Как распространение спектра обеспечивает сосуществование нескольких беспроводных технологий

В эпоху, когда беспроводная связь стала столь же важной, как электричество, способность бесчисленных устройств общаться без взаимных помех является не чем иным, как инженерной магией. Технология распространения спектра является основополагающей техникой, которая делает это сосуществование возможным. Первоначально разработанная для военных коммуникаций, чтобы противостоять помехе и подслушиванию, спектр распространения превратился в основу современных беспроводных стандартов, таких как Wi-Fi, Bluetooth и многие протоколы IoT. В этой статье исследуются принципы, типы и реальные приложения спектра распространения, объясняя, как она позволяет нескольким беспроводным технологиям гармонично делиться радиоспектром.

Что такое Spread Spectrum?

Спектр распространения относится к семейству методов модуляции, где передаваемый сигнал распространяется по полосе частот, которая намного шире минимальной полосы пропускания, необходимой для передачи информации. На первый взгляд это кажется расточительным, но техника предлагает глубокие преимущества:

Теоретическая основа распределённого спектра лежит в теореме Шеннона-Хартли, которая гласит, что пропускная способность канала увеличивается с пропускной способностью. Распределение сигнала позволяет работать при более низком соотношении сигнал/шум (SNR) для той же скорости передачи данных. Прирост обработки (отношение распределённой полосы пропускания к исходной полосе пропускания сигнала) количественно определяет способность подавления помех системы распределённого спектра.

Краткая история распространения спектра

Концепция спред-спектра была впервые предложена во время Второй мировой войны актрисой Хеди Ламарр и композитором Джорджем Антейлом. Они запатентовали систему частотного скачка для надежного управления торпедами, используя фортепианный рулон для синхронизации частотных прыжков между передатчиком и приемником. Это изобретение, хотя и на десятилетия опережало свое время, заложило основу для современного спред-спектра.

Во время холодной войны американские военные усовершенствовали спектр прямого последовательного распространения (DSSS) для безопасной связи. Технология оставалась засекреченной до 1980-х годов, когда Федеральная комиссия по связи (FCC) разрешила нелицензированные операции с расширенным спектром в полосах ISM (Промышленные, Научные и Медицинские). Этот нормативный шаг катализировал развитие беспроводных локальных сетей (WLAN) и персональных сетей области (WPAN). Совсем недавно принципы спред-спектра были интегрированы в ортогональное мультиплексирование частотного деления (OFDM), используемое в сотовых системах Wi-Fi 4/5/6 и 4G/5G.

Типы технологий Spread Spectrum

Существует два основных метода распространения спектра, а также гибридные и связанные с ними подходы:

Спектр частотного скачка (FHSS)

В FHSS несущая частота передатчика быстро изменяется в соответствии с псевдослучайной последовательностью, известной как передатчику, так и приемнику. Сигнал занимает другой узкополосный канал в каждом прыжке, но с течением времени он распространяется по всей полосе переключения. Bluetooth является наиболее заметным потребительским приложением FHSS: он перескакивает между 79 каналами в полосе 2,4 ГГц со скоростью 1600 прыжков в секунду. Этот перескакивание делает его чрезвычайно устойчивым к помехам от статических узкополосных источников (например, микроволновая печь) и позволяет нескольким пиконетам Bluetooth сосуществовать в одной и той же области.

Спектр прямого распространения последовательности (DSSS)

DSSS умножает сигнал данных на высокочастотный псевдослучайный шум (PN) код, который распространяет полосу пропускания сигнала. Приемник соотносит входящий сигнал с синхронизированной копией того же кода, чтобы пресечь его обратно к исходному узкополосному сигналу. Прирост обработки равен соотношению скорости чипа (скорости PN-кода) к скорости передачи данных. DSSS используется в оригинальном стандарте 802.11b Wi-Fi (11 Мбит/с на 2,4 ГГц) и в спутниковых передачах GPS. Поскольку разные пользователи могут использовать ортогональные коды распространения, DSSS позволяет код-дивизион множественного доступа (CDMA), широко используемого в сотовых сетях 3G.

Ортогональное мультиплексирование с разделением частот (OFDM) и спектр распространения

Хотя OFDM не является классическим методом распределённого спектра, он разделяет дух распространения данных по нескольким носителям. OFDM делит доступный спектр на множество ортогональных поднесущих, каждая из которых несет поток данных с низкой скоростью. Поскольку длительность символа является длинной относительно типичных многолучевых задержек, OFDM устойчив к затуханию и узкополосным помехам. Современные технологии Wi-Fi (802.11a/g/n/ac/ax) и 4G/5G используют OFDM, часто в сочетании с методами распределённого спектра, такими как дискретный Фурье трансформирует распространение OFDM (DFT-s-OFDM) в LTE восходящей линии связи для снижения отношения пиковой мощности к средней.

