Spread-Spectrum-Verfahren

Einführung

In diesem Artikel befassen wir uns mit der Spread-Spectrum-Technologie und den verschiedenen dabei verwendeten Verfahren.

Spread Spectrum ist eine zusätzliche Stufe im Modulationsprozess, die ein Signal erzeugt, das ein Vielfaches der Bandbreite des ursprünglichen Signals belegt. Auch wenn dies zunächst widersprüchlich erscheinen mag, bietet diese Methode Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren.

Die bekanntesten Spread-Spectrum-Verfahren sind Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) und Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS).

Kommunikation über Kanäle

Bei der Funkkommunikation sendet der Nutzer ein Signal, z. B. auf 434,075 MHz. Um das Signal zu empfangen, muss der Empfänger auf dieselbe Frequenz eingestellt werden.

Wenn Nutzer einfach auf beliebigen Frequenzen senden würden, wäre die Kommunikation aufgrund von Störungen unmöglich. Deshalb legen wir Zeitfenster oder Kanäle fest, um einen Kanalplan zu erstellen. So kann ein Funkmodul mit beispielsweise 32 wählbaren Kanälen ausgestattet werden.

Nachteile der Nutzung von Kanälen

Das Vermeiden von Störungen mit Hilfe von Frequenzkanälen wird als Frequency Division Multiplexing (FDM) bezeichnet, dies ist eine Möglichkeit, mehrere Kanäle in einem Frequenzband zu nutzen. Solange sich die Signale nicht überlappen, stören sie sich nicht gegenseitig.

Diese Konfiguration ist jedoch nicht perfekt.

Mehrere Funkgeräte im selben Bereich

Stellen wir uns vor, es gibt 2 Systeme (TX1-RX1 and TX2-RX2).

Bei mehreren Funkgeräten im selben Bereich treten Probleme auf, wenn Kanäle verwendet werden. Empfänger sind nicht ganz ideal und die Wahrscheinlichkeit von Störungen steigt, wenn in engeren Räumen mehr Kanäle genutzt werden. In der Abbildung befindet sich RX1 in der Reichweite von TX1, und die Kommunikation verläuft normal. Ein anderer Sender (TX2) befindet sich jedoch näher an RX1 und beginnt, auf demselben oder einem benachbarten Kanal zu senden.

Die Kommunikation zwischen TX1 und RX1 wird dauerhaft beeinträchtigt.

Die Nutzung eines Kanalsystems setzt voraus, dass sich die Nutzer darüber einigen, welche Kanäle von wem genutzt werden sollen.

Abhören von Signalen

Wenn Funkgeräte auf festgelegten Frequenzkanälen senden, bedeutet dies, dass jeder, der über einen Empfänger verfügt, der auf diese Frequenz eingestellt werden kann, dieses Signal empfangen und demodulieren kann. Dabei können verschiedene Situationen auftreten.

Beispielsweise kann ein Empfänger das gesamte Signal erfassen oder aufzeichnen. Die Möglichkeit, das Signal wiederzugeben, kann eine Kommunikationsverbindung für Angriffe anfällig machen. Darüber hinaus ermöglicht die Kenntnis des Kommunikationsprotokolls des Systems jedem, der nicht zu den vorgesehenen Empfängern gehört, den Zugriff auf sensible Informationen.

Umgebung

Multipath-Ausbreitung bezeichnet Wellen, die verschiedene Wege zum Empfänger nehmen und dabei konstruktive und destruktive Interferenzen verursachen.

Zwei-Wege-Modell

Nehmen wir das vereinfachte Beispiel mit zwei Wellen (eine direkte und eine reflektierte). Beide treffen phasengleich (0°) beim Empfänger ein, wobei sich ihre Wellenlängen addieren und eine stärkere Welle erzeugen, oder beide sind gegenphasig (180°), sodass sich die Wellenlängen aufheben und eine Auslöschung entsteht. Da die Wellenlänge eine Rolle spielt, variiert der Effekt über alle Frequenzkanäle hinweg.

Mehr Informationen zum Zwei-Wellen-Modell finden Sie im Punkt „2-Wege-Modell“ im Artikel „Ausbreitung von Funkwellen“..

Störungen von anderen Funksystemen

Ein Problem stellen andere Funksysteme dar, die ähnliche Frequenzen nutzen. Wenn keine Protokolle für die Nutzung des Frequenzbands vorhanden sind (beispielsweise die Überprüfung, ob der Kanal frei ist, bevor gesendet wird), müssen die Nutzer jegliche Störungen durch andere Geräte hinnehmen. Um Störungen zu vermeiden, ist es wichtig, dass alle Nutzersysteme dasselbe Protokoll befolgen.

Wie hilft Spread Spectrum, diese Probleme zu überwinden?

Was ist Spread Spectrum?

Wenn wir in einem Kanalsystem alle übertragenen Signale auf einen bestimmten Frequenzbereich beschränken, wird dadurch zwangsläufig eine Obergrenze für die Frequenzabweichung und damit für die Datenrate festgelegt.

