В 2027 году технологии Wi-Fi исполнится 30 лет. Юбилей подкрадывается незаметно и с трудом верится, что этот стандарт с нами так давно.

Но, факт. Первая спецификация Wi-Fi под названием IEEE 802.11-1997 вышла в далеком 1997 году. 

Что стало катализатором взрывного роста технологии? Были ли неудачные версии стандарта? Что значит аббревиатура “Wi-Fi”? Успеет ли восьмое поколение выйти к юбилею? Правда ли, что технологию изобрела голливудская актриса? Или австралийский астроном? Или американский крипотоаналитик? Ответы на все эти вопросы в статье ниже.

В интернете можно встретить разные версии происхождения Wi‑Fi. Одни утверждают, что у технологии нет конкретного изобретателя, другие называют австралийского астрофизика Джона О’Салливана, третьи - актрису Хеди Ламарр. Парадоксально, но правы все - каждый внёс свой вклад. 

Чтобы это понять, нужно рассказать несколько историй: изобретения технологий FHSS (ППРЧ), DSSS и OFDM. Они помогут нам глубже погрузиться в проблемы, с которыми столкнулся молодой Wi-Fi. И дадут возможность буквально изучить стандарт изнутри. Начнем с первой истории. 

Один бит для мистера Шеннона. Размазать по спектру, но не смешивать

DSSS (direct sequence spread spectrum) - широкополосная модуляция с прямым расширением спектра. Она появилась в 1950хх годах в стенах Bell Labs. Но это практическая реализация. Что до теории и идей, их описал математик и криптоаналитик Клод Шеннон.

Шеннон вообще много внедрил, описал и разработал. Он был, пожалуй, первым, кто подошел к шифрованию с математической точки зрения. А еще он ввел в обиход промышленной автоматики Булеву алгебру. Но вам он наиболее известен, по термину “бит информации”. Да-да, бит появился именно с его легкой руки в 1948 году. Правда сам Шеннон приписывал авторство Джону Тьюки, моли именно Тьюки предложил сократить “binary digit” до просто bit.

Как-то логично, что именно Шеннон придумал подмешивать к битам информации псевдослучайную последовательность, которая усложняла сигнал и “размазывала” его по спектру. Это мешало перехвату противником, т.к. подобный сигнал не всегда можно было отличить от шума. А избыточность кодирования повышала его устойчивость к настоящим помехам. 

DSSS лег в основу первой спецификации Wi-Fi как очень удобный способ широкополосной и надежной передачи данных. Тут все логично. И даже слегка скучно. Но вот вторая опорная технология спецификации делает историю резко интереснее!

Торпеда идет на цель!

Про жизнь и удивительные приключения Хейди Ламарр давно пора снять фильм. В ряду ученых мужей и титулованных дам красотка Хейди, мягко говоря, выбивается. 

Она блистала в фильмах межвоенной Европы, а после начала Второй Мировой перебралась в Голливуд. В 19 лет она впервые в игровом кино появилась на экране абсолютно голой (фильм “Экстаз”, 1932 год). Сменила шесть мужей и еще больше любовников. Активно снималась и играла главные роли. 

Несмотря на такую активность, ни один из фильмов с ее участием не вошел в “золотой фонд”, потому вряд ли вам знакомо ее имя и внешность. Просто поверьте - для своего времени это актриса первой величины. Которая полностью отвечает образу успешной голливудской суперстар середины XX века.

И как же такая личность умудрилась изобрести Wi-Fi??? 
Что ж, стоит сделать оговорку. Сам Wi-Fi Ламарр не изобретала. Она изобрела вторую опорную технологию из ранней версии стандарта. Технологию назвали FHSS. А по-русски ППРЧ - псевдослучайная перестройка рабочей частоты. 

Все равно невероятно? Давайте посмотрим, как это произошло.

В районе 1940 года Хейди уже живет и снимается в Голливуде, куда она бежала от тирана-мужа и войны в Европе. В этот момент в жизни Ламарр происходят два знаковых события.

Первое. Она знакомится с Джорджем Антхейлом, музыкантом и изобретателем. Антхейл впечатляет Хейди своей разработкой: механическим балетом. 

Это настоящий концерт, который одновременно играют 16 механических пианино по записи с перфокарт. Пианино никак не связаны между собой, но они стартуют в одно время и их игра синхронизирована. Ламарр восхищена как самим изобретением так и физической реализацией.

