"Aš mąsčiau apie šį labai gilų klausimą", - sako Gerardas Foschini. "Kiek daug informacijos yra įmanoma iš vienos erdvės vietos perkelti į kitą? Tada buvo akimirka, kada lygtys ėmė sutapti, ir aš pagalvojau: Aha, juk daryti reikia šitaip! Tai buvo, kai ir aš galėjau sušukti: Eureka!"
Foschini yra matematikas, dirbantis Niū Džersio valstijoje esančiose Bell'o laboratorijose. Savojo įkvėpimo akimirką jo galvoje apsivertė visas bevielio ryšio pasaulis. Jam šovė į galvą, kad galima panaudoti radijo bangų atspindžius ir išsklaidytus signalus, kurių kiti inžinieriai stengiasi kiek galėdami išvengti. Atspindžiai niekuomet nežadėdavo nieko kito, tik bėdą. Dėl jų atsiranda, kaip jums paliudys kiekvienas šalia aukštesnio namo gyvenantis žmogus, trikdžiai ir šešėliai. Kiekvienas inžinierius pasakys jums, kad radijo signalai turi sklisti tiesiomis linijomis ir, pakeliui pasitaikius atspindžiams, reikia sugalvoti, kaip jų atsikratyti.
Bet Foschini parodė, kad šis tradicinis mąstymo būdas yra neteisingas. "Lygtys rodo, kad aplinkos poveikį galima labai efektyviai panaudoti", - sako jis. Atspindžiai ne tik kad nesumažina signalo kokybės, bet dar ir labai padidina iš vienos vietos į kitą persiunčiamos informacijos kiekį. Reikia tik tinkamai panaudoti nuo didelių pastatų atsispindėjusius signalus ir mobilieji telefono tinklai iš informacijos greitkelių siaurumos virs duomenų kriokliais. Foschini idėja sukėlė sensaciją tarp telekomunikacijų inžinierių. Dabar yra manoma, jog šis darbas gali turėti svarbių ir ilgalaikių pasekmių ir kitų mokslo sričių evoliucijai.
Ši istorija prasidėjo daugiau kaip prieš 50 metų, kai jaunas tų pačių Bell'o laboratorijų mokslininkas Claude Shannonas žengė pirmuosius žingsnius aiškindamas, kokia didelė rolė tenka telekomunikacijų pasaulyje informacijai. Fundamentalią telekomunikacijų problemą jis apibrėžė kaip viename erdvės taške sukurtos žinutės atkūrimą kitame erdvės taške. Shannonas taip pat parodė, kad, žiūrint inžinieriaus akimis, visiškai nesvarbu, koks bus tokios žinutės turinys. Jis pasižiūrėjo, kiek patikinamai gali būti perduota tokia žinutė ir kokia yra teorinė joje sukauptos informacijos riba. Šiandien vadinamoji "Shannono riba" yra kiekvieno inžinieriaus, besistengiančio sukonstruoti informacijos kodavimo būdus visose sistemose, pradedant palydoviniu ryšiu ir baigiant mobiliojo telefono ryšio tinklais, auksinis standartas.
Shannono idėjos išliko nepakitusios pusę šimtmečio, bet informacijos poreikio augimas galiausiai privertė mokslininkus ieškoti naujų jos perdavimo kelių. Mobiliojo ryšio tinklų kūrime dalyvavusius inžinierius ypač jaudino vienas dalykas: kas atsitiks, kai pasieks maksimalią kanalo - duomenų perdavimo linijos, jungiančios telefoną ir jo vietinį ryšio tašką, bazinę stotį - pralaidą?
Tas pats klausimas nedavė ramybės ir inžinieriams, dirbantiems kitose telekomunikacijų pramonės srityse, bet ten klausimas buvo visuomet daugiau ar mažiau trivialus. Jeigu vienas kanalas persipildo, reikia nutiesti papildomą kanalą. Taigi, jeigu optinės skaidulos pralaida pasiekia savo ribą, inžinieriai tiesia antrą skaidulą ir linijos pralaida iškart padvigubėja.
Bevielio ryšio pasaulyje, kur reikia dalintis radijo dažnių spektru, dalykai nėra tokie paprasti. Jeigu ėmėme ir išnaudojome visus turimus dažnius, paprasto būdo pralaidai toliau padidinti nėra. Juk negalite užsilipti ant kalvos viršūnės ir ten pastatyti antrą ar trečią siųstuvą, o po to tikėtis, kad jie leis gauti papildomų ryšio kanalų. Toli stovįs imtuvas šių siųstuvų neatskirs vieno nuo kito, o jų signalai atrodys kaip persimaišęs vieno siųstuvo perduodamas signalas.
Dešimtojo dešimtmečio viduryje Bell'o mokslininkai suvokė, jei nebus rastas tinkamas sprendimas, radijo ir mobiliojo telefono ryšio tinklai greitai pasidarys pačia lėčiausia informacijos greitkelio judėjimo juosta. Be didesnės pralaidos ir bevielis Internetas, ir mobilioji komercija, ir vaizdo telefonai teliks neįgyvendinamomis svajonėmis.
