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若您是通訊網路(DataComms)世界十年以上的老手，應該記得乙太網路的Switch產品是如何誕生的。大約在1991年時，也是Xerox的PARC(Palo
Alto Research Center)在1970年發明Ethernet的21年後，Kalpana公司才提出Ethernet
Switch產品，非常成功的Kalpana在1993年被Cisco以高價併購 (有關Ethernet
Switch，詳情可參考筆者於網路通訊雜誌1995年6月之文章「透視Switch在區域網路的設計與運用」) 。在Wireless
LAN方面，802.11於1997年定案，802.11b(Wi-Fi)與802.11a於1999年定案，於今年–以1997年開始算的5年內–WLAN
Switch概念與產品就出現了，感覺上，造福人類新技術出現的腳步愈來愈快了，活著真是好。
到底什麼是WLAN Switch？其觀念在天線上的變化。
何謂『Active Antenna』(主動式天線)？
主動元件是指例如電晶體等需要電源的元件，被動元件是指例如電阻等不需電源的元件。放大器內部因有電晶體而需要電源，在天線之中藏有放大器的天線，稱為Active
Antenna。例如放在室外直撥衛星(DBS-Direct Broadcast
Satellite)電視用的小型碟型天線，在碟型天線前端支柱上藏有接收用的LNB(Low Noise Block)。LNB是一塊LNA線路版(PCB)，而LNA(Low
Noise Amplifier)是RF接收端的放大器 (發射信號用的放大器則稱為HPA-High Power Amplifier)
。因為接收衛星電視訊號的天線只需接收，故只含有LNA而無HPA於其中。LNB同時將頻率由載波(Carrier
Frequency-例如2.4GHz)降至中頻(Intermediate
Frequency-簡稱IF)，再使用電纜將IF送至室內Set-Top-Box中的Tuner設備作選台，再被降到電視頻道用的0 ~ 6
MHz的基頻(Baseband)；若使用Passive
Antenna於此情況，則電纜需直接將頻率高很多的載波送至室內。這種電纜很貴，距離也拉不長，故直撥衛星都使用Active
Antenna。在此順便介紹一下Superheterodyne與Direct-Down-Conversion(或Direct
Conversion)。Superheterodyne亦即前述(包含中頻)之Two-Stage-Down-Conversion系統；Direct
Conversion又稱為ZIF(Zero IF)，指系統直接將載波降至基頻。若所有元件存在同一機殼，使用ZIF較省零件。預計1995年時所有無線設備使用ZIF的比例將高達95%，例如手機、AP等。但若用在直撥衛星，則ZIF無法發揮，因為IF必須存在於機體之外，因機體分為室外主動式天線以及室內的機頂盒(Set-Top-Box)，那麼LNB的電源由那裡送入？它直接使用IF電纜將DC送入。
何謂『Smart Antenna』(聰明天線)？
內含DSP的天線即可稱為聰明天線，DSP當然需要電源，故聰明天線也是一種主動式天線。Array
Antenna即屬聰明天線，Array
Antenna是由多個天線垂直排成陣列狀而組成一個360度水平全向天線，再依據每支天線所收到的訊號，由DSP運算找出對方之通訊角度。當Array
Antenna集中於某個角度時，其通訊距離可以比全向模式遠。若您的年紀夠大，應該見過塔台所使用的不停在轉向的天線，如今這種天線已不存在，而以Array
Antenna取代。若再使用類似CDMA的功率能隨距離調整的技術於天線之上，或使用Pulsed
Radar更精確的測出距離，這種Array
Antenna能以干擾最少的方式，使用最少的功率，以最短的Beam與對方通訊。亦即此Array Antenna RF
Beam的其他方向完全不受此Beam的通訊干擾。好比探照燈的光束(Beam)只針對某個方向照射，而且光束亮度會依距離自動調整。若再使用多個DSP，它能同時擁有多個RF
