互动科普

网络间的无缝交换将把用户吸引到无线数据通信业务上来，一种无线通信系统工作模型目前正处在运行之中。

在过去十年间，移动电话已从一种稀罕之物变成寻常的东西。有5000多万美国人，即1／5的美国人使用移动电话：有1／6的美国人使用无线寻呼机。在发展中国家，标准化电话业务并非普遍有效，而移动电话则常常被看作为常规有线业务的一种较好替代物，因为无线系统可迅速建立起来。很明显，如果能够使通信业务变成可移动的、便捷的和一般人用得起的，那么其需求量将是巨大的。

与电话业务相比，用户和企业在数据通信上采用无线系统的速度要慢得多。(寻呼业务几乎未曾伤及无线潜力的皮毛。)据估计，在美国，数据通信仅占装有移动终端的无线通信量的3%，这一比例可能在大多数其他国家中甚至更少。电话与数据通信业务之间所存在的这种不平衡状态，其原因在于自从20世纪80年代初以来，无线电话业务供用户使用时间一直长于无线数据通信业务。早在此前很久，工业化国家的人们就已习惯于使用电话。相比之下，计算机的广泛使用完全是最近的事情，因而无线数据链路的应用还远远不成熟。

部分由于这个原因，尚不存在类似于公用电话系统那样的无线数据通信网。用户面临着一系列的选择方案，然而却没有哪一种选择方案能满足用户的全部乃至大部分需求。无线局域网(LAN)能在一幢大楼内服务。但是对于覆盖某一城市区域的服务而言，则另一种网络将是必不可少的，并且将存在着若干选择。适于各种类型的无线数据传输的一种通用标准化可确保任何装备的膝上电脑或个人数字辅助器都能与任何一个无线网对话。遗憾的是，现今仍无这样的标准。

虽然无线电话数据传输所取得的进展不像几年前一些乐观派人士所预期的那样迅速，但是我和其他许多关注该技术发展的人们仍然认为，它目前为最终大规模应用作好了准备。若干观察结果都支持这一看法。

首先，一旦电话变得更为小巧轻便、足以放进衣袋时，移动电话业务便会立即得到普及。20世纪80年代初，当移动电话业务首次引入美国时，一些装置是如此之大，以致于将它们安装在车辆的行李箱中。

在过去几年里，计算机也变得更小了，有的计算机目前可置于手掌之中。这些装置正越来越多地准备用于无线通信业务，使得移动通信进入因特网和其他数据网成为可能。诺基亚9000就是一种这样的装置，欧洲在1996年中期、美国在1998年初就开始采用这种装置。该装置仅为14盎司(435克)重，它可用作为组合移动电话、因特网计算机、环球网浏览器、传真机、电子信函终端和个人组织器。当这类器件变得更为普通时，与因特网和其他数据网的广泛无线通信连接不会远远落在后面。

认为无线数据通信业务将会蓬勃发展的第二个理由是，电气和电子工程师学会(IEEE，一个很有影响力的美国行业组织)于1997年6月采用了一个无线局域网标准。虽然这个称为IEEE802.11的标准并不适合于非局域网系统，但是它仍会激励全世界制造商去制造不仅与其当地系统而且能与许多不同无线局域网连接的设备。该标准为操作运行提供了两种不同的传输技术，但是用户仍可能倾向于其中的一种技术，因而建立了一个将来可得到极其广泛应用的实际标准。

对此充满信心的第三个理由是，一种高速、用户友好、校园规模的无线数据通信系统的工作模型已获成功。我和一些同事已建立了一个通信网，该网为卡内基梅隆大学大约一半的校园服务并以无缝方式与一个速度较慢的商用城域网连接。用户能提着他们的移动式计算机(通常为膝上计算机)到处自由走动，并可将它们作为台式计算机使用。(在后面我将对该系统作更为详细的介绍。)

无线数据通信业务将决不会排除掉对有线连接的需要。诸如电视和多媒体之类的一些正在出现的互连计算机应用需要极高的数据交换速率。固有的物理极限限制了无线通信链路的最大速度，因而最快的连接将可能永远是有线连接。此外，由于无线网始终需要有线基础设施及发送与接收设备的支持，因而它们通常比单纯的有线网更为昂贵。但是在移动性为首要考虑因素之时，无线链路将成为一种越来越具有吸引力的选择方案。

