In un'epoca in cui la connettività wireless è diventata essenziale come l'elettricità, la capacità di innumerevoli dispositivi di comunicare senza interferenze reciproche non è niente a meno della magia ingegneristica. La tecnologia dello spettro di diffusione è la tecnica fondamentale che rende possibile questa coesistenza. Originariamente sviluppato per le comunicazioni militari per resistere a jamming e intercettazioni, lo spettro di diffusione si è evoluto nella spina dorsale di moderni standard wireless come Wi-Fi, Bluetooth e molti protocolli IoT.

Che cos'è Spread Spectrum?

Lo spettro di diffusione si riferisce a una famiglia di tecniche di modulazione in cui il segnale trasmesso è diffuso su una banda di frequenza che è molto più ampia della larghezza di banda minima necessaria per portare le informazioni.

  • Resistenza all'interferenza:[] Diffondando energia attraverso una banda larga, gli interruttori a banda stretta influenzano solo una piccola porzione del segnale, che può essere recuperato tramite il processo di dispersione.
  • Multiple access:[] Gli utenti multipli possono condividere lo stesso spettro contemporaneamente utilizzando diversi codici di diffusione (divisione codice accesso multiplo).
  • Sicurezza e bassa probabilità di intercettazione:[ Il segnale appare come rumore-come per i ricevitori non conoscendo il codice di diffusione.

La base teorica dello spettro di diffusione è nel teorema di Shannon-Hartley, che afferma che la capacità del canale aumenta con la larghezza di banda. La diffusione del segnale permette l'operazione ad un rapporto segnale-rumore inferiore (SNR) per la stessa velocità di dati. Il guadagno di elaborazione[] (il rapporto tra larghezza di banda di diffusione e larghezza di banda di segnale originale) quantificare lo spettro di interferenza di interferenza di interferenza di interferenza di interferenza.

Una breve storia di spettro di sparti

Il concetto di spettro di diffusione è stato pionieristico durante la seconda guerra mondiale dall'attrice Hedy Lamarr e compositore George Antheil. Hanno brevettato un sistema di frequenza per guidare i siluri in modo sicuro, utilizzando un rotolo di pianoforte per sincronizzare l'hops di frequenza tra tra trasmettitore e ricevitore.

Durante la guerra fredda, l'esercito americano ha raffinato lo spettro di diffusione della sequenza diretta (DSSS) per comunicazioni sicure. La tecnologia è rimasta classificata fino agli anni '80 quando la Commissione Federal Communications (FCC) ha permesso operazioni di spettro non licenza nelle bande ISM (Industrial, Scientific e Medical).

Tipi di tecniche di spettro di diffusione

Ci sono due tecniche principali dello spettro di diffusione, insieme ad approcci ibridi e correlati:

Spettro di diffusione di frequenza (FHSS)

In FHSS, la frequenza del trasmettitore cambia rapidamente secondo una sequenza pseudo-radica conosciuta sia per il trasmettitore che per il ricevitore. Il segnale occupa un canale a banda stretta diverso ad ogni hop, ma visto nel tempo si diffonde attraverso l'intera banda di hopping. Bluetooth è l'applicazione di consumo più prominente di FHSS: si può passare tra 79 canali nella banda 2.4 GHz ad una velocità di 1.600 hops al secondo.

Spettro di diffusione della sequenza diretta (DSSS)

DSSS moltiplica il segnale di dati tramite un codice pseudo-raggio ad alta velocità (PN), che diffonde la larghezza di banda del segnale. Il ricevitore correla il segnale in arrivo con una copia sincronizzata dello stesso codice per disdire il segnale della banda stretta originale. Il guadagno di elaborazione è pari al rapporto della velocità di chip (tasso del codice PN) alla velocità di dati.

Frequenza ortogonale-Division Multiplexing (OFDM) e spettro di diffusione

Anche se OFDM non è una tecnica di spettro di diffusione classica, condivide lo spirito di diffusione dei dati su più vettori. OFDM divide lo spettro disponibile in molti subcarrieri ortogonali, ciascuno con un flusso di dati a basso tasso. Poiché la durata del simbolo è lunga rispetto ai tipici ritardi multipath, OFDM è robusto contro le interferenze di disco e banda stretta.

Tecniche ibride

Alcuni sistemi combinano FHSS e DSSS, come lo strato fisico IEEE 802.11 FHSS (raramente usato oggi) o le radio militari che avvolgono segnali di sequenza diretta per una maggiore probabilità di intercettazione bassa.

Come lo spettro di spargimento abilita la coesistenza

La coesistenza significa molteplici tecnologie wireless che operano nella stessa banda di frequenza senza causare un degrado delle prestazioni inaccettabile l'una per l'altra. Le bande ISM, in particolare la banda 2.4 GHz, ospitano un'incredibile varietà di tecnologie: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Thread, Z-Wave, telefoni senza fili, forni a microonde e persino alcuni monitor per bambini.

Meccanismi della convivenza

La distribuzione spettrale riduce la densità di potenza del picco

La diffusione della potenza trasmessa su una larghezza di banda più ampia, la densità spettrale di potenza (PSD) del segnale è inferiore. Altri ricevitori che non sono sintonizzati al codice di diffusione vedono solo un leggero aumento del rumore pavimento, piuttosto che un forte picco che potrebbe saturare i loro amplificatori di front-end.

Diversità di frequenza

Se una particolare frequenza è occupata da un altro trasmettitore (si dice un canale Wi-Fi), la tramoggia rimane lì solo per una frazione di un millisecondo prima di passare a un canale chiaro. La perdita di pacchetto si verifica solo quando l'hop coincide con un interruttore persistente, e i meccanismi di correzione di errore possono recuperare da collisioni occasionali.