Beam，亦即同時能與多個設備互通。完全不像傳統無線系統需利用FDMA(1G)、FDMA+TDMA(2G)、WCDMA(3G)等方式達到多人同時使用的效果。若要筆者為它取個名字，不妨稱為BFMA(Beam-Focusing
Multiple Access)，BFMA完全將傳統xxMA(不管其為FDMA、TDMA、WCDMA等等)之上再加一個Dimension。例如一個CDMA
Cell涵蓋720支手機，若此基地台天線使用500個Beam的BFMA技術，一個基地台的容量可提升達500倍(達到360,000支手機)！亦即傳統基地台的數目可大大降低。BFMA完全是一種無線通訊上的產業革命，可以想像若1G的時代即出現BFMA，則2G的容量擴增的功能相形渺小。未來2G/3G使用BFMA的比率將日漸增加。
航空母艦天線技術下放民間
想像一艘航空母艦同時遭受10枚飛彈襲擊，它使用Multiple DSP Array Antenna加上雷達功能的BFMA天線，可同時鎖定這10枚飛彈的方向、距離、速度。在此簡述它是如何利用四個功能達成的：(1)單一DSP
Array Antenna能得出1枚飛彈的方向。(2) Multiple DSP Array
Antenna能得出10枚以上，甚至上百枚飛彈的方向。(3)送出CW(Continuous Wave) RF
Wave，以都卜勒(Doppler)理論利用彈回之RF波的頻率上升幅度可算出飛彈接近的速度。(4)Antenna送出一個Pulse後轉天線為接收模式，測量Pulse來回之時間以計算距離(戰鬥機所使用的Pulsed-Doppler
Radar即為第3、4項的運用)。雷達的運用，不像Wireless的單向(Simplex)通訊，更不像雙向(Duplex)通訊。這並不代表雷達系統的天線比Wireless系統簡單，但是Wireless系統可以將雷達天線的技術包含進來。
太空衛星天線常使用Multiple
Beam。例如Footprint為全美國地區的一顆赤道上方3萬7千公里高的同步衛星(GEO，Geographic-synchronous
Earth
Orbit)，若要將全美地區劃為500個Cell以接收500種資訊，其「翅膀」上的天線需能射下500個Beam。在赤道3萬7千公里高處(國際組織規定衛星最小距離之角度為2度，故最多只能有180個同步衛星於赤道上空)，同步衛星的「翅膀」可長達好幾公里，翅膀上的天線可由500個Element組成，故不見得用到更複雜的BFMA之Multiple
Beam Smart Antenna，它的複雜度在於忍受日夜溫差達數百度的材料技術方面。它比BFMA簡單的地方是每個Beam的方向是固定的，亦即不需要能追蹤對方之「位址鎖定」功能。
可以顯見BFMA結合了國防與太空科技上的天線技術，其複雜度不難想像。
將BFMA與WLAN結合造就了WLAN Switch
試以802.11b為例，在2.4GHz
Band的14個Channel中(在美國，FCC規定只能用其中的11個Channel)，Channel
1中心頻率為2.412GHz。假設某教室的AP使用Channel 1，Bandwidth為11MHz，但由於CSMA/CA 、MAC
Header及Control/Management Frame等Overhead因素之下，造成Throughput
Rate只有大約5.5Mbps。若這個教室有30個人同時使用WLAN
AP連接Internet，因為AP觀念上類似HUB，所以每個人分到的頻寬只有183Kbps。若這台AP配有30個Beam的BFMA技術，則每人都能享受到Switch觀念上的全速5.5MHz
Throughput Rate，也就是AP的速度提升了30倍。這種WLAN
Switching的LAN端往往需要極高的速度，例如Giga-bit Ethernet。
WLAN Switch用在室內
例如一棟辦公大樓要使用WLAN，只需要在大樓之外約100公尺放置一台500個DSP的Switch，可以照顧整棟大樓各樓層共500人(或500人以上)同時使用，若此Switch的天線能同時支援兩個Channel(例如Channel
1與Channel
11)，則可以支援1000個Beam，且可以設定為只照射此棟大樓之內部空間，也就是大樓外之街道與停車場都設定為不予照射。
安全性
WLAN
Switch用在室內的安全性方面，正如Ethernet Switch的觀念，每位使用者因只利用一個細細的RF Beam與WLAN
