
關於WiFi,你一定不知道的那些事兒
- 分類:技術專題
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- 發佈時間:2018-02-01 16:36
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關於WiFi,你一定不知道的那些事兒
小編挺囉嗦的,先帶你穿越到100多年前,從Jack和Rose的那一場感人的愛情故事說起。
1912年4月14日。
22時55分:位於泰坦尼克號附近的加州人號發現前方有冰山,並向附近的所有航行船隻發出警告,當無線電訊號抵達泰坦尼克號時,冰山警告卻被中斷並被粗魯的回應:“勿搔擾!住口吧!你已經乾擾我的訊號了!我正向瑞斯角發電報!”
因為那個時候,泰坦尼克號的電報員正忙著幫助乘客發送電報到瑞斯角。
23時30分:加州人號電報員關掉電報機下班,休息。
11時40分:泰坦尼克號撞上冰山。
…
1887年海因里希•赫茲發明了無線電波後,無線電最早用於航海。海上無線電報,被譽為無線技術的第一個殺手鐧應用,這一次卻搞砸了。
當時的無線電報採用火花隙式發射機(spark-gap transmitter),主要用來傳送摩爾斯電碼。嚴格的講,它是一種超寬帶UWB無線技術。它佔用整個頻段,將所有發射和接收裝置放在一個共享信道裡,電報員只有先聽,然後才能發送信號(這大概就是最早的listen before talk機制)。
客觀的講,在當時已經是非常先進的技術了,但是,缺點也很突出。比如,遇上那個很忙很粗魯的泰坦尼克號電報員,麻煩就大了。
後來,人們發明了諧振電路,它可以選擇接收特定頻段的信號,無線電接收器可以區分不同頻率下的信號了。
同時,隨著AM(調幅)技術的出現,人們可以通過AM廣播收聽音樂和聲音了。 1920年代,AM廣播電台如雨後春筍般湧現出來。
問題又來了。
廣播電台越多,無線乾擾越來越嚴重,一些城市的無線廣播幾乎癱瘓,根本無法收聽。
政府開始對無線廣播進行管制,頒發授權頻段。
這就是頻譜授權制度的由來。
後來,FM和電視信號也被納入了頻譜授權制度。 1970年代,隨著雙向無線傳輸技術興起(無線廣播和電視廣播都屬於單向無線傳輸),頻譜授權範圍擴大到蜂窩移動通信領域。
然而,起初的頻譜授權制度是非常粗暴的。
在美國,政府頒布法令要求所有的無線設備都需獲得頻譜授權,並且限制無線信號傳播範圍。還鬧出了笑話:由於AM信號在夜晚傳播距離更遠,為了控制越區覆蓋,很多電台在夜幕降臨時不得不關閉信號發射。
這些廣播電台有多大的心理陰影面積啊!
後來,FCC(美國通信委員會)終於鬆了金口,這一法令僅適用於那些發射功率較大、會對其它無線信號產生干擾的無線裝置。這一決定也得到了世界上其它國家的認同:低發射功率的設備可以工作於未授權頻譜。
世界上終於有了非授權頻譜了!
儘管FCC對未授權頻譜開了一扇窗,但是,1980年代以前,未授權頻譜設備發展緩慢,用於通信設備相當少,也就是一些自動車庫門、模擬無繩電話等應用。其主要原因是,為了充分保護授權頻譜不受干擾,FCC對這些非授權頻譜設備的發射功率限制非常保守。
1980年開始,無線通信的世界開始有了改變。
這個時候,隨著微電路和數字信號處理等技術的發展和應用,大大減小了的無線設備的成本。
這個時候,一位被稱為“WiFi教父”的人物出現了。
WiFi教父—— Michael Marcus,時任FCC工程師,有一天,他向他的老闆提了一個建議:希望可以將一些未授權頻譜用於通信,並適當增加這些未授權頻譜設備的發射功率,使之可以覆蓋幾十到幾百米的範圍,這會激勵科技企業更多的創新,帶來更多的經濟效益。
FCC採納了Michael Marcus的建議,並向社會各界徵求意見,得到的是完全不負責任的反饋:
只要不佔用我的頻段,隨便你們怎麼玩!
