Mi fán terem a WiFi?

Ülsz a vonaton, kezedben a telefon és megnézed, hogy milyen idő lesz, majd rálesel a Facebookra; napközben betérsz egy kávézóba, laptopon elolvasod az e-mailjeidet és egy adatfelhőbe mentve munkádat folytatod a szakdolgozatod; este az ágyban még megnézel egy filmet a tableten. Mi itt a közös nevező? Bizony, vezeték nélküli helyi hálózatról csatlakozol az internetre. Legtöbbször bele sem gondolunk, az újabb generációknak meg már természetes, de tudjuk-e honnan indult és hová tart ez a technológia, és nem mellesleg, hogyan működik?

Először is tisztázzuk, minek is a rövidítése a WiFi: a legszélesebb körben elfogadott a „Wireless Fidelity”. Ez egy szójáték a „Wireless” (vezeték nélküli) és „HiFi” (High Fidelity – magas hangzáshűség) szavak összetételéből, ami a beérkező jel vezeték nélküli (wireless) hibátlan továbbítására utal (fidelity).

Most, hogy a nyelvtanórát letudtuk, jöhet a fizika – mert innen bizony kőkeményen szerepet kap, hiszen a vezeték nélküli kommunikáció alapjául a rádióhullámok szolgálnak. Na de mik ezek és hogyan keletkeznek? Röviden és tömören: a rádióhullámok alatt az elektromágneses sugárzás egy adott tartományát értjük, mégpedig a 3 THz-től 3 kHz-ig terjedő frekvenciatartományba eső részét – a természetben ilyet például a villámlás kelthet. Érdemes tudni, ha már itt tartunk, hogy a radioaktivitástól a fényen át a mikrohullámokig minden elektromágneses sugárzás.

Oké. Elektromágneses sugárzás. Na de hogy csinálunk ilyet? Aki eddig figyelt, már sejtheti, hogy az elektromosságnak lesz köze hozzá, és nem is téved: elektromos áramot használunk fel oly módon, hogy bevezetjük egy antennába, aminek hatására annak az anyagában fellelhető elektronok igencsak izgalomba jönnek, és elkezdenek fel-le szaladgálni. Mivel az elektronok töltéssel rendelkező részecskék, és tömegével, összehangoltan végzik fel-alá rohangálásukat, a polaritás a térben megváltozik, hol pozitív lesz az eszköz végén, hol negatív, vagyis egy ritmusosan váltakozó mágneses mező alakul ki. Paff, kész is vagyunk, létrehoztuk az áhított hullámot, aminek a felfogásához csak egy másik antenna kell. Ebben a beérkező elektromágneses sugárzás hatására az itt fellelhető elektronok ugyanolyan koreográfia szerint fogják végezni tevékenységüket, mint amilyen „tánc” a fogadott jelet létrehozta, tehát reprodukálni tudjuk az eredetit. Persze ennél kicsit összetettebb a dolog, amit most nagyon nem részletezünk, mert hat oldal sem lenne elég. Most elégedjünk meg annyival, hogy ezt a hullámot oda-, és visszaalakítani, dekódolni, és „leszűrni” is kell, amire egyéb elektronikai berendezések szolgálnak az antenna tövében.

Szuper. Van már antennánk ami jeleket ad és vesz, na de hogy látjuk ennek hasznát, és hogyan továbbítunk adatokat vele? Nem utolsósorban, hogy lesz ebből nekem WiFi a hálóban, hogy megnézhessem a Juanita, a vak sztriptíztáncos tegnapi epizódját? Ennek megválaszolásához azzal kell tisztában lennünk, hogy a rádióhullámoknak mely alaptulajdonságai lesznek érdekesek számunkra: amplitúdó(azaz milyen magasra „csapnak” a hullámok), a frekvencia (azaz másodpercenként mennyi teljes hullámunk van), valamint a fázis (az alap szinuszos jelhez képest mennyire „csúsznak el” a hullámok). Ezeket, mint már utaltunk rá alakítani (azaz modulálni) tudjuk - innen már ismerős lehet a rádiókon használt két rövidítés: AM (amplitúdó modulált) és FM (frekvencia modulált). Mivel egy bináris kódot szeretnénk átküldeni, magyarul egyesek és nullák sorozatát, a válasz szinte adja magát: ha van jel, kapunk egy egyest; ha nincs, akkor nulla a kimenet. Érthetőbben AM hullámnál ha „elég magasra csap a hullám” azt „1”-nek értelmezzük; FM hullámnál ha megérkezik a várt hullám, azt itt is „1”-nek azonosítjuk. Ellentétes esetben természetesen mindkettőnél „0” a kód.

