人們喜歡透過Wi-Fi訪問網際網路。越來越多的人在星巴克咖啡館、機場休息室和家中使用無線連線技術。Wi-Fi似乎令人無法抗拒，因為它使使用者可以隨時隨地訪問網際網路。它提供快速的通訊連結，使電子郵件幾乎可以立即出現，網頁可以快速呈現在電腦螢幕上——所有這一切都具有移動性和自由性，這使得手機幾乎無處不在。
通訊行業研究公司Pyramid Research預測，到2008年，全球Wi-Fi使用者數量可能超過2.71億，其中1.77億在美國。據另一家市場研究公司In-Stat的資料推算，今天的Wi-Fi社群已經支撐著一個充滿活力的國際Wi-Fi裝置業務，估計年產值約為30億美元。但是，Wi-Fi的普及也帶來了問題。隨著Wi-Fi網路的使用越來越頻繁，它們可能無法處理不斷增加的流量，導致客戶端裝置因服務緩慢和長時間延遲而變得卡頓。
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無線區域網容易出現問題，因為該技術依賴於無線電，而無線電存在缺點。
即使技術執行正常，無線訪問也不如高速有線網際網路連線（例如數字使用者線路（DSL）或電纜調變解調器鏈路）那樣快速。無線電訊號無法與銅線或光纖電纜實現的傳輸速度相媲美。Wi-Fi或其他依賴無線電的無線技術也無法提供相同程度的安全性；傳輸可能會被附近的無線電接收器截獲。
早在1993年，當我領導卡內基梅隆大學的一個團隊構建Wireless Andrew時，其中許多問題就已經很明顯了。Wireless Andrew是第一個大型無線區域網（LAN），也是當今Wi-Fi網路的前身。Wireless Andrew於1999年完成，現在連線了整個校園[參見Alex Hills的“地面無線網路”；《大眾科學》，1998年4月]。
自從我們在卡內基梅隆大學建立無線網路以來，無線領域發生了翻天覆地的變化。由於Wi-Fi使用量的顯著增加，出現了一些棘手的問題，但在解決這些問題方面也取得了實質性進展。然而，在考慮這些發展之前，我們必須討論Wi-Fi是如何運作的。
Wi-Fi工作原理
Wi-Fi網路包括配備Wi-Fi的移動計算機（筆記型電腦或掌上電腦）或專用Wi-Fi電話聽筒，以及接入點（AP）。AP是基站，透過無線電和有線方式與移動系統以及最終提供網際網路入口的網路進行通訊。每個AP都可以在有限的範圍內傳送和接收訊號，通常在建築物內為20到50米。AP的覆蓋區域形成一個三維球形蜂窩（類似於行動電話蜂窩，但小得多），可以同時為其中的許多移動裝置提供服務。
Wi-Fi網路最初被稱為無線區域網。在1997年之前，無線區域網裝置無法互操作——一家制造商生產的系統無法與另一家公司生產的系統通訊。但在1997年，電氣和電子工程師協會通過了IEEE 802.11標準，消除了這種不相容性。今天，大多數無線區域網裝置都符合該標準，該標準俗稱Wi-Fi（無線保真）。雖然它沒有規定網路執行的所有方面，但該標準確實保證了不同型別的裝置可以協同工作。
Wi-Fi網路的設計者面臨四個主要問題：透過確保服務不會因低質量的無線電傳輸而中斷來確保可靠性；透過避免慢速鏈路速度和過長的延遲來保持效能；設計可以完全覆蓋覆蓋區域的AP網路；以及提供安全性以防止不友好的無線竊聽者或未經授權的使用者。 [break]
無線區域網容易出現這些問題的主要原因是該技術依賴於無線電傳輸，而無線電傳輸本身存在特定的操作缺陷。客戶端或AP接收到的訊號可能會以多種方式降級
無線傳輸會衰減——也就是說，即使沒有障礙物（這可能會導致無線電訊號強度進一步降低），也會因距離而減弱。