Второе. Простыми неуправляемыми торпедами-болванками немецкая подводная лодка топит британский корабль «City of Benares». Корабль эвакуировал в Канаду детей-сирот и в крушении гибнет 77 из них. Это производит на общественность огромное впечатление.

Ламарр, еврейка по национальности и жена оружейного барона в прошлом (говорю же, там фильм снимать надо) принимает трагедию очень близко к сердцу. Но, благодаря неудачному браку, она знает про оружие куда больше своего окружения. 

Ламарр рассуждает так. Проворная подводная лодка всегда в более выигрышном положении, чем тяжелый неповоротливый корабль. Потому, если корабль пытается потопить субмарину неуправляемыми торпедами, шансов мало. А очень хочется защитить корабли, чтобы трагедия «City of Benares» не повторилась. Подводные лодки Хейди не жалела, справедливо предположив, что на них сирот не эвакуируют.

Итак, неуправляемые торпеды кораблю не помощники. Иное дело, торпеды управляемые. Но, на тот момент, это еще очень молодая технология. Корабль корректирует выпущенный снаряд по радиоканалу, сообщая куда надо отклониться, чтобы настигнуть цель. Это очень простые команды, вроде “руль правее” или “руль левее”.

Радиоканал - крайне ненадежный способ. В лучшем случае противник может его заглушить. В худшем - запишет сообщение и начнет часто-часто передавать в эфир (это называется атака повторения). Получив много команд “руль левее” торпеда и развернуться может. 

С шифрованием в эфире тех лет все очень плохо. Клод Шеннон, математик из истории выше, активно двигает направление. Но криптография в радиопередачах пока на очень ранней стадии развития. Однако, идея Ламарр никак не связана с шифрованием. Хейди умудряется спрятать сигнал от противника в самом эфире.

Что если нарезать спектр сигнала на 88 полос? Одна полоса - один канал передачи. Приемник и передатчик будут постоянно менять частоту, выбирая одно из этих 88 значений по псевдослучайному закону. Они знают этот закон и всегда знают следующую частоту, где им предстоит соединение. Но этот закон не знает противник. Потому противник не знает какие именно частоты нужно глушить или перехватывать.

Реализация у Ламарр, в буквальном смысле, механическая. Она не инженер-схемотехник, потому просто копирует механизм с пианино. Псевдослучайный закон записан на перфоленте и такая перфолента есть как на приемной, так и на передающей стороне. Смена частот тоже механическая. Даже число каналов в ее изобретении (88) - это число клавиш на фортепиано. 

И ведь рабочая схема! Лишь с одним ограничением - приемник и передатчик должны начать работу одновременно, чтобы не нарушалась синхронность смен частот.

Пусть реализация неуклюжа, но сама идея гениальна! На момент изобретения в 1942 году псевдослучайную перестройку рабочей частоты реально использовать для защиты от противника. Чуть позже, с развитием приборов анализа спектра, такой метод защиты уже ненадежен. А вот борьба с помехами остается специализацией ППРЧ. Постоянная смена частоты не дает какой-то конкретной помехе заглушить сигнал. Даже если часть информации утеряна, приемник и передатчик найдут друг друга на следующей частоте и все восполнят. 

802.11 Ррраз!

В 1990 году американский институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) создал группу номер 802. Задача - разработать универсальный стандарт беспроводных локальных сетей.

В июне 1997 года вышел первый стандарт — IEEE 802.11-1997, который позже назовут Wi-Fi. Давайте посмотрим на это беспроводное чудо:

• Передатчик и приемник выбирают одну из двух модуляций для связи: DSSS или FHSS. Тут все понятно, именно потому Шеннон и Ламарр вошли в неофициальную команду изобретателей Wi-Fi. 

• Скорости две, 1 и 2 Мбит/сек. Не так уж много, учитывая, что уже есть Ethernet на 100 Мбит/сек. Но Ethernet по проводу, а тут без. Для 1997 года вполне приемлимо. Скорость, кстати, могла работать адаптивно, то есть переключаться между значениями 1 и 2 Мбита/сек в зависимости от радиоусловий, но стандарт не регламентировал сам механизм переключения.

• Передача на частоте 2,4 ГГц (при способах DSSS/FHSS) или через инфракрасный спектр.

Чего??? - спросите вы. Инфракрасный спектр? Wi-Fi был инфракрасным? 

Да, был. Кино было черно-белое, а Wi-Fi инфракрасным.