這事不好辦,誰也不想把自己手上的頻段放出來。
FCC只能“機智”的釋放出三個根本不受歡迎的“垃圾頻段”用於未授權頻譜通信,這三個頻段裡就包括了今天WiFi的2.4GHz和5.8GHz頻段。其時,這些“垃圾頻段”均未用於通信,而是用於其它應用,比如,利用無線電波來加熱食物的微波烤箱。
在設備發射功率方面,FCC規定這些新免授權頻段的設備發射功率可達到1W。儘管只有1W,但這是人類通信史上邁出的史無前例的一大步。誰也沒有想到,就是這1W,就是這些用於微波烤箱的頻段,成就了今天的WiFi,藍牙,ZigBee等各種短距離擴頻通信技術。
為了避免設備間干擾,FCC還要求這些新免授權頻段的產品使用擴頻技術。所謂擴頻技術,就是傳輸信息所用的帶寬遠大於信息本身帶寬,在發射端以擴頻編碼進行擴頻調製,在收端以相關解調技術收信息。擴頻技術最早應用軍事領域,具備高可靠性,高保密性而且不易受到干擾的特性。
儘管今天看來FCC這一新規遠見卓識,但其實後來並沒有發生什麼事。一紙空文並不能推動通信技術的發展。
是什麼推動了WiFi成為廣泛採用的標準呢?
起初,整個產業內並沒有統一的標準,像Proxim、Symbol一類的LAN無線產品設備商們均各自為陣,專攻自己的專用設備,誰也不鳥誰,不同廠家之間的設備根本無法兼容。
1980年,在3com公司的遊說之下,以太網標准出台,隨後如春潮之勢獲得成功。在有線網絡標準 ---- 以太網的成功案例的鼓舞之下,幾家設備商開始意識到建立統一的無線標準的必要性。
1988年,NCR公司想利用未授權頻段來做無線收款機(NCR是世界上最早做機械式和電動收款機的一家公司),NCR就找到了他們的工程師Victor Hayes,問他這事該怎麼辦?
Victor Hayes認為必須先有一個統一的標準。 Victor Hayes就聯合貝爾實驗室的另一位工程師Bruce Tuch找到IEEE,希望建立一套通用的未授權頻譜標準。於是,IEEE成立了 802.11工作組,由Victor Hayes任主席。
接下來的故事依然很曲折。
統一技術碎片化的市場是一個非常曲折和漫長的過程,就像3GPP內部一樣,爭論不休,撕逼慘烈。在當時,每一項標準的定義需得到75%的會員同意才能通過。
終於,在1997年,IEEE 802.11工作組在基本標准上達成共識。它定義了數據傳輸速率為2Mbps,採用兩種擴頻技術:跳頻和直接序列擴頻。
標准出台後,工程師們開始在各種原型機上驗證。在這個過程中,產生了兩個不同的標準版本:802.11b(工作於2.4GHz頻段)和802.11a(工作於5.8GHz頻段),分別於1999年12月和2000年1月獲得批准。
一些公司在測試802.11b兼容設備時,發現這一標準太複雜,尼瑪標準有400多頁,不同廠家間的設備兼容問題遲遲難解決。 1999年8月,為了推動 IEEE 802.11b標準,Intersil、3Com、諾基亞、Aironet 、Symbol和朗訊6家公司組成了無線以太網路相容性聯盟(Wireless Ethernet Compatibility Alliance,縮寫為WECA)。
這就是WiFi聯盟的前身,2002年10月,改名為Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)。 WECA成立的目的主要是對不同廠家的產品進行兼容性認證,實現不同廠家設備間的互操作性。
聯盟成立了,但要市場接受,首先需要一個響亮的名字。 “WECA可兼容”、“IEEE802.11b兼容”這種滯澀的術語很難讓人們脫口而出。為了這事,他們還專門諮詢了品牌專家,品牌專家給了他們很多建議,比如叫“FlankSpeed”,“DragonFly”等等。
最後,“Wi-Fi”勝出。之所以叫“WiFi”,是因為它聽起來有點像“HiFi”,這容易讓人聯想到不同廠家的CD播放器可以和任意功放設備相兼容。後來有人說“WiFi”是“wireless fidelity(無線保真)”的簡稱,這其實只是後來人們設想的而已。
