Роль спектра распространения в создании устойчивых сетей экстренной связи

Сети экстренной связи: почему устойчивость имеет значение

Когда происходят бедствия — будь то землетрясения, ураганы, лесные пожары или акты террора — первая жертва часто является надежной связью. Сотовые башни разрушаются, энергосистемы выходят из строя, а наземная инфраструктура становится насыщенной или разрушенной. В эти критические моменты службы быстрого реагирования, медицинские команды и координационные агентства зависят от сетей связи, которые не только доступны, но и устойчивы к помехам, помехам и деградации сигнала. Сети экстренной связи должны быть построены на технологиях, которые могут работать во враждебной радиочастотной среде (RF) и поддерживать высокую плотность пользователей одновременно. Одной из таких основополагающих технологий является связь с широким спектром. Первоначально разработанный для военной тайны и борьбы с помехами, спектр распространения стал основой устойчивых систем экстренной связи во всем мире.

Что такое технология Spread Spectrum?

Основной принцип

Спектр распространения — это метод передачи, в котором энергия сигнала намеренно распространяется по гораздо более широкой полосе частот, чем минимальная полоса пропускания, необходимая для передачи данных. Это распространение достигается путем модуляции сигнала псевдослучайным кодом, известным как передатчику, так и приемнику. Результатом является передача, которая выглядит как фоновый шум для непреднамеренных приемников, в то время как авторизованные приемники могут распространять сигнал для восстановления исходной информации. Двумя доминирующими формами спектра распространения являются Частотный скачок спектра спреда (FHSS) и Прямой спектр секвенирования (DSSS) .

Спектр частотного скачка (FHSS)

В FHSS частота несущей быстро изменяется — или «перескакивает» — среди многих различных частот в псевдослучайной последовательности. Приемник синхронизируется с передатчиком и следует тому же шаблону перескакивания. Узкополосный интерферер может влиять только на небольшую часть передачи, и что потерянные данные могут быть исправлены посредством прямой коррекции ошибок. FHSS особенно надежен против преднамеренного помех, потому что помеху нужно будет покрыть всю полосу перекачки высокой мощностью, что часто непрактично. FHSS используется в Bluetooth, в некоторых устаревших Wi-Fi (IEEE 802.11 FHSS) и во многих военных радиостанциях.

Спектр прямого распространения последовательности (DSSS)

DSSS умножает поток данных высокочастотным псевдослучайным кодом (чиппинг-последовательность). Полученный сигнал занимает широкую полосу пропускания — часто десятки мегагерц. На приемнике тот же код используется для корреляции и восстановления исходных данных. DSSS обеспечивает усиление обработки , что является отношением разбросанной полосы пропускания к исходной полосе пропускания данных. Высокий прирост обработки делает сигнал чрезвычайно устойчивым к узкополосным помехам, а также позволяет нескольким пользователям совместно использовать одну и ту же полосу частот с использованием ортогональных или псевдоортогональных кодов — основа Code Division Multiple Access (CDMA), используемая в мобильных сетях 3G и GPS.

Исторический контекст

Концепции спред-спектра восходят к началу 1940-х гг. Актриса Хеди Ламарр и композитор Джордж Антейл запатентовали схему частотного переключения, предназначенную для защиты сигналов наведения торпеды от помех. Их работа, изначально отвергнутая, стала основой для современных FHSS. Позже DSSS был усовершенствован для спутниковой связи и военного использования. Сегодня принципы спред-спектра внедрены в бесчисленные гражданские и военные системы, и они особенно важны для сетей экстренной связи, которые должны работать в деградированных условиях.

Как спектр распространения улучшает экстренную связь

Технология расширительного спектра обеспечивает множество функций, которые непосредственно отвечают уникальным требованиям сетей экстренной связи:

Сопротивление помехе

В зоне бедствия радиоспектр загроможден передачами от различных агентств, коммерческими трансляциями, случайными помехами, а иногда и преднамеренными помехами. Сигналы спектра распространения — через FHSS-перепрыгивание или усиление обработки DSSS — могут эффективно «уклоняться» или «преодолевать» узкополосные помехи. Например, радио FHSS, которое сталкивается с мощным интерферером на одном прыжке, только теряет этот короткий всплеск; остальная часть сообщения поступает неповрежденной. Приемники DSSS могут отменять интерфераторы, используя адаптивную фильтрацию или просто питание через них, потому что желаемый сигнал распространяется по такой широкой полосе, что энергия интерферера составляет небольшую долю от общего шумового пола.

Низкая вероятность перехвата и обнаружения (LPI/LPD)

Безопасность имеет первостепенное значение в чрезвычайных операциях, особенно при координации чувствительных планов спасения. Сигналы спектра распространения, по замыслу, имеют спектральную плотность низкой мощности - они часто смешиваются с окружающим шумом. Подслушивающий сканирующий спектр не увидит сильного, узкого пика; вместо этого сигнал появляется как небольшое увеличение шумового дна. Без знания псевдослучайного кода (последовательность скачков или код чипирования) противник не может демодулировать передачу. Это делает спектр распространения идеальным для скрытых коммуникаций в враждебных или оспариваемых средах.