无线系统通常是围绕着一些固定发射机一接收机基地台站进行设计的，这些基地台站与移动装置及有线网连通，有线网常常为公用电话系统。无线电话网的种类包括从无绳电话到全球卫星通信系统。位于两者之间的是无线专用小交换机(这种交换提供一幢大楼或校园内的服务)，和移动与个人通信服务(PCS)系统(为一个城市规模区域服务)。

同样，数据系统的种类也包括从无线局域网(一般以每秒2兆比特左右的速度运行)到卫星。寻呼网和双向“包式无线通信网，例如Ardis和RAM Mobile Data，在城域或更大区域上以高达每秒19．2千比特的速度提供较慢的无线数据通信服务。(之所以被称为包式网，其原因在于它们将一个数据流分为分立的数据包，将这些数据包“提交”给预定接收者。)这些网络常常被用于一些工作人员频繁移动的产业。

使信号保持直通状态

对于无线通信设计者来说，最困难的问题也许是使无线电噪声和信号反射所造成的干扰降至最低程度。由于移动电话机中的电池必须十分轻便，因而必须将系统设计成能够从用不到半瓦的功率发送信号的移动电话机那里获得清晰的接收信号。即使无线电信号必须通过周围的障碍物，它们也必须做到这一点。无论人们碰巧在哪里，例如常常是在城市高层建筑物之间的峡谷之中，他们都希望能使用他们的移动电话。

由建筑物、车辆和地形所反射的无线电信号会引起一种称为多径衰减的令人讨厌的现象。视各种不同路径的长度而定，偏离信号可能会部分抵消主信号。更糟的是，这种多径衰减效应随频率不同而不同，并因移动终端到处移动而改变。多径衰减有时可能会在汽车调频(FM)无线电广播上发生：随着你一直向前开车，这种信号便迅速地渐强和渐弱。

直到几年前，蜂窝式移动电话系统采用的是模拟技术，几乎与FM或AM无线电台一样传输连续变化着的信号。在更新式的数字系统中，模拟音频信号首先在发送机上转换成一种二进制位数据流。一般而言，这种信号被每秒抽样8000次，然后将每个样本转换为一个八位二进制数。由此获得的每秒64000比特的序列经常被“压缩”，以减少必须发送的比特数。在接收机，这种比特流又被恢复为原来韵音频信号。

数字式接收机能够将输入位仅仅作为1或0加以解释。不存在中继站，因而减少了传输差错发生的机会。然而，多径效应却可能会产生一种称为延迟张开的特征问题，在延迟张开发生时，数据随后被“弄得模糊不清”。这种失真常常会限制无线链路的可靠速度。

在传输计算机程序或极其重要的数据期间，未校正的误码(位错)可能是灾难性的。但是数字传输却为消除错误提供了一些较好机会。通常将一些依赖于邻近数据位标识的纠错位加入到某一发送序列。接收机评价这些专用比特，因为它“知道”哪些规则适于生成它们，什么类型的数据混乱最有可能出现，所以它能经常校正偏差。这种技术能纠正大部分误码(位错)。

在无线局域网中普遍采用的、解决噪声和多径衰减的另一种数字技术被称为扩展频谱(扩频)。扩频技术经常与纠错编码结合使用，它利用了多径衰减和噪声可随频率而变化的优点。扩频技术有意地在一个广泛的无线电频率范围上扩展所发送的信号。然后，信息差不多肯定至少在其中一些频率上传到。

在一种称之为频率跳动(跳频)的扩频技术中，发送机每隔几毫秒就转换到一种新频率。接收机知道这种顺序并按此序跟踪。即使某些频率并不起作用，但另一些频率仍将工作。采用数据通信，接收机就能请求重新发送混乱数据，因而就能重新装配上正确信息。

另一种扩频技术称为直接序列。采用这种技术，每个数据位都被转换为一系列若干发送位(或片)。片的序列看起来似乎是随机的，但是发送机和接收机都知道这种序列。因而，一个1数据位可转换为片序列000100110101111，一个0数据位可转换为逆片序列111011001010000，很容易将其与第一个序列区分开。因为这种操作每秒钟产生的数据位较之开始时更多，所以在发送时由此产生的信号便在一个广泛的频率范围内扩展，使干扰和多径衰减降至最小。然后，接收机便能再现具有高保真度的原始数据。

打个(不太恰当的)比方说，如果我说“hallelujah”这个词，则某个人因听不太清楚而可能误解我的意思。但是如果我请一个唱诗班来演唱Halle《Messiah》的“Hallelujah Chorus”，那么这个信息就会被人们理解，因为这首乐曲从高音到低音的各个频率上多次重复了这个词。

