תדירות ההוגות להפיץ Spectrum (FHSS) היא טכניקת תקשורת אלחוטית חזקה שמעבירה נתונים על ידי מעבר מהיר של תדירות המוביל על פני להקה רחבה על פי רצף פסאודודום הידוע גם משדר וגם מקלט. שיטה זו משפרת באופן משמעותי את החוסן להפרעות, מפחיתה את ההסתברות של הירוטציה פועלת, ומאפשרת תקשורת צפופה אפילו בסביבות רדיו שפותחו במקור עבור יישומים צבאיים במהלך מלחמת העולם השנייה, נמצא שימוש נרחב במערכות הגנה טקטית, עם מערכות אבטחה דיגיטליות, שימוש נרחבות, עם מערכות אבטחה אלחוטיות, עם מערכות אבטחה מתקדמות.

מה זה Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)?

FHSS היא טכניקת ספקטרום מתפשטת שבה תדירות נושאת של אות המועברת משתנה בדפוס שנקבע מראש, או רצף הזיוף, על פני מערכת גדולה של תדרים.ההה מתרחשת פעמים רבות לשנייה - לעתים קרובות אלפי או עשרות אלפי הופות לשנייה - מה שהופך את האות להופיע כהתפרצות קצרה על כל תדירות לפני המעבר הבא.

מערכות ספקטרום מבוזרות באופן כללי להפיץ את האות המועבר מעל רוחב פס רחב הרבה יותר מהמינימום הנדרש עבור שיעור הנתונים.הפצה זו מספקת מספר יתרונות: התנגדות להפרעות פס צר, הסתברות נמוכה של יירוט, ואת היכולת של משתמשים מרובים לשתף את אותו ספקטרום באמצעות רצפים שונים.FHSS הוא אחד משלושת שיטות הספקטרום הראשי להפיץ, לצד ספקטרום ישיר (DSSS) וזמן להפיץ תכונות קיימות במיוחד עבור יישום משותף של FSS הוא אחד.

שורשים היסטוריים

הרעיון של תדירות ההיגוי היה פטנט בשנת 1942 על ידי השחקנית האדי למאר ומלחין ג'ורג' אנתיל כ"מערכת תקשורת סודית" המצאתם השתמשה במנגנון דמוי שחקן כדי לסנכרן שינויים בתדירות בין משדר למקבל, שנועד למנוע את ייבוש האויב של טורפדו רדיו מונחה בסופו של דבר, למרות שלא אומץ בזמנו, הפטנט הניח את הבסיס לכל העבודה שלאחר מכן FSS וטכניקה Bluetooth 1 ואילך פותחה בסופו של דבר ב- 80.

איך FHSS עובד

מערכת FHSS מורכבת משדר, מקלט, ומחולל רצף משותף.ה גנרטור פלט תבנית פסאודוונטית הקובעת כי תדירות המשדר ישתמש בכל מרווח הופ, הנקרא זמן הווה.זמן הווה בדרך כלל נע בין כמה מאות מיקרו-שניות לעשרות מ"מ, בהתאם ליישום ולתקנות. במהלך כל פרק זמן, מעבירה את ה-הזמן ה-Squar של קובץ נתונים זהה, באמצעות אותו תדירות של אותו זמן, באמצעות אותו מ-זמנית, על-זמנית, באמצעות אותו .

פרמטרים מרכזיים של מערכת FHSS כוללים:

  • (FLT:0)Hop להגדיר:FLT:1 אוסף של תדרים המשמשים בדפוס ההיגוי.לדוגמה, Bluetooth משתמשת 79 ערוצים ב-2.4 GHz ISM Band, שטח 1 MHz בנפרד.
  • (ב) שיעור ה-Hop Rate:0) מספר השינויים בתדירות בשנייה.קצב גבוה של תקווה הופך את האות קשה יותר ל-Ricle או ליירט.
  • זמן קצר יותר: 0 (Dwell time:FLT:1) הזמן שבילה על כל תדירות לפני ההשחה. .זמני מגורים קצרים יותר לשפר את האבטחה, אך דורש סינכרוניזציה מהירה יותר.
  • (FLT:0) רצף ההיגוי: רצף של פסאודורנסדום שנוצר על ידי אלגוריתם דטרמיניסטי (למשל, רישום משוב ליניארי) ששני הצדדים חולקים.הרצף חייב להיות בלתי צפוי לצדדים בלתי מורשים.