A teljes képhez hozzátartozik azonban, hogy digitális jelet a gyakorlatban nem egyszerűen amplitúdó, vagy frekvenciamodulációval küldünk. Szintén esszét lehetne írni a külféle alkalmazott módszerekről, egyetemi tananyag. Itt legyen elég annyi, hogy a vezeték nélküli helyi hálózatok esetében, amit mi parasztosan csak WiFi-nek nevezünk, általában az úgynevezett fáziseltolásos billentyűzés (Phase-shift keying, PSK) valamely változata szolgál az adattovábbítás alapjául, mégpedig – nem kell megijedni – valamely, úgynevezett kvantált kvadratúra amplitúdó moduláció. Hogy azért legyen sejtésünk arról mi is ez: a már amplitúdó moduláción átesett hullám fázisát is eltoljuk, az így létrehozható akár 256 féle hullámvariáció ily módon egy-egy úgynevezett szimbólumnak (több bit adatnak) lesz megfeleltethető. Ennek haszna, hogy egységnyi idő alatt (modulációtól függően) jelentősen több információt lehet továbbítani mint egy „sima” AM, FM, vagy PSK jellel. Persze nem „tisztán” sugározzuk a kódot, az még valamilyen eljárással tömöríteni kell, hogy még több információt zsúfolhassunk bele a szűkös keretbe, így még hatékonyabbá téve a műveletet.

Most, hogy a hátterével is tisztában vagyunk, a dolog pofonegyszerűnek tűnik: két antenna kell, egyik a telefonban/tabletben/laptopban (ha nincs beépítve, vagy gyengus, akkor USB-s vezeték nélküli adapter csatlakoztatásával orvosolható a probléma), másik a routerben – ők ketten fognak „beszélgetni” egymással, a már ismertetett módon, a rádióhullámokat igába hajtva – és kész is az, amit WiFi-nek hívunk. Azt pedig, hogy bármely két eszköz garantáltan „megértse” egymást, szabvány biztosítja, ami többek közt meghatározza a használható frekvenciatartományt is. Jelenleg a legszélesebb körben elterjedt a 802.11n, ezt lassan kezdi felváltani a 802.11ac.

Ugye, hogy annyira nem is bonyolult? Mármint az elmélet – a gyakorlati megvalósításhoz azonban igencsak sok idő (közel százötven év, nálunk a törökök „vendégeskedtek” ennyi ideig, mégse találták fel a WiFit) és sok tehetséges tudósember munkája kellett, essünk is neki mai utolsó „óránknak”, a történelmi áttekintésnek.

• 1867: James Clerk Maxwell fizikai-matematikai munkássága előrevetíti a fénysebességgel terjedő rádióhullámok létezését, és feltételezi, hogy maga a fény is ilyesfajta hullám, átfogóan el is nevezi a jelenséget elektromágneses sugárzásnak.
• 1887: Heinrich Hertz laboratóriumi körülmények között rádióhullámokat kelt, igazolva Maxwell elméletét.
• 1899: Guglielmo Marconi olasz feltaláló megépíti az első olyan eszközt, amivel jeleket tud küldeni a La Manche csatornán túlra, nem kell két év, és már az Atlanti óceánt is átszelik a rádióhullámok.
• 1970: Ugrunk egy nagyot az időben, a rádió és televízió térhódításának nagyját átlépve közelebb érünk a jelenhez, az első, analóg mobiltelefonokat ekkor fejleszti ki a Chicagói székhelyű AT&T.
• 1980: Európában elkezd kiépülni a GSM hálózat, és elterjednek az azt használó, immár digitális mobiltelefonok.
• 1994: A Nokia sikeresen továbbít adatokat (nem csak hangot), egy mobiltelefon-hálózaton.
• 1997: Elfogadják az első 802.11-es WiFi szabványt.
• 2007: Az Apple forradalmasítja a mobilpiacot és az internethasználati szokásainkat az iPhone piacradobásával.

Most 2016-ot írunk, és előrejelzések szerint idén már több, mint két milliárd ember fog okostelefont – és így jó eséllyel vezeték nélküli hálózatot használni. És nálatok otthon van WiFi? Szerintetek a jövőben elengedhetetlen kelléke lesz a háztartásoknak?