跳频的技术原理.doc

跳频的技朮原理 跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含对数据进行差错控制。与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。通信收发双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变。这种跳频方式称为常规跳频(Normal FH）。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。在跳频通信中，跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循，但又不易被对方所发现。常用的跳频码序列是基于m序列、M序列、RS码等设计的伪随机序列。这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现，结构简单，性能稳定，能够较快实现同步。它们可以实现较长的周期，汉明相关特性也比较好，但是当存在人为的故意干扰(如预测码序列后进行的跟踪干扰)时，这些序列的抗干扰能力较差。在90年代初，出现了基于模糊（Fuzzy)规则的跳频图案产生器。在这种系统中，由模糊规则、初始条件以及采样模式共同来决定系统的输出序列。只要窃听者不知道模糊规则、初始条件、采样模式三者的任何一个，就无法预测到系统的输出频率，由此就提高了系统的抗窃听能力和抗干扰能力。模糊跳频给出的跳频码序列与传统的跳频码序列相比更加均匀，也更难预测。90年代末有人提出了混沌（chaotic)跳频序列。其基本思想是通过混沌系统的符号序列来生成跳频序列。在这个混沌系统中要确定一个非线性的映射关系、初始条件和混沌规则，三者唯一确定一个输出序列。由此确定的混沌跳频序列体现了良好的均匀性，低截获概率，良好的汉明相关特性以及具有理想的线性范围。与一般的数字通信系统一样，跳频系统要求实现载波同步、位同步、帧同步。此外，由于跳频系统的载频按伪随机序列变化，为了实现电台间的正常通信，收发信机必须在同一时间跳变到同一频率，因此跳频系统还要求实现跳频图案同步。跳频系统对同步有两个基本要求：一是同步速度快，二是同步能力强。目前跳频电台的同步方法有精确时钟法、同步字头法、自同步法、FFT捕获法、自回归谱估计法等等。在实际应用中，同步方案常常综合使用多种同步方法。例如战术跳频系统中常用扫描驻留同步法，综合使用了精确时钟法、同步字头法、自同步法三种同步方法，分成扫描和驻留两个阶段进行。扫描阶段完成同步头频率的捕获，驻留阶段从同步头中提取同步信息，从而完成收发双方的同步。在自适应跳频中，同步还包括收发双方频率集更新的同步，保证双方同步地实现坏频点替代，否则会使收发双方频率表不一致，导致通信失败。频合器是跳频通信系统中的关键部分，目前大多数跳频电台中使用的频率合成器采用的是锁相环（PLL）频率合成技术，但是该技术的频率转换速度已经接近其极限，要进一步改善的技术难度越来越大，而且分辨率较低。为了能够进一步提高跳频速率，提出了直接式数字频合器(DDS）。它采用全数字技术，具有频率分辨率高，频率转换时间快，输出频率可以很高而且稳定性好，相位噪声低等优点，可满足快速跳频电台对频率合成器的要求。例如在美国的JTIDS中，跳速达到每秒35800跳，只有采用直接数字频合器才能实现。但是DDS的价格昂贵，复杂度大，直接用于战术跳频电台有一定的难度。如果采用DDS+PLL的方法，结合两者的长处，可以获得单一技术难以达到的效果。在跳频系统中，即使在信道条件良好的情况下，仍有可能在少数跳中出现错误，因此有必要进行差错控制。差错控制的方法主要分为两类：一是自动请求重发纠错（ARQ)技术；二是采用前向纠错（FEC)技术。ARQ技术可以很好的对付随机错误和突发错误，它要求有反馈电路，当信道条件不好时，需要频繁的重发，最终可能导致通信失败。FEC技术不需要反馈电路，但是需要大量的信号冗余度以实现优良的纠错，从而会降低信道效率。由于纠错码对突发错误的纠错能力较差，而通过交织技术可以使信道中的错误随机化，因此，经常采用编码与交织技术相结合的办法来获得良好的纠错性能。在跳频系统中常用的纠错编码技术有汉明码、BCH码、trellis码、RS码、Golay码、卷积码和硬判决译码、软判决译码等。1993年提出了TURBO码，其信噪比接近于Shannon极限，引起了人们的极大兴趣。与RS码等常用的跳频编码相比， TURBO码在跳频系统中显示了极大的应用潜能。此外，还可以把不同的编码方法结合在一起，取长补短，进行联合编码。在快跳频方式下，还可以运用重发大数判决来克服跳频频段内的快衰落。跳频电台在实际应用中通常要组成跳频通信网，以实现网中的任何两个通信终端均能够做到点到点的正常通信。组网除了要避免近端对远端的干扰、码间干扰、电磁干扰等其它干扰以及由系统引起的热噪声等噪声干扰以外，还要注意避免由组网引起的同道干扰、邻道干扰、互调干扰、阻塞干扰等。