Как эксперименты с космосом породили Wi-Fi
Сейчас сложно представить мир без Wi-Fi, это уже базовая часть повседневной жизни каждого человека. Подключение к сети настолько привычно, что даже придумали отдельную дату, чтобы отвлечься от соцсетей и бесконечного скроллинга, — Международный день БЕЗ интернета (29 января). Но даже в эту дату никуда не деться от вездесущих сигналов Wi-Fi. Давайте разберемся, как ошибка астрономов привела мир к появлению беспроводных технологий.
Провал, который все изменил
Все началось в Австралии в начале 1990-х. В лабораториях CSIRO группа ученых под руководством Джона О’Салливана вообще не думала ни о каком интернете. Их интерес был куда более космический. Команда занималась радиоастрономией и пыталась понять, как выглядят чрезвычайно слабые радиосигналы, приходящие из далекого космоса.
Речь шла о радиоволнах, связанных с ранней историей Вселенной и фоновым излучением. Его еще называют реликтовым излучением (или «эхом Большого взрыва»). По сути, это остаточное тепло, сохранившееся после Большого взрыва. Около 13,8 миллиарда лет назад пространство начало быстро расширяться. Вся материя и энергия находились в крайне плотном и горячем состоянии. Температуры были настолько высокими, что не существовало ни атомов, ни ядер, ни даже устойчивых частиц в привычном виде.
По мере расширения Вселенная постепенно остывала. Примерно через несколько сотен тысяч лет температура снизилась настолько, что электроны смогли соединиться с ядрами водорода и гелия. Так появились первые нейтральные атомы. Этот момент называют рекомбинацией. До этого свет постоянно сталкивался с заряженными частицами и не мог свободно распространяться. После образования атомов Вселенная стала прозрачной для излучения.
Свет, который в тот момент отделился от вещества и начал свободно двигаться в пространстве, сохранился до наших дней. Это и есть космическое фоновое, или реликтовое, излучение. За миллиарды лет из-за расширения Вселенной его длина волны увеличилась, и сегодня оно наблюдается в микроволновом диапазоне. Его температура сейчас составляет около 2,7 Кельвина (-270,45 °C) — лишь немного выше абсолютного нуля.
Ловушка стен
На первый взгляд, это излучение выглядит одинаковым во всех направлениях, но при точных измерениях в нем обнаруживаются отклонения: небольшие изменения в температуре или плотности.
Большой Взрыв. Источник: Getty Images
Для ученых такие отклонения были главной целью наблюдений. Они показывают, где в ранней Вселенной вещества было чуть больше, а где чуть меньше. Со временем именно из этих небольших различий выросли галактики, звезды и другие крупные структуры.
Однако проблема заключалась в том, что полезный сигнал был чрезвычайно слабым и буквально тонул в помехах. Радиоволны отражались от окружающих объектов, накладывались друг на друга и искажались. Обычные методы обработки данных с этим не справлялись.
Тогда команда начала экспериментировать с математическими моделями и алгоритмами обработки сигнала. Задача была научиться отделять смысл от шума, не уничтожая сам сигнал.
Для этого ученые использовали методы спектрального анализа и цифровой фильтрации, разбивая радиосигнал на набор частотных компонент и отслеживая, как каждую из них искажают отражения и помехи. Джон О’Салливан предложил использовать сложные методы цифровой обработки, которые учитывали многократные отражения и фазовые сдвиги радиоволн, позволяя «собрать» исходный сигнал из искаженного отклика канала.
Прорыв: мультиплексирование OFDM
Метод обработки сигналов заключался в том, что сигнал разбивается на множество узких подканалов и собирается обратно с учетом отражений и задержек. Позже этот подход получил название OFDM — ортогональное частотное мультиплексирование.
Постепенно стало ясно, что эта схема работает не только для космических сигналов. Те же самые искажения возникают и в жизни, например, при передаче радиосигнала в помещении, где волны отражаются от стен, потолков и предметов. Метод, созданный для борьбы с астрономическим шумом, неожиданно оказался универсальным.
В беспроводной связи OFDM решал ровно ту задачу — извлечение полезных данных из хаотичного набора отраженных и искаженных волн.
Джон О'Салливан, Теренс Персиваль и Грэм Дэниелс с оборудованием для тестирования беспроводных сетей. Источник: National Museum Australia
В 1996 году CSIRO получила в США патент на технологию беспроводной локальной сети, основанную на методе обработки отраженных радиосигналов. Когда технология стала основой Wi-Fi и начала внедряться в оборудование по всему миру, CSIRO столкнулась с тем, что многие производители использовали ее без лицензии. С 2005 года организация начала судебные процессы в США за нарушение своих прав на патент. В итоге CSIRO отстояла патент в судах с крупнейшими технологическими компаниями и получила около 430 миллионов долларов.
От «космического шума» к повседневности
Космический проект в итоге свернули. Революционных астрономических открытий он не принес. Зато сами наработки не пропали. В середине 1990-х они были запатентованы и позже адаптированы для беспроводной связи. Именно на этих идеях вырос принцип радиосвязи, который лег в основу стандарта Wi-Fi.
Сегодня вариации этой технологии применяются не только в Wi‑Fi, но и в LTE и 5G, а в новых стандартах беспроводной связи, включая Wi‑Fi 6, OFDM и его расширение OFDMA используются для обслуживания большого числа устройств и увеличения пропускной способности. Без таких методов было бы невозможно то, чем мы пользуемся ежедневно. Технологии вроде OFDM и OFDMA помогают распределять доступ к частотным каналам так, чтобы сигнал оставался стабильным даже в условиях загруженной сети.
Фото на обложке: unsplash.com
