Радиосигналдарды тарату әдісі: FHSS технологиясы – жиілікті жылдам өзгерту арқылы кедергілерден сақтану, құпиялылықты қамтамасыз ету және CDMA байланысын жүзеге асыру.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Радиосигналды беру әдісі
Radio signal transmission method
Жиілікпен секіру (FHSS) – кең спектрлік жолақты алып жатқан көптеген жиіліктер арасында тасымалдаушы жиілікті жылдам өзгерту арқылы радиосигналдарды беру әдісі. Бұл өзгерістерді жіберуші де, қабылдаушы да білетін код басқарады. FHSS кедергілерді азайту, сырқатты тыңдаудың алдын алу және кодтық көптеуішпен кіру (CDMA) байланысын жүзеге асыру үшін қолданылады. Жиілік жолағы кішірек жиілік диапазонға бөлінеді. Сигналдар осы диапазонның орталық жиіліктері арасында өз тасымалдаушы жиіліктерін белгілі бір ретпен жылдам өзгертеді ("секіреді"). Белгілі бір жиіліктегі кедергі сигналға тек қысқа мерзім ішінде ғана әсер етеді. FHSS тұрақты жиілікпен берілуге қарағанда төрт негізгі артықшылық ұсынады:
Frequency hopping spread spectrum (FHSS) is a method of transmitting radio signals by rapidly changing the carrier frequency among many frequencies occupying a large spectral band. The changes are controlled by a code known to both transmitter and receiver. FHSS is used to avoid interference, to prevent eavesdropping, and to enable code division multiple access (CDMA) communications. The frequency band is divided into smaller sub bands. Signals rapidly change ("hop") their carrier frequencies among the center frequencies of these sub bands in a determined order. Interference at a specific frequency will affect the signal only during a short interval. FHSS offers four main advantages over a fixed frequency transmission:
FHSS сигналдары тар жолақты кедергілерге жоғары төзімді, себебі сигнал басқа жиілік жолағына секіреді. Жиілік секіру схемасы белгісіз болса, сигналдарды ұстап алу қиын. Схема белгісіз болса, кедергі жасау да қиын; таралу тізбегі белгісіз болса, сигналды бір секіру периодына ғана кедергі жасау мүмкін. FHSS таратуы жиілік жолағын көптеген түрлі стандартты таратулармен минималды өзара кедергімен бөлісе алады. FHSS сигналдары тар жолақты байланысқа минималды кедергі келтіреді, және керісінше.
FHSS signals are highly resistant to narrowband interference because the signal hops to a different frequency band. Signals are difficult to intercept if the frequency hopping pattern is not known. Jamming is also difficult if the pattern is unknown; the signal can be jammed only for a single hopping period if the spreading sequence is unknown. FHSS transmissions can share a frequency band with many types of conventional transmissions with minimal mutual interference. FHSS signals add minimal interference to narrowband communications, and vice versa.
Әскери
Таралған спектр сигналдары қасақана кедергіге өте төзімді, егер қарсылас жиілік секіру үлгісін білмесе. Әскери радиолар жиілік секіру үлгісін құпия Трансмиссиялық қауіпсіздік кілті (TRANSEC) бақылауымен жасайды, оны жіберуші мен қабылдаушы алдын ала бөліседі. Бұл кілт KY 57 сөйлеу қауіпсіздігі құрылғысы сияқты құрылғылармен жасалады. Жиілікті секіруді қолданатын АҚШ әскери радиостанцияларына JTIDS/MIDS отбасы, HAVE QUICK әуе байланыс жүйесі және SINCGARS Combat Net Radio, Link 16 жатады.
Spread spectrum signals are highly resistant to deliberate jamming unless the adversary has knowledge of the frequency hopping pattern. Military radios generate the frequency hopping pattern under the control of a secret Transmission Security Key (TRANSEC) that the sender and receiver share in advance. This key is generated by devices such as the KY 57 Speech Security Equipment. United States military radios that use frequency hopping include the JTIDS/MIDS family, the HAVE QUICK Aeronautical Mobile communications system, and the SINCGARS Combat Net Radio, Link 16.
