计算机网络及工程实践教程讲座(11)主讲内容无线网络

计算机网络与工程实践教程讲座

(11)

黎连业

计算机网络与工程实践教程讲座教材

《计算机网络与工程实践教程

》第1版

科学出版社(2007.12)

第11章无线网络

本章重点讨论以下内容：无线网络的概述;无线网络标准与协议;无线应用协议（WAP）;无线网卡的组成与工作原理;宽带无线技术与宽带无线接入技术LMDS;微波扩频通信技术;无线网络典型连接方式;无线联网方案。11.1无线网络的概述近年来，由于无线通信技术的发展，出现了移动上网，无线Internet。而11Mbit/s、54Mbit/s无线局域网的推出，使无线网络出现了新的生机，而且势头较猛。无线网络采用与有线网络同样的工作方法，它们按PC、服务器、工作站、无线适配器和访问点通过电缆连接建立网络。应该说，计算机无线联网方式是有线联网方式的一种补充，它是在有线网的基础上发展起来的，使网上的计算机具有可移动性。能快速、方便地解决有线联网方式不易实现的网络信道的连通问题。无线联网要解决以下两个主要问题。（1）通信信道的实现与性能。（2）提供像有线网络系统那样的网络服务功能。对于第一点的基本要求是：工作稳定、数据传输率高（大于1Mbit/s）、抗干扰、误码率低、频道利用率高、具有保密性，收发的单一性、可以进行有效的数据提取。对于第二点的基本要求是：现有的网络系统应能在其中运行，即要兼容有线网络的软件，使用户能透明地操作而无须考虑网络环境。

无线联网的系统具有如下特点:（1）频率为工业自由辐射频率，不用专门申请;（2）该网络支持现有各种计算机需要的网络软件;（3）建立透明式网络链路;（4）能够完成局域网互联的高速率传输;（5）采用扩展频谱通信技术;（6）用无线电波通信、不用电缆;（7）施工快速、简便、维修方便;（8）采用宽带数据通信，抗干扰性能好;（9）低功耗，0.1W可实现30km通信;（10）无须改变原网络系统软件和应用软件。

无线网络适用范围有：（1）适用工矿、企业、广域远距离联网;（2）适合银行、保险、工商、税务、证券系统网络;。（3）用于水利、电力、铁路、油田远程网络;（4）用于大专院校、科研院所网络;（5）用于海关、港口、机场联网;（6）用于高速公路、城市联网;（7）适用于公安、消防、环境监测、军事移动通信网络;（8）用于江、河、湖、海、海峡、山谷等复杂地形环境联网;（9）适用于难以铺设电缆的各种地区和环境联网。

无线网络室内天线覆盖范围请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-1。无线网络室外天线传输距离请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-2。

11.1.1无线局域网随着信息技术的发展，人们对网络通信技术的要求不断提高，希望不论在何时、何地，都能与任何人进行包括数据、语音和图像等任何内容的通信，并希望主机在网络环境中移动和漫游。无线局域网是实现移动网络的关键技术之一。随着IEEE等国际机构对于无线局域网标准的制定，市场上无线局域网产品的兼容性大大提高，极大地促进了无线局域网产品和市场的发展。众多低价位无线局域网产品的出现，使得越来越多的用户考虑使用无线局域网产品来满足应用上的需求。

总的来说，无线局域网在以下几个方面有非常现实的意义:在不能使用传统布线或者是使用传统布线困难很大的地方。租用专线耗资高的地方。重复的临时建立和安排的网络环境，使用有线不方便、成本高、耗时长的地方。局域网用户需要在一定范围内进行移动通信的环境。但是，目前无线局域网在数据传输速率、传输范围、安全性等方面都还不如有线局域网，所以无线局域网在相当长的时间内会与有线局域网共存。对于智能建筑应用环境，特别是众多的公共场所或专业场所，如机场、车站、会议大厅、会展中心、图书馆以及大开间的办公室等地方，会越来越多地使用无线局域网，满足用户无线终端入网的需求。

无线局域网技术有：（1）无线个人网（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）。主要用于个人信息化设备的无线网络连接，目前发展的主流技术是蓝牙。无线局域网。IEEE802.11a/b/g。主要用于一个局域物理区域内信息设备的无线网络连接。（2）无线广域网（WWAN，WirelessWideAreaNetwork）。GSM/GPRS/CDMA/UMTS。主要用于广域范围内信息设备的无线网络连接。

11.1.2无线网络的发展过程无线局域网是1990年出现的，但是，无线局域网的研究可以追溯到20世纪70年代早期，主要的领导者是AT&T的贝尔实验室，早期的产品为频分多址（FDNA）模拟蜂窝系统技术。20世纪70年代后期瑞士IBMRuschlikon实验室的Gfeller第一次提出了无线局域网的概念，并且在北欧部署了第一个移动电话系统。语音的无线网络历史从此展开，直到1998年开始3G标准化。面向语音的历史进展请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-3。语音无线网络的出现，推动数据无线局域网的发展，并获得了很大的成功，其历史进展请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-4。

11.1.3无线网络分代1.第一代蜂窝网络在北欧出现后，便掀起了移动通信的研究，并以全球移动通信系统（GSM，GlobleSystemofMobilecommunications）为导向，人们习惯地把这一阶段研究称之为第一代（1G）系统。第一代系统是面向语音的模拟蜂窝和无绳电话。第一代系统在下行链路（从基站到移动台）和上行链路（从移动台到基站）中使用了两分开的频段。这种系统采用的是频分双工（FDDFrequencyDuplexing）模拟。典型的在每个方向上都分配整个频段。例如AMPS、TACS和NTM-900在每个方向上的频段都是25MHz。这些系统的主要工作频率是800MHz和900MHz频段。理想情况下，频段和使用地区请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-5。

第一代系统通常也称为模拟蜂窝系统，在这一阶段中还提供了移动数据业务，但只能提供单向的短信息数据，在这基础上人们就把研究的注意力放到面向语音和面向数据的研究上来，这一过程被称为第二代（2G）系统。

2.第二代

第二代系统主要表现为4个方面，它们是：数字蜂窝移动系统、PCS、移动数据和无线局域网标准。无线局域网标准的详细内容将放在下一节讲述。数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统有4个主要标准，它们是GSM、IS-54、JDC、IS-95。GSM是欧洲数字移动通信标准，后来扩展到亚洲，也称为泛欧数字移动通信标准；IS-54是北美地区的数字移动通信标准；JDC是日本的数字移动通信标准；IS-95是美国和亚洲的数字移动建设标准。GSM、IS-54、JDC系统使用的是JDMA技术、IS-95系统使用的是CDMA技术。第二代数字蜂窝移动通信标准的主要情况请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-6。

2G的PCS个人通信业务（PCS，PersonalCommunicationsServices）是从1G的模拟无绳电话技术发展而来，它与蜂窝移动通信在技术特性上有所差别。其比较结果请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-7。对于PCS的标准规范有4个，它们是：CT-2和CT-2+，是欧洲和加拿大的标准，也是第一个无绳电话标准；DECT，是欧洲的标准；PHS，日本的标准；PACS，美国的标准。它们的主要情况请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-8。