采用跳频的多址通信网具有很多优点：抗干扰能力强，低截获概率，低检测概率，对频率选择性衰落有很好的抑制作用等等。但是，与常用的DS/CDMA系统相比，跳频网的最大用户数相对较小。跳频通信网可以分为同步通信网和异步通信网。跳频通信网有多种组网方式，如分频段跳频组网方式、全频段正交跳频组网方式等。在分频段跳频组网方式中，系统把整个频段分成若干个子频段，不同的通信链路采用不同的子频段进行通信，从而有效地防止同一通信网间的干扰。全频段正交跳频组网方式仅用于同步跳频通信网中，也就是说整个通信网中只有一个基准时钟，通过设计在某一相同时刻t的N个相互正交的跳频频率序列来进行组网，这样尽管各个终端间的通信均使用相同频段，但是由于瞬时的跳频频率点不相同，因此可保证它们之间不会出现同频道干扰。自适应跳频通信系统中，由于在通信过程中会去除那些通信条件恶劣的信道，因此频率更新后可能会出现同频道干扰现象，故必须设计一种良好的频点更新算法，保证更新后的跳频序列之间依然是正交的，否则可能会使各通信节点之间频繁出现频率碰撞，导致无法正常通信。实际应用中也可以把以上两种组网方式结合进行。例如英国Recal-Tacticom公司的Jaguar系列电台在组网中就同时采用了这两种组网方式，可组网数目达到200300个。除了以上这些关键技术以外，调制解调方法在跳频系统中也很重要，可以采用FSK、QAM、QPSK、QASK、DPSK、QPR、数字chirp调制等多种调制方式。自适应跳频系统是在常规跳频系统的基础上，实时地去除固定或半固定干扰，从而自适应地自动选择优良信道集，进行跳频通信，使通信系统保持良好的通信状态。也就是说，它除了要实现常规跳频系统的功能之外，还要实现实时的自适应频率控制和自适应功率控制功能，因此就需要一个反向信道以传输频率控制和功率控制信息。通过可靠的信道质量评估算法，发现了干扰频点后，应当在收发双方的频率表中将其删除，并以好的频点对它们进行替换，以维持频率表的固定大小。这种检测和替换是实时进行的。为增加跳频信号的隐蔽性和抗破译能力，跳频图案除具有很好的伪随机性、长周期外，各频率出现次数在长时间内应具有很好的均匀性。在引入自适应频率替换算法对频率表进行实时更新后，为保障系统性能，仍然要求跳频图案具有很好的均匀性，所以应当依次用不同的质量较好的频点来分别替换被干扰的频点。收端频率表的更新会导致收发频率表的不一致性。为了使收发频率表同步更新，必须通过反馈信道将收端的频率更新信息通知发方。这种信息的相互交换是一种闭环控制过程，需要制定相应的信息交换协议来保证频表可靠的同步更新。衡量协议有效性的另一个重要指标便是频点去除的速度。在检测出干扰频点后，干扰频点去除的速度越快，对通信的影响越小信道质量评估的另一个作用是进行自适应功率控制。功率控制就是要把有限的发送功率最好地分配给各个跳频信道，使得各个信道都能够以最小发射机功率实现正常通信，从而提高跳频信号的隐蔽性和抗截获能力。在自适应跳频系统中，系统检测每个信道的通信状况，并通过信道质量评估单元中的功率控制算法对每个跳频信道单独进行功率控制。功率控制算法可以基于两种原则：一是比特误码率最小原则，算法为各个跳频信道选择适当的功率，使得接收方收到的数据比特误码率达到预定的误码门限；二是等信干比原则，此算法调整各个跳频信道的平均功率，使得各个跳频信道上的信干比相同，这里的信干比是指各个跳频信道上的信号功率/（对应信道上的干扰功率 + 传输损耗功率）。这两种算法的性能差不多。随着跳频技术的不断发展，其应用也越来越广泛。战术电台中采用跳频技术的主要目的是提高通信的抗干扰能力。早在70年代，就开始了对跳频系统的研究，现已开发了跳频在VHF波段(30300MHz）的低端3088MHz、UHF波段(300MHz以上）以及HF波段(1.530MHz)的应用。随着研究的不断深入，跳频速率和数据数率也越来越高，现在美国Sanders公司的CHESS高速短波跳频电台已经实现了5000跳/秒的跳频速率，最高数据数率可达到19200bps。此外，CHESS跳频电台与一般的跳频电台还有所不同，它以DSP为基础，采用了差动跳频（DFH)技术。通过现代数字处理技术，CHESS跳频电台较好解决了短波系统带宽有限(导致数据速率低的原因)、信号间相互干扰、存在多径衰落等的问题。同时，它的瞬时信号带宽很窄，对其它信号的影响很小。可以看到，实现更高跳速、更高数据速率的跳频电台正是跳频通信系统的未来发展方向，软件无线电的概念也已逐渐应用到新型的跳频电台中。短波自适应跳频电台已经在当前的军事通信中占有了很重要的一部分。与VHF/UHF频段不同，短波信道有许多固有特点，例如，受多径时延、幅度衰落、天气变化等因素的影响，信道条件变化莫测。但是随着各种新技术的出现，短波通信的可靠性得到了技术上的保证，而自适应跳频技术就是这些新技术中的一种。它通过分析波段上的频率占用率，自动搜索无干扰或未被占用的跳频信道进行跳频，不仅避免了自然干扰，也不会受到短波频谱大量占用的影响。它会根据需要自动地改变跳频序列，有效的适应恶劣环境。