Азаматтық
АҚШ-та Федералды байланыс комиссиясы (FCC) FHSS жүйелерін реттелмеген 2,4 ГГц жиілік жолағында пайдалануға рұқсат беру үшін ережелерді өзгерте бергеннен кейін, осы жиілік жолағындағы көптеген тұтынушылық құрылғылар әртүрлі FHSS режимдерін қолданды. eFCC CFR 47 15.247 бөлімі АҚШ-тағы 902–928 МГц, 2400–2483,5 МГц және 5725–5850 МГц жиілік жолақтарындағы ережелерді және жиілік секіру талаптарын қамтиды. FHSS технологиясын қолданатын кейбір радиобайланыс құралдары 900 МГц жиілік жолағында лицензиясыз пайдалану үшін жасалған. FHSS технологиясы сондай-ақ радиомен басқарылатын модельдік автомобильдер, ұшақтар және дрондар үшін қолданылатын көптеген хоббилік хабар таратушылар мен қабылдағыштарда қолданылады. Бұл бірнеше қол жеткізу түрін қамтамасыз етеді, соның арқасында бір жиілік жолағында бір уақытта жүздеген таратушы/қабылдаушы жұптары жұмыс істей алады, бұл бұрынғы FM немесе AM радиомен басқарылатын жүйелерден өзгеше, оларда бір уақытта қолданылатын арналардың саны шектеулі болған.
In the US, since the Federal Communications Commission (FCC) amended rules to allow FHSS systems in the unregulated 2.4 GHz band, many consumer devices in that band have employed various FHSS modes. eFCC CFR 47 part 15.247 covers the regulations in the US for 902–928 MHz, 2400–2483.5 MHz, and 5725–5850 MHz bands, and the requirements for frequency hopping. Some walkie talkies that employ FHSS technology have been developed for unlicensed use on the 900 MHz band. FHSS technology is also used in many hobby transmitters and receivers used for radio controlled model cars, airplanes, and drones. A type of multiple access is achieved allowing hundreds of transmitter/receiver pairs to be operated simultaneously on the same band, in contrast to previous FM or AM radio controlled systems that had limited simultaneous channels.
Техникалық ескертулер
Жиілік секіру үшін қажетті жалпы жолақтың ені, бір ғана тасымалдаушы жиілігін пайдаланып бірдей ақпаратты беру үшін қажетті еннен әлдеқайда кеңірек. Бірақ, беріліс кез келген уақытта осы жолақтың шағын бөлігінде ғана жүзеге асырылатындықтан, бір мезгілдегі кедергі жолағының ені іс жүзінде бірдей болады. Жиілік секіру әдісі кең жолақты жылу шуынан қосымша қорғаныш ұсынбаса да, тар жолақты кедергі көздерінен туындайтын бұзылыстарды азайтады. Жиілікпен ауысу жүйелерінің бірі – таратушы мен қабылдаушыны синхрондау. Бір тәсіл – таратушының белгілі бір уақыт ішінде барлық арналарды пайдаланатынына кепілдік беру. Қабылдаушы кездейсоқ арнаны таңдап, сол арнада дұрыс деректерді тыңдау арқылы таратушыны таба алады. Таратушының деректері осы арна үшін дерек сегментінде кездесуі екіталай арнайы дерек тізбектерімен анықталады, ал сегменттің тұтастығын тексеру және одан әрі анықтау үшін тексеру сомасы да қолданылуы мүмкін. Таратушы мен қабылдаушы жиілік секіру үлгілерінің тұрақты кестелерін пайдалана алады, сонда синхрондалғаннан кейін олар кестеге сәйкес байланыс орнатуға болады. АҚШ-та FCC-нің 15-тармағы лицензияланбаған кең спектрлі жүйелерге қатысты, 902–928 МГц және 2,4 ГГц жолақтарында кең спектрлі емес жүйелерге рұқсат етілген қуаттан артық қуатты пайдалануға рұқсат береді. FHSS және тікелей тізбекті таралған спектр (DSSS) жүйелерінің екеуі де 1 ватт қуатпен хабар тарата алады, бұл таралмаған спектрлі жүйелердегі 1 милливатт шектемесінен мың есе жоғары. FCC сондай-ақ әрбір арна үшін ең аз жиілік арналарының санын және әр арнадағы ең ұзақ тұру уақытын белгілейді.
