人们喜欢通过Wi-Fi访问互联网。越来越多的人在星巴克咖啡馆、机场休息室和家中使用无线连接技术。Wi-Fi似乎令人无法抗拒，因为它使用户可以随时随地访问互联网。它提供快速的通信链接，使电子邮件几乎可以立即出现，网页可以快速呈现在电脑屏幕上——所有这一切都具有移动性和自由性，这使得手机几乎无处不在。
通信行业研究公司Pyramid Research预测，到2008年，全球Wi-Fi用户数量可能超过2.71亿，其中1.77亿在美国。据另一家市场研究公司In-Stat的数据推算，今天的Wi-Fi社区已经支撑着一个充满活力的国际Wi-Fi设备业务，估计年产值约为30亿美元。但是，Wi-Fi的普及也带来了问题。随着Wi-Fi网络的使用越来越频繁，它们可能无法处理不断增加的流量，导致客户端设备因服务缓慢和长时间延迟而变得卡顿。
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无线局域网容易出现问题，因为该技术依赖于无线电，而无线电存在缺点。
即使技术运行正常，无线访问也不如高速有线互联网连接（例如数字用户线路（DSL）或电缆调制解调器链路）那样快速。无线电信号无法与铜线或光纤电缆实现的传输速度相媲美。Wi-Fi或其他依赖无线电的无线技术也无法提供相同程度的安全性；传输可能会被附近的无线电接收器截获。
早在1993年，当我领导卡内基梅隆大学的一个团队构建Wireless Andrew时，其中许多问题就已经很明显了。Wireless Andrew是第一个大型无线局域网（LAN），也是当今Wi-Fi网络的前身。Wireless Andrew于1999年完成，现在连接了整个校园[参见Alex Hills的“地面无线网络”；《大众科学》，1998年4月]。
自从我们在卡内基梅隆大学建立无线网络以来，无线领域发生了翻天覆地的变化。由于Wi-Fi使用量的显著增加，出现了一些棘手的问题，但在解决这些问题方面也取得了实质性进展。然而，在考虑这些发展之前，我们必须讨论Wi-Fi是如何运作的。
Wi-Fi工作原理
Wi-Fi网络包括配备Wi-Fi的移动计算机（笔记本电脑或掌上电脑）或专用Wi-Fi电话听筒，以及接入点（AP）。AP是基站，通过无线电和有线方式与移动系统以及最终提供互联网入口的网络进行通信。每个AP都可以在有限的范围内发送和接收信号，通常在建筑物内为20到50米。AP的覆盖区域形成一个三维球形蜂窝（类似于移动电话蜂窝，但小得多），可以同时为其中的许多移动设备提供服务。
Wi-Fi网络最初被称为无线局域网。在1997年之前，无线局域网设备无法互操作——一家制造商生产的系统无法与另一家公司生产的系统通信。但在1997年，电气和电子工程师协会通过了IEEE 802.11标准，消除了这种不兼容性。今天，大多数无线局域网设备都符合该标准，该标准俗称Wi-Fi（无线保真）。虽然它没有规定网络运行的所有方面，但该标准确实保证了不同类型的设备可以协同工作。
Wi-Fi网络的设计者面临四个主要问题：通过确保服务不会因低质量的无线电传输而中断来确保可靠性；通过避免慢速链路速度和过长的延迟来保持性能；设计可以完全覆盖覆盖区域的AP网络；以及提供安全性以防止不友好的无线窃听者或未经授权的用户。 [break]
无线局域网容易出现这些问题的主要原因是该技术依赖于无线电传输，而无线电传输本身存在特定的操作缺陷。客户端或AP接收到的信号可能会以多种方式降级
无线传输会衰减——也就是说，即使没有障碍物（这可能会导致无线电信号强度进一步降低），也会因距离而减弱。
