----淺議直擴技術在IEEE802.11協議中的實現

　　在這個“網絡就是計算機”的時代里，計算機孤島是無法想象的。在應用需求的推動下，近年來網絡技術取得了巨大的進步。一方面，在局域網組網上，速率從10M到100M，乃至生產出10M/100M自適應的集線器、交換機，但由于“接入點的固定和有限”，伴隨著用戶“移動辦公”的需求逐漸強烈，有線接入也有“心有余而力不足”的時候；另一方面，多個局域網的互連，或者由于布線的多方限制，或者因為租用專線的高昂成本，每每使網際互連碰到障礙。難道技術的發展就不能提供一種低成本、高效率的解決方案嗎？
　　無線局域網（WirelessLAN）就是這樣一種解決問題的方案，它所提供的“一點對多點接入”、“點對點中繼”等工作模式為用戶提供了一種替代有線的高效高速的解決方案。而IEEE802.11協議，統一了無線網絡的標準，為無線網技術的不斷發展奠定了基礎。無線局域網的演進從七十年代，人們就開始了無線網的研究。在整個八十年代，伴隨著以太局域網的迅猛發展，以具有不用架線、靈活性強等優點的無線網以己之長補“有線”所短，也贏得了特定市場的認可，但也正是因為當時的無線網是作為有線以太網的一種補充，遵循了IEEE802.3標準，使直接架構于802.3上的無線網產品存在著易受其他微波噪聲干擾,性能不穩定,傳輸速率低且不易升級等弱點,不同廠商的產品相互也不兼容,這一切都限制了無線網的進一步應用。這樣，制定一個有利于無線網自身發展的標準就提上了議事日程。到1997年6月，IEEE終802.11標準。

　　802.11標準是IEEE制定的無線局域網標準，主要是對網絡的物理層(PH)和媒質訪問控制層(MAC)進行了規定，其中對MAC層的規定是重點。各廠商產品在同一物理層上可以互操作，邏輯鏈路控制層(LLC)是一致的，即MAC層以下對網絡應用是透明的（如圖一所示）。這樣就使得無線網的兩種主要用途----“(同網段內)多點接入”和“多網段互連”，易于質優價廉地實現。對應用來說，更重要的是，某種程度上的“兼容”就意味著競爭開始出現；而在IT這個行業，“兼容”，就意味著“十倍速時代”降臨了。今年三月底，朗訊（LUCent）推出了速率與10M以太網等同的WaveLAN新產品----從而實現了“無線網達到有線網速率”這一近期目標，相對于以前無線網最大速率2Mbps來說，這無疑是一個飛躍，而這其中，802.11無疑也是原動力之一。
在MAC層以下，802.11規定了三種發送及接收技術：擴頻(SPReadSpectrum)技術；紅外(Infared)技術；窄帶(NarrowBand)技術。而擴頻又分為直接序列(DirectSequence,DS)擴頻技術(簡稱直擴)，和跳頻(FrequencyHopping,FH)擴頻技術。直序擴頻技術，通常又會結合碼分多址CDMA技術。根據猜測，今后幾年，無線網在全世界將有較大的發展，單只美國無線局域網銷售額就將從1997年的2.1億美元增加到2001年的8億美元。在世界無線局域網市場中，WaveLAN占有了最大的份額；從通信技術的發展方向來看，CDMA技術是主要發展趨勢之一。因此，為具體起見，以下重點結合WaveLAN的直擴技術介紹802.11標準的一些重要機制。

　　直擴技術在IEEE802.11中的體現我們知道，擴頻技術是利用開放的ISM2.4GHz的頻段。也正是由于這個2.4~2.484GHz頻段無需申請許可證(但發射功率受限制)，因而此頻段很擁擠，微波噪聲最大，采取何種發送及接收技術，都將直接影響到微波傳輸的速率和質量。