它在海湾战争中体现出的优越性引起了各国的高度重视。在现有的DS/CDMA系统中，远近效应是一个很大的问题。由于大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变到另一个频率时则不受影响，因此跳频系统没有明显的远近效应，这使得它在移动通信中易于得到应用和发展。在数字蜂窝移动通信系统中，如果链路间采用相互正交的跳频图案同步跳频，或者采用低互相关的跳频图案异步跳频，可以使得链路间的干扰完全消除或基本消除，对提高系统的容量具有重要意义。此外，跳频是瞬时窄带系统，其频率分配具有很大的灵活性，在现有频率资源十分拥挤的条件下，这一点具有重要意义。跳频的多址性能对于组网有很重要的意义。加拿大Laval大学提出了在光纤网络中应用快跳频技术。该系统利用Bragg光栅替代传统跳频系统中的频率合成器，跳速达到10G数量级。系统在30个用户，比特误码率为10-9的条件下，数据速率为500Mb/s。与采用非相干DS/CDMA技术的光纤网络相比，同时有相同数量的用户使用时，FFH/CDMA系统的比特误码率明显优于DS/CDMA系统。此外，跳频技术在GSM、无线局域网、室内无线通信、卫星通信、水下通信、雷达、微波等多个领域也得到了广泛的应用。由于跳频系统本身也存在着一些缺点和局限，如信号隐蔽性差，抗多频干扰以及跟踪式干扰能力有限等，而扩频的另一种方式直接序列扩频却有较好的隐蔽性和抗多频干扰的能力。把这两种扩频技术结合起来，就构成了直接序列/跳频扩展频谱技术。它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，直扩系统所用的伪随机序列和跳频系统用的伪随机跳频图案由同一个伪随机码发生器生成，所以它们在时间上是相互关联的，使用同一个时钟进行时序控制。意大利Telettra公司的Hydra V电台是采用了直接序列/跳频混合扩频技术的第一代战术电台。由于采用了直接序列扩频DBPSK调制方式，比单独采用跳频技术多获得9dB的处理增益，从而提高了电台的抗干扰性能。跳频技术是一种具有高抗干扰性、高抗截获能力的扩频技术。随着微电子与数字信号处理技术的飞速发展，原先存在的频率合成器和跳频同步等难题已经解决。现在它不仅已经在军事通信中大展身手，较好地满足了现代战争提出的电子对抗与反对抗要求，而且在民用通信中也展示出良好的应用前景。与自适应技术的结合进一步提高了跳频系统的性能，其中信道质量评估方法是关键，如何针对不同的信道更好的进行信道质量评估还值得进一步研究。可以相信，跳频技术仍将继续向高跳频速率、高数据传输速率发展。各种新颖的跳频实现方法也不断地提出，软件无线电概念的提出为跳频技术的发展开辟了一个新领域。蓝牙是工作在24 GHz（240248 GHz）ISM频段的短距离无线通信技术，能组成小型无线个人区域网（PAN），在办公室和建筑物中代替有线电缆，低功耗、低成本及灵活组网的特点，有着广泛的应用前景。24 GHz频段中还有80211b，HomeRF及微波炉、无绳电话等电子设备，为了与这些设备兼容，蓝牙采用了AFH（Adaptive Frequency Hopping），LBT（Listen Before Talk）、功率控制等一系列独特的措施克服干扰，避免冲突。随着无线电通信技术的发展，频率资源日益紧张，研究蓝牙技术所采用的频率兼容技术对有效利用频谱、防止通信设备之间相互干扰，将有十分重要的作用。1自适应跳频技术自适应跳频技术是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自适应和功率自适应控制相结合的技术。他能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点，并以最小的发射功率、最低的被截获概率，达到在无干扰的跳频信道上长时间保持优质通信的目的。所谓频率自适应控制是在跳频通信过程中，拒绝使用那些曾经用过但是传输不成功的跳频频率集中的频点，即实时去除跳频频率集中被干扰的频点，使跳频通信在无干扰的可使用的频点上进行，从而大大提高跳频通信中接收信号的质量。蓝牙和80211b都工作在24GHz的ISM频段，蓝牙SIG（SpecialInteresting Group）和IEEE802152的Coexistence Task Group都在关注二者的共存问题。许多成员都提交了自适应跳频的提案。提案中建议采用AFH技术，以便能动态地改变跳频序列，使系统干扰最小。蓝牙采用AFH对干扰进行检测并分类，通过编辑跳频算法来避免干扰，把分配变化告知网络中的其他成员，并周期性地维护跳频集。 其中，Bijan Treister1等人提出的AFH共存机制具有一定的普遍性。在这种自适应跳频中，在不增加发射功率的情况下，利用干扰躲避来提高系统的抗干扰能力。 2蓝牙AFH的步骤 由设备识别、信道分类、分类信息交换、自适应跳频4部分组成。如图所示。 