移动数据业务移动数据业务能够为用户接入分组交换数据网络提供合适的数据速率和广泛的覆盖范围。移动数据网络出现在寻呼业务取得成功之后，提供一种大信息量的双向连接，并先后出现了ARKIS、Mobitex、CDPD、TETRA、GPRS、Metricom。它们在移动数据业务上的差别，请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-9。

3．第三代第三代系统（3G）无线网络把蜂窝电话和PCS语音业务和各种分组交换数据综合在一个统一的网络中，3G的主要技术是宽带码分多址（WCDMA，WidebandCodeDivisionMultipleAccess），最基本的要求是可支持不同速率的应用（从384kbit/s的电路交换连接到带宽为2Mbit/s的连接）和不同的运行环境。3GSM（WCDMA）和EDGE是被国际电信联盟（ITU）认可的国际移动通信（IMT-2000）的3G标准，要求将语音和数据结合在一起。许多运营商、开发商都认可这项技术，并选择3GSM作为过渡到3G的升级途径，在2003年9月8日~10日的北京无线网络会议中，许多厂商的技术资料都证实了这一点。

11.1.4几种无线局域网标准1990年，IEEE执行委员会成立了802.11工作组，其目标是创建无线局域网（WLAN）标准，规定为“所提议的无线LAN标准的作用范围是为局域网固定的、便携式和可移动站点的无线连接开发的规范”。最终的标准，即正式称为IEEE无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范，并像802的IEEE标准一样（如802.3、802.5），规定了一些至关重要的技术机制。

历经十几年的发展，802.11已经从最初的802.11a、802.11b发展到了目前的802.11i等8种标准。802.11a：5GHz波段上的物理层规范。802.11b：2.4GHz波段上的物理层规范。802.11d：当前802.11标准中规定的操作仅在几个国家中是合法的，该标准旨在扩充802.11无线局域网在其他国家的应用。802.11e：改进和管理WLAN的服务质量，保证能在802.11无线网络上进行话音、音频、视频等多媒体业务的传输。802.11f：实现不同厂商无线局域网之间的互操作，保证网络内访问点之间信息的互换。802.11g：是802.11的扩充，通过提高数据率，来增强802.11b兼容网络的性能和应用。802.11h：增强5GHz波段的802.11MAC规范及802.11b高速物理层规范。802.11i：增强WLAN的安全和鉴别机制。

802.11a在使用频率的选择和数据传输速率上都优于802.11b，但不兼容802.11b。无线局域网最常用的标准是IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g等几种。目前市场上的产品绝大部分均遵循IEEE802.11b标准，即数据传输速率可达5~11Mbit/s，IEEE802.11b标准的发布，使得无线局域网的应用和普及发展到了一个新的阶段。标准使无线局域网的用户能够自由、灵活地选择不同厂家的产品。无线局域网的主流厂商组成了一个称做无线以太网兼容性联盟（WECA）的国际性组织。WECA的任务是负责认证无线局域网产品的互操作性和兼容性，并推动无线局域网在企业和家庭中的应用。继IEEE802.11b后，具有54Mbit/s传输速率的符合IEEE802.11a和IEEE802.11g标准的无线局域网技术及其产品在市场已流行了几年。此外，家居无线网络HomeRF2等无线局域网技术也在广泛应用。

几种无线局域网标准的性能比较请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-10。

11.1.5无线网络的传输介质目前，计算机无线通信传输手段有两种。（1）无线电波，即短波或超短波、微波。（2）光波，即激光、红外线。短波，超短波类似电台或电视台广播。采用调幅、调频或调相的载波，通信距离可达数十千米。这种通信方式早已用于计算机通信，但其速率慢、保密性差、没有通信的单一性、易受其他电台或电气设备的干扰，可靠性差。另外频道、频度都要专门申请，因此一般不用作无线联网。微波是以微波收发机作为计算机网络的通信信道。因为微波的频率很高，所以能够实现数据传输高速率，受气候条件环境影响很小。它的频率范围为300MHz~300GHz内。微波波段又可分为分米波、厘米波、毫米波，还有用字母命名更细分微波各波段的。微波各波段请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-11。

微波的波长很短，具有如下特性:（1）直线传播。（2）频谱宽，携带信息容量大。（3）微波器件受尺寸大小的影响。（4）微波受金属物体屏蔽，虽能穿越非金属物体，但耗损大。（5）可穿透大气层，向外空传播。

由于激光和红外线易受天气影响、也不具备穿透能力，因此在无线网络中一般不用。根据前面叙述，可以看到无线网络传输媒介性能最好的是微波。以微波频段为媒介，采用直序扩展频谱或跳频方式发射的传输技术，并以此技术制作了发射机、接收机、遵照IEEE802.3以太网协议，许多公司开发了整套的计算机无线网络产品。其通信方面的主要技术特点是：用900MHz或2.45GHz微波作传输媒介，以先进的直序扩展频谱（DSSS）或跳频（FH）方式发射信号，其扩展编码（SpreadingCode）位长为216，射频带宽为26MHz。与传统的无线电窄带调制发射方式不同，这是宽带调制发射。故它具有传输速率高（达2Mbit/s），发射功率小（只有100~200mW），保密性好，抗干扰能力很强，不与其他无线电设备及用户互相干扰的特点。更方便的是易于多点通信，这是因为它和一般无线电通信采用的频分式或时分式不同，扩频调制是码分方式。很多用户可以使用相同的通信频率，只要设置不同的标识码ID，就可以产生不同的伪随机码来控制扩频调制，即能做到互不干扰的同时通信。其通信距离和覆盖范围视所选用的天线不同而异；定向传送距离为5~40km；室外的全向天线可覆盖1.5~10km的半径范围；室内全向可覆盖最大半径为250m的5000m2范围。电波能穿透几层墙或两层楼的混凝土楼板。由此可见，微波扩频通信技术为计算机无线网提供了良好的通信信道。

11.1.6无线局域网物理层无线局域网的物理层共有3种接口方式。（1）跳频扩频（FHSS）物理层接口。FHSS规范定义了物理层帧的格式，通过跳频功能和频移键控调制技术，即PMD利用它们将二进制数据帧转换为适合无线电波传播的信号，通过PMD使用FHSS发送数据帧。

（2）直接序列扩频（DSSS）物理层接口。DSSSPLCP规范定义了物理层帧的格式。DSSSPMD解释工作站如何利用DSSS发送帧。通过PMD将二进制数据帧转换成适合无线电波传播的信号。

（3）红外线（IR）物理层接口。通过对PMD工作站利用红外线物理层发送帧以及PMD利用调制技术将二进制数据帧转换成适合红外线光传播的信号。为了能够说明无线局域网物理层物理接口，还需要介绍物理层物理接口特性。

1.跳频扩频的特性FHSS有以下特性:成本低；能量耗废量低；最强的抗干扰能力；单物理层数据传输率具有最小的电压；多物理层具有最大的集成能力；发送范围小于DSSS，但大于IR。

