計算機網絡與工程實踐教程講座

(11)

黎連業

計算機網絡與工程實踐教程講座教材

《計算機網絡與工程實踐教程

》第1版

科學出版社(2007.12)

第11章無線網絡

本章重點討論以下內容：無線網絡的概述;無線網絡標準與協議;無線應用協議（WAP）;無線網卡的組成與工作原理;寬帶無線技術與寬帶無線接入技術LMDS;微波擴頻通信技術;無線網絡典型連接方式;無線聯網方案。11.1無線網絡的概述近年來，由于無線通信技術的發展，出現了移動上網，無線Internet。而11Mbit/s、54Mbit/s無線局域網的推出，使無線網絡出現了新的生機，而且勢頭較猛。無線網絡采用與有線網絡同樣的工作方法，它們按PC、服務器、工作站、無線適配器和訪問點通過電纜連接建立網絡。應該說，計算機無線聯網方式是有線聯網方式的一種補充，它是在有線網的基礎上發展起來的，使網上的計算機具有可移動性。能快速、方便地解決有線聯網方式不易實現的網絡信道的連通問題。無線聯網要解決以下兩個主要問題。（1）通信信道的實現與性能。（2）提供像有線網絡系統那樣的網絡服務功能。對于第一點的基本要求是：工作穩定、數據傳輸率高（大于1Mbit/s）、抗干擾、誤碼率低、頻道利用率高、具有保密性，收發的單一性、可以進行有效的數據提取。對于第二點的基本要求是：現有的網絡系統應能在其中運行，即要兼容有線網絡的軟件，使用戶能透明地操作而無須考慮網絡環境。

無線聯網的系統具有如下特點:（1）頻率為工業自由輻射頻率，不用專門申請;（2）該網絡支持現有各種計算機需要的網絡軟件;（3）建立透明式網絡鏈路;（4）能夠完成局域網互聯的高速率傳輸;（5）采用擴展頻譜通信技術;（6）用無線電波通信、不用電纜;（7）施工快速、簡便、維修方便;（8）采用寬帶數據通信，抗干擾性能好;（9）低功耗，0.1W可實現30km通信;（10）無須改變原網絡系統軟件和應用軟件。

無線網絡適用范圍有：（1）適用工礦、企業、廣域遠距離聯網;（2）適合銀行、保險、工商、稅務、證券系統網絡;。（3）用于水利、電力、鐵路、油田遠程網絡;（4）用于大專院校、科研院所網絡;（5）用于海關、港口、機場聯網;（6）用于高速公路、城市聯網;（7）適用于公安、消防、環境監測、軍事移動通信網絡;（8）用于江、河、湖、海、海峽、山谷等復雜地形環境聯網;（9）適用于難以鋪設電纜的各種地區和環境聯網。

無線網絡室內天線覆蓋范圍請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-1。無線網絡室外天線傳輸距離請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-2。

11.1.1無線局域網隨著信息技術的發展，人們對網絡通信技術的要求不斷提高，希望不論在何時、何地，都能與任何人進行包括數據、語音和圖像等任何內容的通信，并希望主機在網絡環境中移動和漫游。無線局域網是實現移動網絡的關鍵技術之一。隨著IEEE等國際機構對于無線局域網標準的制定，市場上無線局域網產品的兼容性大大提高，極大地促進了無線局域網產品和市場的發展。眾多低價位無線局域網產品的出現，使得越來越多的用戶考慮使用無線局域網產品來滿足應用上的需求。

總的來說，無線局域網在以下幾個方面有非常現實的意義:在不能使用傳統布線或者是使用傳統布線困難很大的地方。租用專線耗資高的地方。重復的臨時建立和安排的網絡環境，使用有線不方便、成本高、耗時長的地方。局域網用戶需要在一定范圍內進行移動通信的環境。但是，目前無線局域網在數據傳輸速率、傳輸范圍、安全性等方面都還不如有線局域網，所以無線局域網在相當長的時間內會與有線局域網共存。對于智能建筑應用環境，特別是眾多的公共場所或專業場所，如機場、車站、會議大廳、會展中心、圖書館以及大開間的辦公室等地方，會越來越多地使用無線局域網，滿足用戶無線終端入網的需求。

無線局域網技術有：（1）無線個人網（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）。主要用于個人信息化設備的無線網絡連接，目前發展的主流技術是藍牙。無線局域網。IEEE802.11a/b/g。主要用于一個局域物理區域內信息設備的無線網絡連接。（2）無線廣域網（WWAN，WirelessWideAreaNetwork）。GSM/GPRS/CDMA/UMTS。主要用于廣域范圍內信息設備的無線網絡連接。

11.1.2無線網絡的發展過程無線局域網是1990年出現的，但是，無線局域網的研究可以追溯到20世紀70年代早期，主要的領導者是AT&T的貝爾實驗室，早期的產品為頻分多址（FDNA）模擬蜂窩系統技術。20世紀70年代后期瑞士IBMRuschlikon實驗室的Gfeller第一次提出了無線局域網的概念，并且在北歐部署了第一個移動電話系統。語音的無線網絡歷史從此展開，直到1998年開始3G標準化。面向語音的歷史進展請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-3。語音無線網絡的出現，推動數據無線局域網的發展，并獲得了很大的成功，其歷史進展請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-4。

11.1.3無線網絡分代1.第一代蜂窩網絡在北歐出現后，便掀起了移動通信的研究，并以全球移動通信系統（GSM，GlobleSystemofMobilecommunications）為導向，人們習慣地把這一階段研究稱之為第一代（1G）系統。第一代系統是面向語音的模擬蜂窩和無繩電話。第一代系統在下行鏈路（從基站到移動臺）和上行鏈路（從移動臺到基站）中使用了兩分開的頻段。這種系統采用的是頻分雙工（FDDFrequencyDuplexing）模擬。典型的在每個方向上都分配整個頻段。例如AMPS、TACS和NTM-900在每個方向上的頻段都是25MHz。這些系統的主要工作頻率是800MHz和900MHz頻段。理想情況下，頻段和使用地區請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-5。

第一代系統通常也稱為模擬蜂窩系統，在這一階段中還提供了移動數據業務，但只能提供單向的短信息數據，在這基礎上人們就把研究的注意力放到面向語音和面向數據的研究上來，這一過程被稱為第二代（2G）系統。

2.第二代

第二代系統主要表現為4個方面，它們是：數字蜂窩移動系統、PCS、移動數據和無線局域網標準。無線局域網標準的詳細內容將放在下一節講述。數字蜂窩移動通信系統數字蜂窩移動通信系統有4個主要標準，它們是GSM、IS-54、JDC、IS-95。GSM是歐洲數字移動通信標準，后來擴展到亞洲，也稱為泛歐數字移動通信標準；IS-54是北美地區的數字移動通信標準；JDC是日本的數字移動通信標準；IS-95是美國和亞洲的數字移動建設標準。GSM、IS-54、JDC系統使用的是JDMA技術、IS-95系統使用的是CDMA技術。第二代數字蜂窩移動通信標準的主要情況請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-6。

2G的PCS個人通信業務（PCS，PersonalCommunicationsServices）是從1G的模擬無繩電話技術發展而來，它與蜂窩移動通信在技術特性上有所差別。其比較結果請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-7。對于PCS的標準規范有4個，它們是：CT-2和CT-2+，是歐洲和加拿大的標準，也是第一個無繩電話標準；DECT，是歐洲的標準；PHS，日本的標準；PACS，美國的標準。它們的主要情況請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-8。