В середине 1990хх годов передача по ИК казалась очень перспективной технологией. Судите сами: она была хорошо отработана на пультах дистанционного управления, не требовала лицензий на частоты и не создавала радиопомех. А мобильники с портом IrDA тогда были чем-то максимально современным. Можно передавать данные вообще без кабеля!

Время показало, что радиосигнал куда удобнее ИК: у радио больше дальность и передатчиком не надо целиться в приемник. В следующих спецификациях 802.11 инфракрасный способ передачи был забыт.

А вот с чем огребли по полной, так это с интерференцией сигнала. В небольшом помещении, на небольших мощностях и с малой длиной волны получили множественные переотражения, которые становились помехами. Один и тот же сигнал долетал до приемника множеством копий с разными задержками, сбивая приемник с толку. По сути, первые точки доступа Wi-Fi мешали работать сами себе. Если, конечно, не были установлены в поле. 

Консорциум IEEE (а там заседали ребята из Lucent, NCR, Symbol, Motorola и других именитых компаний) почесал в затылке и пошел искать решение. Внезапно оказалось, что решение уже существует. И вот тут на сцене появляется Джон О’Салливан.

Черная дыра на связи!

В районе 1983-1989хх годов в радиообсерватории Государственного объединения научных и прикладных исследований Австралии (CSIRO) Джон О’Салливан решал довольно сложную, по меркам тех лет, задачу. Тогда астрономы пытались подтвердить одну из гипотез Стивена Хокинга: что при слиянии черных дыр образуются кратковременные, мощные радиовсплески. Для этого нужно было уметь анализировать сверхслабые радиосигналы и отличать их от шума.

Космические радиосигналы приходят на антенны в сильно искаженном виде.

Часть волн гасится, часть — смещается по фазе, а часть — просто теряется в шуме атмосферы и инструментов.

О’Салливан должен был:

• Разложить сложный радиосигнал на набор ортогональных частотных компонентов;

• Отделить полезный сигнал от шума;

• Собрать всё обратно, сохранив фазу и амплитуду.

Это классическая задача цифровой обработки сигналов (DSP). Но в конце 1980-х вычислительные мощности были ограничены, и фильтровать сигнал "в лоб" было невозможно. Кстати, запомните этот факт про ресурсы точек доступа. Мы еще к нему вернемся.

Тогда О’Салливан применил идею, которая позже станет основой Wi-Fi и сотовой связи - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - ортогональное частотное мультиплексирование.

Смысл в следующем: обычная передача данных идет по одной частоте: символ за символом. OFDM делит сигнал на множество узких поднесущих, каждая из которых передаёт кусочек информации независимо.

Ключевая идея — ортогональность: частоты подобраны так, что они не мешают друг другу, даже если их спектры перекрываются.

Это позволяет более эффективно использовать полосу частот, устойчиво передавать данные даже в зашумленной среде и компенсировать многолучевые искажения.

В радиоастрономии сигналы часто отражаются от разных участков атмосферы и приходят с фазовыми сдвигами.

О’Салливан использовал разложение сигнала на поднесущие и преобразование Фурье (FFT) для анализа задержек и восстановления исходного сигнала.

Именно этот алгоритм позволил распознать слабые импульсы среди шумов, компенсировать искажения многолучевости и улучшить точность измерений радиотелескопов.

Другими словами, он научился «слышать» сигнал сквозь шум - и это был прорыв.

Но на этом О’Салливан не остановился. В 1992 году он и еще группа изобретателей получает патент на “Wireless LAN with multipath mitigation” (PCT/AU1992/000131).

Используя OFDM изобретателю удается решить ключевую проблему передачи данных в помещениях. Он делит передаваемый поток на множество узких частотных каналов.

То есть передает не одну «толстую трубу» данных, а много маленьких параллельных потоков.

Далее использует математическое преобразование, чтобы разнести эти поднесущие во времени и частоте. И готово! Каждую поднесущую можно корректировать отдельно, компенсируя задержки и отражения. То есть приёмник «понимает», какие поднесущие запоздали, и выравнивает их.

Важно! Это не просто решение проблемы. Это решение проблемы, которое помогает работать в помещениях, сквозь стены, на дешевых антеннах и с небольшими нагрузками на процессор точки доступа. Эффект просто оглушительный.

А и В вели передачу по трубе…

В 1999 году выходит сразу две свежих спецификации Wi-Fi: 802.11a и 802.11b.