The overall bandwidth required for frequency hopping is much wider than that required to transmit the same information using only one carrier frequency. But because transmission occurs only on a small portion of this bandwidth at any given time, the instantaneous interference bandwidth is really the same. While providing no extra protection against wideband thermal noise, the frequency hopping approach reduces the degradation caused by narrowband interference sources. One of the challenges of frequency hopping systems is to synchronize the transmitter and receiver. One approach is to have a guarantee that the transmitter will use all the channels in a fixed period of time. The receiver can then find the transmitter by picking a random channel and listening for valid data on that channel. The transmitter's data is identified by a special sequence of data that is unlikely to occur over the segment of data for this channel, and the segment can also have a checksum for integrity checking and further identification. The transmitter and receiver can use fixed tables of frequency hopping patterns, so that once synchronized they can maintain communication by following the table. In the US, FCC part 15 on unlicensed spread spectrum systems in the 902–928 MHz and 2.4 GHz bands permits more power than is allowed for non spread spectrum systems. Both FHSS and direct sequence spread spectrum (DSSS) systems can transmit at 1 watt, a thousandfold increase from the 1 milliwatt limit on non spread spectrum systems. The FCC also prescribes a minimum number of frequency channels and a maximum dwell time for each channel.
Шығу тегі
1899 жылы Гульельмо Маркони кедергіні азайту үшін жиілікті таңдау арқылы қабылдау тәжірибесін жүргізді. Жиілік секіру туралы алғашқы жазбалар АҚШ патенті 725,605-те, Никола Теслаға 1903 жылдың 17 наурызында берілген, және радио саласындағы пионер Джонатан Зеннектің «Сымсыз телеграфия» (неміс тілінде, 1908, ағылшын тіліне аудармасы McGraw Hill, 1915) кітабында кездеседі, бірақ Зеннек Телефункен бұрыннан оны сынап көргенін жазады. Никола Тесла «жиілік секіру» фразасын тікелей айтпаса да, оған ишара жасайды. «Сигнал беру әдісі» деп аталатын патентте радиобайланыстың сигналдар мен хабарламалардың бұзылуы, ұрланып тыңдалуы немесе кез келген түрде кедергіге ұшырауы қаупі жоқ жүйе сипатталған. Бірінші дүниежүзілік соғыста неміс әскерлері британдық күштердің тыңдауын болдырмау үшін, олардың тізбекті бақылау технологиясына ие болмағандықтан, тұрақты басқару пункттері арасындағы байланыс үшін жиілік секіруді шектеулі түрде қолданды. Джонатан Зеннектің «Сымсыз телеграфия» кітабы алғаш рет 1908 жылы неміс тілінде жарық көрді, бірақ 1915 жылы жау майдан шебінде жиілік секіруді қолдана бастағаннан кейін ағылшын тіліне аударылды. Польшалық инженер және өнертапқыш Леонард Данилевич 1929 жылы поляк генерал-штабына жиілік секіру тұжырымдамасын ұсынғанын мәлімдеді, бірақ ол қабылданбады. 1932 жылы Виллем Бройертхеске «Сымсыз телеграфтық хабарламаларды берудегі құпияны сақтау әдісі» деген патент берілді, ол «хабарламалар жіберуші мен қабылдаушыға ғана белгілі жиіліктер тобы арқылы жіберілетін және хабарламаларды беру кезінде қалауынша ауыстырылатын» жүйені сипаттайды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде АҚШ армиясының Сигнал корпусы SIGSALY деп аталатын байланыс жүйесін ойлап тапты, ол бір жиілік аясында кең спектрлі таратуды қолданды. Бірақ SIGSALY өте құпия байланыс жүйесі болғандықтан, оның бар екендігі 1980 жылға дейін белгілі болған жоқ. 1942 жылы актриса Хеди Ламарр мен композитор Джордж Антейл «Құпия байланыс жүйесі» үшін патент алды, бұл жиілік секірудің ерте нұсқасы болып табылады, олар радиомен басқарылатын торпедаларды жауларға анықтау немесе кедергі келтіру қиын болсын үшін пианино рулонын қолданып 88 жиілікті ауыстырды. Олар патентті АҚШ Әскери-теңіз күштеріне сыйға берді. Жеке компаниялар тікелей тізбекті кодты бөлудің басқа түрлерін, жиілік секірусіз кең спектрлі таратуды өздігінен дамытып жатқан кезде 1950 жылдары патенттерді іздеу кезінде жиілік секіру идеялары қайта ашылған болуы мүмкін. 