技術已經標準化了,還有了一個響亮的名字,現在,WiFi需要抱大腿。
Wi-Fi聯盟找到了蘋果公司,希望他們的產品能引入WiFi。蘋果很牛逼,10幾年也是如此,他們告訴朗訊:如果你們的無線適配器價格能夠降到100美元以下,我們可以考慮在我們的筆記本里設計一個WiFi插槽。
朗訊同意了。
1999年7月,蘋果在其推出的新一代iBook筆記本電腦中首次引入WiFi,不過並非標配,只是一個可選項。
但是,就是這個”可選項“,迅速引來了其它電腦廠家的跟風,自此,無線網絡版圖不斷擴大,直至今日WiFi如日中天。
WiFi迅速佔領了家庭寬帶市場,並開始由家庭走向公共場所,一些咖啡廳、商店等開始有了無線熱點提供免費WiFi接入。這個時候,EEE802.11工作組重新調整IEEE802.11協議標準,推出了新的物理層標準IEEE802.11g,它使用更先進的擴頻技術,稱為正交頻分複用(OFDM)調製技術,其速率可在2.4GHz頻段上達到54Mbps。
WiFi的成功了,有人說它是無線史上的一個奇蹟。 WiFi被很多人認為是遊戲規則的顛覆者,從誕生之日起,它就種下了顛覆者的基因。它顛覆了“粗暴”的頻譜授權制度,在技術與規則之間殺出一片廣闊天地。
這一成功給無數人留下了巨大的美好的想像空間,是的,看起來一切皆有可能。
規則制定者和技術專家們開始重新思考頻譜授權制度。
隨著傳統模擬電視轉向數字電視,原來分配給廣播電視使用的授權頻段中的一些頻率資源被釋放出來,實際上並沒有被使用,這些頻段稱為White Space(TVWS,空白電視信號頻段)。在WiFi成功案例的鼓舞之下,FCC考慮將White Space充分利用,對這些頻段免授權,所有人都可以使用,希望引發新一輪的無線創新高潮。
為了避免White Space對在用的授權TV頻段的干擾,2000年左右,倡導者們設想了兩套方案:一是建立一個國家級的白頻譜數據庫,TVWS終端通過查詢數據庫來確定採用那一塊頻段,數據庫根據TVWS終端所在位置,告訴TVWS終端哪些頻段是空閒且可用的;另一個方案是,TVWS終端通過認知無線電技術感知其在位置的頻譜狀況,並選擇可用信道。
據說,廣電也考慮過這種方案。 (亂講的,別信!)
隨後,Google計劃將White Space打造超級WiFi(super wifi),並成立了“白色空間聯盟”,因為這一頻段覆蓋更廣,穿透力更強。
是的,WiFi的版圖不斷擴大,它已從家庭走向商業場所,這讓WiFi的狂熱支持者們看到了無限希望,他們夢想著WiFi從室內走向室外,掃清其它一切無線通信技術。
他們要顛覆的對象,也包括了蜂窩移動通信技術,比如3G/4G技術。
2004年6月,IEEE正式審核通過802.16標準,推廣這一標準的就是WiMAX論壇。 WiMAX被稱為廣域覆蓋版的WiFi。在當時,WiMAX最大速率可達70Mbps,最大覆蓋範圍50公里,實現像3G技術一樣的地毯式覆蓋。
WIMAX得到了Intel、摩托、北電等巨頭的全力支持,並成功擠進國際第四個3G標準。
後面的事是眾所周知的。
北電賣掉WCDMA,一心玩起了WiMAX。一不小心,倒閉了!
Intel宣布裁撤WiMAX部門。
隨後,日本迅速轉向TDD,韓國的速度也不慢。一心要堅持到底的台灣,後來終於還是撐不住了,扶著牆走向LTE。 \回顧這段歷史,小編要再一次向那些偉大的無線先驅們致敬了。他們搞定很多事,也搞砸了很多事,但這又有什麼關係,我們不以成敗論英雄。 WiFi的背後,我看到了對技術的狂熱和創新,還有,對遊戲規則的顛覆。
另外,我也看到了統一標準的重要性,毫無誇張的說,技術無法左右市場,沒有什麼事是技術碎片化搞不砸的,只有標準與聯盟才能創造市場。
今天,5G要來了,儘管業內都在呼籲包容與統一,可是,誰知道還有多少故事會上演呢?