網路の冷知識:光纖網路到底是怎麼用「光」進行資料傳輸的?

網路 光纖 傳輸

【我們為什麼挑選這本書】為什麼需要知道通訊原理?為的就是成為懂人生的人。請用這個角度想想,如果你看到一個人在買電腦時,懂得哪種顯示卡比較好,哪種 CPU 最適合,難道不會打從心底佩服他?我們心生敬佩只因兩個字,獨立。這個人的獨立立於他知道自己需要什麼,並且具備足夠的知識。就好比一個人知道自己應該要吃什麼對身體最好,知道自己需要怎麼學習才能達到最高效果一般。這個人不追求最好、最炫,他追求最適當、最符合自我。而這種「獨立」才是人們內心最渴望與敬佩的人格特質。

日本作家井上伸雄寫《全彩圖解通信原理:每天都在用的網際網路、行動通信,你了解多少?》,解釋網際網路的通訊原理,作為冷知識、電信業、創新的基石。(責任編輯:陳伯安)

通信纜線所使用的光纖,材料是非常純淨且細如髮絲的石英玻璃纖維,最近還有塑膠做的光纖,但通信網路使用的光纖都是非常清透的玻璃光纖。

玻璃雖然透明,但厚度愈厚,光穿過玻璃就衰減愈多。一般玻璃只要 15 公分厚就能讓光線衰減一半,相機或望遠鏡所使用的光學玻璃鏡片則需要 4 公尺厚,但光纖所使用的石英玻璃得要 15 公里厚才能達到這樣的衰減。這種極為清透的玻璃以矽(Si)為原料進行合成,矽的純度就像電晶體 ﹙Transistor﹚、積體電路 ﹙Integrated Circuit, IC﹚、大型機體微電子電路 ﹙Large-Scale Integrated Microelectronic Circuit, LSI﹚ 等半導體材料一樣高。

光纖是直徑 125μm(微米,1 微米等於千分之一 mm)的玻璃絲,中央直徑不到 10μm 的部分是芯(core),折射率比周圍的部分高,而周圍折射率較低的部分則稱為殼層(cladding)。因為玻璃本身容易折斷,所以外層要以紫外線硬化樹脂之類的包層來補強(見圖 1)。

光線全反射:殼層折射率比芯還低,所以就算彎曲光也跑不出管線

光線如果從高折射率的玻璃出發,碰到低折射率玻璃(或空氣)的界面,就會像 A 一樣改變角度穿出去,但如果接觸時的角度很小,光線就無法穿透介面,而是像 B 一樣在界面反射,再次回到高折射率玻璃中,這稱為光線的全反射,光纖就是運用這個原理的產物 ﹙見圖 2﹚。由於殼層的折射率比芯部要低,當光線進入光纖的芯部,就會在芯部與殼層的界面發生全反射,而在芯部中無遠弗屆,即使光纖稍微彎曲,光線也不會洩漏到芯部外面,這就是光纖的傳輸原理(見圖 3)。

區域網路 LAN 使用光纖,就無信號因距離而衰退的問題

區域網路(Local Area Network, LAN)是公司、工廠、學校等建築物內所使用的電腦通訊高速網路,而電話網路、網際網路涵蓋範圍大的網路則稱為廣域網路(Wide Area Network, WAN)。WAN 是由專門的電信公司架構而成,LAN 則限定在建築物內,任何人都能自由設置。

LAN 的格式五花八門,但是大部分都是採用乙太網路(Ethernet)格式,由於 LAN 的傳輸距離較短,傳輸速度比 WAN 更快,目前主流速度有 100M 位元/ 秒與 1G 位元/ 秒兩種,甚至還出現了 100G 位元/ 秒以上的款式。

請看圖 1,乙太網路是以集線器(HUB)為中心,用纜線連接個人電腦等各種終端機器,如果使用銅線,最大連接距離是 100 公尺,由於距離較短,可以進行到 1G 位元/ 秒的高速傳輸。LAN 所使用的纜線稱為 LAN 線,由兩條銅線搓成一對雙絞線,一條纜線裡有四對雙絞線,適合高速傳輸。如果使用光纖纜線,可以大幅拉長距離,又沒有傳輸速度限制,傳輸速度更快。

集線器是連接終端機器進行通訊的一種開關,也稱為 LAN 開關,而用來指定傳輸位置的編號稱為媒體存取控制位址 ﹙Media Access Control Address, MAC, 也稱實體位址﹚。乙太網路會把資料信號切開,裝入一定長度(位元數)的 MAC 框架中進行傳輸,框架就含有 MAC 位址,所以 LAN 開關可以將資料送達 MAC 位址所指定的終端機器。如果想使用更大範圍的 LAN,可以採用圖 2 的方法,將 HUB 連接在一起,而且傳輸速度不同的機器也可以合用相同的網路。

LAN 加個無線,無線區域網路 WLAN 怎麼傳輸訊息?