移動數據業務移動數據業務能夠為用戶接入分組交換數據網絡提供合適的數據速率和廣泛的覆蓋范圍。移動數據網絡出現在尋呼業務取得成功之后，提供一種大信息量的雙向連接，并先后出現了ARKIS、Mobitex、CDPD、TETRA、GPRS、Metricom。它們在移動數據業務上的差別，請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-9。

3．第三代第三代系統（3G）無線網絡把蜂窩電話和PCS語音業務和各種分組交換數據綜合在一個統一的網絡中，3G的主要技術是寬帶碼分多址（WCDMA，WidebandCodeDivisionMultipleAccess），最基本的要求是可支持不同速率的應用（從384kbit/s的電路交換連接到帶寬為2Mbit/s的連接）和不同的運行環境。3GSM（WCDMA）和EDGE是被國際電信聯盟（ITU）認可的國際移動通信（IMT-2000）的3G標準，要求將語音和數據結合在一起。許多運營商、開發商都認可這項技術，并選擇3GSM作為過渡到3G的升級途徑，在2003年9月8日~10日的北京無線網絡會議中，許多廠商的技術資料都證實了這一點。

11.1.4幾種無線局域網標準1990年，IEEE執行委員會成立了802.11工作組，其目標是創建無線局域網（WLAN）標準，規定為“所提議的無線LAN標準的作用范圍是為局域網固定的、便攜式和可移動站點的無線連接開發的規范”。最終的標準，即正式稱為IEEE無線LAN介質訪問控制（MAC）和物理層（PHY）規范，并像802的IEEE標準一樣（如802.3、802.5），規定了一些至關重要的技術機制。

歷經十幾年的發展，802.11已經從最初的802.11a、802.11b發展到了目前的802.11i等8種標準。802.11a：5GHz波段上的物理層規范。802.11b：2.4GHz波段上的物理層規范。802.11d：當前802.11標準中規定的操作僅在幾個國家中是合法的，該標準旨在擴充802.11無線局域網在其他國家的應用。802.11e：改進和管理WLAN的服務質量，保證能在802.11無線網絡上進行話音、音頻、視頻等多媒體業務的傳輸。802.11f：實現不同廠商無線局域網之間的互操作，保證網絡內訪問點之間信息的互換。802.11g：是802.11的擴充，通過提高數據率，來增強802.11b兼容網絡的性能和應用。802.11h：增強5GHz波段的802.11MAC規范及802.11b高速物理層規范。802.11i：增強WLAN的安全和鑒別機制。

802.11a在使用頻率的選擇和數據傳輸速率上都優于802.11b，但不兼容802.11b。無線局域網最常用的標準是IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g等幾種。目前市場上的產品絕大部分均遵循IEEE802.11b標準，即數據傳輸速率可達5~11Mbit/s，IEEE802.11b標準的發布，使得無線局域網的應用和普及發展到了一個新的階段。標準使無線局域網的用戶能夠自由、靈活地選擇不同廠家的產品。無線局域網的主流廠商組成了一個稱做無線以太網兼容性聯盟（WECA）的國際性組織。WECA的任務是負責認證無線局域網產品的互操作性和兼容性，并推動無線局域網在企業和家庭中的應用。繼IEEE802.11b后，具有54Mbit/s傳輸速率的符合IEEE802.11a和IEEE802.11g標準的無線局域網技術及其產品在市場已流行了幾年。此外，家居無線網絡HomeRF2等無線局域網技術也在廣泛應用。

幾種無線局域網標準的性能比較請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-10。

11.1.5無線網絡的傳輸介質目前，計算機無線通信傳輸手段有兩種。（1）無線電波，即短波或超短波、微波。（2）光波，即激光、紅外線。短波，超短波類似電臺或電視臺廣播。采用調幅、調頻或調相的載波，通信距離可達數十千米。這種通信方式早已用于計算機通信，但其速率慢、保密性差、沒有通信的單一性、易受其他電臺或電氣設備的干擾，可靠性差。另外頻道、頻度都要專門申請，因此一般不用作無線聯網。微波是以微波收發機作為計算機網絡的通信信道。因為微波的頻率很高，所以能夠實現數據傳輸高速率，受氣候條件環境影響很小。它的頻率范圍為300MHz~300GHz內。微波波段又可分為分米波、厘米波、毫米波，還有用字母命名更細分微波各波段的。微波各波段請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-11。

微波的波長很短，具有如下特性:（1）直線傳播。（2）頻譜寬，攜帶信息容量大。（3）微波器件受尺寸大小的影響。（4）微波受金屬物體屏蔽，雖能穿越非金屬物體，但耗損大。（5）可穿透大氣層，向外空傳播。

由于激光和紅外線易受天氣影響、也不具備穿透能力，因此在無線網絡中一般不用。根據前面敘述，可以看到無線網絡傳輸媒介性能最好的是微波。以微波頻段為媒介，采用直序擴展頻譜或跳頻方式發射的傳輸技術，并以此技術制作了發射機、接收機、遵照IEEE802.3以太網協議，許多公司開發了整套的計算機無線網絡產品。其通信方面的主要技術特點是：用900MHz或2.45GHz微波作傳輸媒介，以先進的直序擴展頻譜（DSSS）或跳頻（FH）方式發射信號，其擴展編碼（SpreadingCode）位長為216，射頻帶寬為26MHz。與傳統的無線電窄帶調制發射方式不同，這是寬帶調制發射。故它具有傳輸速率高（達2Mbit/s），發射功率小（只有100~200mW），保密性好，抗干擾能力很強，不與其他無線電設備及用戶互相干擾的特點。更方便的是易于多點通信，這是因為它和一般無線電通信采用的頻分式或時分式不同，擴頻調制是碼分方式。很多用戶可以使用相同的通信頻率，只要設置不同的標識碼ID，就可以產生不同的偽隨機碼來控制擴頻調制，即能做到互不干擾的同時通信。其通信距離和覆蓋范圍視所選用的天線不同而異；定向傳送距離為5~40km；室外的全向天線可覆蓋1.5~10km的半徑范圍；室內全向可覆蓋最大半徑為250m的5000m2范圍。電波能穿透幾層墻或兩層樓的混凝土樓板。由此可見，微波擴頻通信技術為計算機無線網提供了良好的通信信道。

11.1.6無線局域網物理層無線局域網的物理層共有3種接口方式。（1）跳頻擴頻（FHSS）物理層接口。FHSS規范定義了物理層幀的格式，通過跳頻功能和頻移鍵控調制技術，即PMD利用它們將二進制數據幀轉換為適合無線電波傳播的信號，通過PMD使用FHSS發送數據幀。

（2）直接序列擴頻（DSSS）物理層接口。DSSSPLCP規范定義了物理層幀的格式。DSSSPMD解釋工作站如何利用DSSS發送幀。通過PMD將二進制數據幀轉換成適合無線電波傳播的信號。

（3）紅外線（IR）物理層接口。通過對PMD工作站利用紅外線物理層發送幀以及PMD利用調制技術將二進制數據幀轉換成適合紅外線光傳播的信號。為了能夠說明無線局域網物理層物理接口，還需要介紹物理層物理接口特性。

1.跳頻擴頻的特性FHSS有以下特性:成本低；能量耗廢量低；最強的抗干擾能力；單物理層數據傳輸率具有最小的電壓；多物理層具有最大的集成能力；發送范圍小于DSSS，但大于IR。

2.直接序列擴頻的特性直接序列擴頻（DSSS）與跳頻擴頻相比，具有以下特點:成本最高；能量消耗最大；接收口的數據率最高；和跳頻擴頻相比，它的多物理層集成能力低；其可支持的不同地理位置無線電小區的個數最少，所以限制了可提供的信道數；其發送距離比跳頻擴頻和紅外線物理層都大。它的通信方式采用的是不覆蓋脈沖，數據碼速率是11Mbit/s。占用的帶寬大概為26MHz，ISM的2.4GHz頻段分成11個相互覆蓋的頻道。每兩個信道之間的中心頻帶間隔是5MHz。