Synchronization הוא החלק הקריטי ביותר של כל קישור FHSS. at Startup, המשדר והמקבל חייבים להסכים על העיתוי הנוכחי ההתייחסות והמדינה ההיגוי.זה מושג בדרך כלל על ידי שליחת פילטר ידוע על תדירות מוגדרת מראש "Waze-up" או באמצעות שעון של זמן-של יום.

יתרונות מרכזיים של FHSS

FHSS מציע כמה יתרונות ברורים המסבירים את הפופולריות המתמשכת שלה, במיוחד בסביבות רדיו מאתגרות.

התנגדות ל Interference

מכיוון שהאות תופס כל תדר למשך זמן קצר בלבד, הפרעה לפס צר (מנור מיקרוגל, למשל) ישפיע רק על חלק קטן של הנתונים.תיקון שגיאות קידוד וניתוק מחדש יכול בקלות לשחזר את החבילות שאבדו.זה הופך את FHSS מאוד חזקים בלהקות ISM לא מורשה שבו מכשירים רבים פועלים בו זמנית.

אבטחה מוגברת

תדירות נושאת המשתנה במהירות עושה את זה קשה עבור aavesdropper ללכוד שידור שלם מבלי לדעת את הרצף ההיגוי.גם אם תדירות אחת יירטט, רק חלק קטן של ההודעה נחשף.ביישומים צבאיים וממשלתיים, FHSS לעתים קרובות משולב עם הצפנה כדי להשיג "ביטחון טרנספורמטיבי" (TRANSEC) המונעת זיהוי וניצול.

גישה מרובה (FH-CDMA)

משתמשים מרובים FHSS יכולים לשתף את אותה הלהקה תדר ללא התערבות הדדית על ידי שימוש רצפים ההיגוי אוטוקונים הדדית.זה בעצם צורה של ליגת הקוד מספר גישה (CDMA) בתחום התדירות.לדוגמה, רצף Bluetooth מאפשר עד שמונה מכשירים לתקשר על ידי הצטברות בהתאם לרצף המאסטר; צנרת אחרת יכולה לקשור באמצעות רצפים שונים.

דו-קיום עם מערכות אחרות

FHSS יכול לפעול לצד טכנולוגיות אחרות באותה הלהקה עם קונפליקט מינימלי. כי זה מתפתל על טווח רחב, זה לא שוכן מספיק זמן על כל תדר אחד כדי לגרום להפרעה מתמשכת למקלט פס צר.

FHSS ו- Digital Modulation

(הופנה מהדף Digital Modulation הוא תהליך של מידע דיגיטלי קידוד (bits) על גל נושא על ידי שינוי אחד או יותר של תכונותיו - דגימה, תדירות או שלב. FHSS אינו מכתיב איזו תוכנית מודולציה יש להשתמש; אלא פועל ברמה גבוהה יותר, שליטה בטכניקה:0 אשר תדירות נושאת נושאות FLT:1 משמש בכל רגע נתון.

שינוי דיגיטלי משותף Schemes Paired עם FHSS

  • (FLT:0)Frequency Shift Keying (FSK) 1 עבור כל הופ, הנתונים מובנות על ידי שינוי תדירות מיידית בין שני (binary FSK) או יותר (M-ary FSK) בתדרים דיסקרטיים.FHSS+FSK משמש באופן נרחב ב- Bluetooth (GFSK) וטלפונים רבים ללא כבל, הוא אפשרי להקטנת מורכבות.
  • (FLT:0)Phase Shift Keying (PSK): ההרחבה 1 , נתונים מקודדים על ידי שינוי השלב של המוביל. Binary PSK (BPSK) ו- Quadrature PSK (QPSK) נפוצים במערכות FHSS מתקדמות יותר. PSK מציעה יעילות רוחב פס טובה יותר מאשר FSK אבל דורש זיהוי קוהרנטי, שהוא מורכב יותר.
  • (FLT:0)Quadrature Amplitude Modulation (QAM): mplitude ושלב הם מגוונים כדי לשלוח מספר ביטים לסמל (למשל, 16-QAM, 64-QAM), בעוד לעתים רחוקות בשימוש במכשירים דלים FHSS עקב חששות גובה עד גובה של יחס כוח, כמה רדיו FHSS צבאי משתמש עבור תעריפים גבוהים יותר של נתונים.

