论如何改进无线网络的稳定性.doc

提高无线网络的稳定性方案
合肥师范 计算机科学与技术网络一班
方睿喆
摘要：利用bluetooth与wifi技术实现无线局域网的线路连接从而扩展无线网络的覆盖面和提高无线网络的稳定性；利用拆分处理技术优化无线网络数据服务端系统从而精简用户端数据流量从而提高数据传输的稳定性最终实现无线网络的稳定性；利用java技术编译数据传输载体软件从而实现主数据流的自主寻找传输路径从而实现无线网络的稳定。
关键词：蓝牙（bluetooth)技术；蓝牙跳频；蓝牙配对；wifi技术；微微网和分散网；Hotjava；拆分处理技术；自适应主动传输载具；
一， 无线网络发展
计算机通信分两种:有线通信和无线通信 无线通信包括卫星,微波,红外等等 无线局域网（Wireless LAN）技术可以非常便捷地以无线方式连接网络设备，人们可随时、随地、随意地访问网络资源。在推动网络技术发展的同时，无线局域网也在改变着人们的生活方式。 随着无线通信技术的广泛应用，传统局域网络已经越来越不能满足人们的需求，于是无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）应运而生，且发展迅速。尽管目前无线局域网还不能完全独立于有线网络，但近年来无线局域网的产品逐渐走向成熟，正以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重要的作用。 无线局域网是无线通信技术与网络技术相结合的产物。从专业角度讲无线局域网就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信，并实现通信的移动化、个性化和宽带化。通俗地讲，无线局域网就是在不采用网线的情况下，提供以太网互联功能。 广阔的应用前景、广泛的市场需求以及技术上的可实现性，促进了无线局域网技术的完善和产业化，已经商用化的802.11b网络也正在证实这一点。随着802.11a网络的商用和其他无线局域网技术的不断发展，无线局域网将迎来发展的黄金时期。 无线局域网概述 无线网络的历史起源可以追溯到50年前第二次世界大战期间。当时，美国陆军研发出了一套无线电传输技术，采用无线电信号进行资料的传输。这项技术令许多学者产生了灵感。1971年，夏威夷大学的研究员创建了第一个无线电通讯网络，称作ALOHNET。这个网络包含7台计算机，采用双向星型拓扑连接，横跨夏威夷的四座岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛上。从此，无线网络正式诞生。
二，无线局域网的优点
（1）灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。
（2）安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。
（3）易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。
（4）故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。
（5）易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间"漫游"等有线网络无法实现的特性。
由于无线局域网有以上诸多优点，因此其发展十分迅速。最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。
三，无线局域网的理论基础
目前，无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即红外线和无线电波。按照不同的调制方式，采用无线电波作为传输媒体的无线局域网又可分为扩频方式与窄带调制方式。
（一）红外线（Infrared Rays，IR）局域网
采用红外线通信方式与无线电波方式相比，可以提供极高的数据速率，有较高的安全性，且设备相对便宜而且简单。但由于红外线对障碍物的透射和绕射能力很差，使得传输距离和覆盖范围都受到很大限制，通常IR局域网的覆盖范围只限制在一间房屋内。
（二）扩频（Spread Spectrum，SS）局域网
如果使用扩频技术，网络可以在ISM（工业、科学和医疗）频段内运行。其理论依据是，通过扩频方式以宽带传输信息来换取信噪比的提高。扩频通信具有抗干扰能力和隐蔽性强、保密性好、多址通信能力强的特点。扩频技术主要分为跳频技术（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）两种方式。 所谓直接序列扩频，就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。而跳频技术与直序扩频技术不同，跳频的载频受一个伪随机码的控制，其频率按随机规律不断改变。接收端的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致。跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高，抗干扰性能越好，军用的跳频系统可达到每秒上万跳。
（三）窄带微波局域网
这种局域网使用微波无线电频带来传输数据，其带宽刚好能容纳信号。但这种网络产品通常需要申请无线电频谱执照，其它方式则可使用无需执照的ISM频带。
四，传统无线网络的方案