无线电波可能会因反射墙壁和建筑物结构、家具、设备或附近环境中的其他物体而遭受多径失真。然后，信号可能会沿着从发射器到接收器的多条路径传播，这会导致同一传输的多个副本同时到达接收器，每个副本到达的时间略有不同。延迟的副本可能会破坏直接（视线）信号，从而导致接收问题。
第三种信号退化是由干扰和噪声效应引起的。干扰是由冲突的无线电传输产生的。Wi-Fi网络干扰的一个常见来源是微波炉，它会释放杂散无线电信号。幸运的是，现代微波炉都经过良好的屏蔽，以最大限度地减少这些辐射。无线电噪声自然存在，但也来自人为来源，如电机、汽车发动机和荧光灯。
通信工程师习惯于克服这些困难，但不幸的是，他们的方法可能会降低传输速度。有线以太网网络提供100到1,000兆比特/秒（Mbps）的速度，而许多无线局域网采用IEEE 802.11b标准，因此运行速度高达11 Mbps。较新的IEEE 802.11a和802.11g设备可以以高达54 Mbps的速度运行——与以太网操作相比仍然有点慢。然而，即将推出的IEEE 802.11版本将允许高达108 Mbps的通信速度。
事实上，这些数字夸大了Wi-Fi传输速率。为了应对无线电信号衰减、多径、干扰和噪声条件，Wi-Fi会自动从最大速度（11或54 Mbps）降至较低速率。因此，IEEE 802.11b链路可能会从11 Mbps的数据速率降至5.5、2甚至1 Mbps。此外，开销位——添加到每次传输中的额外数字位，用于控制网络操作和减少错误——进一步降低了有效数据速率。
自从最初的Wi-Fi技术问世以来，我在卡内基梅隆大学和Airespace（现在是思科系统的一部分）的同事，以及其他大学和公司的工程师，一直在努力解决其在可靠性、性能、设计和安全性方面的缺点。由此产生的第二代Wi-Fi设备（本文中称为智能Wi-Fi技术）体现了旨在克服现有问题的各种新功能。这些增强功能依赖于Wi-Fi系统中更高的智能。
避免拥塞
智能Wi-Fi技术将通过多种方式处理拥塞、不断变化的无线电环境和安全问题，从而改善用户使用无线网络的体验。
网络拥塞——当一个AP被调用来为许多用户服务，从而变得过载时——很可能导致延迟并显著降低服务质量。由于一个蜂窝的AP和使用它的客户端必须共享一个无线电信道（无线电频谱的段），并且一次只有一个站点（AP或客户端）可以成功传输，因此可能会发生冲突。Wi-Fi网络目前通过使用一种称为载波侦听多路访问与冲突避免的技术（CSMA/CA协议）来解决蜂窝内竞争站点之间的冲突。
在CSMA/CA下，每个站点在发送信号之前都会进行侦听。如果一个站点听到另一个站点正在发送，它会推迟并等待信道空闲。如果两个站点尝试在几乎同一时间发送，则两者都听不到对方，并且它们的传输会发生冲突。当这种情况发生时，两个传输都无法正确接收，并且必须进行重复传输。当许多计算机使用单个AP时，会频繁发生冲突，因此需要多次重复传输，所有用户都会面临延迟。 [break]
在用户密度高的区域，AP过载的问题可能非常严重。在卡内基梅隆大学，我们首先在大型演讲厅和教室中遇到了这个问题。我的团队很快意识到，在这些拥挤的空间中，我们甚至无法接近有线网络的性能，这些空间有时可以容纳数百名移动计算机用户。
CSMA/CA协议还可能在运行在同一无线电信道上的远程AP和移动设备之间造成特殊困难。如果一个AP或移动设备可以听到远处的（同信道）AP或客户端，它将推迟，就像它对在其自身蜂窝内传输的站点一样。这种同信道重叠会产生另一种性能下降。
