新知丨WiFi源起霍金？

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新知丨WiFi源起霍金？

2018 年 3 月 17 日 中科院之声 小溪

互联网问世之后，凡是有网线的地方就可以上网，可没网线的地方就感觉不方便了。人们又有了新的期盼：没有网线的情况下，能否接入互联网呢？

后来，有人发明了当今使用最广泛的一种无线网络传输技术，该技术实际上就是把有线网络信号转换成无线网络信号，为设备建立网络连接。这样，带有无线信号发送/接收设备（如无线网卡）的终端不用网线也可以上网了。这个无线网络技术的代名词就是WiFi。

如今，WiFi在生活中已无处不在，似乎世界上任何一个角落都有它的身影。近年来，WiFi的发展更是迅猛，据相关部门的市场统计数据，2017年市场上的WiFi设备总量已接近200亿。

了解WiFi是谁发明的么？这个问题的答案一直存有争论。客观地说，WiFi涉及的技术面很广，其中还含有不少专利，简单地归结于某个发明人似乎有失公允。

那WiFi技术源起哪里？基于爱因斯坦((Albert Einstein)所说的那句名言：“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要”。追根寻源，可以负责任地说：WiFi源起霍金提出的一种黑洞理论。

欧洲核子研究中心(CERN)在2015年发布的题为“BIGSCIENCE: What’s It Worth?”的特别报告中指出：大科学产生了一些重大的创新，这些创新有的似乎超出了大科学的初衷。报告列出了大科学重大创新的6个案例，WiFi是其中之一。

报告指出：WiFi是大多数人所熟悉的，但如果没有天文学和霍金，WiFi不可能实现，这一点并不是很多人都了解。

“BIG SCIENCE: What’s It Worth?”将WiFi列为大科学重大创新案例之一(图片来自网络)

霍金辐射

霍金(Stephen WilliamHawking)是英国著名的物理学家和宇宙学家，他与WiFi技术究竟有什么关系呢？

1974年，霍金提出了一种黑洞理论。所谓黑洞，是指宇宙空间中一种引力极强的奇异天体，之所以说它“黑”是因为它像个无底洞，任何物质一旦掉进去似乎就再不能逃脱出来了，从黑洞辐射的光也无法逃逸出来。人类不能直接观测到黑洞，只能通过测量黑洞对周围天体的作用及影响来间接观测或推测它的存在。

霍金提出的这种理论认为：黑洞并不总是黑的，当它的温度达到极高并开始塌缩时就会产生爆炸，并且向空间发出一种辐射，这种辐射被称为霍金辐射。如果霍金的这种理论正确，只要想办法破译这种辐射脉冲，就可能找到关于黑洞的奥秘。

霍金(StephenWilliam Hawking)(图片来自网络)

当时，毕业于澳大利亚悉尼大学的奥沙利文(John O'Sullivan)博士在荷兰无线电天文基金会工作。他被霍金的黑洞理论深深吸引，由此提出了一个测试霍金辐射的计划，并和同事开始设法测量霍金所说的从爆炸的黑洞发出来的无线脉冲信号。

奥沙利文(John O'Sullivan)(图片来自网络)

据奥沙利文后来回忆：“当时有很多研究小组试图找到霍金辐射的证据。我们使用了复杂的技术，精密的无线电望远镜，改进了光谱仪，记录了数百米的胶片，研究了这些信号的典型特征，但没有发现确凿的从爆炸黑洞发射出来的霍金辐射的证据。”

奥沙利文在处理那些数据和设备时突然想到，如果有一个能够执行快速傅立叶变换(Fast Fourier Transformation，简称FFT)(一种高效、快速分析信号的方法)的数字硬件，应该可以更好、更有效、更有效地处理数据(指进一步改善和增强射电空间图像的清晰度)。”1977年，奥沙利文等人在美国光学学会杂志上发表了题为“图像清晰度，傅里叶光学与冗余间距干涉(Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacinginterferometry)”的论文，文中给出了图像锐度标准的简单证明，提出了一种增强和改善射电天文图像清晰度的技术方法。

