En una época en la que la conectividad inalámbrica se ha vuelto tan esencial como la electricidad, la capacidad de innumerables dispositivos para comunicarse sin interferencia mutua no es nada menos que la magia de ingeniería. La tecnología de espectro de propagación es la técnica fundamental que hace posible esta coexistencia. Originalmente desarrollada para comunicaciones militares para resistir la interferencia y el escucha, el espectro de difusión ha evolucionado hacia la columna vertebral de los estándares inalámbricos modernos como Wi-Fi, Bluetooth y muchos protocolos IoT.

¿Qué es el espectro de espionaje?

El espectro de la difusión se refiere a una familia de técnicas de modulación donde la señal de transmisión se extiende sobre una banda de frecuencias mucho más amplia que el ancho de banda mínimo necesario para llevar la información. A primera vista esto parece desperdicio, pero la técnica ofrece beneficios profundos:

  • Resistencia de interferencia: Al difundir energía a través de una banda ancha, los interferentes de banda angosta sólo afectan una pequeña parte de la señal, que se puede recuperar a través del proceso de despreading.
  • Acceso múltiple: Muchos usuarios pueden compartir el mismo espectro simultáneamente utilizando diferentes códigos de difusión (acceso múltiple de código-división).
  • Seguridad y baja probabilidad de interceptar: La señal aparece como ruido-como a los receptores que no conocen el código de difusión.

La base teórica del espectro de propagación está en el teorema Shannon-Hartley, que afirma que la capacidad de canal aumenta con ancho de banda. La difusión de la señal permite operar a una relación de señal a ruido menor (SNR) para la misma tasa de datos. procesamiento de ganancia] (la relación de ancho de banda difundido a la interferencia original de señal) cuantificación

Una breve historia del espectro de espionaje

El concepto de espectro de propagación fue pionero durante la Segunda Guerra Mundial por la actriz Hedy Lamarr y compositor George Antheil. patentaron un sistema de frecuencias para guiar torpedos de forma segura, utilizando un rollo de piano para sincronizar los saltos de frecuencia entre el transmisor y el receptor. Esta invención, aunque décadas antes de su tiempo, puso la base para el espectro de difusión moderno.

Durante la Guerra Fría, el espectro de distribución de secuencia directa refinado (DSSS) de los militares estadounidenses para comunicaciones seguras. La tecnología permaneció clasificada hasta los años 80 cuando la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) permitió operaciones de espectro de difusión sin licencia en las bandas ISM (Industrial, Scientific y Medical). Esta acción reguladora cataliza el desarrollo de redes de área local inalámbrica (WLAN) y redes de área personal (programas de radio)

Tipos de Técnicas de Espectro de Esparcido

Existen dos técnicas de espectro de difusión primaria, junto con enfoques híbridos y relacionados:

Frecuencia de espiga de espiga espiga (FHSS)

En FHSS, la frecuencia de portador del transmisor cambia rápidamente según una secuencia de pseudoranda conocidos tanto por transmisor como por receptor. La señal ocupa un canal de banda estrecha diferente en cada pico de aro, pero vista con el tiempo se extiende a través de toda la banda de acaparamiento. Bluetooth es la aplicación de consumo más prominente de FHSS: se salta entre 79 canales en la banda de 2.4 GHz a una velocidad de 1.600 aromperios por segundo.

Espectro de esparcimiento directo de secuencia (DSSS)

DSSS multiplica la señal de datos por un código de pseudoarborrecimiento de alta calidad (PN), que difunde el ancho de banda de señal. El receptor correlaciona la señal entrante con una copia sincronizada del mismo código para despread it back to the original narrowband signal. El beneficio de procesamiento es igual a la relación de la velocidad de chip (valor del código PN) a la velocidad de datos.

Frecuencia Ortogonal-División Múltiplexing (OFDM) y Espectro de espiga

Aunque OFDM no es una técnica de espectro de difusión clásica, comparte el espíritu de difundir datos a través de múltiples portadores. OFDM divide el espectro disponible en muchos subcarriers ortogonales, cada uno que lleva una corriente de datos de baja tasa. Debido a que la duración del símbolo es larga relativa a los retrasos multipáticos típicos, OFDM es robusta contra la interferencia de la moda y la banda estrecha.