蓝牙AFH的步骤21设备识别当一个从设备接入微微网时，在进行通信之前，首先由链路管理协议（LMP）交换信息，以确定通信双方的设备是否支持AFH模式。LMP信息中包含了二者通信应使用的最小信道数。主机按LMP协议先询问从设备是否支持AFH，当从设备回答后，再进行AFH通信。22信道分类根据某一准则，按传输质量对信道进行分类。按LMP的格式形成一个分类表，在主设备和从设备之间交换信息后，以此分类表为依据进行自适应跳频。分类方法采用时分的形式，以保证抗瞬间的干扰。按信道的质量，把信道分成“好”信道与“坏”信道。可以用以下方法对信道的质量进行评估：首先接收设备对包损率PLRs（Packet Loss Ratios）、有效载荷的CRC，HEC，FEC误差等参数进行测量。在测量PLR时，如果PLR超过了系统定义的门限，则宣布此信道为坏信道。从设备测量CRC时，也会自动检测此包的有效载荷的CRC，如果校验码正确，则说明接收正确的包，否则宣布包丢失。23信道信息交换通过LMP命令通知网络中的成员，交换AFH的消息。主设备通过分类，把信道分为好信道、坏信道、未用信道，然后把信道分类情况通知从设备。同时，从设备把自己的情况通知主设备。主从设备之间建立联系，确定哪些信道可用，哪些不可用，为下一步自适应频率的产生做准备。24执行AFH先进行跳频编辑，以选择合适的跳频频率。由于微微网中经常有新的通信建立或撤消，信道在不断变化，所以必须进行信道维护，周期性地重新对信道进行估计，及时发现不能用的信道。当微微网中工作设备较少时，还能自动调整功率，节省能量。3蓝牙AFH的结构蓝牙AFH结构如下图所示，在频率同步器和跳频序列发生器中加入了一个分组映射器，此映射器实际上是一个自适应频率选择器。分组映射器结构如下图所示。他从所需分组中选择一个信道，通过PN映射设备，从原始跳频序列中选择信道映射到分组序列中。每个信道表按升序列举分组信道的内容。蓝牙AFH结构分组映射器结构在分组映射后，平均移位信号使信道的利用得到均衡。这些移位信号是一系列的计数器，每一个计数器表示一个分组，第j个分组在0，1，2，Nj1范围内周期计数，Nj是第j个分组中的信道数。被选择分组的计数器对下一个值进行计数，并把他作为移位信号的值输出。蓝牙中，信道被动态地分成2类信道：好信道NG和坏信道NB79NG，定义Nmin为蓝牙设备通信所需的最少频率数。根据Nmin，NG和NB的关系，可以分为H，L两种模式：31L模式适用于Nmin小于NG的情形，此时跳频频点全部在好的信道中选择，如下图所示。当跳频发生器产生的是好信道，则不重新映射。当跳频序列中信道不好时，则重新从好信道库中选择一个好的信道。L模式主要工作在FCC规定的低功率状态。 32H模式适用于Nmin大于NG的情形，此时如果频率选择器输出为坏信道，重新选择代替坏信道的频点中，有可能在曾经被判断为坏信道的序列中选择跳频序列。H模式在有坏跳的情况下，最大限度地支持通信要求。可以同时支持SCO（面向同步的连接）和ACL（异步连接）连接模式。通过这2种模式，在蓝牙频率选择器中，如果输出的是好信道则直接使用；如果是坏信道，则在好的信道分组中重新选择频率。这样频率选择就避免了输出的频率与其他有干扰的频率相碰撞。 模式映射方法4结语蓝牙采用一系列的技术来避免干扰，如LBT（Listen Before Transmission），AFH和功率控制等。其中AFH机制能保持微微网中良好的QoS，保证网络正常的吞吐率和可靠性，减少重发，降低延时，同时减轻了对相同频段其他无线设备的干扰，从而提高了频率的利用率。随着计算机应用技术的普及和国民经济信息化的发展，客户/服务器计算、分布式处理、国际互连网（Internet）、内部网（Intranet）等技术被广泛接受和应用，计算机的联网需求迅速扩大。在诸多计算机联网技术中，无线网（Wireless Network）以其无需布线、在一定区域漫游、运行费用低廉等优点，在许多应用场合有其他联网技术不可替代的作用，而在无线通信技术中，基于扩频技术的计算机无线网具有抗干扰能力强、易于实现码分多址、安全保密、无须申请频率资源等特点，近年来在计算机联网的各个领域都得到了广泛地应用。扩频通信具有其他方式不可比拟的优点，近年来在无线通信中得到越来越广泛地应用。扩频通信（Spread Spectrum Communications）开始出现在第二次世界大战，作为美军使用的无线保密通信技术。现在扩频技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。扩频通信是一种信息传递方式，其信号所占用的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，与所传的信息无关；在接收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息。扩频通信具有如下特点：抗干扰性强：抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性质，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。