1957 жылы Sylvania Electronic Systems Division инженерлері ұқсас идеяны қабылдады, Ламарр мен Антейлдің механикалық технологиясының орнына жаңадан ойлап тапқан транзисторды қолданды. Жиілік секірудің практикалық қолданылуын Micrel Corporation негізін қалаушы Рей Зинн әзірледі. Зинн радио құрылғыларының қабылдағышты таратушымен синхрондау қажеттілігінсіз жұмыс істеуіне мүмкіндік беретін әдіс жасады. Жиілік секіру және сканерлеу режимдерін пайдалана отырып, Зинн әдісі негізінен төмен деректерді беру жылдамдығы бар сымсыз қосымшаларда қолданылады, мысалы, коммуналдық есептеу, машиналар мен жабдықтарды бақылау және есептеу, сондай-ақ қашықтан басқару. 2006 жылы Зинн өзінің «Жиілік секіру және сканерлеу режимдерін қолданатын сымсыз құрылғысы және әдісі» үшін патент алды.
In 1899 Guglielmo Marconi experimented with frequency selective reception in an attempt to minimise interference. The earliest mentions of frequency hopping in open literature are in US patent 725,605, awarded to Nikola Tesla on March 17, 1903, and in radio pioneer Jonathan Zenneck's book Wireless Telegraphy (German, 1908, English translation McGraw Hill, 1915), although Zenneck writes that Telefunken had already tried it. Nikola Tesla doesn't mention the phrase "frequency hopping" directly, but certainly alludes to it. Entitled Method of Signaling, the patent describes a system that would enable radio communication without any danger of the signals or messages being disturbed, intercepted, interfered with in any way. The German military made limited use of frequency hopping for communication between fixed command points in World War I to prevent eavesdropping by British forces, who did not have the technology to follow the sequence. Jonathan Zenneck's book Wireless Telegraphy was originally published in German in 1908, but was translated into English in 1915 as the enemy started using frequency hopping on the front line. A Polish engineer and inventor, Leonard Danilewicz, claimed to have suggested the concept of frequency hopping in 1929 to the Polish General Staff, but it was rejected. In 1932, was awarded to Willem Broertjes, named "Method of maintaining secrecy in the transmission of wireless telegraphic messages", which describes a system where "messages are transmitted by means of a group of frequencies known to the sender and receiver alone, and alternated at will during transmission of the messages". During World War II, the US Army Signal Corps was inventing a communication system called SIGSALY, which incorporated spread spectrum in a single frequency context. But SIGSALY was a top secret communications system, so its existence was not known until the 1980s. In 1942, actress Hedy Lamarr and composer George Antheil received for their "Secret Communications System", an early version of frequency hopping using a piano roll to switch among 88 frequencies to make radio guided torpedoes harder for enemies to detect or jam. They then donated the patent to the U. S. Navy. Frequency hopping ideas may have been rediscovered in the 1950s during patent searches when private companies were independently developing direct sequence Code Division Multiple Access, a non frequency hopping form of spread spectrum. In 1957, engineers at Sylvania Electronic Systems Division adopted a similar idea, using the recently invented transistor instead of Lamarr's and Antheil's clockwork technology. A practical application of frequency hopping was developed by Ray Zinn, co founder of Micrel Corporation. Zinn developed a method allowing radio devices to operate without the need to synchronize a receiver with a transmitter. Using frequency hopping and sweep modes, Zinn's method is primarily applied in low data rate wireless applications such as utility metering, machine and equipment monitoring and metering, and remote control. In 2006 Zinn received for his "Wireless device and method using frequency hopping and sweep modes."
