Как работает Wi-fi. Часть 1. История беспроводных сетей +13



На фотографиях выше изображены Джордж Антейл и Хеди Ламарр — два деятеля культуры (композитор и актриса) и по совместительству изобретатели. В определенных кругах эта пара известна своей концепцией передачи информации по радио, которая впоследствии нашла применение в Wi-fi, GPS, Bluetooth и… Короче, много где.

Во время Второй мировой войны Хеди и Джордж предложили систему для дистанционного управления торпедами. Как не иронично, основной проблемой управляемых торпед того времени была их система управления. Она работала на одной частоте, и если противник обнаруживал угрозу, то «бил» по слабому месту торпеды: отправлял помехи на несущей частоте.

Идея новаторов заключалась в том, чтобы отправлять сигнал частями на разных частотах. Сейчас эта концепция известна как псевдослучайная перестройка рабочей частоты. Технически синхронизацию частот предлагалось осуществлять с помощью пружинных двигателей. Ребята даже получили патент на свою разработку и предложили её армии США, но идею реализовали только в 60-х годах, уже после окончания действия патента.

Порой Хеди Ламарр называют «изобретательницей Wi-fi». Но, пожалуй, такой титул несколько преуменьшает вклад других, не менее значимых открытий, которые позволяют сидеть в интернете без провода. О том, как создавалась и развивалась технология Wi-fi, читайте под катом.

Исторические предпосылки


Первые технологии беспроводной передачи информации возникли в доисторическую эпоху. Дымовые, световые и огненные сигналы, зеркала, сигнальные выстрелы и флаги — все это появилось задолго до изобретения телеграфа и телефона.

Невидимый свет


В 1880-х годах Генрих Рудольф Герц экспериментально доказал существование электромагнитных колебаний в свободном пространстве, а также сделал первые хорошо задокументированные передачи волн. Изыскания Герца в области радиоволн продолжили Оливер Лодж, Никола Тесла и Джагадиш Чандра Бос.

В 1884 году на публичной демонстрации в ратуше Калькутты Бос эффектно продемонстрировал работу микроволнового излучения. Используя волны миллиметрового диапазона, он сумел поджечь порох и позвонить в звонок на расстоянии. Впоследствии в эссе «Невидимый свет» Бос напишет: «Невидимый свет может легко пройти через кирпичные стены, здания и т. д. Поэтому с его помощью могут быть переданы сообщения без проводов».


Джагадиш Чандра Бос в Лондонском королевском институте

Подобные опыты проводили Александр Попов и Гульельмо Маркони. Последний смог предоставить первый коммерчески пригодный аппарат для беспроводной дальней телеграфии.

Метод изменения частот


В 1903 году Никола Тесла запатентовал систему, в которой передатчик и приёмник синхронно переключались между двумя каналами. Таким образом, Тесла стал автором первого известного метода изменения частот для борьбы с помехами. Новинка нашла практическое применение в 1915 году — немецкие военные начали использовать радиоприемник с изменяющимися частотами, чтобы избежать прослушки со стороны британцев.

Примечательно, что уже в начале 20-го века Тесла смог описать развитие технологии, которая приведет к беспроводному интернету. Он предложил концепцию так называемой «Всемирной Беспроводной Системы» — системы телекоммуникаций и передачи электроэнергии в глобальном масштабе. Тесла писал: «Мы сможем мгновенно связаться друг с другом… видеть и слышать друг друга так же хорошо, как если бы мы находились лицом к лицу… И инструменты, с помощью которых мы будем общаться… человек сможет носить в кармане жилета».


Башня Ворденклиф, задуманная Николой Теслой как телекоммуникационный объект «Всемирной Беспроводной Системы»

Развитие беспроводной связи между ЭВМ


В 1968 ученые Гавайского университета начали работу над проектом THE ALOHA SYSTEM. Основной целью проекта была проверка возможности использования радиосвязи вместо проводных соединений для объединения компьютеров в одну сеть.

Немного о контексте. Сам проект реализовывался на Гавайских островах — архипелаге в центральной части Тихого океана. Первоначально в одну сеть планировалось объединить учебные заведения с островов Кауаи, Оаху, Мауи и Гавайи (да, в Гавайском архипелаге есть остров Гавайи). Вычислительный центр располагался в главном корпусе Гавайского университета неподалеку от Гонолулу. Расстояние до него от других узлов доходило до 300 км. Идея протянуть кабель даже не рассматривалась.