Гибридные технологии

Некоторые системы объединяют FHSS и DSSS, такие как физический уровень IEEE 802.11 FHSS (редко используемый сегодня) или военные радиостанции, которые переключают сигналы прямой последовательности для повышения низкой вероятности перехвата.

Как Распространение Спектра Позволяет Сосуществовать

Сосуществование означает, что несколько беспроводных технологий работают в одной и той же частотной полосе, не вызывая неприемлемого ухудшения производительности друг для друга. В диапазонах ISM, особенно в диапазоне 2,4 ГГц, размещается невероятное разнообразие технологий: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Thread, Z-Wave, беспроводные телефоны, микроволновые печи и даже некоторые детские мониторы. Технологии распространения спектра позволяют этим разрозненным системам эффективно обмениваться эфирными волнами.

Механизмы сосуществования

Спектральное распространение снижает плотность пиковой мощности

Распределяя передаваемую мощность по более широкой полосе пропускания, спектральная плотность мощности (PSD) сигнала ниже. Другие приемники, которые не настроены на распространяющийся код, видят только небольшой подъем шумового пола, а не сильный пик, который может насытить их фронтальные усилители. Это & #8220; шумоподобное & #8221; свойство минимизирует помехи узкополосным приемникам.

Частотное разнообразие

Системы FHSS постоянно смещают свою несущую частоту. Если конкретную частоту занимает другой передатчик (скажем, канал Wi-Fi), то бункер остается там лишь на долю миллисекунды, прежде чем перейти на прозрачный канал. Потеря пакета происходит только тогда, когда перепрыжок совпадает с постоянным интерферентором, а механизмы коррекции ошибок могут восстанавливаться после случайных столкновений. Это делает FHSS по своей сути устойчивой к статическим помехам. Например, гарнитуры Bluetooth могут работать в домах, заполненных сигналами Wi-Fi, потому что их быстрый переход избегает длительных конфликтов.

Разделение код-доменов в DSSS/CDMA

Системы DSSS с использованием CDMA позволяют нескольким передатчикам работать на одной частоте в одно и то же время, назначая разные ортогональные или почти ортогональные коды распространения. Приемник может извлекать свой предполагаемый сигнал, соотнося его с правильным кодом, рассматривая другие сигналы как шум. Это было основой сотовых сетей 3G, где многие телефоны одновременно взаимодействуют с базовой станцией с использованием кодов Уолша. Однако в нелицензионной полосе сети CDMA также должны конкурировать с другими типами устройств с расширенным спектром; Wi-Fi с DSSS (802.11b) использует слегка смещенный код для сосуществования с другими, но столкновения по-прежнему требуют протоколов множественного доступа с точки зрения несущей (CSMA).

Роль протоколов контроля среднего доступа (MAC)

Одного только спектра распространения недостаточно; интеллектуальные протоколы MAC необходимы для организации доступа к общей среде. Wi-Fi использует операторский многократный доступ с предотвращением столкновений (CSMA / CA), где устройство слушает перед передачей и использует таймеры обратного отключения для уменьшения столкновений. Bluetooth использует дуплекс разделения времени (TDD) с перескакиванием по частоте, поэтому каждая пара мастер-раба прыгает вместе. Zigbee и Thread используют DSSS с CSMA / CA или слотированными разновидностями. Эти слои MAC используют преимущества надежности помех, обеспечиваемой расширенным спектром, чтобы работать более эффективно, когда сосуществуют несколько технологий.

Сосуществование в диапазоне 2,4 ГГц: практическое исследование

Диапазон ISM 2,4 ГГц, пожалуй, самый перегруженный срез спектра, используемый потребителями. Типичный дом может содержать маршрутизатор Wi-Fi, несколько устройств Bluetooth (телефон, динамик, клавиатура, мышь), интеллектуальный световой хаб Zigbee, микроволновую печь и беспроводной телефон. Понимание того, как спектр распространения позволяет им сосуществовать, поучительно.

Wi-Fi и Bluetooth Coexistence

Wi-Fi (802.11b/g/n) обычно использует DSSS или OFDM с шириной канала 20 МГц или 40 МГц. Bluetooth использует FHSS через 79 каналов 1 МГц при 1600 прыжках/с. Вероятность того, что Bluetooth-хоп попадает в занятый канал Wi-Fi в данный момент составляет около 20/79 ~ 25%, если присутствует канал Wi-Fi 20 МГц. Когда происходит столкновение, пакеты Bluetooth могут быть потеряны, но адаптивный скачок частоты (AFH), введенный в Bluetooth 1.2, позволяет устройствам отмечать плохие каналы (те, которые заняты Wi-Fi) и избегать их. Современные чипы Bluetooth также могут координировать с радиостанциями Wi-Fi через арбитраж трафика пакетов (PTA) для планирования передачи во времени. Это динамическое сосуществование возможно, потому что обе технологии используют распределённый спектр: Bluetooth прыгает от помех, в то время как OFDM или DSSS Wi-Fi сопротивляется узкополосным всплескам.

