天線為0dBi，表示其水平方向(增益最大方向)等於Isotropic天線的能量，而其它方向的增益比Isotropic天線小，表示被天線本身衰減掉了；此時我們不必討論Isotropic天線的輸入功率，因為輸入功率等於完全被以球面平均放射而出。

考慮3dBi的全向天線，表示其水平方向之增益等於Isotropic天線的2倍，若本身無衰減，則垂直方向的角度為上下各45度，這相當於無損耗的理想天線，不可能做得出，故實際產品約在上下30度。

考慮一個16dBi的全向天線，為理想天線的40倍強，扣掉衰減，180度除以60為3度。想像機房若使用上下角度只有3度的天線，它只能對四周幾乎相同高度的大樓做傳輸，故全向天線不可能有人做超過16dBi的天線。

若水平角度也能壓縮，例如20dBi的盤式天線，假設水平與垂直角度各縮小10倍，亦即水平36度與垂直18度，取平均則各為27度，在扣掉衰減因素，則放射角度各為20度以內。衛星盤式天線的角度通常在2度以內。角度兩度的天線很貴，且安裝時需對得很準，大風都可能會影響其方向。WLAN所用的高方向天線通常不會超過30dBi。

假設你有一張SMC的2532W-B 23dBm，亦即200mW的PCMCIA WLAN網卡，而將其直接接上30dBi的天線，亦即IR是23dBm，則EIRP輸出是200W，亦即53dBm。家用微波爐內也只有750W，若你在30dBi天線前站5分鐘，身體某處會開始冒煙，肉會變黑！

前述的超高功率網卡是駭客最愛，因為他可以躲得很遠而以高方向天線進行偷聽或干擾動作。一般WLAN網卡只有13dBm，亦即20mW。

FCC對於ISM Band的功率規定，是依據天線而分為兩大類，若是全向天線則屬於PtMP(Point-to-MultiPoint)類，若為方向性天線則為PtP(Point-to-Point)類。PtMP的規定很好記，EIRP的最大值為4W，亦即36dBm，例如IR功率為30dBm，則天線最大增益為6dBi。

PtP則需死背一個起始值，也就是前例。當IR為30dBm，方向性天線的增益為6Bi，則EIRP為最大值36dBm。當天線的增益越高時，EIRP可適當提昇。FCC規定若dBi自6dBi每增加３個dBi，IR只需相對降低１個dB，故若搭配30dBi的高方向天線，IR需降低8dB。所以22dB的IR配合30dBi的天線，則輸出為52dBw。所以前述的SMC卡片搭配30dBi天線使用，已超過了FCC許可範圍，不過52dBm也約160瓦，同樣非常危險。故這些高功率天線的使用，務必聘請RF職業安裝人員來完成。

對2.4GHz與5.8GHz的ISM頻道功率規定有所了解，尤其是搭配外接天線時，心中需隨時有這些功率觀念，才會產生危險意識。

UNII頻帶

當UNII三段頻帶被推出時，WLAN業者自是鼓掌歡迎，因為他們的主要市場是在室內運用。但做室外橋接器的廠商則很不是滋味，因為UNII-3頻帶竟然含在5.8GHz之中，表示室外通訊設備還是得「牛驥同皁」，而無法得到清靜的傳輸頻道。

UNII-1為5.15~5.25GHz，只能做為通訊使用，不見得只有802.11a設備能存在，Bluetooth 2.0及HiperLAN 2都可用這一段頻帶。它的天線必須與設備一體成型，即使用者不能自行更換較高增益天線。若天線為4dBi，則最大IR為50mW，即EIRP為200mW，只能用於室內，而且Bluetooth 2.0與HiperLAN2看來產品不會出現，故UNII-1的802.11a設備目前能享受清爽而無干擾之頻道。

UNII-2為5.25~5.35GHz，亦只能做為通訊使用，其天線不見得必須與設備一體成型。若天線為4dBi，則最大IR為250mW，亦即EIRP為1W，可用於室內或室外；UNII-2的802.11a設備目前亦能享受清爽而無干擾的頻道。

