----浅议直扩技术在IEEE802.11协议中的实现
在这个“网络就是计算机”的时代里，计算机孤岛是无法想象的。在应用需求的推动下，近年来网络技术取得了巨大的进步。一方面，在局域网组网上，速率从10M到100M，乃至生产出10M/100M自适应的集线器、交换机，但由于“接入点的固定和有限”，伴随着用户“移动办公”的需求逐渐强烈，有线接入也有“心有余而力不足”的时候；另一方面，多个局域网的互连，或者由于布线的多方限制，或者因为租用专线的高昂成本，每每使网际互连碰到障碍。难道技术的发展就不能提供一种低成本、高效率的解决方案吗？
无线局域网（WirelessLAN）就是这样一种解决问题的方案，它所提供的“一点对多点接入”、“点对点中继”等工作模式为用户提供了一种替代有线的高效高速的解决方案。而IEEE802.11协议，统一了无线网络的标准，为无线网技术的不断发展奠定了基础。无线局域网的演进从七十年代，人们就开始了无线网的研究。在整个八十年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补“有线”所短，也赢得了特定市场的认可，但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充，遵循了IEEE802.3标准，使直接架构于802.3上的无线网产品存在着易受其他微波噪声干扰,性能不稳定,传输速率低且不易升级等弱点,不同厂商的产品相互也不兼容,这一切都限制了无线网的进一步应用。这样，制定一个有利于无线网自身发展的标准就提上了议事日程。到1997年6月，IEEE终802.11标准。
802.11标准是IEEE制定的无线局域网标准，主要是对网络的物理层(PH)和媒质访问控制层(MAC)进行了规定，其中对MAC层的规定是重点。各厂商产品在同一物理层上可以互操作，逻辑链路控制层(LLC)是一致的，即MAC层以下对网络应用是透明的（如图一所示）。这样就使得无线网的两种主要用途----“(同网段内)多点接入”和“多网段互连”，易于质优价廉地实现。对应用来说，更重要的是，某种程度上的“兼容”就意味着竞争开始出现；而在IT这个行业，“兼容”，就意味着“十倍速时代”降临了。今年三月底，朗讯（LUCent）推出了速率与10M以太网等同的WaveLAN新产品----从而实现了“无线网达到有线网速率”这一近期目标，相对于以前无线网最大速率2Mbps来说，这无疑是一个飞跃，而这其中，802.11无疑也是原动力之一。
在MAC层以下，802.11规定了三种发送及接收技术：扩频(SpreadSpectrum)技术；红外(Infared)技术；窄带(NarrowBand)技术。而扩频又分为直接序列(DirectSequence,DS)扩频技术(简称直扩)，和跳频(FrequencyHopping,FH)扩频技术。直序扩频技术，通常又会结合码分多址CDMA技术。根据猜测，今后几年，无线网在全世界将有较大的发展，单只美国无线局域网销售额就将从1997年的2.1亿美元增加到2001年的8亿美元。在世界无线局域网市场中，WaveLAN占有了最大的份额；从通信技术的发展方向来看，CDMA技术是主要发展趋势之一。因此，为具体起见，以下重点结合WaveLAN的直扩技术介绍802.11标准的一些重要机制。
直扩技术在IEEE802.11中的体现我们知道，扩频技术是利用开放的ISM2.4GHz的频段。也正是由于这个2.4~2.484GHz频段无需申请许可证(但发射功率受限制)，因而此频段很拥挤，微波噪声最大，采取何种发送及接收技术，都将直接影响到微波传输的速率和质量。
比较而言，直扩采取主动占有方式，跳频是被动适应。直扩技术同时使用整个子频段，信号被扩展多次而无损耗；跳频技术是连续间断跳跃使用多个频点，当跳跃至某个频点时，判定该频点是否有噪声干扰，若无则传输信号，若有则依据算法跳至下一频点继续判定。因此跳频技术的频率及传输率会变化。并且很难避免一些无谓的效率上的损耗，即在检测频点是否空闲的信号发生延迟时，因为有响应时间限制，跳频设备会以为检测信号发射失败（丢包），又会重发。因此通常情况下，直扩速率比跳频更高，系统容量（带宽，即可接纳基站的数量）也比跳频方式更大。
让我们以WaveLAN产品为例看看直扩技术是如何具体实现的：在发射端，用数字位信号表示的源信号，与一个唯一的伪随机代码信元（CodeBits）复合，经过调制产生微波信号发射出去。这种代码信元是由代码发生器产生的唯一的高速的多位随机码(chips)。在接收端，能产生与发射端同步并相同的随机码元，按照发射的逆过程解调，即能解析出源信号。
在WaveLAN中，称作“Theseus”的数字信号处理器产生11位随机代码信元，正是这种随机码元提供了直扩产品的“三强”。
1、抗干扰能力强。