Во время крупного инцидента многие агентства — полиция, пожарная служба, EMS, коммунальные службы, военные — должны общаться одновременно без взаимных помех. Расширенный спектр позволяет нескольким пользователям совместно использовать одну и ту же частотную полосу. В сетях FHSS каждый пользователь может использовать различную последовательность переключения (или другое время смещения одной и той же последовательности), чтобы избежать столкновений. В сетях DSSS / CDMA каждому пользователю присваивается уникальный код; приемник может разделять пользователей на основе корреляции кода. Эта возможность имеет решающее значение для координации крупномасштабных командных структур инцидента.

Применение в сетях аварийной и общественной безопасности

Системы наземного мобильного радио (LMR)

Многие профессиональные стандарты LMR, такие как Project 25 (P25)] в Северной Америке и TETRA (Terrestrial Trunked Radio) в Европе, включают технологии спред-спектра. В то время как P25 Phase 1 использует узкополосные FDMA, более поздние фазы и многие проприетарные системы используют DSSS или FHSS для повышения безопасности и пропускной способности. Эти радиостанции являются основой связи полиции, пожарной и скорой помощи. Их возможности спред-спектра гарантируют, что даже в среде с высоким уровнем помех, первые ответчики могут слышать критические инструкции.

Спутниковая связь для реагирования на стихийные бедствия

Спутники часто являются единственными соединениями, оставшимися после разрушения наземной инфраструктуры. Такие системы, как Iridium (которые используют TDMA/FDMA с расширенным спектром для некоторых нисходящих линий связи), Globalstar и Inmarsat полагаются на распределённый спектр для борьбы с проблемами распространения на большие расстояния и для предоставления нескольким пользователям доступа к ограниченной пропускной способности спутниковых транспондеров. Портативные спутниковые терминалы, используемые FEMA, Красным Крестом и подразделениями военной помощи, используют DSSS для поддержания связей даже под листвой или в сильный дождь.

Радио и EmComm (Экстренная связь)

Радиолюбители являются волонтерской основой для экстренной связи во всем мире. Они используют такие режимы, как PACTOR, WINLINK и PSK31, многие из которых включают в себя расширительный спектр или расширительно-спектральную модуляцию. Широкополосная природа помогает им работать на переполненных диапазонах HF и VHF при уважении общего спектра. Некоторые современные любительские цифровые режимы, такие как FT8 (хотя технически не раскрывают спектр в классическом смысле), используют методы, подобные частотному переключению, для слабосигнальной связи.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и дроны

Дроны все чаще используются для разведки и ретрансляции связи в зонах бедствия. Их радиосвязь должна противостоять помехам и помехам, а спектр распространения является технологией выбора. FHSS особенно популярен в потребительских и коммерческих контроллерах беспилотников, чтобы избежать столкновений и поддерживать целостность связи в переполненных диапазонах 2,4 ГГц или 5,8 ГГц. Военные и беспилотные летательные аппараты используют DSSS с более высоким коэффициентом обработки для более безопасных соединений на более дальнем расстоянии.

Сети первого и следующего поколений

FirstNet (First Responder Network Authority) в США строит выделенную сеть LTE/5G для общественной безопасности. В то время как LTE полагается на OFDMA (который не является классическим спектром распространения), многие аварийные системы Next-Gen изучают когнитивное радио и адаптивные методы спектра распространения , которые динамически изменяют полосу пропускания и частоту, чтобы избежать помех и повысить устойчивость. Концепции спектра распространения также встроены в физический слой некоторых диапазонов LTE, где требуется отторжение узкополосных помех.

Проблемы и ограничения распространения спектра в аварийных сетях

Несмотря на свои сильные стороны, распределённый спектр не является панацеей. Инженеры и системные дизайнеры должны решить несколько проблем:

• Распределение сигнала по широкому диапазону потребляет драгоценный спектр. В перегруженных городских районах найти непрерывную четкую полосу пропускания становится все труднее. Регулирующие органы, такие как FCC, должны выделять выделенный или общий спектр для аварийного использования.
• Потребление энергии: Передатчики и приемники DSSS требуют большей вычислительной мощности — корреляторы, быстрые преобразования Фурье, высокоскоростные цифровые-аналоговые преобразователи — по сравнению с простыми узкополосными радиостанциями.
• Сложность синхронизации: И FHSS, и DSSS требуют точной синхронизации времени между передатчиком и приемником.В экстренной ситуации получение начальной синхронизации может быть отложено, а поддержание синхронизации во время быстрого движения или отсева сигнала является сложной задачей.
• Помехи в работе других систем: Высокомощный сигнал DSSS может поднять шум для пользователей узкополосных сетей в той же полосе.Тщательная координация и управление питанием необходимы, чтобы избежать вреда другим критически важным службам.
• Лицензирование и регламентирующие ограничения: Некоторые диапазоны с расширенным спектром (например, диапазоны ISM) не требуют лицензии, но имеют ограничения по мощности. Чрезвычайным системам могут потребоваться специальные разрешения для работы на более высокой мощности или в защищенном спектре.