　　比較而言，直擴采取主動占有方式，跳頻是被動適應。直擴技術同時使用整個子頻段，信號被擴展多次而無損耗；跳頻技術是連續間斷跳躍使用多個頻點，當跳躍至某個頻點時，判定該頻點是否有噪聲干擾，若無則傳輸信號，若有則依據算法跳至下一頻點繼續判定。因此跳頻技術的頻率及傳輸率會變化。并且很難避免一些無謂的效率上的損耗，即在檢測頻點是否空閑的信號發生延遲時，因為有響應時間限制，跳頻設備會以為檢測信號發射失敗（丟包），又會重發。因此通常情況下，直擴速率比跳頻更高，系統容量（帶寬，即可接納基站的數量）也比跳頻方式更大。

　　讓我們以WaveLAN產品為例看看直擴技術是如何具體實現的：在發射端，用數字位信號表示的源信號，與一個唯一的偽隨機代碼信元（CodeBits）復合，經過調制產生微波信號發射出去。這種代碼信元是由代碼發生器產生的唯一的高速的多位隨機碼(chips)。在接收端，能產生與發射端同步并相同的隨機碼元，按照發射的逆過程解調，即能解析出源信號。
在WaveLAN中，稱作“Theseus”的數字信號處理器產生11位隨機代碼信元，正是這種隨機碼元提供了直擴產品的“三強”。

　　1、抗干擾能力強。

　　我們知道微波信號傳輸質量低，往往是因為在發送信號的中心頻點四周有能量較強的同頻噪聲干擾，導致信號失真。而直擴技術產生的11位隨機碼元能將源信號在中心頻點向上下各展寬11MHz，使源信號獨占22MHz的帶寬，且信號平均能量降低。在實際傳輸中，接收端接收到的是混合信號，即混合了（高能量低頻寬的）噪聲。混合信號經過同步隨機碼元解調，在中心頻點處重新解析出高能的源信號，依據同樣算法，混合的噪聲反而被解調為平均能量很低可忽略不計的背景噪聲（如圖二所示）。

　　2、碼分多址能力強。

　　我們知道開放的2.4GHzISM頻帶(工業、科學教育、醫學頻帶)范圍是2.4~2.484GHz。WaveLANIEEE802.11支持2.4GHz頻帶下的13個子信道，每個信道占有高達22MHz的帶寬，并可在2.4GHz頻帶下同時擁有3個完全獨占的子信道，因此可將相互干擾減至最小。在每一個子信道內，依據11位隨機碼元對各基站用戶進行編碼分址。各用戶使用正交或接近正交的擴頻編碼，各用戶的源信號能被復合到同一個無線發射信道中，實現頻道復用。在選擇低速傳輸模式下，WaveLAN可在滿足辦公自動化應用的需求下，支持最多80個用戶的分址能力。

　　3、高速可擴展能力強。

　　由于獨占信道且碼分多址，WaveLAN的速率高。但由于在IEEE802.11標準中，11位隨機碼元中只有1位用來傳輸數據，因此吞吐量的擴展能力強。貝爾實驗室新出的增強型WaveLANIEEE802.11Turbo，最大速率達到8Mbps（實際有效傳輸速率與10M有線網速率相同），就充分利用了這種擴展能力。相對于通用標準采用的相位變化DQPSK/DPSK調制技術，Turbo型采用了直序/脈沖位置調制DS/PPM）技術。PPM技術使用了預置的8位碼元中的3位傳輸數據，這就使傳輸率產生了飛躍。用不了多久，作為被IEEE802.11委員會接受為高速方案的提案人，貝爾實驗室采用CCK（ComplementaryCodeKeying）技術將WaveLAN傳輸速率進一步提高到11Mbps。
　
IEEE802.11協議的重要技術規定