奥沙利文等人1977年在美国光学学会杂志上发表的论文(图片来自网络)

CSIRO

澳大利亚的“联邦科学与工业研究组织CSIRO(Commonwealth Scientificand Industrial Research Organisation)”属于国家科学机构，该机构致力于通过研究为政府提供新的科学途径，提高经济效益和社会效益，造福社会。

1983年，奥沙利文回到澳大利亚，在CSIRO领导一个团队研究无线电物理学信号的处理，并为他们的技术寻找商业应用的途径。

那时，虽然已有人发明了无线局域网络(Wireless Local AreaNetworks, WLAN)，但真正用的WLAN方案性能却很差，传输速率只有每秒100K比特(比特是信息技术中最小存储单位)。奥沙利文他们所想要的是与有线网有同样功能的WLAN，这意味着信号传输速率要达到每秒100M比特，相当于要将现有性能提高1000倍。这个目标远远高于当时的技术所能达到的水平。要达到这个要求必须冲破原有技术的框框，需要解决的问题太多了。为此，奥沙利文组建了一个跨学科的团队，成员中包括了物理、数学、信号处理、控制系统、网络协议、无线电天文学专业的人才。

在处理无线电信号的研究过程中，奥沙利文发现：无线电信号在传播中如果遇到墙壁等障碍物反射时会产生干扰，这大大增加了信号的出错率。他意识到，从本质上说，这个现象与他们以前在无线电天文学中要解决的，寻找从爆炸黑洞发出的霍金辐射非常相似，解决问题的关键都是要想办法应用快速傅里叶变换(FFT)等技术来处理所获得的数据。

奥沙利文带领的团队，在早期他们研究探测霍金辐射时所应用的快速傅里叶变换技术的基础上，结合了多载波调制(Multicarrier Modulation)、前向纠错(forward error-correcting)及交叉存取(interleaving)等多项技术，最终巧妙地解决了无线信号传输过程中的干扰问题。1988年，他们与一家私营澳大利亚芯片制造商合作，开发出首个用于FFT的芯片。

1992年，CSIRO为奥沙利文的无线局域网技术申请了临时专利。之后，又在美国和其他地方递交了专利申请。在积极寻找商业合作伙伴的同时，CSIRO努力使此项技术的方案更接近市场的应用需求。1996年，此项技术获得了美国专利商标局授予的无线网技术专利号(US Patent Number 5487069)。

CSIRO拥有的“Apparatus and methods for wirelesscommunications”专利(图片来自网络)

(注：实际上，CSIRO这项专利所涉及的核心技术中，“多载波调制”早在1950年就发明了，“前向纠错”技术在1968年就被NASA采用，而“交叉存取”技术也已被应用多年。只是这几项技术的提出者当时并没有认识到自己的技术属于真正的发明，因而没有申请相关的专利。)

IEEE

电气和电子工程师协会IEEE(Institute ofElectrical and Electronics Engineers)是一个国际性的电子技术和信息科学工程师的协会，是目前全球最大的非营利性专业技术学会，致力于推动电气、电子、计算机工程和与科学有关的领域的开发和研究，在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域已制定了900多个行业标准，现已发展成为具有较大影响力的国际学术组织。IEEE计算机专业学会下设的局域网/城域网标准委员会又称为802委员会。

1997年，CSIRO向IEEE公开了自己的无线局域网技术专利，IEEE-802委员会发布了原始版无线通信协议标准802.11，它涵盖了CSIRO专利的部分内容。1999年，802.11a及更新版802.11b发布。为了积极推进新版的无线局域网标准的普及，IEEE专门成立了一个“无线以太网兼容性联盟WECA(Wireless EthernetCompatibility Alliance)”。

WECA委托某品牌咨询公司为无线局域网标准“IEEE 802.11b DirectSequence”起个简称，最终在品牌咨询公司提出的十多个方案中采纳了“Wi-Fi”，这就是后来人们简称为WiFi这个词的最初来历，它并不像某些资料中所说的是Wireless Fidelity(无线保真)的缩写。