Técnicas híbridas

Algunos sistemas combinan FHSS y DSSS, como la capa física IEEE 802.11 FHSS (de uso general hoy) o radios militares que saltan señales de secuencia directa para mejorar la probabilidad de interceptación.

Cómo se propaga la coexistencia de especias

La coexistencia significa que múltiples tecnologías inalámbricas operan en la misma banda de frecuencia sin causar una degradación inaceptable del rendimiento entre sí. Las bandas ISM, especialmente la banda 2.4 GHz, acogen una increíble variedad de tecnologías: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Thread, Z-Wave, teléfonos inalámbricos, hornos de microondas e incluso algunos monitores de bebé. Las técnicas de espectro de difusión permiten que estos sistemas des disparen para compartir las ondas de manera efectiva.

Mecanismos de convivencia

El espeleología espectral reduce la densidad de potencia de pico

Al difundir el poder transmitido sobre un ancho de banda más amplio, la densidad espectral de potencia (PSD) de la señal es menor. Otros receptores que no están afinados al código de difusión sólo ven un ligero aumento en el suelo de ruido, en lugar de un fuerte pico que podría saturar sus amplificadores de extremo delantero. Esto > #8220; ruido-como el cúmulo#8221; la propiedad minimiza la interferencia a los receptores de banda estrecha.

Diversidad de frecuencias

Los sistemas de Wi-Fi cambian constantemente su frecuencia de portador. Si una frecuencia particular es ocupada por otro transmisor (por ejemplo, un canal Wi-Fi), la tolva sólo permanece allí por una fracción de un milisegundo antes de moverse a un canal claro. La pérdida de paquetes ocurre sólo cuando el tubo coincide con un interferente persistente, y los mecanismos de corrección de errores pueden recuperarse de colisiones ocasionales.

Separación de códigos en DSSS/CDMA

Los sistemas DSSS usando CDMA permiten que múltiples transmisores funcionen a la misma frecuencia al mismo tiempo asignando diferentes códigos de difusión ortogonales o cercanos a ortogonales. El receptor puede extraer su señal prevista correlacionando con el código correcto mientras trata otras señales como ruido. Esta fue la base de redes celulares 3G, donde muchos teléfonos se comunican simultáneamente con una estación de base usando código Walsh coexisten.

Función de los protocolos de control de acceso medio (MAC)

El espectro de propagación no es suficiente; protocolos inteligentes MAC son necesarios para orquestar el acceso al medio compartido. Wi-Fi utiliza el acceso múltiple de portador con evitación de colisión (CSMA/CA), donde un dispositivo escucha antes de transmitir y utiliza temporizadores de retroceso para reducir las colisiones. Bluetooth utiliza duplex de visión de tiempo (TDD) con acoplamientos de frecuencia, por lo que cada aros de par maestro-es coexisten.

Coexistencia en la Banda 2.4 GHz: Un estudio práctico de caso

La banda ISM de 2.4 GHz es quizás la rodaja más congestionada del espectro utilizada por los consumidores. Un hogar típico puede contener un router Wi-Fi, varios dispositivos Bluetooth (teléfono, altavoz, teclado, ratón), un centro de luz inteligente Zigbee, un horno de microondas y un teléfono sin cables. Entendiendo cómo el espectro de propagación permite que coexistan es instructivo.

Wi-Fi y coexistencia Bluetooth

Wi-Fi (en inglés) se utiliza con frecuencia DSSS o OFDM con un ancho de canal de 20 MHz o 40 MHz. Bluetooth utiliza los canales FHSS a través de 79 canales 1 MHz a 1.600 hops/s. La probabilidad de que un tubo Bluetooth se encuentre dentro de un canal de conexión Wi-Fi ocupado en un momento dado es de aproximadamente 20/79 ♥ si un canal de conexión Wi-Fi 20 MHz está presente.

Zigbee y Wi-Fi Coexistence

El canal de ZiBSE (IEEE 802.15.4) funciona en la banda de 2.4 GHz usando DSSS con modulación O-QPSK, transmitiendo en 16 canales de 2 MHz cada uno espaciado por 5 MHz. Su baja tasa de datos (250 kbps) y ciclo de bajo nivel de servicio hacen que sea menos agresivo que la conexión Wi-Fi puede afectar gravemente la confiabilidad de Zigbee.