我们来看看传统的无线网络，传统无线网络依托有线网络为基础，通过核心交换机连接，再进过各个子交换机的分配，最后分散到一个个AP上，它们发射出无线信号形成零星的小区域信号覆盖，这种无线网络非常原始，仅起到终端连接的作用。而且各个AP独立存在，缺乏统一管理。后来又有人提出无线控制器概念，相比较而言，后者增强了对AP的管理。无线局域网在能够给网络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷。无线局域网的不足之处体现在以下几个方面：
（一）性能。无线局域网是依靠无线电波进行传输的。这些电波通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木和其它障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。
（二）速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。目前，无线局域网的最大传输速率为54Mbit/s，只适合于个人终端和小规模网络应用。
（三）安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的。从理论上讲，很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号，造成通信信息泄漏。
这里我把制约其发展的关键性因素统一为其稳定性。但是，上面所构建的无线局域网并没有起到提高整个网络稳定性的作用，所以就有了我的下一代局域无线网络的构思。它主要包含信号的覆盖范围、密集度，传输的可靠性，速率和传输能力。为了提高其稳定性我从局域网络入手寻找解决方案。
五，新型无线网络解决方案
（一）基础设备
硬件方面，我选择蓝牙与wifi两种技术相融合最后共同构成我所设想的无线局域网。然后把每个局域网看作一个整体，集中处理它们产生的复杂数据，这是整体的框架。细化之后，我把蓝牙与wifi的用处加以明晰。即我使用蓝牙无线设备为局域网的服务器建立一条范围更广延伸性更强的看不见的线路，我把它成为无线网络局域内部数据线路；然后，我再使用wifi设备在城市和道路的周围建立广泛的无线覆盖局域网络，我称它为局域无线。
我为内部数据线设计两种布线模式——固定式和移动式。
固定式较为简单，这样的蓝牙设备我称它为蓝牙中继，蓝牙中继从公共网络中获取信号集中处理，然后散发给用户，原理和有线式一样但同过蓝牙平台它可以变得更灵活通过自动化程序的设置可以自由的实现主动或被动式的连接。它与传统的局域网相比其优势便是节省了线路，因为用户并不是总在无线覆盖区的。一般情况下，一条无线专线的蓝牙端口不打开，当用户终端进入服务区后服务器主机会受到来自用户的信号，它提示蓝牙端口打开主动寻找，然后识别用户的相关信息，包括移动平台的类型以及用户合法账户。之后，程序会引导用户的无线蓝牙与其配对。这种配对是一种临时配对，不像移动用户的专用信号，为了提高可靠性系统可以为用户提供一条或多条备用线路，它们与正在使用的线路并联但处于不工作状态一旦前面的线路中断备用线可以无缝连接，而这些备用线可以被其他用户共享，但是一旦被占用就不再共享。不过固定的蓝牙不必追求移动过程中的稳定性，在使用前系统应该提示用户他的有效范围。你只要不到处乱跑就不会出现掉线的尴尬。这种固定式布线可应用于办公室，一整栋写字楼，甚至面积不大的社区。当然我们可以把它优化，组建层级的无线网络的网络，把大型的区域分成一块一块的，每一块成为一个子集最后统一交由核心服务器处理，前提是他们相对静止的。
有相对静止的情况便有运动的，我也设计出一种适合于移动的布线方式。这里我们可以用一种对运动对象具有追踪能力的蓝牙设备，它可以被设计的很小并安置在户外，比如高速公路的两旁，铁路线两旁。我从军方应用在战机上的火控雷达上找到灵感，先进的火控雷达可以跟踪多个目标实现超视距作战。在这里我把行进中的列车或是私家轿车看做是被捕获对象那么节点蓝牙则充当目标的搜寻者。它的原理是，蓝牙设备周期性的向四周发射抗干扰性好的简单信号，用户的设备受到后发出反馈信息，蓝牙设备根据反馈识别出服务对象的运动方向和趋势然后调整主信号源的发射方式，我们称上述两路信号分别为控制信号和主信号，时刻保证用户的主信号处于最佳状态。结合两种布线模式，我们可以灵活的运用。这样就产生了第三种布线方式混合式。读者不难想象，在特殊情况下为满足用户的需求设计一种既适用于固定情况也适用于高速运动条件的无线局域网设备就合乎情理了。在我们的设计中，无线蓝牙以出色的单点传输能力为无线局域网构建起一条条看不见的线路，而wifi技术的任务就是提供一个大范围的局域无线信号的覆盖，把用户服务区域确定在一个固定范围内。
（二）通过改造网络服务系统来解决无线网络的稳定性。
在介绍这套方案之前我们必须了解，早期无线网络不稳定的最重要原因就是无线网络不能适应大的数据传输，这是无线网络发展的瓶颈。或者说在海量数据流与宽带无线的争相发展中无线带宽总是处于被动局面的。所以，有必要在发展无线带宽的同时精简无线网络的数据流。这就需要优化软件的算法、拆分运算换取更高的效率。