1994 m. Foschini ėmė ieškoti atsakymo Shannono idėjose, ypač daug dėmesio skirdamas atspindėtų signalų vaidmeniui. Dideli pastatai, tokie kaip dangoraižiai ar sporto stadionai, yra milžiniški veidrodžiai - signalai nuo jų atsimuša ir keliauja į imtuvus skirtingais keliais. Kai vienu atkeliauja ir tiesioginis, ir atspindėtas signalas, jie veikia vienas kitą, todėl atsiranda tokie reiškiniai, pavyzdžiui, kaip televizoriuje matomi atsirandantys šešėliai, jeigu netoliese yra aukštas pastatas. Inžinieriai stengdamiesi išvengti šių atspindžių visada siekė, kad signalas iš siųstuvo keliautų tiesiai į imtuvą, todėl jie įrengė siųstuvus ant kalvų ar ant aukštų pastatų stogo ir tikėjosi šitaip užtikrinti tiesiogines ryšio jungtis.
Tačiau Foschini lygtys pasufleravo jam, kad tai nėra pati geriausia išeitis. Jis suprato, kad užuot stengtusis išvengti atspindžių, juos galima sėkmingai panaudoti. Atspindžiai reiškia, kad siųstuvo signalai keliauja daugeliu skirtingų maršrutų, o atkeliavę susilieja vienas su kitu. Jis sugalvojo, kaip reikia apdoroti priimamąjį signalą ir atkurti jo originalą net ir tuo atveju, kai atspindžiai yra daugiau ar mažiau atsitiktiniai.
Kai turime vieną siųstuvą ir vieną imtuvą, sistema nė kiek ne geresnė už kitas, bet viskas labai pakinta, kai viename taške stovinčių siųstuvų rinkinys vienu metu perduoda signalus kitame taške stovinčių imtuvų rinkiniui. Signalai palieka siųstuvus ir pakeliui į imtuvus patiria daugybę atspindžių. Kol signalai pasiekia imtuvus, jie būna vien persimaišęs triukšmas, kurio, pasak tradicinės ryšių teorijos, beveik neįmanoma iššifruoti.
Tačiau Foschini suprato, kad kiekvienas signalas yra sklaidomas skirtingai ir keliauja skirtingu maršrutu, nes kiekvieno rinkinio siųstuvo padėtis yra šiek tiek kitokia. Dėl šios priežasties signalai yra nedaug išsiskyrę ir erdvėje, ir laike. Nors imtuvus jie pasiekia persikloję vienas su kitu, tai nėra tas pat, kaip jie būtų atkeliavę iš vieno siųstuvo. Jeigu būtų sugalvota gudri procedūra, juos turėtų būti įmanoma atskirti vieną nuo kito.
Technologijos svarbiausia dalis yra sparčių signalų procesorių, vienu metu apdorojančių į visas antenas patenkančius signalus, rinkinys. Pradžioje jie išskiria iš kratinio patį stipriausią signalą, po to, vieną po kito, - visus silpnesniuosius signalus. Pašalinus stiprųjį signalą, kuris yra didžiausias trikdžių šaltinis, darosi lengviau rasti ir silpnesniuosius signalus.
Foschini darbas sukėlė perversmą. Jo rezultatai reiškia, kad nedidelėje erdvėje, pavyzdžiui, mieste, perduodamos informacijos kiekis nebepriklausys nuo vieno kanalo pralaidos, o nuo abiejuose linijos galuose esančių siųstuvų ir imtuvų skaičiaus. Tik užtenka įrengti papildomą siųstuvą ir imtuvą, ir perduodamų duomenų kiekis atitinkamai išaugs; visiškai taip pat, kaip nutiesus papildomą šviesolaidinį kabelį. Jis pavadinęs sistemą BLAST (Bell Labs Layered Space-Time - Bell'o laboratorijų sluoksniuotoji erdvės ir laiko sistema) pradėjo įtikinėti kitus mokslininkus, kad tie irgi pastudijuotų šią koncepciją.
Kiti mokslininkai greitai pamatė, kad Foschini atradimas leidžia jiems visiškai kitaip pažvelgti į Shannono idėjas. Shannonas nagrinėjo dvitaškį ryšį ir apibrėžė kodavimo sistemą, kuri tam ryšiui pasitelkia laike kintančius signalus. Bet turėdamas galvoje antenų užimamą erdvės tūrį, Foschini sugalvojo, kaip ryšio linija sujungti vieną tūrį erdvėje su kitu tūriu. Taigi, jo kodavimo sistemoje yra naudojama ir erdvė, ir laikas. Foschini nesulaužė Shannono ribos, jis ją tik apibendrino.
Su savo kolegomis jis veikiai ėmė bandyti, ar šią idėją pavyks įgyvendinti praktiškai. Paprastai transliavimo sistemos efektyvumas yra matuojamas informacijos bitų, perduodamų per sekundę kiekvienu radijo dažnių juostos hercu, skaičiumi. Telefono tinklai geriausiu atveju šiandien pasiekia 5 kb/s Hz, taigi net ir 30 kHz dažnių juostos kanalu perduodami duomenys retai viršija 50 kb/s spartą. 1998 m. Foschini pademonstravo, kad turėdamas mažiau kaip po 12 antenų kiekviename ryšio linijos gale jis gali perduoti duomenis 20 kartų sparčiau.