我们知道微波信号传输质量低，往往是因为在发送信号的中心频点四周有能量较强的同频噪声干扰，导致信号失真。而直扩技术产生的11位随机码元能将源信号在中心频点向上下各展宽11MHz，使源信号独占22MHz的带宽，且信号平均能量降低。在实际传输中，接收端接收到的是混合信号，即混合了（高能量低频宽的）噪声。混合信号经过同步随机码元解调，在中心频点处重新解析出高能的源信号，依据同样算法，混合的噪声反而被解调为平均能量很低可忽略不计的背景噪声（如图二所示）。
2、码分多址能力强。
我们知道开放的2.4GHzISM频带(工业、科学教育、医学频带)范围是2.4~2.484GHz。WaveLANIEEE802.11支持2.4GHz频带下的13个子信道，每个信道占有高达22MHz的带宽，并可在2.4GHz频带下同时拥有3个完全独占的子信道，因此可将相互干扰减至最小。在每一个子信道内，依据11位随机码元对各基站用户进行编码分址。各用户使用正交或接近正交的扩频编码，各用户的源信号能被复合到同一个无线发射信道中，实现频道复用。在选择低速传输模式下，WaveLAN可在满足办公自动化应用的需求下，支持最多80个用户的分址能力。
3、高速可扩展能力强。
由于独占信道且码分多址，WaveLAN的速率高。但由于在IEEE802.11标准中，11位随机码元中只有1位用来传输数据，因此吞吐量的扩展能力强。贝尔实验室新出的增强型WaveLANIEEE802.11Turbo，最大速率达到8Mbps（实际有效传输速率与10M有线网速率相同），就充分利用了这种扩展能力。相对于通用标准采用的相位变化DQPSK/DPSK调制技术，Turbo型采用了直序/脉冲位置调制DS/PPM）技术。PPM技术使用了预置的8位码元中的3位传输数据，这就使传输率产生了飞跃。用不了多久，作为被IEEE802.11委员会接受为高速方案的提案人，贝尔实验室采用CCK（ComplementaryCodeKeying）技术将WaveLAN传输速率进一步提高到11Mbps。
IEEE802.11协议的重要技术规定
由于无线局域网传输介质（微波、红外线）非“有限”的有线，客观上存在一些全新的技术难题，为此IEEE802.11协议规定了一些至关重要的技术机制。
1、CSMA/CA协议我们知道总线型局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD，即载波侦听多点接入/冲突检测（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此802.11全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA（withgollisionAvoidance）。一方面，载波侦听----查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞----通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。不仅如此，为了系统更加稳固，802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。
2、RTS/CTS协议
RTS/CTS协议即请求发送/答应发送协议，相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏终端”问题。“隐藏终端”（HiddenStations）是指，基站A向基站B发送信息，基站C未侦测到A也向B发送，故A和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。“隐藏终端”多发生在大型单元中（一般在室外环境），这将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝“隐藏终端”现象的发生。WveLAN802.11提供了如下解决方案。在参数配置中，若使用RTS/CTS协议，同时设置传送上限字节数----一旦待传送的数据大于此上限值时，即启动RTS/CTS握手协议：首先，A向B发送RTS信号，表明A要向B发送若干数据，B收到RTS后，向所有基站发出CTS信号，表明已预备就绪，A可以发送，其余基站暂时“按兵不动”，然后，A向B发送数据，最后，B接收完数据后，即向所有基站广播ACK确认帧，这样，所有基站又重新可以平等侦听、竞争信道了。
3、信包重整
当传送帧受到严重干扰时，必定要重传。因此若一个信包越大时，所需重传的耗费（时间、控制信号、恢复机制）也就越大；这时，若减小帧尺寸----把大信包分割为若干小信包，即使重传，也只是重传一个小信包，耗费相对小的多。这样就能大大提高WirelessLAN产品在噪声干扰地区的抗干扰能力。当然，作为一个可选项，用户若在一个“干净”地区，也可以关闭这项功能。