3.紅外線的特性紅外線接口具有以下特性:成本低；對RF（RadioFrequency，無線頻率）干擾的容忍度最高；相對擴頻無線電系統，紅外線的傳播距離最短；抗竊聽能力最強；多工作在有頂蓬的地方（主要是在戶內），頂蓬作為紅外線信號的反射點；在世界范圍內都沒有頻率限制。IEEE802.11標準推薦技術，使用時它的光波長規定在850~950mm之間。

11.2無線網絡標準與協議

IEEE原計劃1993年推出的關于無線網絡標準802.11技術規范，由于各種原因，直到1997年7月才正式出臺，但現在已成為無線聯網技術循序漸進發展和市場不斷開拓的基礎。這個技術規范旨在解決不同廠商1Ｍbit/s、2Mbit/s和10Mbit/s無線局域網產品的兼容問題，同時也對網絡產品的價格下調問題產生了積極的影響，有助于市場的發展。

IEEE802.11標準為無線局域網定義了物理層（PHY）和介質訪問控制層（MAC）的結構。對于物理層定義了3種不同的傳輸方式:采用紅外線傳輸方式或兩種不同的射頻信號傳輸方式；直序擴頻技術（DSSS）；跳頻擴頻技術（FHSS）。同時還定義了直序擴頻技術（DSSS），如采用DBPSK（差分二相移相鍵控）編碼方式，其傳輸峰值速率可達到1Mbit/s，而采用DQPSK（差分正交移相鍵控）編碼方式則傳輸速率可達2Mbit/s。同時FHSSPHY還可以利用GFSK二級或四級調制方式允許2Mbit/s工作速率，以便滿足市場對不同性能價格比產品的需求。

IEEE802.11標準的介質訪問控制（MAC）單元使得無線網絡可通過其橋接器與標準的有線網絡（LAN）一起工作，以保證有線網與無線網節點邏輯上的無差別性及互操作性。但無線網的MAC與有線網的MAC有所不同，但此不同均被轉接處的存取點遮掩掉了。無線網絡標準采用CSMA/CA（帶有回避沖突的載波偵聽多路訪問）的MAC方式，同時IEEE802.11標準還提供漫游功能等多方面優勢，它允許一臺客戶機在多個無線子網中漫游，同時還可以工作在同一或不同的信道中。但標準并不保證客戶機在多個子網中由不同的產品供應商提供的產品之間漫游。

美國朗訊科技、Aironet、數字海洋（DigitalOcean）等無線網絡產品的主要公司已聯手開發了“接入點互聯協議（IAPP，InterAccessPointProtocol）”規范。IAPP規范將推廣到更多廠家，使它們產品具有互通性，對于“接入點”則應考慮以下幾點:原始投資低，操作簡便，維護費用低；可迅速安裝；易于一體化。

由于許多無線局域網用戶使用便攜式終端及工作站，IEEE802.11標準給無線MAC增加了多項功能，使便攜電腦通過電源管理功能延長電池壽命。對于無線網系統，在特定或用戶自定義的時間段內沒有活動時，典型的系統電源管理方式使系統處于休眠狀態（低電壓或斷電狀態）。但不幸的是休眠有可能導致關鍵網絡數據丟失，為支持周期性進入休眠狀態的客戶機，IEEE802.11規定接入點（AP）需要緩沖器，讓傳輸的報文排隊。而朗訊科技的WaveLAN產品的休眠則可能間斷性地清醒及恢復任何信息，接入點設備（AP）也允許經特別處理后消除被恢復的信息。

MAC層協議則使用CSMA/CA信令，與標準以太網協議（CSMA/CD）可無縫連接運作。盡管無線局域網與有線局域網有些不同，也需要一個接入連接點（AP）連接，但其兼容性會使得WaveLAN在與LAN結合運行連成一網時，易于安裝、運行和管理，而且還能有更多的特性，諸如異地漫游、電源管理等。如是符合802.11WLAN標準的產品則能使終端工作站在多個不同的接入點（AP）的相同或不同的信道中，每個AP點每隔100ms發射一個控制信號，每個控制信號包括一個同步信號標志、傳輸指令及支持的傳輸速率的信息。漫游用戶將利用控制號規定其實時的連接，如果連接的信號很弱，漫游的工作站則會自動連接到另一個AP點。

目前，用于無線局域網的網卡（NIC）在功能上要求做到以下幾點:從驅動程序接收時間并裝幀發送；從擴頻通信機接收數據，拆幀并送至驅動程序；介質訪問控制（MAC）；與主機的總線接口；移動管理——越區切換、用戶登錄與認證；網絡同步——指本站與基站和WLAN的其他站達到時鐘同步；節能管理——當無業務量或者業務量少時，使物理層處于睡眠狀態或節能工作模式。

關于IEEE802.11標準的介質訪問控制協議簡述如下:介質訪問控制協議即IEEE802.11MAC，其基礎是CSMA/CA，在它之上可配置無競爭信道訪問的接入機制，這就是中心網控方式（PCF）。在PCF方式中，時間域被劃分為超幀格式。在超幀的無競爭期，由中心控制節點（一般是AP）進行輪詢，某一時刻僅允許一個站點發送。而在超幀的競爭期，使用改進的CSMA/CA方式，或稱分布接入方式（DCF）。這樣，IEEE802.11除了能以競爭接入方式支持異步業務外，還能以無競爭的訪問方式支持同步業務或時限業務。時限業務對于實時數據和語音通信是至關重要的。

下面對介質訪問控制協議作4點說明。1.CSMA/CA與DCF基本的CSMA/CA與訪問控制IEEE802.11MAC有兩種訪問控制方式，即DCF和PCF，二者的基礎是CSMA/CA。IEEE802.11MAC采用的基本的CSMA/CA算法非常簡單：當監測到信道空閑時間大于某一幀間隔（IFS）后立即開始發送幀；否則延遲接入直至監測到需要的幀間隔，然后選擇退避時延進入退避；退避結束后重新開始上述過程。基本的CSMA/CA利用物理層提供的載波監測指示信號CS監測信道的忙閑。IEEE802.11MAC規定了3種訪問優先級，根據優先級不同，IFS也不同。

Short優先級：是需要立即響應業務（如某些控制幀）的優先級。例如，MAC層的ACK幀，或當采用PCF時主機對輪詢的響應幀等。該優先級的幀間隔被稱為SIFS。PCF優先級：PCF接入方式的優先級。該優先級的幀間隔被稱為DIFS。DFS是動態頻率選擇，優先級最高。上述各IFS滿足：DFS>DIFS>SIFS。

增強型CSMA/CA為了增強基本CSMA/CA對異步業務傳輸的可靠性，IEEE802.11MAC建立在CSMA/CA的基礎上并使用MAC層確認機制，也就是CSMA/CA＋ACK，這樣可以在MAC層對幀丟失予以檢測并重發送。此外，為了進一步減小在各種環境下的碰撞概率，源站與目的站可在數據傳送前交換簡短的控制幀，即RTS/CTS，它們以Short優先級接入信道。RTS/CTS幀中的Duration字段被各站點（目的站除外）用于設置它們的網絡分配矢量（NAV，NetAllocationVector），以確定信道將被占用多長時間，這樣，載波監測的功能可由監測、維護CS及NAV實現。IEEE802.11MAC要求DCF方式必須支持基本的CSMA/CA，可選地支持增強型CSMA/CA，即CSMA/CA＋ACK與CSMA/CA＋ACK＋RTS/CTS。