Hornos de microondas

Los hornos de microondas emiten una fuerte interferencia de banda angosta sin modulación centrada en 2.45 GHz (la frecuencia resonante de las moléculas de agua). La interferencia puede ocupar varios megahercios. El acaparamiento de frecuencias de Bluetooth evita esto saltando a otros canales (excepto los que coinciden con la fuga del horno). Los sistemas Wi-Fi OFDM con 20 canales MHz todavía pueden funcionar si el horno sólo afecta a unos pocos subcarriadores de cableado;

Ventajas y limitaciones del espectro de espiga

Ventajas

  • Rechazo de la interferencia: El proceso de ganancia proporciona inmunidad a los interferentes de banda angosta.
  • Capacidad de acceso múltiple: Los esquemas de código-division permiten a muchos usuarios simultáneamente.
  • Probabilidad mínima de interceptación/detección: Las señales de propagación aparecen como ruido para receptores no deseados.
  • Degradación graciosa: A medida que aumenta la interferencia, la calidad de la voz o de la entrada del sistema disminuye gradualmente en lugar de abandonar abruptamente.
  • Buen rendimiento multipático: En DSSS, las señales reflejadas que llegan con retraso pueden resolverse utilizando receptores de rake, convirtiendo el multipático de un detrimento en una fuente de diversidad.

Limitaciones

  • Ineficiencia de ancho cuando los usuarios son pocos:] Difundir los recursos espectrales de desechos si el objetivo es una alta tasa de datos máximos para un solo usuario. Los sistemas modernos utilizan OFDM sin extenderse para lograr una alta eficiencia espectral, y luego reintroducir la difusión para la capacidad (como CDMA) sólo cuando sea necesario.
  • Problema cercano en DSSS/CDMA: Un transmisor fuerte cerca del receptor puede abrumar la señal débil de un transmisor lejano a menos que se emplee el control de potencia. CDMA celular resolvió esto con el control de potencia de cierre rápido.
  • Complejidad de sincronización: Los receptores deben adquirir y rastrear el código de difusión, que requiere correladores sofisticados y algoritmos de adquisición.
  • Limitaciones regulatorias: Algunas bandas requieren el uso de técnicas específicas de espectro de propagación (por ejemplo, la banda ISM de 2.4 GHz originalmente encomendada el espectro de propagación o el acaparamiento de frecuencia), pero reglas posteriores permitieron a OFDM y otras modulaciones.

Tendencias futuras: Esparce espectro más allá de la coexistencia

Los principios del espectro de propagación siguen evolucionando. En 5G y 6G, el MIMO masivo y el conformado de rayos pueden verse como una forma de difusión espacial. Los sistemas de radio cognitivos utilizan espectro de propagación a espacios blancos fragmentados agregados. La tecnología de banda ancha (UWB) transmite impulsos extremadamente cortos a través de un vasto ancho de banda (Contácte 500 MHz), a futuro, una ganancia de conexión directa.

Internet de las cosas (IoT) está impulsando el interés en redes de área de baja potencia (LPWANs) como LoRa, que utiliza una técnica de espectro de propagación de chirp (CSS) para comunicación de baja potencia de largo alcance. CSS modula los datos como claves o grietas que propagan la energía a través del tiempo y la frecuencia, proporcionando un beneficio de procesamiento sustancial para superar interferencia y pérdida de caminos.

Finalmente, el espectro que comparte entre sistemas licenciados y no licenciados (por ejemplo, 5G en la banda de 6 GHz, o CBRS en 3.5 GHz) requiere técnicas de coexistencia sofisticadas que se toman prestado de la filosofía de espectro extendido.Pista antes de hablar, selección de canales y control de potencia adaptativo. La percepción fundamental de que compartir una banda ancha es más robusta que luchar por tragaperras estrechas sigue siendo tan relevante como siempre.

Conclusión

La tecnología de espectro de difusión no es simplemente una curiosidad histórica; es el habilitador invisible del mundo inalámbrico en el que vivimos. Mediante señales intencionadamente difundidas sobre bandas anchas, los ingenieros han creado sistemas que pueden coexistir en el mismo espectro sin interferencias destructivas. Desde el auricular Bluetooth de frecuencias hasta el router Wi-Fi que ofrece Internet de alta velocidad, desde las bombillas Zigbee a los satélites GPS, el espectro de difusión y la charlas

Para más lectura, vea las reglas de FCC sobre el espectro de propagación en las bandas ISM, el estándar IEEE 802.11 y la especificación de núcleo Bluetooth.