隐蔽性好：因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。易于实现码分多址（CDMA）：扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反，扩频通信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，就可以区别不同的用户的信号，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一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据；同样，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。美国国家航天管理局（NASA）的技术报告指出：采用扩频通信提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。抗多径干扰：在无线通信中，抗多径问题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。扩频通信的其他优点：扩频通信速率高（2M，8M，11Mbps），无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。与X.25和DDN相比，无线扩频网具有速率高（2Mbps，8Mbps，11Mbps）,安装简单，运行费用低（无须租费，仅投入少量维护费用），无须申请频率资源，容易扩展投资少等优点。另外，如使用X.25或DDN作为网间互连的链路，在链路两端要使用路由器、多路复用器等设备，而无线扩频产品有网桥、路由器、调制解调器等多种选择，节省设备和投资，因此无线扩频网比X.25和DDN在数百公里范围内联网要有明显的优势。一、无线通信技术介绍无线技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有15万人成为新的无线用户，全球范围内的无线用户数量目前已经超过2亿。这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。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终于通过了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。各厂商的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。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。根据预测，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。二、无线局域网介绍一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可称为无线局域网。随着计算机技术和网络技术的蓬勃发展，网络在各行各业的应用越来越广。有线网络以其传输速度高，产品的品牌及数量众多和技术发展速度快等优点，在市场上有着的知名度和市场份额。然而，随着无线网络在技术上的成熟，产品种类的不断增加和产品成本下降，未来几年，无线网在全世界将有较大的发展。无线局域网应用越来越多，它将扩展有线局域网或在某些情况下取而代之。可以预期，在未来信息无所不在的时代，无线网将依靠其无法比拟的灵活性，可移动性和极强的可扩容性，使人们真正享受到简单、方便、快捷的连接。下面从传输方式、网络拓扑、网络接口及对移动计算的支持这四个方面来描述无线局域网。传输方式传输方式涉及无线局域网采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。目前无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即微波与红外线。在采用微波做为传输媒体的无线局域网依调制方式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。1、扩展频谱方式在扩展频谱方式中，数据基带信号的频谱被扩展至几倍几十倍再被搬移至射频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。由于单位频带内的功率降低，对其它电子设备的干扰也减小了。采用扩展频谱方式的无线局域网一般选择所谓的ISM频段，这里ISM分别取自Industrial、Scientific及Medical的第一个字母。许多工业、科研和医疗设备辐射的能量集中于该频段。欧美日等国家的无线管理机构分别设置了各自的ISM频段。