例如，假设Jane和Joe正在使用在同一无线电信道上运行的设备，但位于建筑物的不同部分，并且与不同的AP相关联。如果Joe的系统可以听到Jane的系统，它将在Jane的系统每次传输时都推迟，从而延迟Joe的系统等待发送的消息。同样，如果Jane的系统可以听到Joe的系统，那么当Joe的系统正在传输时，Jane的系统将无法发送，从而降低她的通信服务质量。如果其中任何一方正在使用语音听筒，则此问题将特别明显。
设计人员可以通过仔细分配信道和使用称为负载均衡的新功能来缓解这些情况，负载均衡有助于减少AP过载的可能性。负载均衡依赖于客户端可能在两个或多个AP的无线电范围内的这一事实。智能Wi-Fi网络尝试通过将客户端或多或少均匀地分布在AP之间来缓解拥塞，从而使任何一个AP都不会不堪重负，从而大大简化性能。
客户端和AP之间的链路称为关联。它在客户端发起关联请求时开始。当AP收到请求时，它可以接受或拒绝它。虽然IEEE 802.11标准没有指定用于进行此类确定的软件算法，但第二代AP（或控制它的智能交换机）会考虑AP的当前负载以及附近AP的负载，以帮助做出决策。负载过重的AP可能不是与新客户端关联的最佳选择。如果收到此类请求，并且系统知道负载较轻的AP也在请求客户端的无线电范围内，则AP可能会拒绝关联请求，从而提高网络的整体性能。与其他技术一起，负载均衡将使未来的Wi-Fi网络即使在高密度位置也能表现良好。
变化的无线电环境
通过良好的网络设计，可以大大缓解上述与无线电相关的衰减、多径、干扰和噪声问题。Wi-Fi网络设计人员必须决定在目标空间内的何处放置AP，以提供足够的覆盖范围和性能。他还必须选择将哪些无线电信道分配给哪些AP。设计人员需要考虑无线电环境的特性和将要部署无线局域网的建筑物的几何形状，以实现实际上是三维无线电网络的网络。
在选择AP位置时，网络设计人员的目标是避免覆盖盲区，但他或她必须同时尽可能地分隔AP，以最大限度地降低设备和安装成本。分隔AP的另一个原因是，在同一无线电信道上运行的AP之间的覆盖重叠（称为同信道重叠）会降低性能。信道分配是设计过程的第二部分，通常是为了最大限度地减少同信道重叠而进行的，这减少了不同同信道蜂窝中小区之间的相互作用。
另一项新的智能Wi-Fi功能——自动蜂窝大小控制，允许蜂窝大小扩展和收缩，以适应不断变化的无线电条件。该技术还可以补偿不够仔细的设计或AP故障。 [break]
即使对于配置非常仔细的网络，本地无线电环境也可能会不时变化。因此，原始条件可能不再存在。例如，当工厂中的金属设备移动时，电磁条件的变化可能会导致覆盖盲区。在这种情况下，应扩大或缩小蜂窝大小以进行补偿。可以通过调整Wi-Fi AP的发射器功率输出来更改蜂窝大小。如果修改准确反映了新的无线电环境，则可以在整个目标空间中保持连续的网络覆盖，而不会产生不必要的蜂窝重叠。（目前，AP只能修改自己的发射功率级别，但IEEE 802.11标准的待定添加将允许AP指示客户端也增加或减少其发射功率。）
自动蜂窝大小控制还具有减少设计无线局域网所需工作量的潜力。此功能使简化的设计过程成为可能，该过程将AP放置在合理（即使不是最佳）的位置。此外，AP会不时发生故障。根据AP的特定位置和所使用的天线类型，自动蜂窝大小控制可以临时填补由AP故障引起的覆盖漏洞。
动态信道分配
AP还可以在智能Wi-Fi网络中使用动态信道分配来自动更改无线电信道。传统上，设计人员进行信道分配是为了最大限度地减少基于无线电传播环境的同信道重叠。完成信道分配后，它们通常是静态的。但是，环境可能会发生变化，因此不能保证这些分配将始终有效。