延遲接入與退避算法如上所述，欲發送幀的站檢測到信道忙時就會延遲接入，直到監測到信道空閑時間大于DIFS/SIFS后，選擇一個退避時間值，然后進入退避狀態。這樣可解決正在處于延遲的多個站間的競爭。在退避狀態下，只有當檢測到信道空閑時，退避計時器才計時。如果檢測到信道忙，則退避計時器將停止計時，直到檢測到信道空閑時間大于DIFS后，計時器才重新繼續計時。這一做法的作用是：當多個站延遲并進入隨機退避狀態后，退避時間值（Backoff）最小的站將在競爭中獲勝，從而獲得對介質的訪問權，在競爭中失敗的站會保持在退避狀態直到下一個DIFS。這樣，這些主站就有可能比第一次進入退避的新站具有更短的退避時間。另外，退避過程也可重傳。

防止重幀因為在IEEE802.11MAC中引入了確認和重傳，所以可能產生重幀現象，即接收站可能會收到多個相同的幀。IEEE802.11MAC利用幀中的MPDU-ID域防止重幀現象。同一MPDU中的幀具有相同的MPDU-ID值，在不同MPDU中的幀，其MPDU-ID值不同。接收站保持一個ＭPDU-ID緩沖區，它將拒收那些ＭPDU-ID值與緩沖區某一MPDU-ID值相同的重傳幀。

2.中心網控方式（PCF）PCF支持的業務模型

IEEE802.11MAC的業務模型請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的圖11-1，PCF方式由CSMA/CA協議提供的訪問優先級實現，它可支持無競爭型時限業務及無競爭型異步業務。而DCF僅支持競爭型異步業務。

超幀結構IEEE802.11MAC使用圖11-2所示的超幀實現PCF。在一個超幀期間（SFP），PCF使用無競爭期（CFP），DCF使用競爭期（CP）。在超幀開始時，如果信道空閑，則PCF獲得信道訪問權；否則，PCF會延遲，直到它檢測到信道空閑時間大于PIFS，才能獲得信道訪問權。這樣，就可能引起超幀的擴展，導致超幀中CFP的起始點可變，從而使CFP的長度可變。而DCF的異步業務將自動地延遲到CFP之后才能獲得信道訪問權。

PCF協議原理采用PCF協議輪詢機制，即如果某站（如手持或固定站點）希望提供無競爭服務，則需要向AP（AccessPoint，基站）發出請求，經許可后該站將列入輪詢序列，從而參與無競爭業務。AP以PCF優先級向參與無競爭業務的站發送下行數據幀（CF-Down業務），具體使用幀頭控制域的輪詢比特實現輪詢。如果被輪詢到的站有緩存的數據，則在檢測到一個SIFS后立即將數據發出。當AP發出輪詢后，如果在PIFS時間內沒有響應，那么AP將恢復對信道的控制，發出下一個輪詢幀。當沒有上行的無競爭業務（CF-Up）等待發送時，參與無競爭業務的站不對AP的輪詢進行響應，并且對前面收到的下行無競爭幀（CF-Down）也無須進行確認。

3.網同步無線網絡中每個站均有其內部時鐘，所謂網同步是指這些時鐘的同步。在多區WLAN中，AP（基站）控制著網同步，它周期性地發送含有其自身時鐘信息的信標幀，BSS內與AP連接的各站對照此信標修改自己的本地時鐘。而在自組WLAN中，所有站均承擔有定期發送網同步信標的責任，各站根據確定的算法將本地時鐘與“聽”到的時間進行比較并調整，這樣，在一定時間內全網時鐘能夠達到同步。無線網絡中的許多功能都借助各站同步的時鐘實現，例如，下面幾個典型的功能就是利用同步實現的。（1）節能管理，允許MT關閉其接收機直到下一信標到達為止。（2）物理層管理，比如當物理層使用跳頻擴展頻譜方式時，網同步用于確定跳頻定時。（3）支持時限業務，利用網同步完成超幀定時。盡管信標發送應該是定期的，但它也必須遵循CSMA/CA這一基本信道訪問原則，因此確定的“信標間隔”只能是預計發送時刻。信標中含有時戳、信標間隔等內容。信標以廣播方式發送，含有發送者的物理網地址（NID）。如何在入網時獲取同步，這一問題實際上是解決越區切換的基礎。

4.節能管理IEEE802.11MAC提供的節能管理機制允許網中各站點收發器在一段時間內關閉，使之工作于低功耗節能模式。其基本原則是在不同環境中，使網中站點獲得合理的性能功耗比。在多區WLAN中，當一個站希望進入節能模式時，應事先通知AP。而AP將暫存發往該站的數據并在適當的時刻轉發給該站。在由AP定時發送的信標中含有業務指示表TIM，該表中標識了哪些站在AP中暫存有待收數據。工作于節能模式的站點仍須以一定的時間間隔定時“蘇醒”，以便接收像信標幀這樣的控制幀。在TIM中被標識的站點應當向AP申請或做好等待接收被暫存數據的準備。

在自組ＷLAN中，沒有像AP這樣的站點始終處于激活狀態并為其他站點提供暫存服務。為了支持節能工作模式，需要各站在全網同步的基礎上定時“蘇醒”。當某站要向一個處于節能模式的站點發送數據時，就預先發送一種具有聲明性質的控制幀（ATIM），這樣可使處于節能模式的目的站定時打開收發器并維持一段時間的正常工作狀態，以便接收源站點后續發來的數據。11.3無線應用協議（WAP）

隨著無線通信技術的發展，手機上網成為手機技術發展的一大趨勢。為了實現這一技術，無線通信業的領導廠商一起開發了無線應用協議，支持移動電話利用有限的（4個或5個）顯示器來瀏覽國際互聯網，WAP按比例縮小信息，使其適用于移動電話。就是說，無線應用協議是一個用于通過移動電話或其他無線終端訪問的顯示無線信息服務的全球事實標準。WAP規范既利用了現有的技術標準中適用于無線通信環境的部分，又在此基礎上進行了新的擴展。廠商使用它可以開發無線接口獨立、設備獨立和完全可交互操作的手持設備Internet接入方案，從而使廠家的WAP方案最大限度地利用了用戶對Web服務、Web開發工具、Web編程和Web應用的既有投資，同時也解決了無線環境所帶來的新問題。目前，全球各大手機制造商已經保證提供支持WAP的無線設備。在最廣泛的意義上講，無線應用協議是一種開放式的全球規范，它使移動用戶可以利用無線設備方便地訪問或交互式地使用信息和服務。

11.3.1WAP規范的要點WAP規范是一種無線應用程序的編程型語言，它第一次定義了一個開放的標準結構和一套用來實現無線Internet接入的協議。WAP規范還為其他的標準機構（如W3C、ETSI、TIA、IETF等）未能解決的問題提供了解決方案，它的出現也促進了其他無線方案的開發和相關無線標準機構標準化工作的進展，適應于大多數無線網絡的連接。WAP規范的要素主要包括以下幾點。

1.WAP編程模型在設計WAP規范時，WAP論壇一個很重要的指導思想是讓WAP盡可能地與現有的標準保持一致，以最大限度地保護制造商、服務提供商和應用開發者的投資。這個模型請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的圖11-3。WAP編程模型在很大程度上利用了現有的WWW編程模型，應用開發人員可以從這種模型中得到許多好處，包括可以繼續使用自己熟悉的編程模型，能夠利用現有的工具（如Web服務器、XML工具）等。另外，WAP編程模型還針對無線環境的通信特點，對原有的WWW編程模型進行了優化和擴展。