例如美国的ISM频段由902MHZ928MHZ，2.4GHz2.484GHz, 5.725GHz5.850GHz三个频段组成。如果发射功率及带外辐射满足美国联邦通信委员会（FCC）的要求，则无需向FCC提出专门的申请即可使用这些ISM频段。2、窄带调制方式在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去。与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。采用窄带调制方式的无线局域网一般选用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的许可方可使用。当然，也可选用ISM频段，这样可免去向无线电管理委员会申请。但带来的问题是，当临近的仪器设备或通信设备也在使用这一频段时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到保障。3、红外线方式基于红外线的传输技术最近几年有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用的红外线传输技术。做为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线管理委员会的限制。然而，红外线对非透明物体的透过性极差，这导致传输距离受限制。网络拓扑无线局域网的拓扑机构可归结为两类：无中心或叫对等式（PEER TO PEER）拓扑和有中心（HUBBASED）拓扑。1、无中心拓扑无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信。采用这种拓扑结构的网络一般使用公用广播信道，个站点都可竞争公用信道，而信道接入控制（MAC）协议大多采用CSMA（载波监测多址接入）类型的多址接入协议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、且费用较低。但当网中用户数（站点数）过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。并且为了满足任意两个站点可直接通信，为了中站点布局受环境限制较大。因此这种为了拓扑结构适用于用户数相对较少的工作群为了规模。2、有中心拓扑在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。这样，当网络业务量增大时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不据烈。由于每个站点只需在中心站覆盖范围内就可与其它站点通信，故网络中心点布局受环境限制亦小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。有中心网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引入增加了网络成本。在实际应用中，无线局域网往往与有线主干网络结合起来使用。这时，中心站点充当无线局域网与有线主干网的转接器。网络接口这涉及无线局域网中站点从哪一层接入网络系统。一般来讲，网络接口可以选择在OSI参考模型的物理层或数据链路层。所谓物理层接口指使用无线信道替代通常的有线信道，而物理层以上各层不变。这样做的最大优点是上层的网络操作系统及相应的驱动程序可不做任何修改。这种接口方式在使用时一般做为有线局域网的集线器和无线转发器以实现有线局域网间互联或扩大有线局域网的覆盖范围。另一种接口方法是从数据链路层接入网络。这种接口方法并不沿用有线局域网的MAC协议，而采用更合适无线传输环境的MAC协议。在实时，MAC层及其以下层对上层是透明的，配置相应的驱动程序来完成与上层的接口，这样可保证现有的有线局域网操作系统或应用软件可在无线局域网上正常运行。目前，大部分无线局域网厂商都采用数据链路层接口方法。对移动计算网络的支持在无线局域网发展的初期阶段，无线局域网的最大特征是用无线媒体替代缆线，这样可省去布线，网络安装简便。随着笔记本型、膝上型、掌上型电脑个人数字助手（PDA）、以及便携式终端等的普及应用，支持移动计算网络的无线局域网就显得尤为重要。从移动通信的观点来讲，移动计算网络应提供以下几个功能：（1）小区内的站点可移动，同一小区内的站点可直接或经AP间接通信；（2）不同小区内站点可经过网络接入点AP及主干网进行通信；（3）当某一站点由一个小区移动至另一个小区时，通过越区切换协议或算法，该站点被切换至新的小区。在新的小区中该站点仍和在以前小区时一样保持与外界的连接；（4）小区中的站点可通过主干网上的路由器访问公共网或被公共网访问。三、无线组网特点 通信可靠抗射频干扰性能强，具有理想的接收灵敏度，宽范围天线能够提供强大的、可靠的无线传输。 成本低使用无线局域网可以避免安装线缆的高成本费用、租用线路的月租费用以及当设备需要移动而增加的相关费用。 