优化算法是从根本上减少数据量，而拆分处理换取更高的效率实质上没有减少数据量，通过拆分，我们把数据分成用户处理部分和运营方处理部分。当然运营方处理的占主要部分，我们可以在运营中心安置最好的计算机、服务器来处理它们。我在关注java语言的时候注意到Java程序和它的浏览器HotJava，提供了可让你的浏览器运行程序的方法。这与我的设想正是完美切合，若运营方使用类似于java一样的语言编译客服软件，用户只要下载一个Hotjava浏览器还有通过无线网络获取的较小数据便可以实现大流量网络的功能，当然经过特殊处理的音频或视频文件也可以实现在线观看。

我们还可以使用一种智能的信号传输载具来运载繁忙的数据，它的工作流程如下。首先专一性载具软件被中心主机创建，一个用户对应一种载具，它被传输到用户终端后就会根据需要加载数据，然后在用户确认后发送出去，然后它会被周围的无线网络中继站点收到，（事实上它可以自己寻找中继，判断标准包括信号强度，路径长短以及时耗）。当它传送支下一个站点时会产生类似转录机制的复制，在确认数据到达目的地之前，所有复制母本都会在机器上暂留，之后自主清除。它也是被改造的网络服务系统的一部分。
六，新型无线网络技术支持
（一）蓝牙技术
所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。
Bluetooth 无线技术规格供我们全球的成员公司免费使用。许多行业的制造商都积极地在其产品中实施此技术，以减少使用零乱的电线，实现无缝连接、流传输立体声，传输数据或进行语音通信。Bluetooth 技术在 2.4 GHz 波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学 (ISM) 无线电波段。正因如此，使用 Bluetooth 技术不需要支付任何费用。但您必须向手机提供商注册使用 GSM 或 CDMA，除了设备费用外，您不需要为使用 Bluetooth 技术再支付任何费用。
Bluetooth 技术得到了空前广泛的应用，集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备，使用该技术的用户从消费者、工业市场到企业等等，不一而足。低功耗，小体积以及低成本的芯片解决方案使得 Bluetooth 技术甚至可以应用于极微小的设备中。[1]
另外，UWB超宽带版本整合了UWB技术的新版蓝牙将使用户能够对大量数据同速进行和传输，并使便携式设备能够实现更多先进的视频和音频应用。在蓝牙技术规范下，UWB技术在10米的有效范围内速率可达到480Mbps，超过了许多应用中最高要求的200Mbps，将MP3播放器或高画质数码相机的同速进行即是此技术的应用实例。不久以后，新的蓝牙技术出炉。更快更稳定的蓝牙将会有更广泛的运用。我关注到，随着蓝牙技术的深入开发。蓝牙不仅能够取代USB线路，音视频线路，还可以取代局域网线。也正是如此，我们使用它作为新一代无线网络的神经末梢。由于该系统所运用的蓝牙必须要求它有很高的可靠性和安全性，在可靠性方面早期的蓝牙设备容易受到干扰，但通过跳频技术[1]可以提高其稳定性(蓝牙的载频选用全球通用的2.45GHz ISM频段，由于2.45GHz的频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的任何一个频段都有可能遇到不可预测的干扰源。采用跳频扩谱技术是避免干扰的一项有效措施。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术跳频扩谱技术是蓝牙使用的关键技术之一。对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒；对应于时隙包，跳频速率有所降低；但在建立链路时则提高为3200跳/秒。使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。它采用以多级蝶形运算为核心的映射方案，与其他方案相比，具有硬件设备简单、性能优越、便于79/23频段两种系统的兼容以及各种状态的跳频序列使用统一的电路来实现等特点。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，因此更稳定。早期的蓝牙传输速率约在748~810kb/s左右。在通讯距离上存在两种版本Class A 是用在大功率/远距离的蓝牙产品上，但因成本高和耗电量大，不适合作个人通讯产品之用；Class B 是目前最流行的制式，通讯距离大约在 8~30M 之间，视乎产品的设计而定，多用于手机内。随着生产工艺的优化，技术的突破，新一代标准蓝牙可以得到运用和普及。所以实现蓝牙的可靠性只是时间与研发资金的问题。
（二）蓝牙微微网和分散网概念[3]
当两个蓝牙设备成功建立链路后，一个微微网便形成了，两者之间的通信通过无线电波在79个信道中随机跳转而完成。 微微网信道由一主单元标识（提供跳频序列）和系统时钟（提供跳频相位）来定义，其它为从单元。每一蓝牙无线系统有一本地时钟，没有通常的定时参考。当一微微网建立后，从单元进行时钟补偿，使之与主单元同步，微微网释放后，补偿亦取消，但可存储起来以便再用。一条普通的微微网信道的单元数量为8（1主7从），可保证单元间有效寻址和大容量通信。实际上，一个微微网中互联设备的数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个为从。蓝牙系统建立在对等通信基础上，主从任务仅在微微网生存期内有效，当微微网取消后，主从任务随即取消。每一单元皆可为主/从单元，可定义建立微微网的单元为主单元。除定义微微网外，主单元还控制微微网的信息流量，并管理接入。