無線電波可能會因反射牆壁和建築物結構、傢俱、裝置或附近環境中的其他物體而遭受多徑失真。然後，訊號可能會沿著從發射器到接收器的多條路徑傳播，這會導致同一傳輸的多個副本同時到達接收器，每個副本到達的時間略有不同。延遲的副本可能會破壞直接（視線）訊號，從而導致接收問題。
第三種訊號退化是由干擾和噪聲效應引起的。干擾是由衝突的無線電傳輸產生的。Wi-Fi網路干擾的一個常見來源是微波爐，它會釋放雜散無線電訊號。幸運的是，現代微波爐都經過良好的遮蔽，以最大限度地減少這些輻射。無線電噪聲自然存在，但也來自人為來源，如電機、汽車發動機和熒光燈。
通訊工程師習慣於克服這些困難，但不幸的是，他們的方法可能會降低傳輸速度。有線乙太網網路提供100到1,000兆位元/秒（Mbps）的速度，而許多無線區域網採用IEEE 802.11b標準，因此執行速度高達11 Mbps。較新的IEEE 802.11a和802.11g裝置可以以高達54 Mbps的速度執行——與乙太網操作相比仍然有點慢。然而，即將推出的IEEE 802.11版本將允許高達108 Mbps的通訊速度。
事實上，這些數字誇大了Wi-Fi傳輸速率。為了應對無線電訊號衰減、多徑、干擾和噪聲條件，Wi-Fi會自動從最大速度（11或54 Mbps）降至較低速率。因此，IEEE 802.11b鏈路可能會從11 Mbps的資料速率降至5.5、2甚至1 Mbps。此外，開銷位——新增到每次傳輸中的額外數字位，用於控制網路操作和減少錯誤——進一步降低了有效資料速率。
自從最初的Wi-Fi技術問世以來，我在卡內基梅隆大學和Airespace（現在是思科系統的一部分）的同事，以及其他大學和公司的工程師，一直在努力解決其在可靠性、效能、設計和安全性方面的缺點。由此產生的第二代Wi-Fi裝置（本文中稱為智慧Wi-Fi技術）體現了旨在克服現有問題的各種新功能。這些增強功能依賴於Wi-Fi系統中更高的智慧。
避免擁塞
智慧Wi-Fi技術將透過多種方式處理擁塞、不斷變化的無線電環境和安全問題，從而改善使用者使用無線網路的體驗。
網路擁塞——當一個AP被呼叫來為許多使用者服務，從而變得過載時——很可能導致延遲並顯著降低服務質量。由於一個蜂窩的AP和使用它的客戶端必須共享一個無線電通道（無線電頻譜的段），並且一次只有一個站點（AP或客戶端）可以成功傳輸，因此可能會發生衝突。Wi-Fi網路目前透過使用一種稱為載波偵聽多路訪問與衝突避免的技術（CSMA/CA協議）來解決蜂窩內競爭站點之間的衝突。
在CSMA/CA下，每個站點在傳送訊號之前都會進行偵聽。如果一個站點聽到另一個站點正在傳送，它會推遲並等待通道空閒。如果兩個站點嘗試在幾乎同一時間傳送，則兩者都聽不到對方，並且它們的傳輸會發生衝突。當這種情況發生時，兩個傳輸都無法正確接收，並且必須進行重複傳輸。當許多計算機使用單個AP時，會頻繁發生衝突，因此需要多次重複傳輸，所有使用者都會面臨延遲。 [break]
在使用者密度高的區域，AP過載的問題可能非常嚴重。在卡內基梅隆大學，我們首先在大型演講廳和教室中遇到了這個問題。我的團隊很快意識到，在這些擁擠的空間中，我們甚至無法接近有線網路的效能，這些空間有時可以容納數百名移動計算機使用者。
CSMA/CA協議還可能在執行在同一無線電通道上的遠端AP和移動裝置之間造成特殊困難。如果一個AP或移動裝置可以聽到遠處的（同通道）AP或客戶端，它將推遲，就像它對在其自身蜂窩內傳輸的站點一樣。這種同通道重疊會產生另一種效能下降。