Switch連接，而Switch依據Destination MAC
Address而將此Frame送到另外一個Beam或LAN端，不像Ethernet
Hub或AP，先以廣播方式收到Frame，再將收到的Frame依據其Destination MAC Address而將此Frame廣播到WLAN上或送到LAN端。故以無線端而言，WLAN
Switch以兩個Beam連接兩位使用者；而AP則不論傳送或接收，都是廣播模式。若使用者在移動，想要Hijack該使用者的Beam是不可能的。
WLAN Switch可設定為某個MAC
Address只能使用於某一層樓(例如某層樓屬於某一公司)，某個MAC
Address則能在整棟大樓使用(例如警衛)。除了被動式的禁止某些人於某地使用WLAN，更可以主動結合Security
Monitoring系統，監控任何人在任何地方的WLAN使用情形，若發現未經授權人士於未經授權處所企圖使用WLAN，能夠當場指出其所在地點並鎖定住該駭客。這對War-Driver是一大打擊，他們以提供那裡能夠免費使用WLAN上網的資訊並公諸於WEB上為樂(甚至用地圖方式表現以方便查詢)，這在未來可能造成公司資訊主管去職。
定位系統
不像GPS只能用在室外，WLAN的定位功能則能不分室內外。像在一個大賣場中 父母能隨時掌握幼小兒女行蹤多好。目前的WLAN定位系統，如芬蘭的Ekahau以及美國的Newbury都有Proprietary技術的產品。Ekahau號稱能定位到誤差一公尺之內，與Differential
GPS相當，並且不需要使用特別的AP。這兩家公司都不透露其技術為何，筆者猜測需要重疊的BSA(Basic Service
Area)，亦即3~5個重疊的AP區域，再利用類似GPS的運算達成。WLAN
Switch若用於定位技術上，不需額外設備即可達成，如此一來Ekahau或Newbury只能存在像精密定位等Niche
Market而被邊緣化。結合WLAN定位的應用軟體系統稱為LEN(Location Enabled
Network)系統，它提供軟體人員全新的開發領域與想像空間。
WLAN Switch用於室外
國外的室外WLAN系統多達數十家，最暢銷的Alvarion系統並不使用802.11b(或稱Wi-Fi)，而用Proprietary
FHSS方式於2.4GHz或5.8GHz上。但不論是Wi-Fi或Non-WiFi，這些ODU(OutDoor
Unit)都可結合Switch技術。但是不像900MHz很容易做到的N-LOS(Non Line of
Sight)或先進的2.4GHz及5.8GHz之NLOS系統，可以在被擋住的情況下仍能互通。BFMA天線需仰賴LOS(因為BFMA需要LOS，這也可以算是它的特性。若Client移動到Beam照不到的地方時，需要GPRS/3G的Roaming來搭配，故筆者預測所謂第二代WLAN
Switch需要搭配GPRS/3G的Roaming/Billing功能)。若有一個涵蓋100平方公里的基地台，客戶端都是位於不會移動的大樓頂端，那麼LOS限制就不是問題(只需找到一個與基地台為LOS的地點安置AP)。設想此基地台的每位客戶都能使用全速且客戶數依Beam數增加而無理論上的限制。傳統基地台碰到容量問題時，只能將原先的一個Macro-Cell切割為多個比較小的Micro-Cell，此時機房的取得與管理就可能是問題。利用了BFMA的技術，甚至連傳統的機房數都可以降低。試想這種技術若是成熟，從由小而大的HotSpot，到Neighborhood
Area Network(NAN)，再到HotZone，甚至MAN的觀念都會被革命，大家彼此的距離定義顯然沒有意義。在美國，Intel與IBM及多個Cellular
Phone Operator(行動通信業者)所進行的秘密計畫(Project Rainbow)想整合全美國的HotSpot之策略亦須改弦更張，不急著投入。假設在前3年，80％以小公司為主的HotSpot業者均賠本收場，最後落得以Switch技術為主的業者以低價搶進此市場，使用總價十分之一不到的Switch
AP(基地台)佔據整個城市，現有WISP以及HotSpot業者只能以悲劇收場。舉例而言，美國的Rocochet及台灣的曜正所使用的Non-Wi-Fi