蓝牙给每个微微网提供特定的跳转模式，因此它允许大量的微微网同时存在，同一区域内多个微微网的互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。蓝牙系统可优化到在同一区域中有数十个微微网运行，而没有明显的性能下降。蓝牙时隙连接采用基于包的通信，使不同微微网可互联。欲连接单元可加入到不同微微网中，但因无线信号只能调制到单一跳频载波上，任一时刻单元只能在一微微网中通信。通过调整微微网信道参数（即主单元标志和主单元时钟），单元可从一微微网跳到另一微微网中，并可改变任务。例如某一时刻在微微网中的主单元，另一时刻在另一微微网中为从单元。由于主单元参数标示了微微网信道的跳转模式，因此一单元不可能在不同的微微网中都为主单元。跳频选择机制应设计成允许微微网间可相互通信，通过改变标志和时钟输入到选择机制，新微微网可立即选择新的跳频。为了使不同微微网间的跳频可行，数据流体系中没有保护时间，以防止不同微微网的时隙差异。在蓝牙系统中，引入了保留（HOLD）模式，允许一单元暂时离开一微微网而访问另一微微网。这是蓝牙无线数据线路实现自由连接的理论基础。
在安全性方面蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等功能进行安全控制。在应用层中，用户可以使用个人标识码（PIN）来进行单双向认证。但是我们考虑到，这种安全控制机制事实上肯定是消耗时间的，尤其是当数据传输通过的蓝牙设备需要经过很多道的话那么这种延迟效应将被放大。那么我想应该简化这种认证过程，因为通过加密数据源来解决安全问题，形象点来说就是，不隐藏电报的哒哒声只隐藏哒哒声。
(三)Wi-Fi技术
Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真) [2]也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。Wi-Fi速率最高可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m左右。Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mb/s的速度接入Web。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外.。
（四）拆分处理技术
拆分处理是解决网络带宽限制的方法，但是这并不代表它不存在问题。我所看到它最大的问题就是协调性。注意，这有别与远程合作。因为它们是同一个程序，只不过身首异处，事实上它还是整体。我对此有两种方案：1拆分处理共享数据库，两头调用它，数据库在处理中心。它的好处是便于构造，程序被模块化了，一个个组建被放置在它该存在的位置，而且维护过程会非常轻松。但是它不能实现很好的沟通，融合性不好。2内外处理模式，我们需要使用两套语言编写一个程序一个对应处理中心另一个对应用户，其核心是有一个能识别两种语言的操作系统，我们在编译软件时可以用两种语言编写，它们被整合在同一个软件包内但是彼此不会干扰，因为我们会在关键的字符间加入语种识别符号。它的好处是我们只要给系统建立一个适应双语言的环境那么剩下的问题就是运算速度和运算量了，这样的问题在高速运算的今天应该不成问题，但是我们需要掌握两种语言，这对于维护人员可以算作一种折磨了，所以它有待改进。不过，换一种思维，黑客的渗透顶多也只能渗透到外部，内部相对比较安全。
（五）自适应主动传输载具
自适应主动传输载具这是本人想象出来的一种智能程序，我从网络中传播的病毒上寻找到灵感。大家知道电脑病毒实质是人类产生的信息垃圾，它因为具有自我复制能力所以可以不断扩散传播。现在，我想把无线网络的传输信息加载到具有主动运输功能且可以有限量复制（复制后自动删除母本）的信号流上我们可以用java语言编译它，因为java语言与平台无关，这就是说不同的平台都可以传送它，主信息以加密的形式被放置在信号流上，这好比一列火车拉着乘客满世界的漫游，由于这样的“列车”可以自己寻找路径，所以它会找寻一条路况最好的无线网路从而保证用户接收到最优质的信号。其理论依据就是计算机二进制码存在补码反码与原码的转换，同时这种转换机制与生物DNA的复制较为接近。目前已有人提出生物计算机的概念，而我受此启发我想利用这样的性质直接服务于软件本身。
载具的好处是数据传输的自由度更高，具有了“意识”在严格的协议下，载具可以进出各平台之间，事实证明兼容性是决定一种软件市场的关键性因素。但是，这种载具程序不能交由用户“保管”。它的产生是在服务中心的，用户只使用它，它也可先被开发成运营商的一种增值服务，用户额外购买使用权后，它可以穿梭于用户与服务器之间，但最后还是牢牢地抓在运营商手中，这样可确保信息的安全性。
载具本身占用一定的数据量，所以优化算法精简数据量是这项技术的另一个关键。我们可以把它嵌入在主信息内，处理过程中将它拆解、重组、再拆解。也可以利用主信息数据，把它们当做字典（条件是该信息数据量大，含有一定量的可作为编译载具的元素）我们只要在信息编码中加入少量的记录读取专用符号就可以实现这一目标。
参考文献
[1] 百度百科-蓝牙
[2] 百度百科-wi-fi
[3] cnki:ISSN:1001-7437.0.2003-03-017西南交通大学计算机与通信工程学院;桂林电子工业学院通信与信息工程系 四川成都 610031;广西桂林 541004 广西高校科研基金资助项目(2001401)