כיצד נתונים ממפותפים להופים

במערכת טיפוסית FHSS, bitstream הדיגיטלי מופץ לתוך חבילות או מסגרות.כל חבילה מושתתת על תדירות המוביל הנוכחית באמצעות אחת התכניות לעיל.אורך החבילה נבחר להתאים בתוך זמן אחד. מרווח משמר יכול להיות מוכנס בסוף כל hop כדי לאפשר את הממריץ המקומי של משדר ליישב על התדירות הבאה.

השילוב של FHSS עם תוכנית מודולציה דיגיטלית חזקה מניב מספר יתרונות ברמת המערכת:

  • (FLT:0) השוואות בין-הההתמדה: 1FLT:1 התנגשויות או דואט עמוק משפיעים רק על תיקון שגיאה אחת.מודרני (FEC) קודים יכולים לעתים קרובות לתקן את הפיסות המושחתות.
  • (ב) הסתברות של יירוט: 1FLT: 1 {\displaystyle \ \ \ \"ה} , ‭ ‬הסימן‭ ‬הנוכח‭ ‬התחילה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ל‭ ‬ל‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ל‭ ‬ל‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬
  • (ב) ⁇ :0) ,5 ,5 , 1 ככל שההתערבות עולה, רק חלק גבוה יותר של תקווה מושחתים, מה שמוביל לעלייה הדרגתית של שיעור שגיאה מעט ולא אובדן מוחלט של קשר.

השפעה על bit Error Rate ו- Throughput

שיעור השגיאה הכולל (ER) של קישור FHSS תלוי בפורמט Modulation, קצב ההופ, והסביבה ההתערבות. בסביבה שפירה ללא התערבות, ה- BER נקבע על ידי תבנית ה-האות של המודולציה הבסיסית (יחסי הגנה) (SNR) עם זאת, בנוכחות של שיבוש אנרגיה צר או הפרעה חלקית, FHSS יכול להפחית באופן דרמטי את הפחתת ה- קידוד האפקטיבי בהשוואה ל- pamsamsic) רק עם כמה פעמים מושפעת של שבריריות (אונדפס) עם פחות או יותר מ-Hips).

תוצאות חיפוש FHSS

FHSS הועסקה במגוון רחב של יישומים, מאלקטרוניקה לצרכנים ועד לרשתות הגנה.

Bluetooth

Bluetooth הוא הטכנולוגיה הנפוצה ביותר של Consumer FHSS.הפעלה ב-2.4 GHz ISM, Bluetooth Classic משתמשת 79 תדרים ממולאים 1 MHz בנפרד ו-FHSS בקצב של 1,600 הופ לשנייה.רצף ההיגוי נגזר מכתובת Bluetooth ושעון של ה-VMack V-DVerd V-FLT:0 Bluetooth's מפרט כיצד GSulation הוא בשימוש רק עבור רמות עיבוד נתונים של HDD (D) עם טיפול פשוטות יותר מ-D.

תקשורת צבאית

לעתים קרובות רדיו צבאי מסתמכ על FHSS כדי לספק הסתברות נמוכה של יירוט (LPI) ו- Anti-jam (AJ) יכולות (AJ) מערכות כמו ה- SINCGARS של צבא ארה"ב (Single Channel Ground ו- A Air Radio System) להשתמש ב-FHSS ב- VHF, ומצנחית מעל טווח רחב של עשרות עד מאות התאמות צבאיות לשנייה FHSS, כולל גירסאות אבטחה חכמות, בנוסף ל- 100.

Legacy Wireless LAN (IEEE 802.11 FHSS)

תקן IEEE 802.11 (1997) ציין גם את השכבות הפיזיות של FHSS ו-DSSS. שכבת FHSS השתמשה ב-79 ערוצים ב-2.4 GHz, עם שיעור הופ של 2.5 הופ לשנייה, ותמך בשיעורי נתונים עד 2 Mbps. בעוד מאוחר יותר 802.11b וגרסאות נוספות נטושות FHSS לטובת DSSS ו-DM, FHSS היא דוגמה היסטורית של טכניקת LAN.