AP 裝在路燈或電話亭等市府資產上以達成全市涵蓋，假設台北市需要4,000路燈(使用)執照，若使用WLAN
Switch，則可能只需要100個以內之制高點即可(路燈無法做制高點)。可以想見WLAN Switch對於WISP/HotSpot之影響不可大意。
WISP業者輕鬆提供AAA (Authentication, Authorization &
Accounting)
WISP業者傳統使用全向天線以照顧約半徑10公里以內的用戶，配合WLAN
Switch的方向性可以確定某用戶頂樓的接收端AP只有特定的MAC Address或User ID可以進入基地台的WLAN
Switch。HotSpot頂端的接收端AP亦然，可以設定為只能讓某些ID進入。
WISP業者除了能大幅降低WiPOP(Wireless
Point-of-Presence，亦即基地台)數目之外，更能集合(Aggregate)用戶端的AAA/Roaming/Billing於一台Server。WISP業者的客戶包含家庭、SOHO、HotSpot以及各個小中大型企業等。試想如果現今每個HotSpot都使用不同的「固網業者」連接Internet，由於各個HotSpot被打散，無法使用上述具有整合性且低價的AAA/Roaming/Billing之大區域集中型Server。
HotSpot老闆輕鬆開店
如前述，HotSpot老闆傷腦筋的WLAN
Roaming/Billing，甚至WLAN與3G或2.5G的Roaming/Billing系統都不必使用，只需在WLAN
Switch端解決這些問題即可，更甚者是HotSpot老闆可脫離使用有線電信業者的DSL/T1/Cable
Modem等寬頻上網方式。因為HotSpot頂端的AP會與基地台的WLAN
Switch以無線高速通訊(Backhaul)，這種無線Backhaul連線觀念本來只用在電信業者本身，例如基地台與之上的MSC(Mobile
Switching Center)之互通，現在WLAN
Switch將無線Backhaul技術價格降到人人可以使用(筆者不敢想像固網業者之未來空間安在！)。假設台北原來增加到400個HotSpot就停滯不前，配合了WLAN
Switch Backhaul技術，馬上可以跳升到4,000個HotSpot以上。
Smart Antenna用於Ad-Hoc模式
前述所言還只是將BFMA用在WLAN
Switch，這是屬於802.11 Infrastructure Mode的運用。有不少研究單位甚至假設Smart
Antenna價錢繼續降低，造成End User Device都能享受結合了Smart
Antenna與Peer-to-Peer(或稱為Ad-Hoc Mode)的運用。WLAN
Switch由於同時需支援多人連絡，需要有Multiple Beam功能，但對於Client
Device而言，只要一個Beam就可以，故筆者以Smart Antenna稱之。例如將Smart
Antenna用在4G的手機上，當你打出一通電話，先是使用WISP基地台或4G的Mesh
Network找到對方(很多人猜測4G基地台將為輔助，而以Peer-to-Peer之Mesh架構為主，4G的MAC層為WLAN加上Mesh，Physical層可能為OFDM，因為基地台幾乎用不到，總架構價格將降為3G的1％以下)，假設對方就在你身邊，則手機的Smart
Antenna天線能自動降低功率，以方向性彼此鎖定對方，之後的通話費完全免費，原因是從此開始講話不需要用到基地台的資源，而且頻寬還可以釋放給其他人使用，因為講話所使用的載波只存在於兩個人之間的短距離。若兩人屬於不同樓層(這稱為Cellular
Mode自動轉為Infrastructure Mode，再自動轉為Ad-Hoc的Super-Roaming功能)，一台WLAN
Switch亦能以兩個Beam鎖定同棟大樓不同樓層的兩個人，一樣造成最少干擾與最大化頻寬使用。
Ad-Hoc的WLAN使用到Smart
Antenna也能發揮極佳功能。例如三個朋友約在某咖啡店見面，大家分別拿出PDA使用Ad-Hoc互通，他(她)們的通訊不僅充滿整個咖啡店，讓War-Driver等旁人偷聽的機會，PDA中的資料也可能被偷竊或損毀，更不用說這三個人的通訊影響了咖啡店HotSpot服務的頻寬，以及其他Ad-Hoc的頻寬(其他Ad-Hoc及HotSpot服務也面臨同樣問題)。考慮當Client
