Historie bezdrátové komunikace: jak se zrodila Wi-Fi

Věděli jste, že první komunikační sítě byly bezdrátové a lidstvo je využívalo snad od úsvitu věků? Kouřové signály, světelné a plamenné signály, později zrcadla, signální střely a vlajky… To vše jsou technologie, které se používaly k bezdrátovému přenosu informací dávno předtím, než telegrafní sloupy začaly zdobit svět. Které technologické milníky předcházely vzniku dnešní Wi-Fi, kterou bereme jako samozřejmost? Pojďme se podívat na stručnou historii bezdrátových přenosů.

Rádiové vlny, Tesla a Hedy Lamarr

První bezdrátovou technologií průmyslového věku se staly rádiové vlny. Heinrich Rudolf Hertz uskutečnil první řádně zdokumentované přenosy elektromagnetických vln v 80. letech 19. století. Po Hertzovi je pojmenována také základní jednotka frekvence. Na Hertzovu práci navázala řada vědců – mezi nejvýznamnější patřil Nikola Tesla a Jagadish Chandra Bose, kteří se zabývali prací s rádiovými vlnami.

Nikola Tesla stál také u zrodu první známé metody změny frekvencí. V roce 1903 si nechal patentovat systém, v němž vysílač a přijímač synchronně přepínají mezi dvěma kanály. Jako každá převratná komunikační technologie našla i tato brzy vojenské využití. Od roku 1915 začala německá armáda používat vysílačky s měnícími se frekvencemi, aby zabránila Britům v odposlechu.

Dalším milníkem ve vývoji bezdrátové komunikace je slavná demonstrace mikrovln. V 90. letech 19. století je Bose použil k zapálení střelného prachu a rozeznění zvonu na dálku před publikem na radnici v Kalkatě. Ve své eseji „Neviditelné světlo“ Bose také popsal fenomén, který nazval „neviditelné světlo“. Toto světlo může snadno procházet cihlovými zdmi, budovami atd., a proto jím lze přenášet zprávy bez zprostředkování drátů. Prakticky tak předvídal možnosti bezdrátového přenosu, které dnes hojně používáme.

Na práci Hertze, Tesly a Boseho navázal na přelomu 19. a 20. století Guglielmo Marconi, který představil první komerčně použitelný přístroj pro bezdrátovou telegrafii na velké vzdálenosti.

Významným hybatelem, respektive hybatelkou, ve vývoji bezdrátové komunikace se stala Hedy Lamarr. Tato dáma, mimochodem původně se živila jako herečka, rozvíjela bezdrátovou komunikaci společně s avantgardním skladatelem Georgem Antheilem,

Lamarr se zajímala o rádiovou technologií a také o zbrojní průmysl. Věděla, že zejména torpéda jsou navzdory své účinnosti zranitelná vůči detekci a sabotáži rádiových signálů používaných k jejich ovládání. Přišla proto s nápadem, aby se nosná frekvence signálů nepravidelně v krátkých intervalech měnila, čímž by se možnost sabotáže snížila. Antheil měl zase rozsáhlé zkušenosti se synchronizací přehrávacích klavírů neboli pianol. Inspirovali se jimi při vývoji tajného komunikačního systému pro dálkové ovládání torpéd založeného na mechanismu frekvenčního přeskakování, který přepínal mezi 88 různými frekvencemi. Jde o raný příklad toho, co je dnes známo jako metoda rozprostřeného spektra, FHSS (Frequency-hopping-spread-spectrum), tedy druh modulace odolné proti odposlechu.

V roce 1942 získali na tento systém patent a poskytli tuto technologii americkému námořnictvu, které bylo v její adaptaci zdrženlivé, a tato technologie se tak dočkala přijetí a využití až později.

Paketové rádio a nástup odpadního pásma

Po rychlém technologickém rozvoji, který se odehrával na pozadí válečných vřav, došlo k velkému pokroku v bezdrátových přenosech zejména v 70. letech minulého století, kdy se objevilo paketové rádio. Šlo o rádiovou komunikační technologii, která odesílala data ve formě paketů. První paketová rádiová síť byla vyvinuta na Havajské univerzitě v roce 1971. Síť ALOHAnet propojila sedm kampusů na čtyřech různých ostrovech a zajistila, aby všechny mohly vzájemně komunikovat prostřednictvím centrálního počítače umístěného na ostrově Oahu.

O síť ALOHAnet projevila zájem také americká armáda a výzkumná agentura DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), která přišla s vývojem několika sítí založených na paketovém rádiu, mimo jiné pro taktické využití v terénu. Bylo to ve stejné době, kdy DARPA vyvíjela síť ARPANET, předchůdce internetu.

Paketové rádiové sítě se prosadily i na koncovém trhu, ale nikdy nezaznamenaly komerční úspěch – přenosové rychlosti byly příliš nízké, náklady vysoké a výběr technologií malý. Dnes se paketové rádio nejčastěji používá pro amatérské/HAM rádio.