Часто эту часть истории пытаются скомкать, быстро говоря, что 802.11а не взлетел и “давайте перейдем к “b”, как к более успешному представителю.

Но нам важны детали и мы рассмотрим обе спецификации, чтобы понять, зачем сразу две и чем они отличаются.

Итак, консорциум разработчиков набрел на решение О’Салливана и понял, что это ответ на все их вопросы с интерференцией. Потому, 802.11a - это не просто следующее поколение. Это, де-факто, перезагрузка стандарта и смена подхода. Именно в 1999 году Wi-Fi приобретает относительно похожий нам вид и в его основу ложится OFDM.

Консорциум умудрился солидно вляпаться, не использовав патент должным образом с юридической точки зрения. Отчасти они присвоили себе разработки О’Салливана, хотя сделали это не из злого умысла, а скорее по незнанию. Далекая австралийская разработка государственного института, сделанная в терминах радиофизики… В общем, не стали вникать и взяли главное - решение. Когда Wi-Fi встанет на крыло и пойдет по миру, CSIRO подаст в суд на разработчиков оборудования и отсудит себе 430 миллионов долларов. Аккуратнее с патентами надо, аккуратнее.

Но, оставим это в стороне и рассмотрим техническое решение для 802.11a. Там впервые используется OFDM на 64 поднесущие (4 служебные, 48 для передачи информации и еще 12 нулевые). Более того, стандарт переезжает в диапазон 5 ГГц, который чище от индустриальных помех, нежели 2,4 ГГц.

802.11a позиционируется как решение для энтерпрайза. Он мало подвержен интерференции, в теории может разогнаться до 54 Мбит/сек и живет в более чистом диапазоне.

А еще у него адаптивная скорость. Впервые Wi-Fi может оценить радиообстановку и перейти на меньшую скорость соединения, чтобы повысить помехозащищенность. Ну или наоборот - когда в эфире чисто разогнаться побыстрее.

Вы спросите - так в 802.11 так тоже можно было. Да, только стандарт раньше не регламентировал этот механизм. А теперь у нас появляется полноценный адаптивный rate control (fallback).

В 802.11a предусмотрено восемь скоростей соединения, ниже они приведены в таблице:

Изучение таблицы показывает нам, что у нас появились еще два важных параметра: FEC и модуляция поднесущей.

С FEC (Forward Error Correction) все относительно просто. Это метод избыточного кодирования. То есть в полезный радиосигнал мы подмешиваем служебные биты, закодировав их специальным образом. С их помощью приемник может сам найти ошибку в пришедшем пакете и исправить её. Это очень популярный способ, который, широко используется во многих областях, помимо Wi-Fi. Особенно там, где критично восстанавливать пакеты на лету. Например в цифровом телевидении (семейство стандартов DVB).

А вот с модуляцией поднесущей все сложнее. Базово идея тут такая. Наши биты (нули и единицы) мы можем передавать разными способами, в том числе играя фазой сигнала. Представьте себе синусоиду — волнообразный сигнал. В BPSK мы используем этот сигнал для передачи данных, но меняем его фазу: 

Для передачи 1 — сигнал идёт как обычно, без изменений.
Для передачи 0 — сигнал сдвигается на 180 градусов (переворачивается).

QPSK делает хитрее. Она использует четыре разных фазы вместо двух — 45°, 135°, 225° и 315°. Значения начинаются не с нуля и смещены на 45 градусов чтобы избежать всплесков мощности. 

Каждая фаза кодирует уже два бита данных: 00, 01, 11 и 10 соответственно. 

QAM - это следующая ступень сложности. Тут мы говорим, что помимо фазы в каждой точке будем играть еще амплитудой. Грубо говоря, сигнал в фазе 45° может быть не просто сигналом в 45°, а быть слабым или сильным. Это тоже параметр, которым можно зашифровать больше информации. При том, что “слабый” и “сильный” так же можно разделить на “слабо-слабый”, “средне-слабый”, “средне-сильный” и “сильно-сильный”. Это 16-QAM. И, таким образом, мы можем закодировать уже 4 бита информации.

 В эту игру можно играть бесконечно и каждое новое поколение Wi-Fi этим активно занимается. Сейчас модуляцию довели уже до значений в 4096-QAM. Но тут важно помнить, что такие “тонкие” игры возможны лишь в чистом эфире. Чем больше помех, тем сложнее приемнику разобрать все полутона сигнала. Потому адаптивная скорость соединения для Wi-Fi - жизненная необходимость.