4、多信道漫游
人类是无限追求自由的，随着移动计算设备的日益普及，我们希望出现一种真正无所羁绊的网络接入设备。WaveLAN802.11就是这样的一种设备。传输频带是在接入设备AP（AccessPoint）上设置的，而基站不须设置固定频带，并且基站具有自动识别功能，基站动态调频到AP设定的频带，这个过程称之为扫描（Scan）。IEEE802.11定义了两种模式：被动扫描和主动扫描。被动扫描是指，基站侦听AP发出的指示信号，并切换到给定的频带；主动扫描是指，基站提出一个探视请求，接入点AP回送一个包含频带信息的响应，基站就切换到给定的频带。WaveLAN802.11采用的是主动扫描，并且能结合天线接收灵敏度，以信号最佳的信道确定为当前传输信道。这样，当原来位于接入点AP（A）覆盖范围内的基站漫游到接入点AP（B）时，基站能自适应，重新以AP（B）为当前接入点。
5、可靠的安全性能
贝尔实验室研制的WaveLAN比一般的IEEE802.11标准的产品的安全性更好，这要归功于其采用的直扩技术和码分多址技术。WaveLAN本身的发射功率很小，小于35mW，而且还被扩展到22MHz带宽，一方面，平均能量很低（15dBm），另一方面，不存在频率单一的载波，因此很难被扫描跟踪，这也是此项技术一直用于军事上的原因。这些是物理上的安全机制，在软件上，还采用了域名控制、访问权限控制和协议过滤等多重安全机制；并且在有线同等保密（WEP）方面，对于非凡用户，可选以下附件：基于RC4加密（1988RSA运算法则）和密码（40位加密钥匙）。
以上五点是直扩技术WaveLAN在802.11协议上的主要体现，不仅于此，WaveLAN还具有自动速率选择、电源治理、抗多径干扰等多项功能，在使用维护方面，采用了模块化设计，提供了可升级的网管软件。
无线局域网的应用之道
标准的制定、技术的进步，都是为了更好的应用。无线网的应用很广，当你布线有困难，或当你租用专线感到太贵和不方便时，你就可以考虑使用无线网。在802.3标准中，MAC帧中只有两个MAC地址，分别是源地址和目的地址；而在802.11标准中，MAC帧中有四个MAC地址，配合控制字段中的两个控制位选择，能够表示源地址、目的地址、中转地址和扩展地址，使得无线网的接入灵活自由，组网方式可依需求多变。以下结合WaveLANIEEE802.11介绍一下具体组网方式。
1、对等方式的WaveLAN（如图示三）
对等（peertopeer）方式下的局域网，不需要单独的具有总控接转功能的接入设备AP（AccessPoint），所有的基站都能对等地相互通信。并不是所有号称兼容802.11标准的产品都具有这种工作模式，而WaveLANIEEE802.11产品对应这种模式的是AdHocDemoMode。在AdHocDemo模式的局域网中，一个基站会自动设置为初始站，对网络进行初始化，使所有同域（SSID相同）的基站成为一个局域网，并且设定基站协作功能，答应有多个基站同时发送信息。这样在MAC帧中，就同时有源地址、目的地址和初始站地址。在目前，这种模式采用了NetBEUI协议，不支持TCP/IP，因此较适合未建网的用户，或组建临时性的网络，如野外作业、临时流动会议等。
2、接入方式的WaveLAN（如图示四）
这种方式以星性拓扑为基础，以接入点AP为中心，所有的基站通信要通过AP接转，相当于以无线链路作为原有的基干网或其一部分，相应地在MAC帧中，同时有源地址、目的地址和接入点地址。通过各基站的响应信号，接入点AP能在内部建立一个像“路由表”那样的“桥连接表”，将各个基站和端口一一联系起来。当接转信号时，AP就通过查询“桥连接表”进行。由于WaveLAN的AP有以太网接口，这样，既能以AP为中心独立建一个无线局域网，当然也能以AP作为一个有线网的扩展部分。
3、中继方式的WaveLAN（如图示五）
中继是建立在接入原理之上的，是以两个AP点对点（PointtoPoint）链接，由于独享信道，较适合两个局域网的远距离互连（架设高增益定向天线后，传输距离可达到50公里），局域网既可以是有线，也可以是无线。因为WaveLAN采用中继方式的组网模式多种多样，所以统称为无线分布系统（WirelessDistributionSystem）。正是在这种模式下，MAC帧使用了四个地址，即源地址、目的地址、中转发送地址、中转接收地址。
接入方式和中继方式支持TCP/IP和IPX等多种网络协议，是IEEE802.11重视而且极力推广的WirelessLAN主要的应用方式。从中美两国的应用实践来看，美国较推崇接入方式的应用，而我国应用中继方式的更多。美国已进入信息时代，移动计算设备很普及，非常强调利用信息的便捷性、流动性；中国正踏在时代的门槛上，公共数据网还不是十分发达且价格昂贵，中继方式就成为很好的替代方案，这大概就是国情的不同使然吧。