多用户通话

对无线通信设计者而言，与消除误差几乎一样成问题的是，允许尽可能多的用户分享短缺的无线电频谱。因而，许多无线通信网依赖于频率再用原理。例如，蜂窝式移动电话系统就将所有可用无线电信道分成为一些子信道。在每个小区站点中，仅仅一个子信道便能进行服务。具有相同子信道的小区之间的地理距离减少了干扰并允许相同的频率能在分离地区多次加以利用。PCS(个人计算机系统)和数字蜂窝式移动系统根据类似的原理运行。

蜂窝式移动电话网的容量可通过利用半公里左右半径范内的“微小区”而非一般的“宏小区”来进一步增加，一般的“宏小区”通常是在城市中2公里以上半径范围内的区域，在农村地区这一区域还要大得多。虽然这种方法尚未得到广泛应用，但是微小区却为将电话和数据通信业务扩大到一些业务水平较低的地区，特别是发展中国家的人口稠密地区，提供了一种有吸引力的方法。

基地台使用若干种方法，将来自不同移动电话的信号分开。传统上，这项工作采用频分多址(FDMA)方式进行，根据这种方式，每台移动电话都以一种不同的频率发送信号。基地台清楚哪个移动电活使用哪个频率，并且就像人们选择某个所需的FM或AM台一样，在刻度盘上调定合适位置(唯一频率)，挑选信号。

数字技术使得采用让多用户分享同一频率的方案成为可能。时分多址(TDMA)方式为AT&T无线通信业务公司所偏爱，在这种方式中，每台移动电话都被指配了一个长度为零点几毫秒的重复时隙进行发送和接收信号。基地台知道哪些移动电话正在哪些时隙中发送信号；因而它能将那些信号分开。

由Qualcomm公司首先开发并由美国西方与贝尔大两洋公司采用的一种颇具竞争力的技术为码分多址(CDMA)，其结构有点像直接序列扩展频谱。但是其更换每个数据位的扩展序列不是10个左右的片，而要更长一些，达100多个片，而且，这种序列只有发送或接收它的移动通信台才具有。该特征使多用广能同时发送信号。

基地台通过检校验输入的扩频信号集合，确定它与每台移动电话扩展序列的关联程度，据此确定每台移动电话发送哪些数据位。许多移动电话公司和PCS公司目前都采用CDMA，一般是将CDMA与FDMA结合起来使用。为了加快向新频带和新的多址通信技术过渡，一些无线载波公司同时运行新、旧两种系统，为它们的用户提供多模装置。

所有上述技术创新都扩大了无线通信的潜力。在发展中国家，最急需的通常是可靠的电活服务。这种基本能力使得贸易活动更为有效并通过允许人们迅速地求得帮助而增强了全面的健康和安全性。无线通信可以最简便的结构和较低的初始投资提供这种业务：一个微型蜂窝式移动电话系统的一条线路资本需要量为200美元到500美元，不到铺设一条电缆网线路费用的一半。然后，一旦安装好，如果需要量进一步增加，则无线系统能相当易于适应数据传输。

然而，卡内基梅隆大学的Hung YaoYeh和我已进行的一些研究表明，无线电设备制造商必须通过其设备使更多的频道可供使用，以便充分开发非工业化国家中无线系统的潜力。我们还断定，在预计可从电话业务获得利润的情况下，各国政府将使更多的无线电频谱供无线系统使用。

一种工作模型

最有可能推进无线网更广泛用于数据通信的一项技术发展可能是网间无缝交换。那时，用户就能不间断地访问因特网或其他数据网，而不用担心基础无线系统的一些特性。

在卡内基梅隆大学，其中包括Bernard J．Benn．ington、CharlesR．Bartel、PeterW．Bronder和我，已经为包括一个无线局域网和一个蜂窝式城域网在内的无缝交换建立了一个试验台。据我们所知，该试验台是最大的无线局域网设施。它采用Lucent技术公司制造的设备运行，目前拥有100多个基地台，并以每秒两兆位的速度向大约一半校园区域提供数据服务。

当用户在站点周围活动时，他们就能在专用无线连接自动处理的同时从膝上电脑或其他便携式电脑上访问因特网或其他网络。普遍的应用场合包括查验电子邮件和访问因特网。移动式计算机与有线台式电脑一样有效——但是却更为便宜。我们打算到1999年时将业务范围扩大至整个校园社区。