WLAN 是存取點(AP)與終端機之間利用電波來收發信號的網路,通常是多個終端機共用一個無線頻道,但是一次只能有一台終端機發送信號,其他終端機必須等待頻道空出來,而且也無法同時傳輸上行與下行信號,

所以通信的順序比有線 LAN 更複雜。

請看圖 1,終端機 1 想要傳送資料,第一步是在傳送資料之前接收電波,檢查其他終端機有沒有在使用頻道。第二步,如果沒收到其他終端機發出的電波,就判定頻道閒置,開始對 AP 發送要求發訊信號 RTS。第三步,當 AP 確認其他終端機沒有送來信號,就回送一個允許發訊信號 CTS。第四步,終端機 1 收到 CTS 才開始傳送資料。第五步,AP 收到資料之後回送一個確認收訊信號 ACK,說明自己正常接收到資料。

要經過這樣的順序才能正確傳輸資料,其中第三步的 CTS 會發給所有終端機,所以其他終端機會知道終端機 1 正在通信中,暫時不送資料。

請看圖 2,在第一步之中,如果其他終端機 3 正好在發送電波,但不巧被書架或屏風之類的障礙物擋住,終端機 1 就收不到電波,這種問題稱為隱藏終端機,終端機 1 會在不知情的狀況下發送資料。為了避免這個問題,才會有第二步之後的複雜手續。

WLAN 使用什麼頻率的電波?

請看圖 1,WLAN 所使用的電波頻率幾乎都是 2.4GHz 頻帶與 5GHz 頻帶,目前大多數機種使用的是 2.4GHz 頻帶。近來 5GHz 頻帶產品逐漸增加,只要降低輸出功率,在日本就不受法規限制。

再看圖 2,2.4GHz 頻帶共有 2.40~2.497GHz 之間的十四個頻寬,各 20MHz(只有 ch.14 的頻寬是 26MHz),使用者從中挑選無人使用且雜訊較少的頻道來使用。從圖中可知雖然有十四個頻道,但頻率互相重疊,所以同一個時間地點只有二到四個頻道可以使用。

這個 2.4GHz 頻帶稱為 ISM* 頻帶,之前廣泛用於通信之外的頻率(例如微波爐),所以雜訊較多,俗稱「髒頻帶」;5GHz 頻帶則用於雷達之類,室外用途有部分限制,但是沒有用於 ISM 機器,所以頻帶比 2.4GHz 乾淨。

*ISM 頻帶:ISM 是 Industry(工業)、Science(科學)、Medical(醫療)三個領域的縮寫,ISM 頻帶就是這三個領域所使用的頻帶。

WLAN 分到的 5GHz 頻帶包括 5.15~5.35GHz(室內專用)及 5.47~5.725GHz(室外可用)兩個頻寬 ﹙見圖 3﹚。

2.4GHz 可用的頻寬約 100MHz,但 5GHz 頻帶可用的頻寬多達 455MHz,總共可以分為十九個 20MHz 的頻寬,而且頻道不像 2.4GHz 那樣互相重疊,所有頻道都可以任意使用,因此愈來愈多超高速 WLAN 使用 5GHz 頻帶。尤其最近 WLAN 為了達成高超速傳輸,20MHz 的頻寬已經不夠用,因而將兩個以上的頻道綁在一起以加大頻寬。所以使用 5GHz 頻帶,更方便整合多個頻道。WLAN 準備了多個使用頻道 ﹙見圖 2、圖 3 ﹚,但要由母機(AP)決定使用哪個頻道,AP 會定期發射圖 1 所示的信標(beacon)電波,想使用 WLAN 的終端機(子機)要先接收信標,信標裡有 AP 所使用的頻率與頻道編號,終端機才能配合這些資訊來發送電波。

AP 在通訊之前要監控多個頻道,自動選擇目前閒置的頻道, 這個方法稱為動態頻率選擇(Dynamic Frequency Selection, DFS)。當 DFS 在網路使用途中檢測到其他無線發射器正在使用這個頻道,就可以自動轉換其他適當頻道。5GHz 頻帶與雷達之類的儀器共用頻率,為了避免 WLAN 干擾雷達,才必須要配備 DFS 功能(見圖 3)。

(本文書摘內容出自《全彩圖解通信原理:每天都在用的網際網路、行動通信,你了解多少?》,由 臉譜 出版社授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,首圖來源:Pxhere, CC Licensed。)

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