2.直接序列扩频的特性直接序列扩频（DSSS）与跳频扩频相比，具有以下特点:成本最高；能量消耗最大；接收口的数据率最高；和跳频扩频相比，它的多物理层集成能力低；其可支持的不同地理位置无线电小区的个数最少，所以限制了可提供的信道数；其发送距离比跳频扩频和红外线物理层都大。它的通信方式采用的是不覆盖脉冲，数据码速率是11Mbit/s。占用的带宽大概为26MHz，ISM的2.4GHz频段分成11个相互覆盖的频道。每两个信道之间的中心频带间隔是5MHz。

3.红外线的特性红外线接口具有以下特性:成本低；对RF（RadioFrequency，无线频率）干扰的容忍度最高；相对扩频无线电系统，红外线的传播距离最短；抗窃听能力最强；多工作在有顶蓬的地方（主要是在户内），顶蓬作为红外线信号的反射点；在世界范围内都没有频率限制。IEEE802.11标准推荐技术，使用时它的光波长规定在850~950mm之间。

11.2无线网络标准与协议

IEEE原计划1993年推出的关于无线网络标准802.11技术规范，由于各种原因，直到1997年7月才正式出台，但现在已成为无线联网技术循序渐进发展和市场不断开拓的基础。这个技术规范旨在解决不同厂商1Ｍbit/s、2Mbit/s和10Mbit/s无线局域网产品的兼容问题，同时也对网络产品的价格下调问题产生了积极的影响，有助于市场的发展。

IEEE802.11标准为无线局域网定义了物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）的结构。对于物理层定义了3种不同的传输方式:采用红外线传输方式或两种不同的射频信号传输方式；直序扩频技术（DSSS）；跳频扩频技术（FHSS）。同时还定义了直序扩频技术（DSSS），如采用DBPSK（差分二相移相键控）编码方式，其传输峰值速率可达到1Mbit/s，而采用DQPSK（差分正交移相键控）编码方式则传输速率可达2Mbit/s。同时FHSSPHY还可以利用GFSK二级或四级调制方式允许2Mbit/s工作速率，以便满足市场对不同性能价格比产品的需求。

IEEE802.11标准的介质访问控制（MAC）单元使得无线网络可通过其桥接器与标准的有线网络（LAN）一起工作，以保证有线网与无线网节点逻辑上的无差别性及互操作性。但无线网的MAC与有线网的MAC有所不同，但此不同均被转接处的存取点遮掩掉了。无线网络标准采用CSMA/CA（带有回避冲突的载波侦听多路访问）的MAC方式，同时IEEE802.11标准还提供漫游功能等多方面优势，它允许一台客户机在多个无线子网中漫游，同时还可以工作在同一或不同的信道中。但标准并不保证客户机在多个子网中由不同的产品供应商提供的产品之间漫游。

美国朗讯科技、Aironet、数字海洋（DigitalOcean）等无线网络产品的主要公司已联手开发了“接入点互联协议（IAPP，InterAccessPointProtocol）”规范。IAPP规范将推广到更多厂家，使它们产品具有互通性，对于“接入点”则应考虑以下几点:原始投资低，操作简便，维护费用低；可迅速安装；易于一体化。

由于许多无线局域网用户使用便携式终端及工作站，IEEE802.11标准给无线MAC增加了多项功能，使便携电脑通过电源管理功能延长电池寿命。对于无线网系统，在特定或用户自定义的时间段内没有活动时，典型的系统电源管理方式使系统处于休眠状态（低电压或断电状态）。但不幸的是休眠有可能导致关键网络数据丢失，为支持周期性进入休眠状态的客户机，IEEE802.11规定接入点（AP）需要缓冲器，让传输的报文排队。而朗讯科技的WaveLAN产品的休眠则可能间断性地清醒及恢复任何信息，接入点设备（AP）也允许经特别处理后消除被恢复的信息。

MAC层协议则使用CSMA/CA信令，与标准以太网协议（CSMA/CD）可无缝连接运作。尽管无线局域网与有线局域网有些不同，也需要一个接入连接点（AP）连接，但其兼容性会使得WaveLAN在与LAN结合运行连成一网时，易于安装、运行和管理，而且还能有更多的特性，诸如异地漫游、电源管理等。如是符合802.11WLAN标准的产品则能使终端工作站在多个不同的接入点（AP）的相同或不同的信道中，每个AP点每隔100ms发射一个控制信号，每个控制信号包括一个同步信号标志、传输指令及支持的传输速率的信息。漫游用户将利用控制号规定其实时的连接，如果连接的信号很弱，漫游的工作站则会自动连接到另一个AP点。

目前，用于无线局域网的网卡（NIC）在功能上要求做到以下几点:从驱动程序接收时间并装帧发送；从扩频通信机接收数据，拆帧并送至驱动程序；介质访问控制（MAC）；与主机的总线接口；移动管理——越区切换、用户登录与认证；网络同步——指本站与基站和WLAN的其他站达到时钟同步；节能管理——当无业务量或者业务量少时，使物理层处于睡眠状态或节能工作模式。

关于IEEE802.11标准的介质访问控制协议简述如下:介质访问控制协议即IEEE802.11MAC，其基础是CSMA/CA，在它之上可配置无竞争信道访问的接入机制，这就是中心网控方式（PCF）。在PCF方式中，时间域被划分为超帧格式。在超帧的无竞争期，由中心控制节点（一般是AP）进行轮询，某一时刻仅允许一个站点发送。而在超帧的竞争期，使用改进的CSMA/CA方式，或称分布接入方式（DCF）。这样，IEEE802.11除了能以竞争接入方式支持异步业务外，还能以无竞争的访问方式支持同步业务或时限业务。时限业务对于实时数据和语音通信是至关重要的。

下面对介质访问控制协议作4点说明。1.CSMA/CA与DCF基本的CSMA/CA与访问控制IEEE802.11MAC有两种访问控制方式，即DCF和PCF，二者的基础是CSMA/CA。IEEE802.11MAC采用的基本的CSMA/CA算法非常简单：当监测到信道空闲时间大于某一帧间隔（IFS）后立即开始发送帧；否则延迟接入直至监测到需要的帧间隔，然后选择退避时延进入退避；退避结束后重新开始上述过程。基本的CSMA/CA利用物理层提供的载波监测指示信号CS监测信道的忙闲。IEEE802.11MAC规定了3种访问优先级，根据优先级不同，IFS也不同。

Short优先级：是需要立即响应业务（如某些控制帧）的优先级。例如，MAC层的ACK帧，或当采用PCF时主机对轮询的响应帧等。该优先级的帧间隔被称为SIFS。PCF优先级：PCF接入方式的优先级。该优先级的帧间隔被称为DIFS。DFS是动态频率选择，优先级最高。上述各IFS满足：DFS>DIFS>SIFS。