Реализация задумки ученых основывалась на радиосвязи ближнего радиуса. Полученную систему беспроводной связи назвали AlohaNet. Всего было две версии этой сети: чистая и дискретная.

Чистая Aloha


В чистой системе каждый из терминалов отправлял данные, как только они появлялись. Разумеется, такой подход приводил к коллизиям и потерям кадров. Для обнаружения коллизий центральный компьютер, после получения кадра, отправлял его назад отправителям. Если отправитель обнаруживал коллизию, то он выжидал случайный интервал времени и отправлял кадр заново. Центральный компьютер использовал широковещательную антенну, а терминалы — направленную. Так они не получали передачи от других отправителей. 


Чистая Aloha заработала в 1971 году, став первой беспроводной сетью между компьютерами. А уже через год система была модернизирована, что позволило удвоить её производительность.

Дискретная Aloha


Метод передачи данных в дискретной системе строился вокруг слотов (или тактов). Каждому терминалу выделялся временной промежуток (соответствующий времени одного кадра) для отправки данных. Для синхронизации использовался специальный синхронизирующий сигнал вначале каждого интервала.

Технологию не удалось продать и она стала общественным достоянием. В 1973 году Alona была подсоединена через спутниковую связь к ARPAnet, а в 1976 году Aloha и вовсе прекратила свою работу. 

1985: открытие диапазонов частот в США


В 1980 году инженер Майкл Маркус обратился в федеральную комиссию по связи США (FCC) с предложением открыть диапазоны ISM для нелицензионного использования. И через 5 лет, в 1985 году комиссия всё же открыла диапазоны с частотой 900 МГц, 2.4 ГГЦ и 5.8 ГГЦ. После такого решения в США многие другие страны и регионы последователи примеру FCC и тоже открыли некоторые диапазоны. С этого момента стало возможным развитие коммерческих беспроводных технологий.

WaveLAN


В 80-х годах NCR Corporation — это крупная международная компания по продаже компьютеров, банкоматов и кассовых аппаратов. И они хотели, чтобы их кассы работали без проводов. Это дало бы им конкурентное преимущество: розничные магазины могли бы избежать затрат на прокладку кабелей к каждой кассе. К тому же разница между кассовым аппаратом и компьютером постепенно размывалась и NCR стремилась создать стандарт беспроводной связи, которым мог бы использоваться в любом компьютере.

К 1988 году команда под началом Вика Хейса (также известного как батя«отец» Wi-fi) разработала WaveLAN. WaveLAN мог работать на частоте 900 МГц или 2.4 ГГц со скоростью от 1 до 2 Мбит/с. Новый продукт позиционировался как беспроводная альтернатива Ethernet и Token Ring от IBM. Но высокая стоимость адаптеров (сотни долларов) и точек доступа (тысячи долларов) сделали WaveLAN нишевым продуктом, который можно было найти только в крупных компаниях.


Адаптер WaveLAN

Кроме WaveLAN существовали и другие беспроводные продукты и всё это превращалось в конкурирующую мешанину с различными реализациями и решениями. Необходимость в международном стандарте, подобном IEEE 802.3, стала очевидной. Это привело к появлению рабочей группы по стандарту беспроводной связи в IEEE.

IEEE: появление рабочей группы


NCR хотела, чтобы Вик Хейс сделал предложение IEEE от имени компании. Но Вик не согласился на такие условия: он хотел оставаться независимым. Компания согласилась на это, и в 1988 году Вик Хейс обратился в IEEE с просьбой внести свой вклад в создание стандарта беспроводной связи. Оказалось, что существующий комитет бездействовал, а председатель ушел. 

Из-за того, что Вик не продвигал уже запатентованное решение от NCR, он смог завоевать доверие и сформировать рабочую группу 802.11. Технологии Ethernet и WaveLAN стали частью технической базы комитета, который начал свою работу в 1990 году. Первый стандарт, известный как 802.11, был сформирован через 7 лет.

CSIRO, OFDM и Джон О’Салливан


Местом рождения Wi-Fi можно считать лабораторию радиоастрономии CSIRO — австралийское федеральное агентство, занимающиеся научными исследованиями. В его стенах разработали множество выдающихся технологий, например атомно-абсорбционную спектроскопию.

В 1977 году исследователь CSIRO доктор Джон О'Салливан занимался поиском небольших черных дыр. Он написал статью о том, как можно использовать быстрое преобразование Фурье для повышения резкости с оптических телескопов. На основе работы Салливана в CSIRO сделали специальный процессор для расшифровки изображений. Хоть это и не помогло найти черные дыры, технология пригодилась позднее. В 1990 году Салливан возглавил группы ученых для разработки высокоскоростной беспроводной сети с пропускной способностью 100 Мбит/c. ALOHAnet и WaveLAN не предоставляли желаемых скоростей.


