Historie Wi-Fi: od FHSS k bezdrátu

Možná se vám to bude zdát zvláštní, ale vězte, že počátky "bezdrátů" se datují již někdy do čtyřicátých let minulého století - nebo alespoň princip přenosu dat pomocí rozprostřeného spektra, který dnešní bezdrátové sítě používají.

V této době světem zmítala válka, ale George Antheil (vlastním jménem Georg Carl Johann Antheil), hudební skladatel, a Hedy Lamarr, herečka rakouského původu, nezoufali a zatímco Georgovým světem bylo komponování skladeb pro mechanická piana s využitím děrované pásky, Hedy (původním jménem Hedwiga Eva Maria Keisler) se stala manželkou vysoce postaveného německého velkoprůmyslníka a zbrojního magnáta Friedricha Mandla, který udržoval velmi blízké přátelské styky jak s Benitem Mussolinim, tak i samotným Adolfem Hitlerem. Hedy se tak díky svému manželovi dostala do míst, která byla pro obyčejné smrtelníky zapovězena.
Německá armáda tehdy experimentovala s principem torpéda, které by mohlo být řízeno na dálku za pomoci radiového vysílání. Provedené pokusy ale ukázaly poměrně zásadní nedostatek nově vzniklé technologie - radiové signály bylo možno až přespříliš jednoduše odposlouchávat. Hedy proto vyhledala Antheila a navrhla mu, že by radiové signály mohly být distribuovány náhodně v čase napříč série frekvencí. Přenos na každé frekvenci potom mohl být kratičký a celkově celý tok pak mnohem méně náchylný k rušení či odposlouchávání.

Další problém také představovala nutná synchronizace mezi vysílajícím a přijímacím zařízením. George ho však vyřešil, a to tak, že použil své muzikantské znalosti a navrhl synchronizační mechanismus používající perforovanou roli papíru, podobnou té, která se používala u jeho oblíbených hudebních pián.
Lamarr a Antheil se postupem času stali vlastníky patentu číslo 2.292.387 a nabídli práva k využití této technologie americkému námořnictvu (Hedy totiž mezitím svému žárlivému, despotickému a o mnoho let staršímu manželovi utekla do USA a její názory se staly ostře pro-americké). Námořnictvo však nemělo zpočátku žádných důvodů k využití patentu, ale to vůbec nevadilo. Byli zde totiž ještě také inženýři ze Sylvania Electronic System.

Ti pak koncem padesátých let aplikovali techniku elektronické synchronizační metody do formy konceptu. Armáda se ale nakonec také chytila a začala vynález používat počátkem 60. let za doby kubánské krize, kdy byl děrný pás nahrazen elektronicky a vynález oživen, aby mohl sloužit americkým lodím k jejich vzájemné zabezpečené komunikaci na otevřeném moři.

I nadále byla technologie, která ostatně i dnes s menšími úpravami stále existuje a nazýváme ji FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), používána pouze pro účely vojenské, a to hlavně ve válce ve Vietnamu. V 80. letech však nastal zlom, když bylo rozhodnuto, že bude uvolněna pro civilní užití a dnes je systém George Antheila a Hedy Lamarr využíván v nejrůznějších odvětvích lidské činnosti od vojenství až po telekomunikaci. O důležitosti objevu svědčí i to, že Hedy byla v roce 1997 po zhruba 50 letech zpoždění udělena v kalifornské Pasadě výroční cena vynálezců, a to v jejích čtyřiaosmdesáti letech. George se ocenění bohužel nedočkal, protože tohoto skvělého hudebníka zastihl v Manhattanu 12. února 1959 srdeční infarkt.

Wi-Fi přichází

Samotné bezdrátové sítě tak, jak je známe dnes, spatřily světlo světa teprve před 15 lety, kdy byl v červenci 1994 organizací IEEE vydán první standard bezdrátových sítí 802.11. Tento využíval principy modulace jak FHSS (viz. výše), tak i DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, Rozprostřené spektrum v přímé posloupnosti), tak i možnost komunikovat pomocí infračervených signálů. Rychlost byla jeden, či dokonce dva megabity za sekundu.
Zanedlouho poté však bylo nutné vymyslet něco lepšího, protože dosavadní dosahované přenosové rychlosti byly příliš nízké. Proto se začalo pracovat na nástupci, který byl vydán o 5 let později (1999) a zařazen k IEEE pod označením 802.11b. Použitá modulace byla omezena na DSSS a teoretická rychlostní maxima zvýšena na 5,5 až 11 megabitů za sekundu. Použito bylo frekvenční pásmo 2,4 - 2,485 GHz.