增强型CSMA/CA为了增强基本CSMA/CA对异步业务传输的可靠性，IEEE802.11MAC建立在CSMA/CA的基础上并使用MAC层确认机制，也就是CSMA/CA＋ACK，这样可以在MAC层对帧丢失予以检测并重发送。此外，为了进一步减小在各种环境下的碰撞概率，源站与目的站可在数据传送前交换简短的控制帧，即RTS/CTS，它们以Short优先级接入信道。RTS/CTS帧中的Duration字段被各站点（目的站除外）用于设置它们的网络分配矢量（NAV，NetAllocationVector），以确定信道将被占用多长时间，这样，载波监测的功能可由监测、维护CS及NAV实现。IEEE802.11MAC要求DCF方式必须支持基本的CSMA/CA，可选地支持增强型CSMA/CA，即CSMA/CA＋ACK与CSMA/CA＋ACK＋RTS/CTS。

延迟接入与退避算法如上所述，欲发送帧的站检测到信道忙时就会延迟接入，直到监测到信道空闲时间大于DIFS/SIFS后，选择一个退避时间值，然后进入退避状态。这样可解决正在处于延迟的多个站间的竞争。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时，退避计时器才计时。如果检测到信道忙，则退避计时器将停止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后，计时器才重新继续计时。这一做法的作用是：当多个站延迟并进入随机退避状态后，退避时间值（Backoff）最小的站将在竞争中获胜，从而获得对介质的访问权，在竞争中失败的站会保持在退避状态直到下一个DIFS。这样，这些主站就有可能比第一次进入退避的新站具有更短的退避时间。另外，退避过程也可重传。

防止重帧因为在IEEE802.11MAC中引入了确认和重传，所以可能产生重帧现象，即接收站可能会收到多个相同的帧。IEEE802.11MAC利用帧中的MPDU-ID域防止重帧现象。同一MPDU中的帧具有相同的MPDU-ID值，在不同MPDU中的帧，其MPDU-ID值不同。接收站保持一个ＭPDU-ID缓冲区，它将拒收那些ＭPDU-ID值与缓冲区某一MPDU-ID值相同的重传帧。

2.中心网控方式（PCF）PCF支持的业务模型

IEEE802.11MAC的业务模型请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图11-1，PCF方式由CSMA/CA协议提供的访问优先级实现，它可支持无竞争型时限业务及无竞争型异步业务。而DCF仅支持竞争型异步业务。

超帧结构IEEE802.11MAC使用图11-2所示的超帧实现PCF。在一个超帧期间（SFP），PCF使用无竞争期（CFP），DCF使用竞争期（CP）。在超帧开始时，如果信道空闲，则PCF获得信道访问权；否则，PCF会延迟，直到它检测到信道空闲时间大于PIFS，才能获得信道访问权。这样，就可能引起超帧的扩展，导致超帧中CFP的起始点可变，从而使CFP的长度可变。而DCF的异步业务将自动地延迟到CFP之后才能获得信道访问权。

PCF协议原理采用PCF协议轮询机制，即如果某站（如手持或固定站点）希望提供无竞争服务，则需要向AP（AccessPoint，基站）发出请求，经许可后该站将列入轮询序列，从而参与无竞争业务。AP以PCF优先级向参与无竞争业务的站发送下行数据帧（CF-Down业务），具体使用帧头控制域的轮询比特实现轮询。如果被轮询到的站有缓存的数据，则在检测到一个SIFS后立即将数据发出。当AP发出轮询后，如果在PIFS时间内没有响应，那么AP将恢复对信道的控制，发出下一个轮询帧。当没有上行的无竞争业务（CF-Up）等待发送时，参与无竞争业务的站不对AP的轮询进行响应，并且对前面收到的下行无竞争帧（CF-Down）也无须进行确认。

3.网同步无线网络中每个站均有其内部时钟，所谓网同步是指这些时钟的同步。在多区WLAN中，AP（基站）控制着网同步，它周期性地发送含有其自身时钟信息的信标帧，BSS内与AP连接的各站对照此信标修改自己的本地时钟。而在自组WLAN中，所有站均承担有定期发送网同步信标的责任，各站根据确定的算法将本地时钟与“听”到的时间进行比较并调整，这样，在一定时间内全网时钟能够达到同步。无线网络中的许多功能都借助各站同步的时钟实现，例如，下面几个典型的功能就是利用同步实现的。（1）节能管理，允许MT关闭其接收机直到下一信标到达为止。（2）物理层管理，比如当物理层使用跳频扩展频谱方式时，网同步用于确定跳频定时。（3）支持时限业务，利用网同步完成超帧定时。尽管信标发送应该是定期的，但它也必须遵循CSMA/CA这一基本信道访问原则，因此确定的“信标间隔”只能是预计发送时刻。信标中含有时戳、信标间隔等内容。信标以广播方式发送，含有发送者的物理网地址（NID）。如何在入网时获取同步，这一问题实际上是解决越区切换的基础。

4.节能管理IEEE802.11MAC提供的节能管理机制允许网中各站点收发器在一段时间内关闭，使之工作于低功耗节能模式。其基本原则是在不同环境中，使网中站点获得合理的性能功耗比。在多区WLAN中，当一个站希望进入节能模式时，应事先通知AP。而AP将暂存发往该站的数据并在适当的时刻转发给该站。在由AP定时发送的信标中含有业务指示表TIM，该表中标识了哪些站在AP中暂存有待收数据。工作于节能模式的站点仍须以一定的时间间隔定时“苏醒”，以便接收像信标帧这样的控制帧。在TIM中被标识的站点应当向AP申请或做好等待接收被暂存数据的准备。

在自组ＷLAN中，没有像AP这样的站点始终处于激活状态并为其他站点提供暂存服务。为了支持节能工作模式，需要各站在全网同步的基础上定时“苏醒”。当某站要向一个处于节能模式的站点发送数据时，就预先发送一种具有声明性质的控制帧（ATIM），这样可使处于节能模式的目的站定时打开收发器并维持一段时间的正常工作状态，以便接收源站点后续发来的数据。11.3无线应用协议（WAP）

随着无线通信技术的发展，手机上网成为手机技术发展的一大趋势。为了实现这一技术，无线通信业的领导厂商一起开发了无线应用协议，支持移动电话利用有限的（4个或5个）显示器来浏览国际互联网，WAP按比例缩小信息，使其适用于移动电话。就是说，无线应用协议是一个用于通过移动电话或其他无线终端访问的显示无线信息服务的全球事实标准。WAP规范既利用了现有的技术标准中适用于无线通信环境的部分，又在此基础上进行了新的扩展。厂商使用它可以开发无线接口独立、设备独立和完全可交互操作的手持设备Internet接入方案，从而使厂家的WAP方案最大限度地利用了用户对Web服务、Web开发工具、Web编程和Web应用的既有投资，同时也解决了无线环境所带来的新问题。目前，全球各大手机制造商已经保证提供支持WAP的无线设备。在最广泛的意义上讲，无线应用协议是一种开放式的全球规范，它使移动用户可以利用无线设备方便地访问或交互式地使用信息和服务。