Zigbee и Wi-Fi Coexistence

Zigbee (IEEE 802.15.4) работает в полосе 2,4 ГГц с использованием DSSS с модуляцией O-QPSK, передавая по 16 каналам 2 МГц каждый, разнесенный на 5 МГц. Его низкая скорость передачи данных (250 кбит/с) и низкий рабочий цикл делают его менее агрессивным, чем Wi-Fi, но помехи от Wi-Fi могут сильно влиять на надежность Zigbee. Сети Zigbee часто реализуют гибкость канала: координатор может обнаруживать высокие помехи на канале и перемещать всю сеть на более чистый канал. Zigbee также использует CSMA/CA, чтобы избежать столкновений с другими передатчиками. Характер спреда Zigbee (DSSS с 8-чиповым распространением) обеспечивает около 9 дБ усиления обработки, что помогает отклонять узкополосные сигналы Wi-Fi, но разница в уровне мощности (Wi-Fi передает до 20 дБм, Zigbee часто на 0 дБм) означает, что приемники Zigbee могут быть десенсибилизированы, если сигнал Wi-Fi

Микроволновые печи

Микроволновые печи излучают сильные, немодулированное узкополосное помехи, центрированные на 2,45 ГГц (резонансная частота молекул воды). Помехи могут занимать несколько мегагерц. Частотный переключатель Bluetooth позволяет избежать этого, прыгая в другие каналы (за исключением тех, которые совпадают с утечкой печи). Системы Wi-Fi OFDM с каналами 20 МГц все еще могут функционировать, если печь влияет только на несколько поднесущих; коррекция ошибок вперед и перемешивание могут восстанавливать потерянные биты. Врожденное разнообразие частот спектра является ключом к поддержанию связи даже при работе микроволновой печи.

Преимущества и ограничения спектра распространения

Преимущества

Ограничения

Будущие тенденции: распространение спектра за пределы сосуществования

Принципы распределённого спектра продолжают развиваться. В 5G и 6G массивное MIMO и формирование луча можно рассматривать как форму пространственного распространения. Когнитивные радиосистемы используют распределённый спектр для агрегирования фрагментированных белых пространств спектра. Ультраширокополосная (UWB) технология передает чрезвычайно короткие импульсы по обширной полосе пропускания (>500 МГц), сродни системе прямой последовательности с огромным приростом обработки; она используется для высокоточного позиционирования в помещении (например, Apple AirTag) и будет играть роль в будущем автомобильном бесключевом входе.

Интернет вещей (IoT) вызывает интерес к сетям с малой мощностью (LPWAN), таким как LoRa, который использует технологию спреда диапазона чирпа (CSS) для связи на большие расстояния с малой мощностью. CSS модулирует данные как восходящие или нисходящие чирпы, которые распределяют энергию во времени и частоте, обеспечивая существенный прирост обработки для преодоления помех и потери пути. Это позволяет датчикам общаться на протяжении километров с очень низкой мощностью.

Наконец, разделение спектра между лицензированными и нелицензионными системами (например, 5G в диапазоне 6 ГГц или CBRS в диапазоне 3,5 ГГц) требует сложных методов сосуществования, которые заимствуют из философии распределённого спектра & #8212; прослушивание перед разговором, выбор канала и адаптивное управление мощностью.

Заключение

Технология распространения спектра — это не просто историческое любопытство; это невидимый источник беспроводного мира, в котором мы живем. Благодаря преднамеренному распространению сигналов по широким диапазонам инженеры создали системы, которые могут сосуществовать в одном спектре без разрушительных помех. От наушника Bluetooth с частотным переходом до маршрутизатора Wi-Fi, обеспечивающего высокоскоростной интернет, от лампочек Zigbee до спутников GPS над головой, спектр распространения гарантирует, что наши устройства могут говорить, слушать и делиться воздухом. По мере того, как спектр становится все более переполненным и требования к подключению растут, методы, впервые примененные десятилетия назад, будут продолжать адаптироваться, гарантируя, что невидимая инфраструктура современной жизни надежно работает для всех.

Для дальнейшего чтения см. правила FCC по распределённому спектру в полосах ISM, стандарт IEEE 802.11 и спецификацию ядра Bluetooth.