אינטרנט של דברים (IoT) ורשתות חיישנים

מכשירים אלקטרוניים בעוצמה נמוכה משתמשים ב-FHSS כדי לשפר את הדו-קיום בלהקות ISM צפופות.לדוגמה, פרוטוקול רשתות ה-SEO (שימוש במכשירים חכמים הביתה) פועל על פני IEEE 802.15.4 רדיו, אשר עשוי להשתמש ב-FHSS ב-2.4 GHz.חלק פתרונות IoT קנייניים משתמשים בתדירות הסתגלות כדי להימנע מהתערבות מ-Wi-Fi ו- Bluetooth.

תקשורת לווין

מערכות לוויין צבאיות ומסחריות משתמשות ב-FHSS כדי למנוע ייבוש מכוון ולאפשר למשתמשים מרובים לשתף את אותו טראנסטור לווייני.בדרך כלל, ה- Uplink from a Ground Terminal ללוויינים מפעילה תדירות קבועה, בעוד שהדלינק משתמש ב-FHSS, או להיפך, כדי להגן על הקישור הפגיע יותר.

השוואה עם ספקטרום ישיר (DSSS)

FHSS ו-DSSS הם שתי טכניקות הספקטרום הנפוצות ביותר, לעתים קרובות בניגוד בעיצוב מערכת אלחוטית.הבנת ההבדלים שלהם עוזר למהנדסים לבחור את הגישה הנכונה ליישום מסוים.

הבדלים תפעוליים

  • (FLT:0)FHSSIR LT:1 תדירות המוביל משתנה לאורך זמן. רוחב הפס המיידי הוא צר (שווה רוחב פס מודולציה), אבל רוחב הפס הכבוש כולו הוא רחב (התוכנית כולה).
  • (FLT:0)DSSS:IRFLT:1) האות מתפשט על ידי הכפלת הנתונים עם קוד פסאודונוזה גבוה (PN) תדירות נושאת נותר קבוע, אבל רוחב הפס הופך הרבה יותר רחב (פעמים קצב השבבים אורך הקוד).

ביצועי מסחר-Offs

  • (FLT:0) דחיית ההשוואה: FHSS 1 (FHSS) יעילה מאוד נגד התערבות פס צר, כי רק חלק קטן של הופ מושפע. DSSS מפיץ את ההתערבות על הפס הרחב, צמצום ההשפעה שלו לתדירות אבל פוטנציאל להשפיע על כל ה bits עד כמה מעלות. עבור ריבמרים חזקים, DSSS עשוי לא צריך מסנן; לעתים קרובות לא.
  • (FLT:0) Data Rate: VisFLT:1 , DSSS יכול להשיג גבוה יותר את שיעורי הנתונים מכיוון שהוא משתמש בכל רוחב הפס הזמין באופן קבוע. FHSS מקדיש כל הופ לערוץ צר, הגבלת קצב הסמל עבור הופ.עם זאת, FHSS יכול להגדיל את דרך התפוקה באמצעות מספר הופ במקביל (מגוון ⁇ ).
  • (FLT:0) גישה ל-Uultiple:FLT:1gliSS CDMA מאפשר למשתמשים רבים לשתף את אותו תדירות נושא עם קודים אורטוקונים.FHSS יכול להשיג גישה מרובות על ידי הקצאת רצפים שונים, אבל היכולת מוגבלת על ידי מספר חריצים והסתברות התנגשות זמינה.
  • מורכבות הפשטות: FHSS בדרך כלל דורש מסנתז תדר שיכול להחליף תדרים במהירות ובמדוייק. DSSS דורש ממתק מהיר או מסונן מותאם.

בפועל, מערכות מודרניות רבות משלבות אלמנטים של שניהם: לדוגמה, Bluetooth משתמש FHSS עם הצטמצמות הסתגלות, בעוד IEEE 802.11b השתמש ב-DSSS.אין גישה אחת נעלה באופן אוניברסלי; הבחירה תלויה בסביבה של התערבות, צרכי קצב נתונים ומגבלות רגולטוריות.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות הרבים שלה, FHSS מתמודדת עם כמה אתגרים שיש לטפל בהם בעיצוב המערכת.

המונחים: growth

שמירה על סינכרוניזציה הדוקה בין משדר למקבל היא חיונית.כל סטייה בתזמון שעון או תדירות עלולה לגרום לאובדן נעילה. במערכות עם שיעורי הופ גבוהים, הסינתזה מעל הראש יכול להיות משמעותי. יתר על כן, אם המקלט מצטרף לתקשורת מתמשכת, זה חייב במהירות לרכוש את הרצף הזיוף, אשר יכול לדרוש הליך רכישה ייעודי.