11.3.1WAP规范的要点WAP规范是一种无线应用程序的编程型语言，它第一次定义了一个开放的标准结构和一套用来实现无线Internet接入的协议。WAP规范还为其他的标准机构（如W3C、ETSI、TIA、IETF等）未能解决的问题提供了解决方案，它的出现也促进了其他无线方案的开发和相关无线标准机构标准化工作的进展，适应于大多数无线网络的连接。WAP规范的要素主要包括以下几点。

1.WAP编程模型在设计WAP规范时，WAP论坛一个很重要的指导思想是让WAP尽可能地与现有的标准保持一致，以最大限度地保护制造商、服务提供商和应用开发者的投资。这个模型请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图11-3。WAP编程模型在很大程度上利用了现有的WWW编程模型，应用开发人员可以从这种模型中得到许多好处，包括可以继续使用自己熟悉的编程模型，能够利用现有的工具（如Web服务器、XML工具）等。另外，WAP编程模型还针对无线环境的通信特点，对原有的WWW编程模型进行了优化和扩展。

2.遵守XML标准的无线标记语言（WML）WML使得性能严重受限的手持设备能够提供强大的Internet接入功能。WML和WMLScript不要求用户使用常用的PC机键盘或鼠标进行输入，而且它在设计时就考虑到了手机的小屏幕显示问题。与HTML文件不同的是，WML将文件分割成一套容易定义的用户交互操作单元。每个交互操作单元被称为一个卡，用户通过在一个或多个WML文件产生的各个卡之间来回导航以实现Internet的接入。针对手机通信的特点，WML提供了一套数量更小的标记标签集，这使它比HTML更适合在手持设备中使用。使用WAP网关，所有的WML内容都可以通过HTTP1.1请求进行Internet接入，这样，传统的Web服务器、工具和技术都可以继续使用。WAP可利用二进制传输经过高度压缩的数据，并对长时延和中、低带宽进行优化。WAP的会话可以处理不连续覆盖的问题，并在可以使用IP时使用IP；不能使用IP时，可使用其他优化的协议在多种多样的无线传输方式中运行。用于WAP内容的WML语言充分利用了小屏幕，无须使用完整的键盘就可实现方便的单手操作导航，而且WML语言具有内置的可伸缩性，可以实现从两行文本的显示到智能电话和个人通信器上的全图形屏幕的显示和伸缩。

3.用于无线终端的微浏览器规范这个规范与标准的Web浏览器规范类似，它定义了一个适合于手持设备的功能强大的用户接口模型。这个规范定义手机如何解释WML和WMLScript，并且把信息正确显示给用户。在无线手机中，使用微浏览器规范可以使产生的代码短小、高效，并且它还提供了一个灵活而又强大的用户接口。用户可通过上移键和下移键（不是鼠标）在各个卡之间进行导航。软键盘允许用户执行适合无线Internet应用特点的操作，如WAP使用传统的12键电话键盘来输入阿拉伯字符集，而不是用来输入一套完整的标准字符集。为了保持与标准浏览器一致，微浏览器还提供了各种导航功能，如Back、Home、书签等。由于这个微浏览器与现在Internet上使用的标准浏览器很类似，因此这个用户接口为绝大多数习惯Web界面的用户提供了方便，很容易为手机用户所接受。微浏览器允许具有较大屏幕和更多特性的设备自动显示更多的内容，就像传统的浏览器在浏览窗口扩大时能显示更多的信息一样。

4.轻量级协议栈这个协议栈将无线手机接入Internet的带宽需求降到最低，保证了各种无线网络都可以使用WAP规范，该协议栈请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图11-4。手机通过WAP协议栈可以为无线网络节省大量的带宽，例如，完成一个股票指数的查询操作，如果通过HTTP1.0的台式机浏览器来完成要比通过一个WAP浏览器来完成所涉及的包通信量大一倍以上。WAP协议使用的包数量不到标准的HTTP/TCP/IP协议栈的一半。

5.无线电话应用（WTA）框架WTA允许无线手机接入各种电话功能和呼叫控制、电话本访问和来自WMLScriptApplet中的电文信息。这样，商家就能够开发各种电话应用并且将其集成到WML/WMLScript服务中。例如，对于呼叫转移服务，商家可以提供一个用户接口，提醒用户决定是接受呼叫、转移到他处还是将其转发成一个语音邮件等。

WAP网关WAP规范使用标准的Web代理技术将无线网络与Web连接起来。通过将处理功能集中在WAP网关中，大大减少了WAP手机上的负载，为手机实现价廉提供了基础。例如，一个WAP网关一般可以使用所有的DNS服务来解析URL中使用的域名，因此就不再需要手机来完成这个计算任务。另外，网络还可以利用WAP网关来为用户提供各种服务，并且可以帮助网络服务商防止诈骗和服务利用。

一个WAP网关一般包括以下功能:协议网关。它将来自WAP协议栈的请求翻译到WWW协议栈（HTTP/IP）中。内容编码器和解码器。内容编码器将Web内容翻译成压缩编码的格式，以减少通过无线数据网络传输出的数据包的大小和数量。这个结构使移动终端用户可以浏览各种WAP内容和应用，而不管它们使用的是什么类型的无线网络。应用开发者能够创建网络和终端独立的内容服务和应用，使这些应用可以被尽可能多的用户使用和访问。使用WAP代理，内容和应用可以放在标准的WWW服务器上，开发者可以继续使用通用的Web技术，如CGI编程来进行开发。WAP网关还可以将来自不同Web服务器上的数据集合起来，并且缓存经常使用的信息，从而减少手持设备的应答时间。WAP网关还可以与用户的数据库接口，根据来自无线网络的信息（如位置信息），为某一组用户动态定制WML页面。

11.3.2WAP方案解决无线网络的问题（1）将HTTP的明文首标翻译成二进制码，大大减少了必须通过无线接口传输的数据量。（2）重新定义了一个轻量级会话重建协议，以允许会话暂停一段时间后再继续。利用允许会话暂停功能，不仅可以释放网络资源，还可以节省电池消耗。（3）WAP提供了一个无线传输协议（WTP），WTP能够提供可靠的数据报服务，就像传统的TCP提供TCP/IP服务一样，但WTP去掉了传统的TCP不适合在无线网络中传输的信息，如TCP处理每个请求-应答要传输大量的信息，包括用来处理包顺序错乱的信息，从而减少了每个请求-应答处理需要的信息量。（4）WAP的WTP方案还意味着TCP堆栈并不需要设置在手机里，这为手机节省了大量的处理和内存成本。

这种Web应用要求客户端和服务器之间有一个安全的连接链路，WAP规范可以保证手机接入Internet的安全。无线传输层安全（WTLS）协议是基于工业标准的传输层安全（TLS）协议（该协议的前身即为安全套接层SSL协议），它与WAP传输协议一起使用，并且针对窄带通信信道中的应用进行了优化。WTLS可保证数据的完整性、隐私性、认证和拒绝服务保护。