灵活性由于没有线缆的限制，用户可以随心所欲地增加工作站或重新配置工作站。 移动性无线局域网设置允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，不需要指定明确的访问地点，因此用户可以在网络中漫游。 高吞吐量无线局域网也可以实现11Mbps的数据传输速率，这个数字高于T1、E1线路的速率；快速安装无线局域网的安装工作非常简单，它无需施工许可证，不需要布线或开挖沟槽，安装时间只有安装有线网络时间的零头。 安全性等同于有线在无线通信领域，安全性是人们一直关注的一个问题，WaveLAN通过使用额外的安全机制使其安全性超过了有线系统的安全性。这些安全机制包括：DSSS扩频技术；在单个工作站一级实现访问控制；使用网络标识和一种基于RC4加密技术的可选加密机制等 保护用户已有投资无线技术的发展非常迅速，因此用户难以避免需要向未来的无线局域网技术升级。朗讯科技的WavePOINT II采用双重PC卡槽设计，可以使用户将未来的、与IEEE802.11兼容的高速技术与他们已经安装的WaveLAN基站集成起来，从而保护用户的投资。 WaveLAN的领先技术WaveLAN产品是采用射频（RF）技术和IEEE802.11标准的无线局域网网络产品系列。这些产品包括WavePOINT无线接入节点，用于计算机设备的网络接口卡、天线系统和WaveMANAGER网络控制软件。WaveLAN可以为终端用户提供高效可靠的网络连接，并可实现与有线系统相同的高性能，同时它又具有无线系统所特有的灵活性、可移动性和成本低等优点。由于WaveLAN可以与现有的有线网络和无线网络互相兼容，用户可以利用它来构建一个纯粹的无线局域网结构，并将它加入现有的无线网络之中，或者在现有的有线网络中利用它们来实现无线网络的延伸。四、无线通信应用无线局域网的应用范围非常广范，如果将其应用划分为室内和室外的话，室内应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场；室外应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理网络、银行金融证券城区网、矿山、水利、油田、港口、码头、江河湖坝区、野外勘测实验、军事流动网、公安流动网等。 有线网络的备份对于某些关键应用，如金融、证券、税务、军事以及公安等，计算机网络系统的可靠性是至关重要的，这对于增强竞争力、提高服务质量、增强战斗力等具有举足轻重的作用。对于银行系统，可靠的网络对于提高服务质量、增强竞争力有非常重要的意义。对于军事系统，网络系统的故障可能导致灾难性的后果。因此，怎样在保障计算机网络的可靠性是一个非常重的课题。利用计算机无线网络作为有线网络的备份可以大幅度提高网络系统的可靠性。当有线网络出现故障时，系统可自动切换到无线网络，应用可照常进行。 移动通信无线网络相对于有线网络具有很大的灵活性和机动性。无线网络的站点可以按照需要在一定的区域内移动（漫游），从而实现移动通信。移动通信可用于实现流动银行、流动税收、移动备份等系统。 有线网络的替代在组建城域网或广域网时，无线网络相对于有线网络具有很高的性能价格比，可作为DDN,FR,X.25等的替代。利用无线网络技术组建城域网或广域网可避免昂贵的线路租用费。无线网络的速率比一般的租用线路高的多，但价格相对较便宜，由于网络设备属于自己，便于维护和管理，避免不必要的麻烦。 不适于布线的地方在难于布线的室外环境下，无线局域网可充分发挥其高速率、组网灵活之优点。尤其在公共通信网不发达的状态下，无线局域网可作为区域网（覆盖范围几十公里）使用。下面列出几种应用情况：城市建筑群间通信；学校校园网络；工矿企业厂区自动化控制与管理网络；银行、金融证券城区网络；城市交通信息网络；矿山、水利、油田等区域网络；港口、码头、江河湖坝区网络；野外勘测、实验等流动网络；军事、公安流动网络等。 一、接序列扩频通信原理直接序列扩频（DSSS），（Direct seqcuence spread spectrdm）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。例如说在发射端将1用11000100110，而将0用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成1是00110010110就恢复成0，这就是解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。直接序列扩频的优点：* 直扩系统射频带宽很宽。小部分频谱衰落不会使信号频谱严重的畸变。* 多径干扰是由于电波传播过程中遇到各种反射体（高山，建筑物）引起，使接受端接受信号产生失真，导致码间串扰，引起噪音增加。而直扩系统可以利用这些干扰能量提高系统的性能。* 直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。* 直扩和跳频系统都有很强的保密性能。