Separazione del codice-dominio in DSSS/CDMA

I sistemi DSSS che utilizzano CDMA consentono ai trasmettitori multipli di operare contemporaneamente alla stessa frequenza assegnando diversi codici di diffusione ortogonali o quasi ortogonali. Il ricevitore può estrarre il suo segnale previsto correlando al codice corretto mentre trattava altri segnali come rumore.

Il ruolo dei protocolli di controllo dell'accesso medio (MAC)

Wi-Fi utilizza il vettore percepire l'accesso multiplo con l'evitazione di collisione (CSMA/CA), dove un dispositivo ascolta prima di trasmettere e utilizza timer di backoff per ridurre le collisioni. Bluetooth utilizza le tecnologie di time-division duplex (TDD) con l'accoppiamento di frequenza, quindi ogni master-slave coppia hops insieme.

Coesistenza nella banda 2.4 GHz: un pratico studio di casi

La banda ISM da 2,4 GHz è forse la fetta più congestionata di spettro utilizzata dai consumatori. Una famiglia tipica potrebbe contenere un router Wi-Fi, diversi dispositivi Bluetooth (telefono, altoparlante, tastiera, mouse), un hub di luce intelligente Zigbee, un forno a microonde e un telefono senza cordone.

Wi-Fi e Bluetooth Coesistenza

Wi-Fi (802.11b/g/n) utilizza in genere DSSS o OFDM con una larghezza di canale 20 MHz o 40 MHz. Bluetooth utilizza FHSS attraverso 79 canali 1 MHz a 1.600 hops / s. La probabilità che un hop Bluetooth cada in un canale Wi-Fi occupato in un dato istante è di circa 20/79 ≈ 25% se è presente un canale Wi-Fi a 20 MHz.

Coesistenza di Zigbee e Wi-Fi

Il canale di distribuzione di cavità di trasmissione di Zip-BDS è spesso in grado di gestire la rete di distribuzione di 2 MHz.

Forno a microonde

I forni a microonde emettono forti interferenze a banda stretta ondulata centrate a 2.45 GHz (la frequenza risonante delle molecole d'acqua). L'interferenza può occupare diversi megahertz. L'oscillazione di frequenza di Bluetooth evita questo saltando in altri canali (tranne quelli che coincidono con la perdita del forno).

Vantaggi e limitazioni dello spettro di spartito

Vantaggi

  • Rifiuto di interferenza:[ Il guadagno di elaborazione fornisce l'immunità agli interruttori a banda stretta.
  • Multiple accessability:[] I sistemi di codifica consentono a molti utenti simultaneamente.
  • bassa probabilità di intercettare / cancellare:[] I segnali di diffusione appaiono come rumore per i ricevitori non voluti.
  • Graziosa degradazione: Come aumenta l'interferenza, la produttività del sistema o la qualità della voce diminuisce gradualmente piuttosto che cadere bruscamente.
  • Buone prestazioni multipath:[] In DSSS, i segnali riflessi che arrivano con ritardo possono essere risolti utilizzando i ricevitori rake, trasformando il multipath da un danno in una fonte di diversità.

Limitazioni

  • Inefficienza della larghezza di banda quando gli utenti sono pochi: Spreading rifiuti risorse spettrali se l'obiettivo è alto tasso di dati di picco per un singolo utente. I sistemi moderni utilizzano OFDM senza diffondersi per raggiungere l'alta efficienza spettrale, quindi re-introdurre la diffusione per la capacità (come CDMA) solo quando necessario.
  • Near-far problem in DSSS/CDMA:[ Un forte trasmettitore vicino al ricevitore può sopraffare il segnale debole da un trasmettitore lontano a meno che non venga impiegato il controllo di potenza.
  • Complessità di sincronizzazione:[ I ricevitori devono acquisire e monitorare il codice di diffusione, che richiede correlatori sofisticati e algoritmi di acquisizione.
  • I vincoli regolamentari:[] Alcune bande richiedono l'uso di specifiche tecniche di spettro di diffusione (ad esempio, la banda ISM 2.4 GHz originariamente mandato spettro di diffusione o di frequenza hopping), ma le regole successive hanno permesso OFDM e altre modulazioni.

Tendenze future: Sparare Spettro oltre la coesistenza

In 5G e 6G, il massiccio MIMO e il teletrasporto possono essere visti come una forma di diffusione spaziale. I sistemi di radioscopia cognitiva utilizzano lo spettro di diffusione per aggregare gli spazi bianchi dello spettro frammentato. Il sistema di guadagno ultra-larghezza (UWB)]] la tecnologia trasmette impulsi estremamente brevi attraverso una vasta banda (> Apple-preque future)

Internet of Things (IoT) sta guidando l'interesse verso reti di ampia area a bassa potenza (LPWANs) come LoRa, che utilizza una tecnica di spettro di diffusione del chirp (CSS) per la comunicazione a lungo raggio, a bassa potenza.

Infine, la condivisione dello spettro tra sistemi licenziati e non autorizzati (ad esempio, 5G nella banda 6 GHz, o CBRS in 3.5 GHz) richiede tecniche di coesistenza sofisticate che prendono in prestito dalla filosofia dello spettro di diffusione & #8212; l'ascolto prima di parlare, la selezione dei canali e il controllo di potenza adattativa.

Conclusioni

La tecnologia dello spettro di diffusione non è solo una curiosità storica; è il perito invisibile del mondo wireless in cui viviamo. Con la diffusione voluta di segnali su bande larghe, gli ingegneri hanno creato sistemi che possono coesistere nello stesso spettro senza interferenze distruttive.

Per ulteriori letture, vedere le regole FCC sullo spettro di diffusione nelle bande ISM, lo standard IEEE 802.11 e la specifica core Bluetooth.