2.遵守XML標準的無線標記語言（WML）WML使得性能嚴重受限的手持設備能夠提供強大的Internet接入功能。WML和WMLScript不要求用戶使用常用的PC機鍵盤或鼠標進行輸入，而且它在設計時就考慮到了手機的小屏幕顯示問題。與HTML文件不同的是，WML將文件分割成一套容易定義的用戶交互操作單元。每個交互操作單元被稱為一個卡，用戶通過在一個或多個WML文件產生的各個卡之間來回導航以實現Internet的接入。針對手機通信的特點，WML提供了一套數量更小的標記標簽集，這使它比HTML更適合在手持設備中使用。使用WAP網關，所有的WML內容都可以通過HTTP1.1請求進行Internet接入，這樣，傳統的Web服務器、工具和技術都可以繼續使用。WAP可利用二進制傳輸經過高度壓縮的數據，并對長時延和中、低帶寬進行優化。WAP的會話可以處理不連續覆蓋的問題，并在可以使用IP時使用IP；不能使用IP時，可使用其他優化的協議在多種多樣的無線傳輸方式中運行。用于WAP內容的WML語言充分利用了小屏幕，無須使用完整的鍵盤就可實現方便的單手操作導航，而且WML語言具有內置的可伸縮性，可以實現從兩行文本的顯示到智能電話和個人通信器上的全圖形屏幕的顯示和伸縮。

3.用于無線終端的微瀏覽器規范這個規范與標準的Web瀏覽器規范類似，它定義了一個適合于手持設備的功能強大的用戶接口模型。這個規范定義手機如何解釋WML和WMLScript，并且把信息正確顯示給用戶。在無線手機中，使用微瀏覽器規范可以使產生的代碼短小、高效，并且它還提供了一個靈活而又強大的用戶接口。用戶可通過上移鍵和下移鍵（不是鼠標）在各個卡之間進行導航。軟鍵盤允許用戶執行適合無線Internet應用特點的操作，如WAP使用傳統的12鍵電話鍵盤來輸入阿拉伯字符集，而不是用來輸入一套完整的標準字符集。為了保持與標準瀏覽器一致，微瀏覽器還提供了各種導航功能，如Back、Home、書簽等。由于這個微瀏覽器與現在Internet上使用的標準瀏覽器很類似，因此這個用戶接口為絕大多數習慣Web界面的用戶提供了方便，很容易為手機用戶所接受。微瀏覽器允許具有較大屏幕和更多特性的設備自動顯示更多的內容，就像傳統的瀏覽器在瀏覽窗口擴大時能顯示更多的信息一樣。

4.輕量級協議棧這個協議棧將無線手機接入Internet的帶寬需求降到最低，保證了各種無線網絡都可以使用WAP規范，該協議棧請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的圖11-4。手機通過WAP協議棧可以為無線網絡節省大量的帶寬，例如，完成一個股票指數的查詢操作，如果通過HTTP1.0的臺式機瀏覽器來完成要比通過一個WAP瀏覽器來完成所涉及的包通信量大一倍以上。WAP協議使用的包數量不到標準的HTTP/TCP/IP協議棧的一半。

5.無線電話應用（WTA）框架WTA允許無線手機接入各種電話功能和呼叫控制、電話本訪問和來自WMLScriptApplet中的電文信息。這樣，商家就能夠開發各種電話應用并且將其集成到WML/WMLScript服務中。例如，對于呼叫轉移服務，商家可以提供一個用戶接口，提醒用戶決定是接受呼叫、轉移到他處還是將其轉發成一個語音郵件等。

WAP網關WAP規范使用標準的Web代理技術將無線網絡與Web連接起來。通過將處理功能集中在WAP網關中，大大減少了WAP手機上的負載，為手機實現價廉提供了基礎。例如，一個WAP網關一般可以使用所有的DNS服務來解析URL中使用的域名，因此就不再需要手機來完成這個計算任務。另外，網絡還可以利用WAP網關來為用戶提供各種服務，并且可以幫助網絡服務商防止詐騙和服務利用。

一個WAP網關一般包括以下功能:協議網關。它將來自WAP協議棧的請求翻譯到WWW協議棧（HTTP/IP）中。內容編碼器和解碼器。內容編碼器將Web內容翻譯成壓縮編碼的格式，以減少通過無線數據網絡傳輸出的數據包的大小和數量。這個結構使移動終端用戶可以瀏覽各種WAP內容和應用，而不管它們使用的是什么類型的無線網絡。應用開發者能夠創建網絡和終端獨立的內容服務和應用，使這些應用可以被盡可能多的用戶使用和訪問。使用WAP代理，內容和應用可以放在標準的WWW服務器上，開發者可以繼續使用通用的Web技術，如CGI編程來進行開發。WAP網關還可以將來自不同Web服務器上的數據集合起來，并且緩存經常使用的信息，從而減少手持設備的應答時間。WAP網關還可以與用戶的數據庫接口，根據來自無線網絡的信息（如位置信息），為某一組用戶動態定制WML頁面。

11.3.2WAP方案解決無線網絡的問題（1）將HTTP的明文首標翻譯成二進制碼，大大減少了必須通過無線接口傳輸的數據量。（2）重新定義了一個輕量級會話重建協議，以允許會話暫停一段時間后再繼續。利用允許會話暫停功能，不僅可以釋放網絡資源，還可以節省電池消耗。（3）WAP提供了一個無線傳輸協議（WTP），WTP能夠提供可靠的數據報服務，就像傳統的TCP提供TCP/IP服務一樣，但WTP去掉了傳統的TCP不適合在無線網絡中傳輸的信息，如TCP處理每個請求-應答要傳輸大量的信息，包括用來處理包順序錯亂的信息，從而減少了每個請求-應答處理需要的信息量。（4）WAP的WTP方案還意味著TCP堆棧并不需要設置在手機里，這為手機節省了大量的處理和內存成本。

這種Web應用要求客戶端和服務器之間有一個安全的連接鏈路，WAP規范可以保證手機接入Internet的安全。無線傳輸層安全（WTLS）協議是基于工業標準的傳輸層安全（TLS）協議（該協議的前身即為安全套接層SSL協議），它與WAP傳輸協議一起使用，并且針對窄帶通信信道中的應用進行了優化。WTLS可保證數據的完整性、隱私性、認證和拒絕服務保護。

11.4無線網卡的組成與工作原理

目前，我國西安電子科技大學和上海康泰克電子技術有限公司，都已研制生產出符合IEEE802.11協議的網卡，而且具有漫游功能。1．無線網卡的硬件組成無線網卡的硬件組成包括RF&Antenna、IF、SS和NIC等幾部分，請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的圖11-5。NIC是網絡接口控制單元，它完成SS單元與計算機之間的接口控制。SS是擴頻、解擴頻及解調單元，它完成對發送數據的頻譜擴展和對接收信號的解擴解調，同時，它還具有對數據進行加、解擾處理的功能，在QPSK時還要進行并/串和串/并轉換。在SS單元，還要對發射功率和分集接收進行相應的控制，并具有信道能量檢測（EnergyDestrengthIndication，ED）和載波強度（CarrierSense，CS；實際是信號質量SignalQuality，SQ）檢測等功能。IF是中頻單元，它完成對已擴頻信號的調制（BPSK/QPSK）和對接收信號的變頻及其他處理。RF&Antenna單元完成對發送中頻信號的向上和向下變頻、功率放大（PA）以及低噪聲放大等功能，一般包括Antenna及分集開關、T/R開關、LAN和PA、LocalOscillator、向上/向下混頻器、濾波器幾個部分。由RF&Antenna、IF和SS單元構成了擴頻通信機（SSTransceiver）。