例如，假設Jane和Joe正在使用在同一無線電通道上執行的裝置，但位於建築物的不同部分，並且與不同的AP相關聯。如果Joe的系統可以聽到Jane的系統，它將在Jane的系統每次傳輸時都推遲，從而延遲Joe的系統等待發送的訊息。同樣，如果Jane的系統可以聽到Joe的系統，那麼當Joe的系統正在傳輸時，Jane的系統將無法傳送，從而降低她的通訊服務質量。如果其中任何一方正在使用語音聽筒，則此問題將特別明顯。
設計人員可以透過仔細分配通道和使用稱為負載均衡的新功能來緩解這些情況，負載均衡有助於減少AP過載的可能性。負載均衡依賴於客戶端可能在兩個或多個AP的無線電範圍內的這一事實。智慧Wi-Fi網路嘗試透過將客戶端或多或少均勻地分佈在AP之間來緩解擁塞，從而使任何一個AP都不會不堪重負，從而大大簡化效能。
客戶端和AP之間的鏈路稱為關聯。它在客戶端發起關聯請求時開始。當AP收到請求時，它可以接受或拒絕它。雖然IEEE 802.11標準沒有指定用於進行此類確定的軟體演算法，但第二代AP（或控制它的智慧交換機）會考慮AP的當前負載以及附近AP的負載，以幫助做出決策。負載過重的AP可能不是與新客戶端關聯的最佳選擇。如果收到此類請求，並且系統知道負載較輕的AP也在請求客戶端的無線電範圍內，則AP可能會拒絕關聯請求，從而提高網路的整體效能。與其他技術一起，負載均衡將使未來的Wi-Fi網路即使在高密度位置也能表現良好。
變化的無線電環境
透過良好的網路設計，可以大大緩解上述與無線電相關的衰減、多徑、干擾和噪聲問題。Wi-Fi網路設計人員必須決定在目標空間內的何處放置AP，以提供足夠的覆蓋範圍和效能。他還必須選擇將哪些無線電通道分配給哪些AP。設計人員需要考慮無線電環境的特性和將要部署無線區域網的建築物的幾何形狀，以實現實際上是三維無線電網路的網路。
在選擇AP位置時，網路設計人員的目標是避免覆蓋盲區，但他或她必須同時儘可能地分隔AP，以最大限度地降低裝置和安裝成本。分隔AP的另一個原因是，在同一無線電通道上執行的AP之間的覆蓋重疊（稱為同通道重疊）會降低效能。通道分配是設計過程的第二部分，通常是為了最大限度地減少同通道重疊而進行的，這減少了不同同通道蜂窩中小區之間的相互作用。
另一項新的智慧Wi-Fi功能——自動蜂窩大小控制，允許蜂窩大小擴充套件和收縮，以適應不斷變化的無線電條件。該技術還可以補償不夠仔細的設計或AP故障。 [break]
即使對於配置非常仔細的網路，本地無線電環境也可能會不時變化。因此，原始條件可能不再存在。例如，當工廠中的金屬裝置移動時，電磁條件的變化可能會導致覆蓋盲區。在這種情況下，應擴大或縮小蜂窩大小以進行補償。可以透過調整Wi-Fi AP的發射器功率輸出來更改蜂窩大小。如果修改準確反映了新的無線電環境，則可以在整個目標空間中保持連續的網路覆蓋，而不會產生不必要的蜂窩重疊。（目前，AP只能修改自己的發射功率級別，但IEEE 802.11標準的待定新增將允許AP指示客戶端也增加或減少其發射功率。）
自動蜂窩大小控制還具有減少設計無線區域網所需工作量的潛力。此功能使簡化的設計過程成為可能，該過程將AP放置在合理（即使不是最佳）的位置。此外，AP會不時發生故障。根據AP的特定位置和所使用的天線型別，自動蜂窩大小控制可以臨時填補由AP故障引起的覆蓋漏洞。
動態通道分配
AP還可以在智慧Wi-Fi網路中使用動態通道分配來自動更改無線電通道。傳統上，設計人員進行通道分配是為了最大限度地減少基於無線電傳播環境的同通道重疊。完成通道分配後，它們通常是靜態的。但是，環境可能會發生變化，因此不能保證這些分配將始終有效。