通过贝尔大西洋移动电话公司提供的蜂窝式数字分组数据(CDPD)业务，还可在较大的匹兹堡地区进行校园外运行。然而，这项业务的运行速度仅为每秒19．2千比特。

在我们所面临的这些挑战中，包括当用户四处走动时，他或她的电脑必须为其当前位置和任务保持最佳连接。这种需要有时意味着这种连接必须从一个网络“传递”到另一个网络。我的同事David B．Johnson已编写出软件，允许这些传递以一种用户容易看见的方式发生。

由于许多计算机都以一种用户服务器模式工作，在这种模式中，数据文档必须四处移动，因而访问分布式文档还需要在无线网中予以特别注意。无线链路以低于有线链路的速度运行并产生更多的位错。此外，它们还可能不时地发生故障。与无线网一道使用的分布式文档系统必须设计成能容许这些轻微的缺陷。Mahadev Satyanarayanan也在卡内基梅隆大学工作，他一直在致力于试图建造这样一些文档系统。

我的另一位同事Daniel P．Siewiorek建造移动式计算机本身。他和他的助手已组装一个完整系列的可穿戴计算机。这些计算机适宜于各种各样用途，从导航到为制造飞机的人们提供指令。许多Siewiorek可穿戴计算机(和其他地方设计制造的类似计算机)已为无线通信网作好了准备，并且我们希望有一天这种无缝和普遍存在的无线连通性的梦想将会通过使用这些计算机而得以实现。

这样，我们已实现了我们与无线局域网和城域网的无缝连通的梦想。为上述两种网装备的膝上电脑能够自由地从一个覆盖区到另一个覆盖区，同时还保持着一种连续的连接。我们预计，一些类似系统将在其他地方安装。这些样机最终将会与卫星和其他系统连接起来，形成一种用户友好的、国际无线数据传输网。

图1今后几年中，方便、轻巧的计算机与普遍使用的移动电话一道，将推动无线数据链路蓬勃发展。

图2蜂窝式移动通信网借助于无线电通信线路，将用户(红色汽车和便携式电话)与专用单元站点(黄色塔)连接起来。通常两者之间相距几公里。相邻的单元站点使用不同的频率，以避免干扰。这些单元站点通过光纤电缆与一个移动电话交换局(兰色)相连，该交换局寻找呼叫接收者和保持有源连接(紫色)，该移动电话交换局同样与一个公用电话业务交换机(绿色)连接，该交换机借助卫星，电缆或微波中继线路便能将呼叫发送到世界上任何地方。

图3多径效应能通过“延迟扩展”使数字信号失真。由建筑物和地面反射的信号所产生的到达接收机的数据位(紫红色和桔黄色块)迟于直接信号的数据位(黄色块)。因为它们来自发射机的路径要稍稍长一些。这些延迟的数据位加上直接路径数据位便产生出一种失真集合信号（绿色带），接收机可能会误解该信号，造成一种数据误差。

图4现代电信系统将音频信号转换为一串二进制数据位，然后将它发送到很远的地方。一个模拟话音信号(左侧，淡红色带)每秒钟被测试数千次，其结果被表达为一个数(中间，垂直线条)。然后将这些数转变成一些1和0的组合(右侧，淡红色带)——通常每个数含有8位，而不是图中所示的3位。

图5允许多用户(彩色)能在无线电波上通信的最简单的技术是给每个用户指配一个不同频率，即一种称为频分多址(FDMA)的程序。将接收机编程，以便它们知道每个频率上运行的是哪个发送机。通过调节到不同频率——图中为不同高度——接收机就能分离各个用户的信号，这很像一位收音机听者在无线电调谐盘上调台一样。由于信道末处于连续使用状态，因而各个信号均表现为断续式。

图6允许多用户分享无线电频谱的另一方案是时分多址：(TDMA)。给每个用户(彩色)指配一个长度为零点几毫秒的重复时隙(紫色带)。每个用户的数字数据实时被压缩并在该用户时隙内以高频率发出。接收机能分离这些信号，因为它准确知道每个信号的预定时间。

图7通过编码使得复杂方案变得可能：码分多址(CDMA)允许多用户(彩色)有效地共享无线电频谱，而不用为它们指配单独的频率或时隙。每个用户的信号以这样一种方式加以编码，以致于其信号“扩展”于无线电频谱上——实际上以本图所示方式扩展。扩展确保各用户的信号不会相互消除。接收机通过其独特的编码区分各个扩展信号的混合物。