11.4无线网卡的组成与工作原理

目前，我国西安电子科技大学和上海康泰克电子技术有限公司，都已研制生产出符合IEEE802.11协议的网卡，而且具有漫游功能。1．无线网卡的硬件组成无线网卡的硬件组成包括RF&Antenna、IF、SS和NIC等几部分，请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图11-5。NIC是网络接口控制单元，它完成SS单元与计算机之间的接口控制。SS是扩频、解扩频及解调单元，它完成对发送数据的频谱扩展和对接收信号的解扩解调，同时，它还具有对数据进行加、解扰处理的功能，在QPSK时还要进行并/串和串/并转换。在SS单元，还要对发射功率和分集接收进行相应的控制，并具有信道能量检测（EnergyDestrengthIndication，ED）和载波强度（CarrierSense，CS；实际是信号质量SignalQuality，SQ）检测等功能。IF是中频单元，它完成对已扩频信号的调制（BPSK/QPSK）和对接收信号的变频及其他处理。RF&Antenna单元完成对发送中频信号的向上和向下变频、功率放大（PA）以及低噪声放大等功能，一般包括Antenna及分集开关、T/R开关、LAN和PA、LocalOscillator、向上/向下混频器、滤波器几个部分。由RF&Antenna、IF和SS单元构成了扩频通信机（SSTransceiver）。

2.无线网卡的工作原理按照IEEE802.11协议，无线局域网卡分为介质访问控制（MAC）层和物理层（PHYLayer），在两者之间，还定义了一个介质访问控制-物理（MAC-PHY）子层（Sublayers）。MAC层提供主机与物理层之间的接口，并管理外部存储器，它与无线网卡硬件的NIC单元相对应。物理层具体实现无线电信号的接收与发射，它与无线网卡硬件中的扩频MAC层相对应，以便决定是否可以发送信号，通过MAC层的控制来实现无线网络的CSMA/CA协议。而MAC-PHY子层主要实现数据的打包与拆包以及把必要的控制信息放在数据包的前面。IEEE802.11协议指出，物理层必须有至少一种提供空闲信道估计CCA信号的方法。

无线网卡的工作原理如下：当物理层接收到信号并确认无错后提交给MAC-PHY子层，经过拆包后把数据上交MAC层，然后判断是否是发给本网卡的数据，若是，则上交，否则，丢弃。如果物理层接收到的发给本网卡的信号有错，则需要通知发送端重发此包信息。当网卡有数据需要发送时，首先要判断信道是否空闲。若空，随机退避一段时间后发送，否则，暂不发送。由于网卡的工作方式为时分双工，所以，发送时不能接收，接收时也不能发送。11.5宽带无线技术与宽带无线接入技术

11.5.1宽带无线技术在众多通信技术中，宽带CDMA（B-CDMA）最有可能成为未来的通用通信技术。它完全能适应目前无线本地环路（WLL）应用的需要，而且明显地具有在WLL、“真正的”PCS和以卫星为基础的未来应用中发展成为全面多媒体应用的能力。宽带CDMA网络基础设施的发展是3个合作伙伴十几年来携手努力合作的成果。这3个合作伙伴是居全球电信交换领域领先地位的德国西门子公司，在CDMA网络基础设施和交换机以及手机方面的制造商韩国三星电子公司以及专门从事数字通信（特别是WLL）的美国IDC公司。上述三家公司经过不懈的努力，在1997年底分别推出了各自品牌的商用无线本地环路系统。所有这些工作的成果导致产生“下一代”CDMA——可以提供现有的窄带技术所无法提供的高带宽数据业务（包括ISDN、视频和多媒体）。

1.什么是宽带CDMA标准的CDMA技术是在一个比其他蜂窝技术相对更宽的频带上扩展信号的，从而减少由多径和衰减带来的传播问题。宽带CDMA进一步拓展此概念，可减少多径衰减，在多蜂窝环境下提供更大的容量和更高的话音质量。更宽的带宽还使诸如ISDN和按需要提供带宽（BOD）等业务得以实现。宽带CDMA是唯一有潜力提供具有有线线路功能的“透明”本地环路无线技术。作为一种WLL的解决方案，宽带CDMA可以为公众电话交换网（PSTN）的移动和固定连接提供广泛的业务，包括从常规电话业务（POTS）到ISDN和BOD等先进业务。提供的服务包括优质有线传输话音、高速传真、数据以及多媒体（包括视频）等。这种技术使运营商能通过固定无线应用并最终在便携和可移动环境中把ISDN业务送至桌面。

2.宽带CDMA技术电信业界现在已十分熟悉一般工作于11.00MHz频段的CDMAIS-95版本，新的BCDMA宽带版本将适用于下列3个频段: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）。窄带CDMA与宽带CDMA的一个更重要区别在于，前者在每个方向上都是在固定的1.25MHz带宽范围内有效，而宽带CDMA技术可根据特定的应用需要使用不同的带宽。通常使用的带宽为7MHz、10MHz、10.5MHz、14MHz和15MHz。更宽的带宽具有更大的抗衰减能力，这就意味着在相同的输出功率下，宽带CDMA能提供范围更广的性能，或者在同样的覆盖范围内可降低功率要求。另外，附加的带宽意味着有更大的能力支持更高带宽业务和提供更灵活的多种混合业务。宽带CDMA技术在宽广的无线频谱上支持多路同步通话数据传输。对每路话音、传真、数据或视频传输都分配一个网络的发送端和接收端能识别的一种特定代码，以便传输的信息可在接收端重新组合。宽带CDMA的宽广频谱使它对于市区环境中干扰和多径传播环境具有更强的抗干扰能力。宽带CDMA对干扰的抵抗力使之成为多址接入系统的理想选择。

上述3家厂商在不同的环境中采用双重技术策略为WLL应用提供解决方案。第一种WLL系统是新开发的宽带CDMA，采用3种形式部署:第一种形式是在人口密集的市区，微蜂窝小区间隔在1~2km。第二种形式是在面积较大、人口相对稀疏的市区和郊区，小区间隔为5~15km。第三种形式是在小区最大间隔为30km的乡村。第二种WLL技术是UltraPhone，这是IDC公司在1986年首先推出的一种采用时分多址（TDMA）技术的数字移动电话。该技术随后使用64kbit/s和25kHz的信道重新应用于WLL中，在美国已安装了150套此类系统。UltraPhone提供窄带业务，包括常规的话音、传真及数据业务，通常应用在距离交换机15km或更远的地方，有些国家还可应用在距离交换机60km以上的地方。

3.宽带CDMA的应用宽带CDMA是为下列4种主要应用而开发的：农村无线本地环路、城市无线本地环路、个人通信系统（PCS）、全球卫星移动个人通信系统（GMPCS）和IMT-2000。