Джон О'Салливан (второй справа) и другие ученые CSIRO в своей лаборатории

Одной из основных технических проблем, вставших перед группой, была борьба с эффектом многолучевого распространения волн. Суть явления заключается в том, что часть электромагнитных волн отражаются от различных объектов, в результате физическая длина пути сигнала может варьироваться. Результат многолучевого распространения сигнала часто оказывается отрицательным, поскольку сигналы могут прийти в противофазе и подавить основной сигнал (своеобразное эхо). С помощью быстрого преобразования Фурье ученые из CSIRO нашли способ уменьшить эхо. Вместо того, чтобы использовать один быстрый беспроводной канал, они использовали множество более медленных каналов. Такая техника называется модуляцией с несколькими несущими. Этот тип модуляции хорошо подходит для широкополосной связи на короткие расстояния (как в Wi-Fi). Сегодня современные стандарты Wi-Fi используют модуляцию с несколькими несущими в форме мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM).

Хотя ученые из CSIRO не изобретали основных методов, используемых в их разработках, их заслуга заключалась в том, что путем испытаний сотен техник они нашли нужные — модуляция с несколькими несущими + прямое исправление ошибок + чередование частот для отправки нескольких копий данных. По отдельности этим методы были известны и ранее. В CSIRO же разработали уникальную комбинацию, которая давала высокие скорости. В 1996 году на нее был выдан патент США № 5 487 069.

Стоит отметить, что CSIRO никогда не предоставляла предложений по исходному стандарту IEEE 802.11 1997 года или какой-либо из его редакций. 802.11а и более поздние стандарты используют OFDM и модуляцию с несколькими несущими без лицензионного соглашения, несмотря на то, что во время разработки 802.11а CSIRO предложила IEEE лицензировать свой патент. Спустя годы CSIRO использовала это как основу для судебных исков против крупных сетевых и технологических компаний. CSIRO выиграла урегулирование на сумму 205 миллионов долларов в 2009 году и еще 229 миллионов долларов в 2012 году.

Стандарты


На данный момент существует множество разных стандартов беспроводных локальных сетей 802.11. Некоторые из них пользуются намного большей популярностью, например 802.11n и 802.11an. Кроме того, современные устройства работают сразу в нескольких режимах (802.11 b/g/n).

У стандартов много общего. Самое главное сходство — использование радиоэфира для передачи данных. Интересно, но в самом первом стандарте 802.11 также использовалось инфракрасное излучение. Сегодня такой способ используется в пультах дистанционного управления (например пульт от телевизора). Со второго поколения стандарта используются только радиоволны. Все варианты физического уровня работают с одним и тем же алгоритмом доступа к среде, CSMA/CA. Структуры кадров канального уровня всех стандартов идентичны. 

Различия спецификаций заключается в используемом частотном диапазоне, методах кодирование и, как следствие, в скорости передачи данных. Некоторые временные параметры уровня MAC также могут отличаться.

Наиболее популярные стандарты семейства IEEE 802.11


Начиная с 1999 года метод мультиплексирования OFDM пришел на смену методам DSSS и FHSS первых версий. Спустя еще 10 лет стандарт был дополнен поддержкой метода MIMO. Выделим общие свойства стандартов семейства IEEE 802.11:

  • Одна и та же топология.
  • Все стандарты поддерживают в качестве рабочего диапазона частот либо 2,4 ГГц, либо 5 ГГц, либо оба эти диапазона. 802.11ax может включать дополнительные полосы частот в диапазонах от 1 до 7 ГГц, по мере их появления. 
  • Один и тот же способ доступа к разделяемой среде CSMA/CA — метод прослушивания несущей частоты с множественным доступом и предотвращением коллизий.
  • Одинаковая структура кадра канального уровня.
  • Все стандарты имеют адаптивный механизм изменения скорости передачи в зависи­мости от расстояния до приемника. Адаптация может происходить за счет изменения метода кодирования сигнала — например, для увеличения скорости передачи данных точка доступа может перейти от кодирования 16-QAM к кодированию 64-QAM.
  • При использовании техники OFDM точка доступа может, наряду с изменением метода кодирования, увеличить количество частотных подканалов, выделяемых пользователю.





Комментарии (0):