Device具備一支Single DSP Array Antenna的話，前述的三個朋友之間只存在三條細細的RF
Beam連接彼此，不僅安全性大大提升，使用的頻寬也完全不影響其他人。此時各個國家所開放之不同Channel或Frequency
Band的定義也變的沒有意義。例如在日本不能使用5GHz，而需使用4.9GHz。
道高一尺，魔高一丈
WLAN
Switch的出現固然讓WLAN使用者如虎添翼，安全性也大幅提升，但別忘了駭客或War-Driver也會以子之茅攻子之盾，使用Smart
Antenna或BFMA Antenna作被動式資料竊取，甚至主動式搗蛋。例如某大樓只使用傳統 AP，駭客可利用BFMA掃瞄整棟大樓外牆，檢查那片牆壁沒有鋼板隔絕或那扇窗戶沒有使用格狀鋼絲而造成RF外洩，以一般PDA的接收靈敏度而言，RF只外洩20公尺，但BFMA
憑其極高靈敏度可躲在100公尺外進行活動。想到這裡，不難了解未來的辦公大樓外牆設計及結構會如何改變，使用者採用WLAN
Switch的速度也會加快
(想想商機有多大)。第二階段則進入使用者全面用Switch以對抗駭客的Switch，筆者很難猜測到時候的情況會如何！筆者可以確定的是商機很大，當Stage2
Switch剛推出，平均只要駭客取得一台，至少可再賣1,000台給使用者。自古以來魔道之爭從未停歇，IT與網路「安全性」一向是最重要的課題，Wireless「安全性」的牽涉範圍及知識大大地超越傳統有線通訊，WLAN
Switch更將Wireless「安全性」的知識難度推到最高，因WLAN Switch會將WLAN的使用者再推升到另一水準，逼得「IT與網路安全性專家」馬上須從RF基本知識開始進入RF，進而Wireless、WLAN、Switch的世界。
結語
講到這裡，不難想像WLAN
Switch所發揮的Disruptive Technology之革命性效果影響層面有多廣 (請參見Clayton M.
Christensen所著：Innovator’s Dilemma來了解Disruptive
Technology意義)。筆者試舉一個Disruptive
Technology例子，當長途電報線於中國鋪設時，清朝的600里加急快騎就壽終正寢。筆者實在不敢斷言BFMA對未來WLAN世界，甚至有線電信事業的影響有多大。
傳統鄰近Cell Size的Frequency
Reuse功能，也因BFMA技術而靠邊站。因為Frequency Reuse是利用鄰近之Cell使用不同之Frequency
Channel，如果總共有三個Band，則將一個Cell拆為三個Cell，使容量增加三倍而基地台數亦增加三倍；然而BFMA讓Cell
Site的一個Channel可以給數百人同時使用，使Cell容量增加百倍以上，亦使得原先基地台數目顯著降低。
前述之BFMA還只是Session-Based
Beam之運用，一個Beam只能照顧一個使用者；若運用Packet-Based Beam，一個Beam可照顧五至十個Active
User。
除了WLAN Infrastructure、Client Device以及2G/2.5G/3G/4G等系統外，未來只要是RF或Wireless系統，應該都躲不掉BFMA。例如Bluetooth、UWN(Ultra-Wide
Band)、NFC(Near Field Communication)等。
若一個Beam支援兩個Channel，則傳統Ethernet
Switch的Full-Duplex也能使用在WLAN；舉例而言，若Switch支援802.11a Turbo
Mode的108Mbps，則Full-Duplex能再Double到208Mbps之多(這需要Client端設備也支援208Mbps
Full-Duplex)！別認為RF不可能做到Full-Duplex，只要傳送與接收使用不同頻率就可以；例如衛星通訊，上行的頻率一定比下行較高；或第一代的類比式手機也是使用不同的傳送與接收頻道。
就筆者所知，WLAN Switch發明家Vivato公司近期(2003年初)將有產品推出，其造成的迴盪與影響且讓我們拭目以待。 |