11.5.2宽带无线接入技术LMDS随着无线通信技术的迅速发展，一种替代传统线接入网，并提供通信容量接近于有线光纤的新型无线通信技术异军突起，即所谓“无线光纤”——本地多点分配业务（LMDS）。LMDS（LocalMultipointDistributeService）是一种崭新的宽带无线接入技术，1998年被美国电信界评选为十大新兴通信技术之一。由于该技术利用高容量点对多点微波传输，可以提供双向话音、数据及视频图像业务，能够实现从Nx64bit/s到2Mbit/s，甚至高达155Mbit/s的用户接入速率，具有很高的可靠性，号称是一种“无线光纤”技术。LMDS工作在10GHz，一般在毫米波的波段附近，可用的带宽达到1GHz以上，几乎可以提供任何种类的业务，支持话音、数据和图像业务以及ATM、TCP/IP和MPEG2等标准。

由于LMDS具有更高带宽和双向数据传输的特点，可提供多种宽带交互式数据及多媒体业务，克服传统本地环路的瓶颈，满足用户对高速数据和图像通信日益增长的需求，因此是解决通信网和接入网问题的利器。尤其是LMDS具备无线通信特有的优势，即实施迅速、投资低、可靠性高，因此为电信运营商开展业务，发展用户提供了高成效、低成本的有效方法，受到电信业界人士的极大关注。LMDS系统包括基站系统和用户端设备两部分。LMDS基站直接进入电信骨干网络或核心网络。为了使LMDS系统能够提供多样化的综合业务，此核心网络可以由光纤传输网、ATM交换或IP交换或IP＋ATM架构而成的核心交换平台以及与Internet、公共电话网（PSTN）的互联模块等组成。

由于直接支持ATM协议（无线ATM），所以通过无线ATM协议，可以使链路效率得到提高。LMDS属于无线访问的一种新的形式，可以采用LMDS蜂窝式的小区结构配置并覆盖整个城域范围。典型的LMDS系统使用地理上分散的类似蜂窝的配置，它由多个枢纽发射机（或称为基站）在一定小区范围的服务区管理用户群，每个发射机节点对多点无线链路与服务区内的固定用户通信。每个蜂窝站的覆盖区的距离在5~7km范围。同时，由于LMDS覆盖区可重叠，每个蜂窝的覆盖区又可以划分为多个扇区，可根据需要在该扇区提供特定业务或服务。通过采用多扇区、先进的调制方式、不同极化等途径，可以进一步增加频谱利用率，提高网络容量。这种技术特别适合在密度大的地区使用，如繁华的城市商贸区、技术开发区、写字楼群、城市居民小区等。11.6微波扩频通信技术

前面介绍了计算机无线网络的概念、特点，其良好的性能主要是由于无线通信技术的进步，而网络的路由、传输等控制部分和传统的有线网络是基本相同的。本节将简要叙述无线网络所使用的通信技术——微波扩频通信。

11.6.1基本原理扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）简称扩频通信。扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码对载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。香农在信息论的研究中得出了信道容量的公式，即C=Wlog2（1+P/N）其中，Ｐ是信号功率；Ｎ是白噪声；Ｗ为频带宽度；C为信道容量。这个公式指出：如果信道容量C不变，则带宽Ｗ和信噪比P/N是可以互换的。就是说，增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下，以相同的数据率来可靠地传输信息。甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍能保持可靠的通信。这样可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。其基本原理请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图11-6。

信息数据Ｄ经过常规的数据调制，变成了带宽为B1的基带（窄带）信号，再用扩频编码发生器产生的伪随机编码（PN码，PseudoNoiseCode）对基带信号作扩频调制，形成带宽为B2（B2远大于B1）——功率谱密度极低的扩频信号，这相当于把窄带B1的信号以PN码所规定的规律分散到宽带B2上，再发射出去。接收端用与发射时相同的伪随机编码作扩频解调，把宽带信号恢复成常规的基带信号，然后再用常规的通信处理解调出发送来的信息数据D。

11.6.2扩频通信的主要特点扩频通信技术在发送端以扩频编码进行扩频调制，在接收端以相关解调技术收信，这一过程使其具有诸多优良特性。

1.抗干扰性强扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G（SpreadingGain），其定义为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之比，即Ｇ=B2/B1扩频通信中，接收端对接收到的信号作扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成分，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为：M=G－输出端信噪比－系统损耗其中，M为抗干扰容限。扩频通信的这一特性，对于抗外界人为干扰时效果很突出，比如，信号扩频宽度为1000倍，窄带干扰不起作用，而宽带干扰的强度降低为原来的1/1000，欲保持原干扰强度，则总功率需加大1000倍，这实际上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以限制了同类型信号的相互干扰。在不知道信号扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间不同的相关性，干扰也不起作用。

2.隐蔽性强、干扰小因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号湮没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，而且由于不知道扩频编码，就更难拾取有用的信号。而其极低的功率谱密度，也很少对其他电信设备构成干扰。

3.易于实现码分多址扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，这是否浪费了频段呢？其实正相反，它提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同用户的信号。众多用户只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同码，分别向不同接收者发送数据；同样地，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信。常规的无线通信是在频率上（称为频分）或从时间上分配（称为时分）给通信用户，使之在频段上或时间上互不相同，使彼此互不干扰共用频谱资源。扩频通信是以各用户使用不同的扩频编码来共用同一频率。美国国家航空和航天管理局（NASA）的技术报告指出：采用扩频码分多址方式的频谱利用率，高于采用频分多址方式的频谱利用率。而且扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。

4.抗多径干扰在无线通信中，抗多径干扰一直是难以解决的问题。利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。

11.6.3扩频通信系统的工作方式实现扩频通信的基本工作方式有3种。直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式（简称DS方式，也简称直扩式或直序扩频）。跳变频率（FrequencyHopping）工作方式（简称FH跳频方式）。混合系统。

1.直序扩频系统信号的频带宽度与其持续的时间成反比，1μs脉冲的带宽约为1MHz。所谓直序扩频，即在发送端以所传信息来调制很窄的脉冲序列，该脉冲序列就是扩频码，这样可达到展宽频谱的目的。在接收端，用相同的扩频码去进行解扩，把展宽的扩频信息还原成原始信息。解扩的过程就像用相片去找人一样。用扩频码对照输入的扩频信号，然后，将其转换成信息调制的载波，最后经滤波器输出。我们知道，一个普通信号如与扩频码混合，相当于经过扩频输出。那么，如干扰信号在接收端输入，则会经扩频降低功率密度，再经滤波器后，干扰信号能量将会极大地减弱，而输入的扩频信号经解扩提高了功率密度，起到了提高信噪比的作用。

2.跳频系统

如果在不断变换的几十个载波频率上传送信号，而限制某个频率受到干扰，则也能很好地收到信号，这就是跳频系统。它的图案请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图11-7。图中横轴为时间，纵轴为频率，这个时间与频率的平面叫做“时-频”域，其中，阴影代表跳频的方案，也称跳频图案。当通信双方的跳频图案完全一致时，就可以建立跳频通信了。跳频图案通常采用伪随机改变的方法，只有通信双方才知道此跳频图案，而别人是很难知道的。所谓伪随机，就是“假”的随机，实际是有规律可循的。