2.無線網卡的工作原理按照IEEE802.11協議，無線局域網卡分為介質訪問控制（MAC）層和物理層（PHYLayer），在兩者之間，還定義了一個介質訪問控制-物理（MAC-PHY）子層（Sublayers）。MAC層提供主機與物理層之間的接口，并管理外部存儲器，它與無線網卡硬件的NIC單元相對應。物理層具體實現無線電信號的接收與發射，它與無線網卡硬件中的擴頻MAC層相對應，以便決定是否可以發送信號，通過MAC層的控制來實現無線網絡的CSMA/CA協議。而MAC-PHY子層主要實現數據的打包與拆包以及把必要的控制信息放在數據包的前面。IEEE802.11協議指出，物理層必須有至少一種提供空閑信道估計CCA信號的方法。

無線網卡的工作原理如下：當物理層接收到信號并確認無錯后提交給MAC-PHY子層，經過拆包后把數據上交MAC層，然后判斷是否是發給本網卡的數據，若是，則上交，否則，丟棄。如果物理層接收到的發給本網卡的信號有錯，則需要通知發送端重發此包信息。當網卡有數據需要發送時，首先要判斷信道是否空閑。若空，隨機退避一段時間后發送，否則，暫不發送。由于網卡的工作方式為時分雙工，所以，發送時不能接收，接收時也不能發送。11.5寬帶無線技術與寬帶無線接入技術

11.5.1寬帶無線技術在眾多通信技術中，寬帶CDMA（B-CDMA）最有可能成為未來的通用通信技術。它完全能適應目前無線本地環路（WLL）應用的需要，而且明顯地具有在WLL、“真正的”PCS和以衛星為基礎的未來應用中發展成為全面多媒體應用的能力。寬帶CDMA網絡基礎設施的發展是3個合作伙伴十幾年來攜手努力合作的成果。這3個合作伙伴是居全球電信交換領域領先地位的德國西門子公司，在CDMA網絡基礎設施和交換機以及手機方面的制造商韓國三星電子公司以及專門從事數字通信（特別是WLL）的美國IDC公司。上述三家公司經過不懈的努力，在1997年底分別推出了各自品牌的商用無線本地環路系統。所有這些工作的成果導致產生“下一代”CDMA——可以提供現有的窄帶技術所無法提供的高帶寬數據業務（包括ISDN、視頻和多媒體）。

1.什么是寬帶CDMA標準的CDMA技術是在一個比其他蜂窩技術相對更寬的頻帶上擴展信號的，從而減少由多徑和衰減帶來的傳播問題。寬帶CDMA進一步拓展此概念，可減少多徑衰減，在多蜂窩環境下提供更大的容量和更高的話音質量。更寬的帶寬還使諸如ISDN和按需要提供帶寬（BOD）等業務得以實現。寬帶CDMA是唯一有潛力提供具有有線線路功能的“透明”本地環路無線技術。作為一種WLL的解決方案，寬帶CDMA可以為公眾電話交換網（PSTN）的移動和固定連接提供廣泛的業務，包括從常規電話業務（POTS）到ISDN和BOD等先進業務。提供的服務包括優質有線傳輸話音、高速傳真、數據以及多媒體（包括視頻）等。這種技術使運營商能通過固定無線應用并最終在便攜和可移動環境中把ISDN業務送至桌面。

2.寬帶CDMA技術電信業界現在已十分熟悉一般工作于11.00MHz頻段的CDMAIS-95版本，新的BCDMA寬帶版本將適用于下列3個頻段:DCS1800（1.71~1.785GHz及1.805~1.880GHz）。US-PCS（1.85~1.9GHz及1.93~1.99GHz）。CEPT（2.0~2.7GHz）。窄帶CDMA與寬帶CDMA的一個更重要區別在于，前者在每個方向上都是在固定的1.25MHz帶寬范圍內有效，而寬帶CDMA技術可根據特定的應用需要使用不同的帶寬。通常使用的帶寬為7MHz、10MHz、10.5MHz、14MHz和15MHz。更寬的帶寬具有更大的抗衰減能力，這就意味著在相同的輸出功率下，寬帶CDMA能提供范圍更廣的性能，或者在同樣的覆蓋范圍內可降低功率要求。另外，附加的帶寬意味著有更大的能力支持更高帶寬業務和提供更靈活的多種混合業務。寬帶CDMA技術在寬廣的無線頻譜上支持多路同步通話數據傳輸。對每路話音、傳真、數據或視頻傳輸都分配一個網絡的發送端和接收端能識別的一種特定代碼，以便傳輸的信息可在接收端重新組合。寬帶CDMA的寬廣頻譜使它對于市區環境中干擾和多徑傳播環境具有更強的抗干擾能力。寬帶CDMA對干擾的抵抗力使之成為多址接入系統的理想選擇。

上述3家廠商在不同的環境中采用雙重技術策略為WLL應用提供解決方案。第一種WLL系統是新開發的寬帶CDMA，采用3種形式部署:第一種形式是在人口密集的市區，微蜂窩小區間隔在1~2km。第二種形式是在面積較大、人口相對稀疏的市區和郊區，小區間隔為5~15km。第三種形式是在小區最大間隔為30km的鄉村。第二種WLL技術是UltraPhone，這是IDC公司在1986年首先推出的一種采用時分多址（TDMA）技術的數字移動電話。該技術隨后使用64kbit/s和25kHz的信道重新應用于WLL中，在美國已安裝了150套此類系統。UltraPhone提供窄帶業務，包括常規的話音、傳真及數據業務，通常應用在距離交換機15km或更遠的地方，有些國家還可應用在距離交換機60km以上的地方。

3.寬帶CDMA的應用寬帶CDMA是為下列4種主要應用而開發的：農村無線本地環路、城市無線本地環路、個人通信系統（PCS）、全球衛星移動個人通信系統（GMPCS）和IMT-2000。

11.5.2寬帶無線接入技術LMDS隨著無線通信技術的迅速發展，一種替代傳統線接入網，并提供通信容量接近于有線光纖的新型無線通信技術異軍突起，即所謂“無線光纖”——本地多點分配業務（LMDS）。LMDS（LocalMultipointDistributeService）是一種嶄新的寬帶無線接入技術，1998年被美國電信界評選為十大新興通信技術之一。由于該技術利用高容量點對多點微波傳輸，可以提供雙向話音、數據及視頻圖像業務，能夠實現從Nx64bit/s到2Mbit/s，甚至高達155Mbit/s的用戶接入速率，具有很高的可靠性，號稱是一種“無線光纖”技術。LMDS工作在10GHz，一般在毫米波的波段附近，可用的帶寬達到1GHz以上，幾乎可以提供任何種類的業務，支持話音、數據和圖像業務以及ATM、TCP/IP和MPEG2等標準。

由于LMDS具有更高帶寬和雙向數據傳輸的特點，可提供多種寬帶交互式數據及多媒體業務，克服傳統本地環路的瓶頸，滿足用戶對高速數據和圖像通信日益增長的需求，因此是解決通信網和接入網問題的利器。尤其是LMDS具備無線通信特有的優勢，即實施迅速、投資低、可靠性高，因此為電信運營商開展業務，發展用戶提供了高成效、低成本的有效方法，受到電信業界人士的極大關注。LMDS系統包括基站系統和用戶端設備兩部分。LMDS基站直接進入電信骨干網絡或核心網絡。為了使LMDS系統能夠提供多樣化的綜合業務，此核心網絡可以由光纖傳輸網、ATM交換或IP交換或IP＋ATM架構而成的核心交換平臺以及與Internet、公共電話網（PSTN）的互聯模塊等組成。