第二代Wi-Fi网络会定期感应无线电环境，然后动态地重新分配信道。此功能消除了在原始设计过程中执行信道分配的需要。例如，如果从办公区域移走家具，可能会导致蜂窝的覆盖区域扩大。如果这种扩展导致与在同一信道上运行的另一个蜂窝的覆盖重叠，则性能可能会下降。在这种情况下，将第二个蜂窝切换到不同的信道可能是合适的。信道切换算法确保在整个网络中最大限度地减少同信道覆盖重叠。
当许多计算机使用接入点时，会发生冲突，所有用户都会面临延迟。
智能Wi-Fi系统通常会定期激活信道切换算法，以确保信道分配反映当前的无线电环境。动态信道分配技术还可以通过允许AP选择没有受到本地噪声或干扰的信道来帮助提高性能。
无线安全
可能最受广泛讨论的Wi-Fi问题是安全问题。没有用户希望陌生人监视他们的电子邮件交换或未经授权访问他们的系统。最初的IEEE 802.11标准通过称为有线等效保密（WEP）的功能提供了传输加密。加密是一种将一个比特流转换为另一个（加密的）比特流的方法，这样，只有使用密钥（最初用于编码的特殊密码）才能重现原始比特流。但是，许多无线用户从不费心激活加密功能，因此以“明文”方式发送他们的传输，这使得容易被拦截。
即使在使用WEP的情况下，试图指出其漏洞的聪明人也找到了发现密钥然后解密消息的方法。到2001年，WEP存在缺陷已广为人知，此后开发人员一直在努力加强Wi-Fi网络安全。
授权访问也是Wi-Fi网络的一个问题。用户可以通过涉及用户ID和密码的身份验证过程来识别自己，但是如果恶意人员可以轻松地窃听他人的传输，他们可以很容易地“嗅探”用户ID和密码，从而获得对网络的访问权限。 [break]
在2003年和2004年，IEEE 802.11工作组和Wi-Fi联盟（创造“Wi-Fi”一词的行业组织）完成了其相关标准IEEE 802.11i和Wi-Fi Protected Access（WPA）的工作，这些标准提供了更强大的安全措施。其中包括增强的加密技术以及AP和客户端获得加密和解密传输所需的密钥的更安全方法。
WPA（使用另一个标准IEEE 802.1X）还提供了比以前可用的强大得多的身份验证过程。这些新标准的结合大大提高了智能Wi-Fi网络的整体安全性。
一些Wi-Fi设备制造商也添加了其他安全措施。一个例子是入侵检测。无线网络与有线网络的区别在于，窃听设备（甚至AP）可以位于无线网络覆盖范围内的任何位置或附近。（有线入侵者可能会从远处攻击。）这就是为什么一些Wi-Fi设备使用位置定位技术来检测恶意站点的存在。使用此功能，网络可以跟踪到违规站点并将其删除。
随着智能Wi-Fi技术的发展，无线网络开始表现得更像有线网络，无线用户也开始注意到这种差异。不过，在这方面还有更多工作要做，进一步发展Wi-Fi的研究仍在继续。例如，目前正在进行自动查找Wi-Fi网络中的移动设备的工作。此功能将允许网络运营商根据需要快速定位人员（例如，医院的医生）或物体（在工厂装配线上移动的产品）。
智能Wi-Fi网络开始表现得更像有线网络，用户也开始注意到这一点。
Wi-Fi和其他无线通信技术正在迅速发展和变化。美国和其他地方越来越多的人放弃固定电话服务，转而使用无线手机，费城等市政府正在创建全市范围的Wi-Fi覆盖区域。与此同时，第三代（3G）蜂窝电话的使用正在上升，一种名为WiMAX的新无线技术可能很快就会在市场上占据重要地位。我们越来越生活在一个无线世界中。