В 1970-х группа радиоастрономов отправилась на охоту за радиосигнатурой взрывающихся черных дыр размером с протон. Те не нашли таких, но по пути разработали технику обработки сигналов, позволяющую вытащить чистый сигнал из смазанного шумного хаоса. Эта техника в итоге стала запатентованной частью стандарта Wi-Fi, по которому теперь работает любой роутер.
Редакция «Компьютерры» проследила путь от астрономического эксперимента до домашнего роутера.
Предсказание Хокинга отправило астрономов на охоту
В 1974 году Стивен Хокинг опубликовал работу, в которой утверждал, что черные дыры не являются абсолютно замкнутыми объектами. По его расчетам, они должны постепенно испаряться и в конце концов взрываться, выбрасывая энергию, включая радиоволны. Очень маленькая черная дыра размером с протон должна была бы объявить о своей смерти во всем радиодиапазоне.
Джон О’Салливан, австралийский инженер, работавший с радиотелескопами в Нидерландах, решил отправиться на поиски такой дыры. Чувствительность оборудования не была проблемой. А вот что действительно было проблемой, так это четкость. Радиоимпульс, пролетевший тысячи световых лет сквозь газ и пыль, не приходит как четкий короткий импульс. Разные частоты внутри одного импульса распространяются с немного разной скоростью, поэтому сигнал растягивается и уходит ниже фонового шума Вселенной.
О’Салливан и его коллеги создали математические инструменты на основе быстрых преобразований Фурье, чтобы обратить это растяжение вспять и восстановить исходный импульс. По итогу инструменты работали, а вот черные дыры так и не нашлись.
Математика пережила миссию
Быстрое преобразование Фурье берет грязную форму волны и разделяет ее на отдельные частоты, которые в сумме ее составляют. Как только вы знаете, как каждая из этих частот задерживалась или искажалась по пути, вы можете работать в обратном направлении и восстанавливать то, что было отправлено изначально. Астрономы использовали это, чтобы улучшать данные телескопов. В этом методе нет ничего специфически космического.
К концу 1980-х О’Салливан вернулся в Австралию и возглавлял обработку сигналов в Отделе радиофизики CSIRO (Австралийская организация научных и промышленных исследований). Агентство хотело коммерческих применений того, что его группа радиоастрономов уже умела делать.
Беспроводные компьютерные сети были очевидной целью. Ранние попытки проваливались в помещениях. Скорости были низкими, соединения обрывались, и ни у кого не было чистого решения.
О’Салливан узнал эту проблему. Сигнал в помещении искажается по-другому, чем в космосе, но для приемника результат один и тот же — хаос. Тогда он взял свою астрономическую математику и применил к земным задачам. Команда CSIRO (Грэм Дэниэлс, Джон Дин, Дитхельм Остри и Терри Персивал) адаптировала ее так, чтобы она работала в компьютерных сетях.
Ваша гостиная — это маленькая шумная версия глубокого космоса
Когда американский суд рассматривал патент CSIRO в 2008 году, он описал проблему простым языком. Радиоволны отражаются от стен, мебели и бытовой техники, поэтому одна передача достигает приемника по нескольким разным путям и в несколько разных моментов. Инженеры называют это многолучевостью (multipath). На низких скоростях передачи данных это почти незаметно. Поднимите скорость, и эхо одного бита приходит поверх следующего бита, и приемник теряет способность различать их.
Патент США № 5.487.069 объединил три техники, чтобы победить это :
- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — данные разбиваются на множество параллельных подканалов, каждый из которых работает достаточно медленно, чтобы эхо безвредно падало между символами.
- Forward Error Correction (FEC) — исправляет ошибки, которые все же пробиваются.
- Bit interleaving — перемешивает биты, чтобы ошибки распределялись, а не накапливались в одном месте.
Патент был выдан 23 января 1996 года и стал частью стандартов 802.11a и 802.11g.
Сила сигнала — это то, на чем все фиксируются, но отражения — вот что незаметно деградирует соединение. Именно поэтому назначение каждой точке доступа своего канала улучшило скорость больше, чем покупка нового оборудования, а проводные точки доступа работают лучше беспроводной mesh-сети в доме с перегородками.
Австралия не изобрела Wi-Fi, настоящая история лучше
Популярная версия этой истории заканчивается тем, что Австралия изобрела Wi-Fi. Это не совсем то, что произошло. Сам главный юрист CSIRO говорил присяжным в 2009 году, что агентство не изобретало концепцию беспроводной локальной сети, а лишь лучший способ заставить ее работать.
Беспроводные сети уже разрабатывались в нескольких местах. Вик Хейз, возглавлявший комитет IEEE, который сводил конкурирующие подходы в стандарт 802.11, с таким же основанием называется отцом Wi-Fi.
Получается, что на самом деле CSIRO не изобретала Wi-Fi с нуля, а создала технологию, которая сделала беспроводной интернет дома быстрым и стабильным, и заработала на этом. В 2009 году 14 компаний (включая Intel, Dell, Microsoft и Nintendo) выплатили $205 млн. В 2012 году еще несколько — AT&T, T-Mobile, Lenovo и другие — добавили $229 млн. Всего больше $430 млн.
При этом CSIRO не запатентовала технологию в Китае, Индии, России и Латинской Америке, где сейчас находятся крупнейшие рынки. Как признавался представитель CSIRO Найджел Пул: «Мы не могли предвидеть эволюцию инновационной системы так, как она произошла, поэтому мы не подали заявки на патенты в Латинской Америке, России, Китае или Индии. С высоты сегодняшнего дня мы бы, конечно, хотели иметь китайский патент и патент в Индии».
Исследования не всегда приносят то, что искали
О’Салливан провел годы в погоне за сигналом, который никто не обнаружил до сих пор. Инструмент, который он создал для этой охоты, теперь работает в прошивке каждого подключенного устройства в любом доме.
Роутеры делают это постоянно — отфильтровывают полезный сигнал от отражений много раз в секунду. А вся эта история является доказательством того, что фундаментальные исследования окупаются даже спустя десятилетия и совершенно неожиданным образом. И еще она показывает, что физика, которая создает вам помехи в сети, когда-то помогла эту сеть изобрести.