由于直接支持ATM協議（無線ATM），所以通過無線ATM協議，可以使鏈路效率得到提高。LMDS屬于無線訪問的一種新的形式，可以采用LMDS蜂窩式的小區結構配置并覆蓋整個城域范圍。典型的LMDS系統使用地理上分散的類似蜂窩的配置，它由多個樞紐發射機（或稱為基站）在一定小區范圍的服務區管理用戶群，每個發射機節點對多點無線鏈路與服務區內的固定用戶通信。每個蜂窩站的覆蓋區的距離在5~7km范圍。同時，由于LMDS覆蓋區可重疊，每個蜂窩的覆蓋區又可以劃分為多個扇區，可根據需要在該扇區提供特定業務或服務。通過采用多扇區、先進的調制方式、不同極化等途徑，可以進一步增加頻譜利用率，提高網絡容量。這種技術特別適合在密度大的地區使用，如繁華的城市商貿區、技術開發區、寫字樓群、城市居民小區等。11.6微波擴頻通信技術

前面介紹了計算機無線網絡的概念、特點，其良好的性能主要是由于無線通信技術的進步，而網絡的路由、傳輸等控制部分和傳統的有線網絡是基本相同的。本節將簡要敘述無線網絡所使用的通信技術——微波擴頻通信。

11.6.1基本原理擴展頻譜通信（SpreadSpectrumCommunication）簡稱擴頻通信。擴頻通信的基本特征是使用比發送的信息數據速率高許多倍的偽隨機碼對載有信息數據的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶的低功率譜密度的信號來發射。香農在信息論的研究中得出了信道容量的公式，即C=Wlog2（1+P/N）其中，Ｐ是信號功率；Ｎ是白噪聲；Ｗ為頻帶寬度；C為信道容量。這個公式指出：如果信道容量C不變，則帶寬Ｗ和信噪比P/N是可以互換的。就是說，增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下，以相同的數據率來可靠地傳輸信息。甚至在信號被噪聲湮沒的情況下，只要相應地增加信號帶寬，仍能保持可靠的通信。這樣可以用擴頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處。其基本原理請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的圖11-6。

信息數據Ｄ經過常規的數據調制，變成了帶寬為B1的基帶（窄帶）信號，再用擴頻編碼發生器產生的偽隨機編碼（PN碼，PseudoNoiseCode）對基帶信號作擴頻調制，形成帶寬為B2（B2遠大于B1）——功率譜密度極低的擴頻信號，這相當于把窄帶B1的信號以PN碼所規定的規律分散到寬帶B2上，再發射出去。接收端用與發射時相同的偽隨機編碼作擴頻解調，把寬帶信號恢復成常規的基帶信號，然后再用常規的通信處理解調出發送來的信息數據D。

11.6.2擴頻通信的主要特點擴頻通信技術在發送端以擴頻編碼進行擴頻調制，在接收端以相關解調技術收信，這一過程使其具有諸多優良特性。

1.抗干擾性強擴頻通信特性的一個重要參數是擴頻增益G（SpreadingGain），其定義為擴頻前的信號帶寬B1與擴頻后的信號帶寬B2之比，即Ｇ=B2/B1擴頻通信中，接收端對接收到的信號作擴頻解調，只提取擴頻編碼相關處理后帶寬為B1的信號成分，而排除了擴展到寬帶B2中的干擾、噪聲和其他用戶通信的影響，相當于把接收信噪比提高了G倍。考慮到輸出端的信噪比和接收系統損耗，可以認為實際的擴頻增益帶來的信噪比的改善為：M=G－輸出端信噪比－系統損耗其中，M為抗干擾容限。擴頻通信的這一特性，對于抗外界人為干擾時效果很突出，比如，信號擴頻寬度為1000倍，窄帶干擾不起作用，而寬帶干擾的強度降低為原來的1/1000，欲保持原干擾強度，則總功率需加大1000倍，這實際上是難以實現的。因信號接收需要擴頻編碼進行相關解擴處理才能得到，所以限制了同類型信號的相互干擾。在不知道信號擴頻碼的情況下，由于不同擴頻編碼之間不同的相關性，干擾也不起作用。

2.隱蔽性強、干擾小因信號在很寬的頻帶上被擴展，則單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號湮沒在白噪聲之中，別人難以發現信號的存在，而且由于不知道擴頻編碼，就更難拾取有用的信號。而其極低的功率譜密度，也很少對其他電信設備構成干擾。

3.易于實現碼分多址擴頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，這是否浪費了頻段呢？其實正相反，它提高了頻帶的利用率。正是由于擴頻通信要用擴頻編碼進行擴頻調制發送，而信號接收需要用相同的擴頻編碼作相關解擴才能得到，這就給頻率復用和多址通信提供了基礎。充分利用不同碼型的擴頻編碼之間的相關特性，分配給不同用戶不同的擴頻編碼，就可以區別不同用戶的信號。眾多用戶只要配對使用自己的擴頻編碼，就可以互不干擾地同時使用同碼，分別向不同接收者發送數據；同樣地，接收者用不同的擴頻編碼，就可以收到不同的發送者送來的數據，實現了多址通信。常規的無線通信是在頻率上（稱為頻分）或從時間上分配（稱為時分）給通信用戶，使之在頻段上或時間上互不相同，使彼此互不干擾共用頻譜資源。擴頻通信是以各用戶使用不同的擴頻編碼來共用同一頻率。美國國家航空和航天管理局（NASA）的技術報告指出：采用擴頻碼分多址方式的頻譜利用率，高于采用頻分多址方式的頻譜利用率。而且擴頻碼分多址還易于解決隨時增加新用戶的問題。

4.抗多徑干擾在無線通信中，抗多徑干擾一直是難以解決的問題。利用擴頻編碼之間的相關特性，在接收端可以用相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾。

11.6.3擴頻通信系統的工作方式實現擴頻通信的基本工作方式有3種。直接序列擴頻（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式（簡稱DS方式，也簡稱直擴式或直序擴頻）。跳變頻率（FrequencyHopping）工作方式（簡稱FH跳頻方式）。混合系統。

1.直序擴頻系統信號的頻帶寬度與其持續的時間成反比，1μs脈沖的帶寬約為1MHz。所謂直序擴頻，即在發送端以所傳信息來調制很窄的脈沖序列，該脈沖序列就是擴頻碼，這樣可達到展寬頻譜的目的。在接收端，用相同的擴頻碼去進行解擴，把展寬的擴頻信息還原成原始信息。解擴的過程就像用相片去找人一樣。用擴頻碼對照輸入的擴頻信號，然后，將其轉換成信息調制的載波，最后經濾波器輸出。我們知道，一個普通信號如與擴頻碼混合，相當于經過擴頻輸出。那么，如干擾信號在接收端輸入，則會經擴頻降低功率密度，再經濾波器后，干擾信號能量將會極大地減弱，而輸入的擴頻信號經解擴提高了功率密度，起到了提高信噪比的作用。

2.跳頻系統

如果在不斷變換的幾十個載波頻率上傳送信號，而限制某個頻率受到干擾，則也能很好地收到信號，這就是跳頻系統。它的圖案請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的圖11-7。圖中橫軸為時間，縱軸為頻率，這個時間與頻率的平面叫做“時-頻”域，其中，陰影代表跳頻的方案，也稱跳頻圖案。當通信雙方的跳頻圖案完全一致時，就可以建立跳頻通信了。跳頻圖案通常采用偽隨機改變的方法，只有通信雙方才知道此跳頻圖案，而別人是很難知道的。所謂偽隨機，就是“假”的隨機，實際是有規律可循的。