因為只有這兩個頻帶可用於室內，主攻室內設備的WLAN廠商只對這兩個頻道有興趣，而且有不少廠商的設備同時支援UNII-1與UNII-2頻帶。FCC規定這些設備必須符合UNII-1的規定，只能用於室內，EIRP最大傳輸功率為200mW，且天線必須與主機連為一體。

UNII-3為2.725~2.825GHz，與5.8GHz的ISM頻道的前段有80％重疊。因為屬於ISM之一段，其功率規定與ISM幾乎一樣，但調變方式還是略有不同。UNII-3對於調變方式幾乎沒有任何限制，但ISM則原來只有FHSS與DSSS兩種，於2001年5月才在2.4GHz對WiLAN的OFDM設備開放特許，故造成802.11g大轉彎，而放棄PBCC改朝OFDM發展。

UNII-3設備若使用全向天線，最大功率規定為EIRP 4W，若搭配方向性天線，則幾乎沒有限制。

做2.4GHz與5.8GHz橋接器的廠商，一直在向FCC哭訴，想要一塊只有通訊設備存在的乾淨頻帶，這個願望不太容易實現。

新的UNII-2頻段

FCC於今(2003)年5月15日公佈NPRM(Notice of Proposed Rule Making)將開放5.470~5.725GHz頻段作為UNII-2使用，將使得UNII總頻寬由300MHz增加80％而達525MHz，這對傳統WLAN廠商又是一個大利。此NPRM由6月4日開始算120天內若無反對意見，將交由國會立法而生效。

由於此NPRM頻道有歐洲血統，故歐洲規定的DFS(Dynamic Frequency Selection)及TPC(Transmit Power Control)功能，也將包括於UNII規定之中；亦即不只這段新頻道，將來原有的UNII也需支援DFS及TPC功能。DFS能讓設備避開正被使用的頻道，TPC能依據彼此距離而自動降低彼此的傳送功率，這兩個是非常重要的節約頻道使用功能，筆者覺得2.4GHz不久亦將採用這個功能。

NPRM又再度打擊了橋接器廠商，因為其目的是增加UNII-2，而非UNII-3的頻帶。雖然UNII-2也可用於室外，但功率僅為UNII-3的四分之一，故室外橋接器的廠商均專注於5.8GHz系統的製造。雖然橋接器廠商不斷遊說FCC，但FCC認為以數量上而言，802.11a WLAN設備還是遠勝於室外橋接器的市場，故將NPRM的新頻道作為UNII-2使用，等於是採中庸之道，讓WLAN或橋接器廠商兩者都可使用。

橋接器廠商感覺不平的是，NPRM提出的頻道是為了與歐洲ETSI所開放之頻帶吻合，但ETSI在此頻帶的可用功率與UNII-3吻合，為何美國要將頻率降低而成為UNII-2？

目前已有橋接器廠商推出「雙環」橋接器產品，以UNII-2照顧半徑5公里以內的客戶，而以5.8GHz照顧半徑5公里外而達20公里的客戶，這是很有創意的雙頻設備。目前各UNII頻帶均有4個頻道，故室內或室外各有8個頻道可用，未來若NPRM將UNII-2增加10個頻道而達14個頻道，則UNII能提供室內或室外各18個頻道可用，而2.4GHz ISM卻只有3個頻道可用。

2003年6月ITU在日內瓦的WRC-03 (World Radio Conference)會議，各國承諾對UNII開放一致的頻段，所以FCC才會有NPRM的提出，以與ETSI一致，預計台灣很快會跟進美國的動作，故UNII在全球的通行比率會超過2.4GHz。在台灣只有UNII-2及UNII-3可用，UNII-1可能是軍方有特殊用途。在美國UNII-1只能用於室內且功率最小，顯然在室外有很重要的用途存在，例如巡弋飛彈的導航。大陸是全球唯一規定2.4GHz只能用在室內的國家，而5GHz需要使用執照的頻帶，只能用在室外。