Souběžně s tím byl vydán i standard 802.11a, který byl s "béčkem" v mnohém podobný, ale navzdory tomu byl úplně jiný. Přechází totiž z důvodu velkého rušení na stávajícím frekvenčním rozsahu již na frekvenci vyšší (5 GHz) a využívá pásem 5,1 až 5,3 GHz a 5,725 až 5,825 GHz. Frekvenci 2,4 GHz totiž začalo mezitím využívat až příliš mnoho zařízení, jejichž výčet obsahuje jak mikrovlnné trouby, tak i mobilní telefony používající "modrozubou" technologii Bluetooth. Teoretická maximální rychlost byla opět zvýšena, tentokrát až na pěkných 54 Mb/s, což však v praxi nebylo stále nikdy dosažitelné. Standard využívá modulace OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Orthogonální frekvenční multiplex).
Pásmo 2,4 GHz však ani tak nepřestalo být využíváno a o další 4 roky později (2003) byl vyvinut standard nový, označovaný jako 802.11g, který využívá opět modulaci OFDM, avšak rovněž i DSSS, a to právě z důvodu zpětné kompatibility se starším 802.11b. Standard pracuje ve stejném frekvenčním pásmu jako norma "b" a využívá hned několika rychlostí (6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s včetně těch, které byly převzaty z původního 802.11b a dokonce i prapůvodního 802.11).

U nás je dnes využíván ještě jeden standard IEEE 802.11n, jehož finální schválení však bylo samotným konsorciem výrobců hodně dlouho odkládáno a navzdory tomu, že je již poměrně hodně dlouho v nejrůznějších zařízeních v jeho "draftových (konceptových)" normách implementován a využíván, definitivně byla tato dosud poslední generace Wi-Fi schválena teprve před několika málo dny. Stalo se tak 7. září 2009 a v jeho finální specifikaci dosahuje velmi zajímavých přenosových rychlostí čítajících až 600 Mb/s. Zajímavostí budiž také to, že se k jeho vývoji vyjadřovalo více jak 400 členů standardizační komise z cca 20 zemí.


Toto schválení nám tak dává jistotu a garanci, že všechna vyráběná zařízení vč. routerů budou navzájem kompatibilní, a to i s těmi budoucími. Norma též zlepšuje odolnost proti rušení, a to za použití technologie chytrých antén "MIMO" (Multiple Input Multiple Output). Ta však až tak nová není, přišly s ní již před více než 40 lety Bellovy laboratoře, avšak používána masově nikdy nebyla. To možná jen v některých specifických firemních řešeních, o kterých však veřejnost nikdy moc nevěděla.

MIMO má však velikou výhodu. Pracuje totiž na té nejnižší síťové vrstvě (fyzické) podle ISO/OSI modelu a lze ji tak využít bez ohledu na protokoly vyšších vrstvev. Maximální propustnost i rychlost pak zvyšujeme jednoduše tím, že navýšíme počet připojených antén. Přesný počet antén stanoven nikde není. Použití antén je pouze omezeno na maximální počet 16 pro venkovní provoz a až 4 pro provoz v bytové zástavbě. Možné je též technologii využít pro optimální volbu antény, což zajistí co možná nejkvalitnější přenos dat s co nejnižším zarušením.

Pozn.: U normy 802.11g je DSSS modulace použita v případě, že je konkrétní zařízení nastaveno pro komunikaci jak s 802.11b, tak i 802.11g. Je zde tudíž jen kvůli zpětné kompatibilitě se starším standardem.

Principy komunikace

A jak vlastně pracuje technika označovaná též nepřesně zkratkou Wireless Fidelity (Bezdrátová věrnost), a to díky analogii s popisem zkratky HiFi (High Fidelity, Vysoká věrnost - původní název WiFi totiž neměl vůbec nic znamenat)? Zařízení se připojují k jednomu centrálnímu prvku, který je označen jako AP (Access Point) pomocí bezdrátových PCI Wi-Fi karet či přímo a častěji pomocí routerů, které jsou k počítači připojeny klasickou metalickou sítí. V ideálním případě by na sebe tento centrální prvek a druhá z komunikujících stran měli vidět, protože s jakoukoliv překážkou se síla signálu poměrně znatelně snižuje.
Druhou možností je použití principu Ad-Hoc, kdy žádné AP není nutno použít. To se vyplatí jak z pohledu finančních nákladů, tak díky jednoduchosti zapojení. Stinnou stránku však představuje z pochopitelných důvodů nutnost vzájemné viditelnosti všech zařízení (v případě sítí s AP komunikuje klient pouze s tímto síťovým prvkem, zde nikoliv). A to u větších prostor, které je třeba pokrýt, zdaleka možné není. Tento typ připojení je též uváděn jako síť s rovnocennými uzly "peer-to-peer" nebo pod zkratkou IBSS (nezávislá síť).
Síťová Wi-Fi karta může být také jednoduše nahrazena nejrůznějšími USB klíči, které svou práci odvádějí v menších prostorách též velmi dobře. Ty lepší dokonce umožňují připojit pro zvýšení dosahu signálu a jeho zkvalitnění některou z externích antén.

Závěrem

Jak je vidět, WiFi sítě mají za sebou již mnohé, ale ještě více je bezesporu ještě čeká. To potvrzuje nejen překotný vývoj v této oblasti, ale i to, jak moc "bezdráty" za těch více než patnáct let své existence pokročily. Nejen v přenosových rychlostech, ale též například i ve zlepšení zabezpečení celé sítě a dalších větších či menších drobnostech. Budoucnost bude tedy jistě velmi lákavá.