第二代Wi-Fi網路會定期感應無線電環境，然後動態地重新分配通道。此功能消除了在原始設計過程中執行通道分配的需要。例如，如果從辦公區域移走傢俱，可能會導致蜂窩的覆蓋區域擴大。如果這種擴充套件導致與在同一通道上執行的另一個蜂窩的覆蓋重疊，則效能可能會下降。在這種情況下，將第二個蜂窩切換到不同的通道可能是合適的。通道切換演算法確保在整個網路中最大限度地減少同通道覆蓋重疊。
當許多計算機使用接入點時，會發生衝突，所有使用者都會面臨延遲。
智慧Wi-Fi系統通常會定期啟用通道切換演算法，以確保通道分配反映當前的無線電環境。動態通道分配技術還可以透過允許AP選擇沒有受到本地噪聲或干擾的通道來幫助提高效能。
無線安全
可能最受廣泛討論的Wi-Fi問題是安全問題。沒有使用者希望陌生人監視他們的電子郵件交換或未經授權訪問他們的系統。最初的IEEE 802.11標準透過稱為有線等效保密（WEP）的功能提供了傳輸加密。加密是一種將一個位元流轉換為另一個（加密的）位元流的方法，這樣，只有使用金鑰（最初用於編碼的特殊密碼）才能重現原始位元流。但是，許多無線使用者從不費心啟用加密功能，因此以“明文”方式傳送他們的傳輸，這使得容易被攔截。
即使在使用WEP的情況下，試圖指出其漏洞的聰明人也找到了發現金鑰然後解密訊息的方法。到2001年，WEP存在缺陷已廣為人知，此後開發人員一直在努力加強Wi-Fi網路安全。
授權訪問也是Wi-Fi網路的一個問題。使用者可以透過涉及使用者ID和密碼的身份驗證過程來識別自己，但是如果惡意人員可以輕鬆地竊聽他人的傳輸，他們可以很容易地“嗅探”使用者ID和密碼，從而獲得對網路的訪問許可權。 [break]
在2003年和2004年，IEEE 802.11工作組和Wi-Fi聯盟（創造“Wi-Fi”一詞的行業組織）完成了其相關標準IEEE 802.11i和Wi-Fi Protected Access（WPA）的工作，這些標準提供了更強大的安全措施。其中包括增強的加密技術以及AP和客戶端獲得加密和解密傳輸所需的金鑰的更安全方法。
WPA（使用另一個標準IEEE 802.1X）還提供了比以前可用的強大得多的身份驗證過程。這些新標準的結合大大提高了智慧Wi-Fi網路的整體安全性。
一些Wi-Fi裝置製造商也添加了其他安全措施。一個例子是入侵檢測。無線網路與有線網路的區別在於，竊聽裝置（甚至AP）可以位於無線網路覆蓋範圍內的任何位置或附近。（有線入侵者可能會從遠處攻擊。）這就是為什麼一些Wi-Fi裝置使用位置定位技術來檢測惡意站點的存在。使用此功能，網路可以跟蹤到違規站點並將其刪除。
隨著智慧Wi-Fi技術的發展，無線網路開始表現得更像有線網路，無線使用者也開始注意到這種差異。不過，在這方面還有更多工作要做，進一步發展Wi-Fi的研究仍在繼續。例如，目前正在進行自動查詢Wi-Fi網路中的移動裝置的工作。此功能將允許網路運營商根據需要快速定位人員（例如，醫院的醫生）或物體（在工廠裝配線上移動的產品）。
智慧Wi-Fi網路開始表現得更像有線網路，使用者也開始注意到這一點。
Wi-Fi和其他無線通訊技術正在迅速發展和變化。美國和其他地方越來越多的人放棄固定電話服務，轉而使用無線手機，費城等市政府正在建立全市範圍的Wi-Fi覆蓋區域。與此同時，第三代（3G）蜂窩電話的使用正在上升，一種名為WiMAX的新無線技術可能很快就會在市場上佔據重要地位。我們越來越生活在一個無線世界中。