Вариациялар
Блутуста қолданылатын адаптивті жиілікпен секірудің кең спектрі (AFH) секіру тізбегінде жиіліктердің толығуын болдырмау арқылы радиожиіліктік кедергілерге төзімділікті арттырады. Мұндай бейімделген берілісті FHSS-пен салыстырғанда DSSS-те жүзеге асыру оңай. AFH-ның негізгі идеясы – тек "жақсы" жиіліктерді пайдалану және "жаман" жиіліктерден аулақ болу, яғни жиіліктік таңдаулы сөнуге ұшыраған, үшінші тараптың байланыс жасауға тырысатын немесе белсенді түрде тосқауылданған жиіліктерді болдырмау. Сондықтан AFH жақсы және жаман арналарды анықтау механизмімен толықтырылуы керек. Бірақ егер радиожиіліктік кедергі өзі динамикалық болса, онда AFH-ның "жаман арнаны жою" стратегиясы тиімді болмауы мүмкін. Мысалы, егер бірнеше жиілікпен секіретін желілер (мысалы, Bluetooth Piconet) болса, олар бір-біріне кедергі келтіреді және AFH стратегиясы бұл кедергіден қашуға жеткіліксіз болады. Динамикалық кедергі, қолжетімді секіру арналарының біртіндеп азаюы және Bluetooth стандарттың 1.2 нұсқасында (2003) бұрынғы Bluetooth құрылғыларымен үйлесімділік мәселесі шешілді. Мұндай жағдайлар лицензияланбаған спектрді пайдаланатын сценарийлерде жиі кездеседі. Сонымен қатар, когнитивті радиомен байланысты сценарийлерде динамикалық радиожиіліктік кедергілер күтілуде, онда желілер мен құрылғылар жиіліктік икемділікпен жұмыс істеуі керек. Чирп модуляциясы жиілік секірудің бір түрі ретінде қарастырылуы мүмкін, ол қолжетімді жиіліктерді байланыс үшін тізбектеп сканерлейді. Жүйенің өнімділігін арттыру үшін жиілік секіруін басқа модуляцияларға немесе толқын формаларына қосуға болады.
Adaptive frequency hopping spread spectrum (AFH) as used in Bluetooth improves resistance to radio frequency interference by avoiding crowded frequencies in the hopping sequence. This sort of adaptive transmission is easier to implement with FHSS than with DSSS. The key idea behind AFH is to use only the "good" frequencies and avoid the "bad" ones—those experiencing frequency selective fading, those on which a third party is trying to communicate, or those being actively jammed. Therefore, AFH should be complemented by a mechanism for detecting good and bad channels. But if the radio frequency interference is itself dynamic, then AFH's strategy of "bad channel removal" may not work well. For example, if there are several colocated frequency hopping networks (as Bluetooth Piconet), they are mutually interfering and AFH's strategy fails to avoid this interference. The problem of dynamic interference, gradual reduction of available hopping channels and backward compatibility with legacy Bluetooth devices was resolved in version 1.2 of the Bluetooth Standard (2003). Such a situation can often happen in the scenarios that use unlicensed spectrum. In addition, dynamic radio frequency interference is expected to occur in the scenarios related to cognitive radio, where the networks and the devices should exhibit frequency agile operation. Chirp modulation can be seen as a form of frequency hopping that simply scans through the available frequencies in consecutive order to communicate. Frequency hopping can be superimposed on other modulations or waveforms to enhance the system performance.