Bet nesitikėkite greitai išvysti BLAST telefonus gatvėse. Kol idėja taps naudinga ir realiame pasaulyje, grupei dar teks įveikti kelias kliūtis. Pavyzdžiui, iki šiol dėmesys daugiausiai buvo sutelktas į tai, kaip perduoti duomenis iš vienos matricos, arba tūrio, į kitą, kai mobiliojo telefono tinkluose bazinė stotis siunčia signalus daugeliui telefonų. Dabar Foschini nagrinėja, kaip savąją idėją galėtų panaudoti tinkluose.
Be to, dar yra judrumo problema. Pradžioje BLAST buvo kuriamas stacionariems siųstuvams ir imtuvams, kad kiekvienas judesys pakeistų atspindinčią aplinką ir tuos kelius, kuriais į imtuvą ateina signalai. Lucent dabar kuria mobiliąją versiją, kurioje signalai yra apdorojami taip sparčiai, kad siųstuvas netgi nepastebi judėjimo. Sistema jau veikia greitkeliu lekiančiame automobilyje.
Ar įmanoma į mobilųjį telefoną sugrūsti pakankamai antenų? Mokslininkai sako, kad tai turėtų būti įmanoma. Pirmieji šios problemos tyrimai rodo, kad antenas sutalpinus kelių centimetrų atstumu galima pasiekti netgi didesnę duomenų perdavimo spartą. "Šiuose nuotoliuose antenos sąveikauja viena su kita, todėl situacija tampa ypač sudėtinga", - sako Foschini.
O kaip bus užmiestyje - ar BLAST vis dar veiks ir priemiesčiuose, ir kaime, kur nėra didelių pastatų? Foschini yra optimistas. Inžinieriai galės panaudoti pakeisiančius tuos pastatus nedidelius tam tikrose vietose įrengtus metalinius reflektorius.
Kiti laboratorijų darbuotojai pradėjo nagrinėti gretutinius Foschini darbo aspektus. Fizikas teoretikas Steve Simonas ir jo kolegos ėmė studijuoti informacijos ir erdvės sąryšį. "Įsivaizduokite, kad pripildėte tam tikrą erdvės tūrį antenų ir pradėjote transliuoti. Kas tada įvyks?" - klausia Simonas. "Ar tam tikrų antenų signalai eliminuos vienas kitą, ar kiti signalai sustiprės, ar paviršiuje esančios antenos neužblokuos vidinių antenų signalų, ar išvis yra iš tūrio pasiunčiamo informacijos kiekio riba?"
Kadangi čia kalbama apie nemažą kintamųjų skaičių, skaičiavimai yra labai sudėtingi. Bet Simonas tikina, kad ėmė ryškėti aiški tendencija. Kiekvienu nagrinėtuoju atveju svarbiausias indėlis priklausydavo tūrio paviršiuje esančioms antenoms, o vidinių antenų signalai būdavo iškraipomi ar išvis nuslopinami. Atrodytų, lyg įmanomos pasiųsti informacijos kiekis priklausytų ne nuo erdvės tūrio, o nuo jį gaubiančio paviršiaus ploto.
Šios idėjos yra artimos dar bent vienai mokslininkų grupei. Septintajame dešimtmetyje kosmologai pradėjo tirti juodųjų bedugnių savybes. Jie sugebėjo suprasti, kad juodosioms bedugnėms yra būdingos labai fundamentalios savybės, tokios kaip masė ar sukinys, bet toliau šito nenuėjo. Po to žmonės pradėjo domėtis sąryšiu tarp juodųjų bedugnių ir entropijos - dydžio, kuris yra labai tampriai susijęs su matematiniu informacijos apibrėžimu. Antrasis termodinamikos dėsnis - vienas svarbiausiųjų fizikos principų - sako, kad visatos entropija negrįžtamai auga. Bet kas, pavyzdžiui, atsitiks su žvaigždės entropija, kai ją praris juodoji bedugnė? Aišku, kad ji negali išnykti, nes tai pažeistų antrąjį termodinamikos dėsnį.
Jacobas Bekensteinas, Hebrajų universiteto (Izraelis) fizikos profesorius, rado atsakymą į šį klausimą. Jis sako, kad entropija kažkokiu būdu susikaupia juodosios bedugnės paviršiuje - kosmologų žargonu šnekant, "horizonte", kurio plotas yra proporcingas prarytajai entropijai. Ar ne nuostabu, kad galvodami apie mobiliuosius telefonus inžinieriai priėjo prie panašios išvados apie informacijos ir erdvės ryšį?
Tas ryšys gali turėti pasekmių kiekvienam pasaulyje esančiam asmeniniam kompiuteriui. Kadangi kompiuterio atmintinės tėra erdvės tūriai, iš kurių reikia pasiimti informaciją, šis atradimas gali apibrėžti fundamentalią mikroschemoje ar kietajame diske saugomos informacijos kiekio ribą.