FCC的調變規定

關於調變技術的規定，FCC原先有很嚴格的規定，現在則越來越寬鬆。例如802.11標準推出之時，FHSS系統在30秒內必須多次掃描完畢整個75個頻道，平均在每個頻道停留的時間(Dwell Time)不得超過0.4秒。例如一傳送者每個頻道使用100ms作為Dwell Time，則需7.5秒再多一點，可以掃描完75個頻道(每個頻道100mS)而回到最初頻道。會多一點時間的原因是額外的Hop Time。重複4次會使得每個頻道使用了400mS，而總時間剛好超過30秒一點點(＞7.5秒×4)，此點符合FCC的規定；另一例子，是FHSS的Dwell Time為200mS，則能在30秒內掃描2次。

由於2000年8月31日FCC採用WBFH(Wide Band Frequency Hopping)的NPRM，而改變了FHSS之相關規定，造成「8/31/2000之前」及「8/31/2000之後」的2種規定，且FCC讓廠商選擇使用何者，因此廠商若推出FHSS系統，可選擇其中任何一種規定。若選擇其中一種規定，則設備必須完全符合該規定。

在2000年8月31日修訂為一組跳躍只需跳躍15次，但也有它的需求。例如若每個頻道為5MHz寬，則最大功率為125mW。因為若頻道越寬，則傳送所需功率可以越低，這是展頻系統的基本特性。簡單地說，FCC要求跳躍次數乘以頻道寬度必須為75。例如若跳躍為25次，則頻寬為3MHz；若跳躍為15次，則頻寬為5MHz；若跳躍為20次，則頻寬為3.75MHz。

注意只能選擇「8/31/2000之前」及「8/31/2000之後」，而且不能混合這兩種規定。HomeRF 2.0為唯一採用WBFH的系統，可惜由於不敵WLAN，而於今年2月宣佈解散。

關於DSSS的限制，FCC有Processing Gain的需求。DSSS技術為了克服Multipath等現象所造成的信號損壞，而將資料信號以較高速度的Bit順序作傳送，稱為Chipping Code或Processing Gain。好比我們要將「1」送出，但實際上我們送出了10個「Chip」，表示Processing Gain為10。很高的Processing Gain能增加信號抵抗干擾的能力。FCC規定的Processing Gain至少需為10，而大部分的產品都採用小於20之值。IEEE 802.11的DSSS則將Processing Gain定為11。

例如802.11使用的Barker Code以11個Chip的「00110011011」表示1，另以「11001100100」表示0，假如接收到的信號是「00110010111」，則與「1」比有2個錯誤，而與「0」比則有9個錯誤，所以收到的信號一定是「1」。所收到的信號雖有部分錯誤，但不影響資料的傳輸。

若使用的Chip越多，即表示Processing Gain越高，也就是克服不良環境的能力越強。這些Chip是依照順序在22MHz寬的Channel中送出，故任一瞬間此22MHz的信號均相同，也因為這頻道很寬，所以展頻系統能克服窄頻干擾。

在2001年5月10日，FCC開放2.4GHz之OFDM產品的同時，另外對DSSS與FHSS的規定也更為放寬。關於DSSS，FCC取消了Processing Gain的限制；對於FHSS，FCC允許一次以1MHz跳躍15次即可，即它可Bypass許多頻道而不做跳躍，原來的規定是每次必須跳完整個75MHz才能重新開始。此舊規定讓藍芽會嚴重干擾DSSS系統的運作，故許多運用802.11b技術的場合，貼有「禁用藍芽」標誌。有了此規定，希望未來的藍芽系統，能聰明地跳過802.11b或802.11g系統所正在使用的頻帶。

FCC對於WLAN還有許多使命待完成。WLAN 橋接器廠商真正想要的是開放低於4GHz之頻帶，因為頻率越低，則NLOS(Non-Line-of Sight)的性能越強，即RF信號可用其天生較佳的反射、繞射與不易被牆壁吸收等特性，可以像手機信號一般地無所不在；且能讓傳送者與接收者之間沒有直接路徑，彼此還是能夠互通。