对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。* 直扩系统一般采用相干解调解扩，其调制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等调制方式。而跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短。因此跳频多采用非相干解调，采用的解调方式多为FSK或ASK，从性能上看，直扩系统利用了频率和相位的信息，性能优于跳频。二、直接序列扩频通信技术特点：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)系统是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。直接序列扩频通信开始出现于第二次世界大战，是美军重要的无线保密通信技术。现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。* 抗干扰性强抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。* 隐蔽性好因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。* 易于实现码分多址（CDMA）直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩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，就可以区别不同的用户的信号，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一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据；同样，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。美国国家航天管理局（NASA）的技术报告指出：采用扩频通信提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。* 抗多径干扰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。* 直扩通信速率高直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好计算机局域网是把分布在数公里内不同物理位置的计算机设备（如办公室、楼层、楼宇以及建筑群等）连接在一起，在网络软件的支持下可以相互通讯和资源共享的网络系统。通常计算机组网的传输媒介主要依赖电缆或光缆，构成有线局域网。有线局域网是目前局域网连接的主要方式，但是有线局域网存在以下缺点。网络规划以及安装的工作量大；大量的故障由电缆系统造成；接点的移动困难，由办公地点变更、组织结构重组等引起的网络重新配时间长、费用很高。而计算机无线局域网在以上几个方面具有有线网不可比拟的优点，如安装容易、连接可靠、节点可漫游等，因此很快成为网络工程中的有力竞争者，在很多场合可作为有线局域网的替代或补充。近年来，接入Internet或其它广域网的需求不断增加；随着应用的深入，行业网、企业网的建设也越来越多；这些都导致对局域网网间互连的要求。在网间互连中，通信线路是一个重要的因素，对网络系统的性能、实施难度、运行的费用等都有重大的影响。目前，通信线路有下列选择：电话线路通信速率低（2400-56kbps），误码率高，网络性能差；x.25 通信速率中等（9600-64kbps）,租费高，网络性能一般；DDN 通信速率中等（9600-2Mbps），租费高，网络性能一般；FR 通信速率中等（9600-2Mbps），租费高，网络性能一般；专线（同轴或光缆）通信速率高，建设周期长，审批手续复杂，网络性能好。无线扩频通信速率高（2M,8M,11Mbps），无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。当要把相离数公里到数十公里距离的远程站点联入网络或把这样距离的若干个局域网相连时，采用电话线路做传输媒介有速率低、误码率高和线路可靠性差的问题；而敷设专用通讯线路布线施工难度之大，费用、耗时之多，实是令人生畏，还需要经过市政主管部门审批。这些问题都对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞，限制了用户联网。解决这一难度最迅速和最有效的方法是采用计算机无线网络。无线扩频技术在网络互连中，与其他通信方式相比具有很强的竞争力，在很多应用场合是理想的选择。以下是有关X.25专线和DDN专线费用的一些数据（X.25和DDN的计费标准各地的折扣率有所不同且费率经常变动，以下标准仅作参考）：X.25专线计费方式：X.25分为市内和长途两种，