הגבלת נתונים

מכיוון שהאות תופס רק ערוץ צר במהלך כל תושב, שיעור הנתונים שיאים עבור הופ מוגבל על ידי רוחב פס ערוץ וסדר מודולציה. כדי להשיג שיעורי נתונים מצטברים גבוהים, או כמה ערוצי FHSS מקבילים יש להשתמש (אשר מגביר מורכבות) או שיעור ההופ חייב להיות גבוה מאוד, הצבת דרישות מחמירות על סינתזנטים ורעש שלב.

המונחים: Efficiency

FHSS הוא לא יעיל פחות ספקטרום מאשר מערכות יחיד או של DM המשתמשות רוחב הפס הזמין באופן קבוע. להקות השמירה בין ערוצים לבין הצורך של ניתוח מחזור נמוך להפחית את ניצול הספקטרום היעיל. בסביבות עירוניות בעלות גבוהה, זה יכול להוביל לעומס ותחתית באמצעות חישוב.

ג'ינג Vulnerability

בעוד FHSS מספק התנגדות חזקה נגד צרים פשוטים, ריבמרים מתקדמים יכולים לעקוב אחר רצף ההיגוי אם הם יכולים לזהות את התבנית או אם הרצף הוא פסאודודום אבל ידוע (למשל, ממפרט סטנדרטי). "חכמים" ג'קמרים עשויים להשתמש בטכניקות מעקב תדירות כדי להקיש כל zipm Counterm כולל שיעורי הופ גבוהים מאוד, הצפנה, הסתגלות, ומטמים כי לא כוללים תדרים מופרכים.

עתיד FHSS

עקרונות FHSS ממשיכים להתפתח, מונעים על ידי הצורך בתקשורת אלחוטית יעילה בסביבות צפופות ומתוכסות יותר ויותר.

רדיו קוגניטיבי והתאמה

מערכות FHSS מודרניות הופכות "מכירות" על ידי חשיפת סביבת הרדיו והימנעות דינמיות בתדרים הנכבשים על ידי מכשירים אחרים או מחוסנים.תדירות הסתגלות זו כבר בשימוש ב- Bluetooth כדי למנוע התערבות מ-Wi-Fi. רשתות FHSS קוגניטיביות עתידיות יכולות ללמוד את דפוסי הסביבה ולתאם את מערך ה-FHSS, קצב ההופ, וכושר בזמן אמתי לייעל באמצעות אבטחה ואבטחה.

שילוב עם 5G ו-6G

בעוד שרדיו חדש 5G אינו משתמש ב- FHSS בגלימות הגל הסטנדרטיות שלו (הוא משתמש ב-DMA), יש מחקר על השימוש ב- FHSS כשכבה אבטחה שידורית של רשתות 5G טקטיות או מחוסמות, במיוחד בהקשרים צבאיים או ציבוריים. 6G חזיונות כוללים "טראץ FHSS" עבור שיעור נתונים גבוה מאוד בלהקות תת-THZ, שבו אנטים-מטרים וקיבולת מהירה יכול לספק הסתברות נמוכה של הדבקה נמוכה.

המונחים: Spectrum

כמה מערכות מודרניות משלבות את FHSS עם DSSS או של DM כדי לקבל את הטוב ביותר של שני העולמות.לדוגמה, מערכת היברידית FHSS /DSSS מתפשטת כל הופ עם קוד PN, צובר רווח עיבוד נגד התערבות ועדיין נהנה ממגוון תדר.

מסקנה

תדירות ההוספיג Spectrum היא טכניקה מוכחת אשר אפשרה תקשורת אלחוטית בטוחה, חזקה במשך יותר משמונה עשורים. על ידי החלפת תדירות נושאת על פי רצף פסאודורנט, FHSS מציעה דחייה התערבות חזקה, הסתברות נמוכה של יירוט, וחסד מספר רב של יכולות גישה.היחסים שלה עם מודולציה דיגיטלית הוא משלים: כל פורמט מודולציה מתאימה יותר - FK, PSK, QK, או AMK - לשמש בתוך שילוב של מערכות Bluetooth רלוונטי יותר של אבטחה דיגיטלית של מערכת ההפעלה שלך עם אלגוריתמים של אבטחה מתקדמת יותר של אלגוריתמים של אלגוריתמים רלוונטי יותר.