跳頻系統的特點，在很大程度上取決于它的擴展頻譜機理。跳頻擴頻在機理上與直序擴頻大不相同。每一跳頻駐留時間的瞬時所占的信道帶寬是窄帶頻譜，依照跳頻圖案隨時間的變化，這些瞬時窄帶頻譜在一個很寬的頻帶內跳變，形成一個跳頻帶寬，由于跳頻速率很快，從而在宏觀上實現了頻譜的擴展。跳頻圖案的產生并不是隨意的，而是由偽碼序列所決定的，它要求偽碼序列具有良好的自相關性和互相關性，這就是前面所說的擴頻碼。通常最常見的是m序列。

由于擴頻碼良好的自相關性，因此跳頻系統具有良好的抗多徑干擾的能力。同時，由于擴頻碼的正交性，在同一個跳頻帶寬內，可以容納多個跳頻系統同時通信，實現碼分多址的通信功能，達到頻譜資源共享的目的。跳頻系統中通常窄帶跳頻信道較多，可供使用的互相正交的擴頻碼也較多，一般可達幾十個甚至更多，故在一個跳頻帶寬內，可容納的跳頻系統也較多。

跳頻系統的抗干擾性與直序擴頻是完全不同的。跳頻圖案不同，其干擾的效果也不盡相同。當跳頻圖案的隨機性越大時，跳頻抗干擾的能力就越強，因為“棋盤”越大時，即頻率和時間的乘積越大，可容納的隨機圖案也越多，跳頻圖案本身的隨機性也越大，從而抗干擾能力也越強。所謂抗干擾能力，實際上是指碰到干擾的概率小。因跳頻圖案的隨機性，別人很難發現通信使用的頻率，一旦發現，可立即轉移到另一頻率上，故跳頻系統抗截獲性也很強。在當代軍事領域中（如在現代化的電子戰中），跳頻通信已顯示出巨大的優越性，從而證明了跳頻系統的抗干擾和抗截獲性。

跳頻系統中由于它的載波頻率是快速跳變的，因此具有頻率分集的功能。分集接收技術是克服信號衰落的有效措施。當跳頻的頻率間隔大于衰落信道的相關帶寬（通常都能滿足這個條件）而跳頻駐留時間又很短時，它就能起到頻率分集的作用。因此，在移動通信中的多徑、衰落信道的條件下，跳頻系統又具有抗多徑、抗衰落的能力。

3.混合系統由以上兩種擴頻系統可以看出，在計算機無線通信中，兩種系統各有優缺點，請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的表11-12。直序擴頻與跳頻擴頻的組合可構成直序擴頻/跳頻擴頻系統。直序擴頻/跳頻擴頻系統是在直接序列擴展頻譜系統的基礎上增加載波頻率跳變的功能。每一種擴展頻譜系統都有各自的優點和局限性。比如，當抗干擾的指標要求很高時，單獨的一個擴頻系統往往很難達到要求，甚至會遇到技術上的難題，或者需要增加設備的復雜程度，從而提高成本。若是采用混合擴頻系統，優勢互補，則可滿足高抗干擾指標的要求。再比如，當通信速度提高時，直序擴頻要達到較好的擴頻效果，擴頻碼速度也必須提高。擴頻碼是一種比脈沖更窄的一組脈沖，過分提高擴頻碼速度會遇到技術上的難度，并會大大提高成本，這樣也就限制了直序擴頻通信速率的提高。同樣，對于跳頻系統速度的提高，會遇到要求提高跳頻器的跳頻速度等一系列問題，這同樣也是有限制的。而當直序擴頻系統與跳頻擴頻系統結合時，這個問題也就迎刃而解了。這樣，當兩種擴頻系統組合時，既能提高抗干擾性，又能提高速率，還可緩解某些技術難點，降低成本，具有更高的性能價格比。當然，其代價是系統的復雜程度有所提高。

現舉一個例子說明采用混合式擴展頻譜系統的必要性。某系統要求擴展頻譜的帶寬達1000MHz，試設計一個擴展頻譜系統。若采用直序擴頻來滿足此項指標，需產生擴頻碼速度為500Mchip/s，這在技術上是難度極大的；如果采用跳頻系統來實現，假設跳頻頻率間隔是25kHz，跳頻器輸出的跳頻頻率數需達到4萬個。制作跳頻帶寬為1000MHz和4萬輸出頻率的跳頻器在技術上也是很困難的。但是，如果采用直序擴頻/跳頻擴頻系統，直序擴頻的擴頻碼用5Mchip/s，跳頻器輸出的跳頻頻率數為100個，最小跳頻頻率間隔為10MHz就可以滿足要求。顯然，這種混合式擴展頻譜系統中的各部件的技術難度大大降低了，相應的成本也降低了。

值得注意的是，混合系統無明顯的遠近效應，大大改善了接收。并且，由于跳頻具有抗多徑衰落能力，整個混合系統在移動通信中具有了較好的接收能力，并且改善了組網能力，提高了信道容量。另外，無論是直序擴頻、跳頻還是混合系統，它們在空中的傳播距離與能量及接收靈敏度有關，而與擴頻方式無關。所以，只要能量足夠大，無遮擋，這幾種系統都可傳播幾十千米遠。目前使用最多、最典型的擴頻工作方式是直擴式，在計算機無線網絡的通信中，就是采用這種工作方式。直擴式的基本原理請參見科學出版社《計算機網絡與工程實踐》(2007.12)第1版的圖11-8和圖11-9所示。

如圖11-8所示，在發送端要發送的數據D時，由模2相加器調制偽隨機碼發生器產生擴頻序列，再經載波調制器調制成載波信號（常用的調制方法有BPSK、QPSK等，以及無線網絡采用的數字方式QPSK調制方法），調制后獲得寬帶的擴頻信號，經寬帶放大器放大后發射出去。在接收端（如圖11-9所示）接收到的信號經放大后，要經過射頻寬帶濾波器處理，以提高信噪比并提取信號以對齊相位，同步電路拾取到發送來的擴頻碼的準確相位，以此作為同步信號，使PN碼發生器產生解調放大后的寬帶信號，準確恢復成窄帶信號，再經常規數據解調后，即可獲得數據D。

擴頻通信技術是如何解決多址通信和信號檢測的呢？這是擴頻通信的兩個基本特點，即偽隨機編碼調制和信號相關處理。偽隨機編碼調制的核心是產生符合擴頻通信需要的偽隨機編碼（PN碼），以此作為擴頻編碼（SpreadingCode），也叫做擴頻序列（SpreadingSequence）。要求它具有良好的偽隨機性、長周期、復雜度大、編碼序列和易于高速產生。對于直擴方式，擴頻編碼常用最大長度的線性反饋移位寄存器序列，即m序列，它可由線性反饋移位寄存器生成并具有上述所要求的特征，它產生的二值序列由其反饋系數來調節。有些反饋系數狀態能產生最大長度周期的m序列，m序列的長度決定著擴頻的能力。因其產生偽隨機編碼序列的初態可以設置而產生不同的PN碼，故可用不同的初態來決定PN碼。而不同的PN碼對擴頻信號進行相關處理，即可解調出與之相同的PN碼調制的擴頻信號中的基帶信號，并濾去了其余的部分。這樣就可以實現多址通信，且有極好的抗干擾性。

擴頻無線網絡雖然是新技術、新產品，但已是一套具有很強功能、性能可靠、符合協議的系列產品，與多種軟件和常用的網絡操作系統相匹配，可以在廣泛的環境下支持各種以太網、令牌網和TCP/IP協議。11.7無線網絡典型連接方式

11.7.1無線網絡典型連接方式無線網絡產品的多種使用方式可以組合出適合各種情況的無線聯網方案，可以方便地解決許多以線纜方式難以滿足的需求。例如，數十千米遠的兩個LAN相連，其間或有河流、湖泊相隔，拉線困難且線纜安全難以