Как Wi-Fi передаёт данные через воздух

Ты сидишь с телефоном, между ним и роутером — пустота. Ни провода, ни трубочки, ни ниточки. И всё равно видео грузится, сообщения улетают, а в онлайн-игре тебя убивают строго вовремя. Как данные ухитряются лететь сквозь воздух и не теряться по дороге? Спойлер: никакой магии, чистая физика и немного хитрой математики.

Воздух тут вообще ни при чём

Первое, что стоит выкинуть из головы: Wi-Fi не передаёт данные «по воздуху» в том смысле, что воздух как-то участвует. На самом деле работает радиоволна — это колебание электромагнитного поля, и ему воздух не нужен вовсе. Та же радиоволна спокойно идёт через вакуум: именно так до нас долетают сигналы со спутников и космических аппаратов.

Радиоволна — близкий родственник видимого света. Это всё одна и та же штука, электромагнитное излучение, просто с разной частотой. У света частота гигантская, поэтому глаз его ловит. У Wi-Fi частота куда ниже — около 2,4 или 5 гигагерц. Гигагерц значит «миллиард колебаний в секунду». То есть поле в антенне твоего роутера дёргается туда-сюда примерно два с половиной миллиарда раз каждую секунду. Вот эти-то дёрганья и есть носитель твоих котиков и мемов.

Как на волне записать единицы и нули

Хорошо, волна летит. Но волна сама по себе — это просто ровное гудение, как нота. Чтобы передать данные, на неё нужно что-то записать. Компьютер ведь мыслит битами — единичками и нулями. Значит, надо научиться превращать «1» и «0» в особенности волны.

Этот фокус называется модуляцией. Представь радиста, который светит фонариком: длинная вспышка — одно, короткая — другое. Волну можно «крутить» похожим образом: чуть менять её высоту (амплитуду), сдвигать её фазу, слегка подкручивать частоту. Каждое такое заранее условленное состояние волны кодирует определённую комбинацию битов. Роутер делает крошечное изменение волны десятки миллионов раз в секунду, а твой телефон ловит эти изменения и собирает обратно в биты.

По сути Wi-Fi — это азбука Морзе на стероидах: вместо «точка-тире» используются тонкие оттенки волны, и переключений столько, что за секунду пролетают сотни миллионов битов.

Чем больше различимых состояний волны и чем чаще переключения — тем выше скорость. Но есть расплата: чем тоньше различия между состояниями, тем легче их перепутать из-за помех. Поэтому когда сигнал слабый, роутер сам переходит на более грубую, но надёжную схему — скорость падает, зато связь не рвётся.

Почему все не орут одновременно

В одной квартире Wi-Fi у тебя, у соседей сверху и снизу, плюс микроволновка, плюс Bluetooth-наушники. Все используют примерно одни и те же частоты. Почему же тогда не получается каша из сигналов?

Тут помогают две идеи. Первая — каналы. Диапазон 2,4 ГГц поделён на несколько подполос-каналов, как полосы на шоссе. Соседние роутеры по возможности встают на разные каналы, чтобы не толкаться. Вторая идея — вежливость по очереди. Устройства не вещают непрерывно: перед отправкой каждое коротко «прислушивается», свободен ли эфир. Свободен — говорю. Занято — жду случайную долю секунды и пробую снова.

• Диапазон 2,4 ГГц — волны длиннее, лучше проходят сквозь стены и летят дальше, но каналов мало и эфир забит (на нём же сидят микроволновки и старые устройства).
• Диапазон 5 ГГц — волны короче, быстрее, каналов больше и они шире, но дальность меньше и стены глушат сильнее.

Поэтому возле роутера телефон часто цепляется за 5 ГГц и летает, а в дальней комнате переключается на 2,4 ГГц — медленнее, зато добивает.

Куда девается сигнал за стеной

Любимая загадка: почему в одной комнате четыре палочки, а на кухне за двумя стенами интернет еле дышит? Дело в том, что радиоволна, проходя через препятствие, отдаёт ему часть своей энергии. Бетон, металл, вода поглощают сигнал особенно жадно — вот почему холодильник или зеркало в коридоре способны прилично подпортить связь.

А ещё волны отражаются. Сигнал от роутера до телефона часто приходит не по прямой, а несколькими путями сразу: один луч напрямик, другой отскочил от стены, третий — от шкафа. Современный Wi-Fi не страдает от этого, а наоборот использует: технология с несколькими антеннами (её называют MIMO) ловит сразу несколько отражённых копий и складывает из них более чёткую картинку. Это как слушать собеседника не только напрямую, но и через эхо в коридоре, и из всего этого собрать самую разборчивую фразу.

Вот и весь секрет. Твой роутер миллионы раз в секунду чуть-чуть подкручивает невидимую радиоволну, телефон считывает эти подкрутки, переводит их обратно в единицы и нули, а очередь и каналы следят, чтобы все говорили не разом. Воздух тут просто оказался рядом — данные летели бы и без него.