　　由于無線局域網傳輸介質（微波、紅外線）非“有限”的有線，客觀上存在一些全新的技術難題，為此IEEE802.11協議規定了一些至關重要的技術機制。

　　1、CSMA/CA協議我們知道總線型局域網在MAC層的標準協議是CSMA/CD，即載波偵聽多點接入/沖突檢測（CarrierSenseMultipleaccesswithCollisionDetection）。但由于無線產品的適配器不易檢測信道是否存在沖突，因此802.11全新定義了一種新的協議，即載波偵聽多點接入/避免沖撞CSMA/CA（withgollisionAvoidance）。一方面，載波偵聽----查看介質是否空閑；另一方面，避免沖撞----通過隨機的時間等待，使信號沖突發生的概率減到最小，當介質被偵聽到空閑時，優先發送。不僅如此，為了系統更加穩固，802.11還提供了帶確認幀ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪聲干擾，或者由于偵聽失敗時，信號沖突就有可能發生，而這種工作于MAC層的ACK此時能夠提供快速的恢復能力。

　　2、RTS/CTS協議
RTS/CTS協議即請求發送/答應發送協議，相當于一種握手協議，主要用來解決“隱藏終端”問題。“隱藏終端”（HiddenStations）是指，基站A向基站B發送信息，基站C未偵測到A也向B發送，故A和C同時將信號發送至B，引起信號沖突，最終導致發送至B的信號都丟失了。“隱藏終端”多發生在大型單元中（一般在室外環境），這將帶來效率損失，并且需要錯誤恢復機制。當需要傳送大容量文件時，尤其需要杜絕“隱藏終端”現象的發生。WveLAN802.11提供了如下解決方案。在參數配置中，若使用RTS/CTS協議，同時設置傳送上限字節數----一旦待傳送的數據大于此上限值時，即啟動RTS/CTS握手協議：首先，A向B發送RTS信號，表明A要向B發送若干數據，B收到RTS后，向所有基站發出CTS信號，表明已預備就緒，A可以發送，其余基站暫時“按兵不動”，然后，A向B發送數據，最后，B接收完數據后，即向所有基站廣播ACK確認幀，這樣，所有基站又重新可以平等偵聽、競爭信道了。

　　3、信包重整
當傳送幀受到嚴重干擾時，必定要重傳。因此若一個信包越大時，所需重傳的耗費（時間、控制信號、恢復機制）也就越大；這時，若減小幀尺寸----把大信包分割為若干小信包，即使重傳，也只是重傳一個小信包，耗費相對小的多。這樣就能大大提高WirelessLAN產品在噪聲干擾地區的抗干擾能力。當然，作為一個可選項，用戶若在一個“干凈”地區，也可以關閉這項功能。

　　4、多信道漫游
人類是無限追求自由的，隨著移動計算設備的日益普及，我們希望出現一種真正無所羈絆的網絡接入設備。WaveLAN802.11就是這樣的一種設備。傳輸頻帶是在接入設備AP（AccessPoint）上設置的，而基站不須設置固定頻帶，并且基站具有自動識別功能，基站動態調頻到AP設定的頻帶，這個過程稱之為掃描（Scan）。IEEE802.11定義了兩種模式：被動掃描和主動掃描。被動掃描是指，基站偵聽AP發出的指示信號，并切換到給定的頻帶；主動掃描是指，基站提出一個探視請求，接入點AP回送一個包含頻帶信息的響應，基站就切換到給定的頻帶。WaveLAN802.11采用的是主動掃描，并且能結合天線接收靈敏度，以信號最佳的信道確定為當前傳輸信道。這樣，當原來位于接入點AP（A）覆蓋范圍內的基站漫游到接入點AP（B）時，基站能自適應，重新以AP（B）為當前接入點。