Mnoho výrobců komunikačních technologií se však rozhodlo pro kabelovou technologii Ethernet, která byla k dispozici od počátku 80. let minulého, spíše než pro pomalé a drahé paketové rádio. Brzy se měly otevřít zcela nové možnosti bezdrátového připojení.

V roce 1985 se americký telekomunikační úřad FCC rozhodl otevřít tři frekvenční pásma bezdrátového spektra pro nelicencované použití. Tato pásma, známá také jako „odpadní pásma“, byla o frekvencích 900 MHz, 2,4 GHz a 5,8 GHz.

Tato pásma se využívala mimo jiné pro mikrovlnné trouby, které ohřívají jídlo pomocí rádiových vln. Podmínkou využití těchto pásem pro komunikační účely tedy byla schopnost obejít rušení od jiných zařízení pomocí technologie rozprostřeného spektra – tedy například prostřednictvím přeskakování frekvencí.

Společnosti začaly rychle vyvíjet vlastní, patentovaná řešení, která komunikovala pomocí těchto frekvencí. Některá z nich sice sama o sobě fungovala dobře, nicméně jejich největší slabinou byla komplikovaná vzájemná komunikace. Objevila se tedy potřeba společného standardu.

Všichni táhnou za jeden provaz, nastupuje 802.11

Jelikož se Ethernet stal úspěšným průmyslovým standardem pro komunikaci v kabelových sítích, výrobci začali požadovat společný standard také pro bezdrátové sítě. Standard Ethernetu je dílem výboru organizace Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), a tak se výrobci obrátili na IEEE, aby projednali možnost vytvoření zcela nového výboru pro standardy bezdrátové komunikace.

Nový výbor začal pracovat v roce 1990 pod „chytlavým“ názvem „802.11“. Toto číslo zůstává součástí názvu každé normy, kterou výbor vydá.

Výbor se nakonec dohodl a v roce 1997 vydal první z těchto norem. První standard 802.11 využíval přeskakování frekvencí a poskytoval kapacitu přenosu dat dva megabity za sekundu.

V následujících letech vycházely poměrně často nové a vylepšené verze standardu. V novějších standardech nahradila frekvenční přeskakování DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), technika přímého rozprostřeného spektra. Ta funguje tak, že každý jednotlivý bit určený k přenosu je nejprve nahrazen určitou početnější sekvencí bitů. Tyto sekvence mají nejčastěji pseudonáhodný charakter. Signál je rozprostřen do větší části radiového spektra, je méně citlivý vůči rušení (což zvyšuje spolehlivost přenosu). Signál se tak jeví jako náhodný šum a bez znalosti mechanismu vytváření původní pseudonáhodné sekvence je obtížné zpět získat (demodulovat) přenášená data. Tato modulační technika se používá také u GPS.

Wi-Fi

Technické normy jsou rozsáhlé dokumenty. Jakmile lidé začnou tyto normy implementovat, často si je vykládají různě, což byl také případ normy 802.11. V roce 1999 několik výrobců založilo novou průmyslovou alianci, jejímž hlavním cílem bylo zlepšit vzájemnou kompatibilitu.

Nová aliance měla ambiciózní cíl, ale potřebovala také název, a to jak pro sebe, tak pro normy, které hodlala prosazovat. Pro tyto účely si nově se formující aliance najala poradce pro tvorbu značky, aby našla název, který by byl trochu chytlavější než „IEEE 802.11b Direct Sequence“.

Poradci přišli s „Wi-Fi“, zkomoleninou Hi-Fi. Údajně tak nešlo o akronym nebo zkratku. Zkrátka Wi-Fi ve skutečnosti není zkratka, navzdory občasným neúspěšným pokusům odvolávat se na „wireless fidelity“. Termín Wi-Fi se však velice rychle ujal.

Novým průmyslovým sdružením se stala Wi-Fi Alliance a dnes jsou jejími členy stovky technologických výrobců. Aliance propaguje bezdrátové technologie, chrání Wi-Fi jako značku a certifikuje bezdrátové produkty. Pokud jde o vývoj standardů, je však stále zodpovědný výbor IEEE 802.11.

Spotřebitelé a Wi-Fi

Co by ale byla samotná technologie bez rozšíření a adaptace? O významný rozvoj Wi-Fi mezi spotřebitele se zasadil v rané fázi zejména Apple. V roce 1999 společnost Apple představila iBook G3, který se stal prvním notebookem pro spotřebitele s integrovanou Wi-Fi. Brzy Apple následovali další výrobci, kteří nabídli notebooky s Wi-Fi a v roce 2004 se spotřebitelům představily první mobilní telefony certifikované organizací Wi-Fi Alliance. Jedním z prvních modelů byl Nokia 9500 Communicator.

Dnes jsou schopností Wi-Fi konektivity vybaveny miliardy zařízení – od mobilních telefonů, notebooků, nositelné elektroniky po hračky, domácí spotřebiče i automobily a IoT prvky. Většina spotřebitelů proto dnes bere Wi-Fi jako samozřejmost a nedokáže si představit, že to ještě není tak dávno, kdy byla Wi-Fi a zařízení s ní tak trochu sci-fi.