跳频系统的特点，在很大程度上取决于它的扩展频谱机理。跳频扩频在机理上与直序扩频大不相同。每一跳频驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频谱，依照跳频图案随时间的变化，这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个跳频带宽，由于跳频速率很快，从而在宏观上实现了频谱的扩展。跳频图案的产生并不是随意的，而是由伪码序列所决定的，它要求伪码序列具有良好的自相关性和互相关性，这就是前面所说的扩频码。通常最常见的是m序列。

由于扩频码良好的自相关性，因此跳频系统具有良好的抗多径干扰的能力。同时，由于扩频码的正交性，在同一个跳频带宽内，可以容纳多个跳频系统同时通信，实现码分多址的通信功能，达到频谱资源共享的目的。跳频系统中通常窄带跳频信道较多，可供使用的互相正交的扩频码也较多，一般可达几十个甚至更多，故在一个跳频带宽内，可容纳的跳频系统也较多。

跳频系统的抗干扰性与直序扩频是完全不同的。跳频图案不同，其干扰的效果也不尽相同。当跳频图案的随机性越大时，跳频抗干扰的能力就越强，因为“棋盘”越大时，即频率和时间的乘积越大，可容纳的随机图案也越多，跳频图案本身的随机性也越大，从而抗干扰能力也越强。所谓抗干扰能力，实际上是指碰到干扰的概率小。因跳频图案的随机性，别人很难发现通信使用的频率，一旦发现，可立即转移到另一频率上，故跳频系统抗截获性也很强。在当代军事领域中（如在现代化的电子战中），跳频通信已显示出巨大的优越性，从而证明了跳频系统的抗干扰和抗截获性。

跳频系统中由于它的载波频率是快速跳变的，因此具有频率分集的功能。分集接收技术是克服信号衰落的有效措施。当跳频的频率间隔大于衰落信道的相关带宽（通常都能满足这个条件）而跳频驻留时间又很短时，它就能起到频率分集的作用。因此，在移动通信中的多径、衰落信道的条件下，跳频系统又具有抗多径、抗衰落的能力。

3.混合系统由以上两种扩频系统可以看出，在计算机无线通信中，两种系统各有优缺点，请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的表11-12。直序扩频与跳频扩频的组合可构成直序扩频/跳频扩频系统。直序扩频/跳频扩频系统是在直接序列扩展频谱系统的基础上增加载波频率跳变的功能。每一种扩展频谱系统都有各自的优点和局限性。比如，当抗干扰的指标要求很高时，单独的一个扩频系统往往很难达到要求，甚至会遇到技术上的难题，或者需要增加设备的复杂程度，从而提高成本。若是采用混合扩频系统，优势互补，则可满足高抗干扰指标的要求。再比如，当通信速度提高时，直序扩频要达到较好的扩频效果，扩频码速度也必须提高。扩频码是一种比脉冲更窄的一组脉冲，过分提高扩频码速度会遇到技术上的难度，并会大大提高成本，这样也就限制了直序扩频通信速率的提高。同样，对于跳频系统速度的提高，会遇到要求提高跳频器的跳频速度等一系列问题，这同样也是有限制的。而当直序扩频系统与跳频扩频系统结合时，这个问题也就迎刃而解了。这样，当两种扩频系统组合时，既能提高抗干扰性，又能提高速率，还可缓解某些技术难点，降低成本，具有更高的性能价格比。当然，其代价是系统的复杂程度有所提高。

现举一个例子说明采用混合式扩展频谱系统的必要性。某系统要求扩展频谱的带宽达1000MHz，试设计一个扩展频谱系统。若采用直序扩频来满足此项指标，需产生扩频码速度为500Mchip/s，这在技术上是难度极大的；如果采用跳频系统来实现，假设跳频频率间隔是25kHz，跳频器输出的跳频频率数需达到4万个。制作跳频带宽为1000MHz和4万输出频率的跳频器在技术上也是很困难的。但是，如果采用直序扩频/跳频扩频系统，直序扩频的扩频码用5Mchip/s，跳频器输出的跳频频率数为100个，最小跳频频率间隔为10MHz就可以满足要求。显然，这种混合式扩展频谱系统中的各部件的技术难度大大降低了，相应的成本也降低了。

值得注意的是，混合系统无明显的远近效应，大大改善了接收。并且，由于跳频具有抗多径衰落能力，整个混合系统在移动通信中具有了较好的接收能力，并且改善了组网能力，提高了信道容量。另外，无论是直序扩频、跳频还是混合系统，它们在空中的传播距离与能量及接收灵敏度有关，而与扩频方式无关。所以，只要能量足够大，无遮挡，这几种系统都可传播几十千米远。目前使用最多、最典型的扩频工作方式是直扩式，在计算机无线网络的通信中，就是采用这种工作方式。直扩式的基本原理请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图11-8和图11-9所示。

如图11-8所示，在发送端要发送的数据D时，由模2相加器调制伪随机码发生器产生扩频序列，再经载波调制器调制成载波信号（常用的调制方法有BPSK、QPSK等，以及无线网络采用的数字方式QPSK调制方法），调制后获得宽带的扩频信号，经宽带放大器放大后发射出去。在接收端（如图11-9所示）接收到的信号经放大后，要经过射频宽带滤波器处理，以提高信噪比并提取信号以对齐相位，同步电路拾取到发送来的扩频码的准确相位，以此作为同步信号，使PN码发生器产生解调放大后的宽带信号，准确恢复成窄带信号，再经常规数据解调后，即可获得数据D。

扩频通信技术是如何解决多址通信和信号检测的呢？这是扩频通信的两个基本特点，即伪随机编码调制和信号相关处理。伪随机编码调制的核心是产生符合扩频通信需要的伪随机编码（PN码），以此作为扩频编码（SpreadingCode），也叫做扩频序列（SpreadingSequence）。要求它具有良好的伪随机性、长周期、复杂度大、编码序列和易于高速产生。对于直扩方式，扩频编码常用最大长度的线性反馈移位寄存器序列，即m序列，它可由线性反馈移位寄存器生成并具有上述所要求的特征，它产生的二值序列由其反馈系数来调节。有些反馈系数状态能产生最大长度周期的m序列，m序列的长度决定着扩频的能力。因其产生伪随机编码序列的初态可以设置而产生不同的PN码，故可用不同的初态来决定PN码。而不同的PN码对扩频信号进行相关处理，即可解调出与之相同的PN码调制的扩频信号中的基带信号，并滤去了其余的部分。这样就可以实现多址通信，且有极好的抗干扰性。

扩频无线网络虽然是新技术、新产品，但已是一套具有很强功能、性能可靠、符合协议的系列产品，与多种软件和常用的网络操作系统相匹配，可以在广泛的环境下支持各种以太网、令牌网和TCP/IP协议。11.7无线网络典型连接方式

11.7.1无线网络典型连接方式无线网络产品的多种使用方式可以组合出适合各种情况的无线联网方案，可以方便地解决许多以线缆方式难以满足的需求。例如，数十千米远的两个LAN相连，其间或有河流、湖泊相隔，拉线困难且线缆安全难以