(注：1971年，美国夏威夷大学研发了一个ALOHANET计算机网络系统，以无线网的方式连接夏威夷的各个岛屿。1991年，NCR和AT&T公司联合发明了WaveLAN，用于他们开发的收银系统，有些人认为这应是WiFi真正的先驱。1994年，美国卡耐基梅隆大学在匹兹堡校区创建了世界上第一个无线校园网，名为“Wireless Andrew”。但是，当IEEE官方1997年开始进行定义802.11标准之时，经过专家们评估，IEEE最终选择并认定CSIRO的无线网技术是当时世界上最好的。可能这与CSIRO申请了WiFi专利有些关系，其它的科技团队在这点上比较被动。)

专利之战

IEEE曾致函CSIRO，说明802.11标准的部分技术使用了CSIRO的专利，询问CSIRO是否愿意免费向业界厂商提供该项专利的许可。这个请求遭到了CSIRO的拒绝。

CSIRO在1996年获得美国授予的无线网技术专利后就开始进行商业推销，但并没得到任何公司的理睬。2001年，随着第一批基于802.11标准的商用WiFi产品进入市场，CSIRO便揭开了围绕WiFi专利的诉讼大战。

日本的Buffalo Technology公司成为CSIRO索要WiFi专利费的第一个目标，最终CSIRO赢得了这场官司，但该公司规模不大，CSIRO并没有得到多大的经济利益。不过，局面却由此打开。

CSIRO与微软、戴尔、英特尔在内的10多家大公司的WiFi专利诉讼战于2009年取得进展，那些公司只得同意向CSIRO支付一笔巨额版权费。2012年，CSIRO又在美国赢得了WiFi专利诉讼，继而与23家通信公司达成了版权协议。随后，通过官司胜诉或庭外和解，CSIRO收取了世界上几乎所有电器电信公司的专利使用费。

奥沙利文及他的团队为澳大利亚的CSIRO提供了最划算的专利技术，据估计，总经济利益超过了10亿美元。澳洲媒体将WiFi誉为澳洲有史以来最重要的科技发明，奥沙利文也被澳洲媒体称为“WiFi之父”。

荣誉

基于在天文学和无线技术方面的成就，奥沙利文获得了众多荣誉：

2009年获“CSIRO奖章(CSIRO Chairman’s Medal)”以及澳大利亚科学界的最高荣誉——“澳大利亚总理科学奖(Australian PrimeMinister's Prize for Science)”。

2012年获欧洲专利局EPO颁发的“欧洲发明家奖(European Inventor Award)”，表彰他为已在全球数十亿设备中使用的无线局域网技术(WiFi)创造了基础。

2017年获IEEE颁发的“消费性电子产品奖(IEEE Masaru Ibuka ConsumerElectronics Award)”，表彰他对高速无线局域网技术的开创性贡献。

奥沙利文获欧洲专利局EPO颁发的2012年“欧洲发明家奖”(图片来自网络)

奥沙利文获IEEE颁发的2017年消费性电子产品奖(图片来自网络)

结语

不可否认，WiFi技术极大地推动了科技的进步，也为人们的日常生活带来了极大的便利。如今，WiFi技术承载着全球超过42% 的移动数据流量和90% 的平板电脑数据流量。当然，随着科技的发展，更新的无线网络技术或许会逐渐取代WiFi。

简单地将奥沙利文等人作为WiFi的发明人似乎不十分合适，因为WiFi涉及的技术面很广，其中还含有不少专利，但奥沙利文等人的确对WiFi技术的发展做出了重要贡献。

爱因斯坦在1938年与波兰物理科学家英费尔德(Leopold Infeld)合著的《物理学的进化(The Evolution of Physics)》中指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要，因为解决一个问题也许是一个数学上或实验上的技巧问题。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度看旧问题，却需要创造性的想像力，而且标志着科学的真正进步。”