　　5、可靠的安全性能
貝爾實驗室研制的WaveLAN比一般的IEEE802.11標準的產品的安全性更好，這要歸功于其采用的直擴技術和碼分多址技術。WaveLAN本身的發射功率很小，小于35mW，而且還被擴展到22MHz帶寬，一方面，平均能量很低（15dBm），另一方面，不存在頻率單一的載波，因此很難被掃描跟蹤，這也是此項技術一直用于軍事上的原因。這些是物理上的安全機制，在軟件上，還采用了域名控制、訪問權限控制和協議過濾等多重安全機制；并且在有線同等保密（WEP）方面，對于非凡用戶，可選以下附件：基于RC4加密（1988RSA運算法則）和密碼（40位加密鑰匙）。
以上五點是直擴技術WaveLAN在802.11協議上的主要體現，不僅于此，WaveLAN還具有自動速率選擇、電源治理、抗多徑干擾等多項功能，在使用維護方面，采用了模塊化設計，提供了可升級的網管軟件。

無線局域網的應用之道

　　標準的制定、技術的進步，都是為了更好的應用。無線網的應用很廣，當你布線有困難，或當你租用專線感到太貴和不方便時，你就可以考慮使用無線網。在802.3標準中，MAC幀中只有兩個MAC地址，分別是源地址和目的地址；而在802.11標準中，MAC幀中有四個MAC地址，配合控制字段中的兩個控制位選擇，能夠表示源地址、目的地址、中轉地址和擴展地址，使得無線網的接入靈活自由，組網方式可依需求多變。以下結合WaveLANIEEE802.11介紹一下具體組網方式。

　　1、對等方式的WaveLAN（如圖示三）

　　對等（peertopeer）方式下的局域網，不需要單獨的具有總控接轉功能的接入設備AP（AccessPoint），所有的基站都能對等地相互通信。并不是所有號稱兼容802.11標準的產品都具有這種工作模式，而WaveLANIEEE802.11產品對應這種模式的是AdHocDemoMode。在AdHocDemo模式的局域網中，一個基站會自動設置為初始站，對網絡進行初始化，使所有同域（SSID相同）的基站成為一個局域網，并且設定基站協作功能，答應有多個基站同時發送信息。這樣在MAC幀中，就同時有源地址、目的地址和初始站地址。在目前，這種模式采用了NetBEUI協議，不支持TCP/IP，因此較適合未建網的用戶，或組建臨時性的網絡，如野外作業、臨時流動會議等。

　　2、接入方式的WaveLAN（如圖示四）

　　這種方式以星性拓撲為基礎，以接入點AP為中心，所有的基站通信要通過AP接轉，相當于以無線鏈路作為原有的基干網或其一部分，相應地在MAC幀中，同時有源地址、目的地址和接入點地址。通過各基站的響應信號，接入點AP能在內部建立一個像“路由表”那樣的“橋連接表”，將各個基站和端口一一聯系起來。當接轉信號時，AP就通過查詢“橋連接表”進行。由于WaveLAN的AP有以太網接口，這樣，既能以AP為中心獨立建一個無線局域網，當然也能以AP作為一個有線網的擴展部分。

　　3、中繼方式的WaveLAN（如圖示五）

　　中繼是建立在接入原理之上的，是以兩個AP點對點（PointtoPoint）鏈接，由于獨享信道，較適合兩個局域網的遠距離互連（架設高增益定向天線后，傳輸距離可達到50公里），局域網既可以是有線，也可以是無線。因為WaveLAN采用中繼方式的組網模式多種多樣，所以統稱為無線分布系統（WirelessDistributionSystem）。正是在這種模式下，MAC幀使用了四個地址，即源地址、目的地址、中轉發送地址、中轉接收地址。
接入方式和中繼方式支持TCP/IP和IPX等多種網絡協議，是IEEE802.11重視而且極力推廣的WirelessLAN主要的應用方式。從中美兩國的應用實踐來看，美國較推崇接入方式的應用，而我國應用中繼方式的更多。美國已進入信息時代，移動計算設備很普及，非常強調利用信息的便捷性、流動性；中國正踏在時代的門檻上，公共數據網還不是十分發達且價格昂貴，中繼方式就成為很好的替代方案，這大概就是國情的不同使然吧。