Beim Spread-Spectrum-Verfahren hingegen wird die Bandbreite nicht in gleicher Weise begrenzt, sodass das resultierende Sendesignal eine größere Bandbreite aufweist als das erforderliche Minimum.

Frequency Hopping Spread Spectrum

Beim Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) wechselt der Sender ständig die Trägerfrequenz und das Signal „springt“ von einer Frequenz zur anderen. Obwohl die Bandbreite bei jedem Sprung unverändert bleibt, erstreckt sich der Frequenzsprung über einen weiten Frequenzbereich, sodass das Signal insgesamt breitbandig ist.

Hopping-Sequenz

Die Hopping-Sequenz beschreibt, wie Sender und Empfänger von einer Frequenz zur nächsten wechseln. Eine Methode besteht darin, einen Startwert zu verwenden, um den nächsten Frequenzsprung zu bestimmen. Dieser Startwert ist nur dem jeweiligen Sender und Empfänger bekannt.

Sender- und Empfängersynchronisation

Damit eine Kommunikation stattfinden kann, muss auch unser Empfänger seine Frequenz an die des Senders anpassen. Sobald die Synchronisation hergestellt ist, muss sie für eine unterbrechungsfreie Kommunikation aufrechterhalten werden, wobei Mechanismen vorhanden sein müssen, um sie automatisch wiederherzustellen, falls sie vorübergehend unterbrochen wird.

Störungen

Jede Frequenzkollision zwischen Sendern kann zu Datenverlust führen. Beim Frequenzhopping ist die Kollision nur von kurzer Dauer, sodass das System verlorene Daten mithilfe sekundärer Methoden wie Fehlerkorrektur usw. wiederherstellen kann. Die Hopping-Sequenzen werden so weit wie möglich zufällig gestaltet, um Kollisionen zwischen Sendern zu minimieren, wobei moderne Systeme in der Lage sind, ihre Hopping-Sequenz an die umgebenden Frequenzen in der Umgebung anzupassen.

Man könnte meinen, dass die Verwendung derselben Hopping-Sequenz für alle Sender (wie im zweiten Diagramm dargestellt) ebenfalls funktionieren würde. Durch die Synchronisation werden die Sequenzen voneinander getrennt, sodass es zu keiner Überlappung kommt; ohne diese Synchronisation können sich beide Sequenzen vollständig überlagern, sodass es zu Kollisionen kommt.

Vorteile des FHSS-Verfahrens

• Da der Kanalwechsel automatisch von Sender und Empfänger durchgeführt wird, muss der Benutzer keine Kanäle suchen oder verwalten. Dies vereinfacht die Bedienung und gewährleistet eine unterbrechungsfreie Kommunikation, da kein Kanalwechsel erforderlich ist.
• Da es nur dann zu Störungen kommt, wenn zwei Sender vorübergehend dieselbe Frequenz nutzen, verringert sich insgesamt das Ausmaß der Störungen zwischen den verschiedenen Sendern.
• Aufgrund der Schwankungen bei Frequenz und Wellenlänge werden Multipath-Effekte durch das Springen über das gesamte Band hinweg ausgeglichen, anstatt sich auf eine einzige Frequenz zu verlassen.
• Das Abfangen des Signals ist unmöglich, wenn man die genaue Hopping-Sequenz, die im Sender und Empfänger verwendet wird, nicht kennt.

Direct Sequence Spread Spectrum

Beim Direct-Sequence-Spread-Spectrum-Verfahren (DSSS) wird unser Signal mit einem PN-Code multipliziert, dessen Übertragungsrate deutlich höher ist als die Datenbitrate.

Spreizung

Betrachten wir das folgende Beispiel, in dem unsere Nachricht einer gewöhnlichen Schmalbandmodulation unterzogen wird. Zur Veranschaulichung verwenden wir PSK (da ein „-1“ oder „1“ den Träger lediglich um 180° dreht). Im Sender multiplizieren wir die Nachricht mit einem PN-Code, dessen Signalrate (Chiprate) deutlich höher ist als die der Nachricht.

Beachten Sie, dass die folgende PN eine Länge von 7 Chips pro Nachrichtenbit hat; andere Werte sind 15, 31 oder 63. Es gibt nun mehr Übergänge, und man sagt, das Signal werde vom Sender gespreizt.

Durch die Spreizung „verteilt“ sich unser Signal über eine größere Bandbreite als zuvor. Da die Energie nun über einen größeren Frequenzbereich verteilt ist, nimmt die Energie pro Frequenzeinheit entsprechend ab. Dadurch wird die Übertragung weniger auffällig und besser verborgen.

Der Grad der Spreizung (oder der Abweichung im Zusammenhang mit dem Spreizspektrumverfahren) wird durch die Anzahl der Chips bestimmt. Die Vorteile des Spread-Spectrum-Verfahrens kommen erst dann zum Tragen, wenn die Spreizung breit ist, was bedeutet, dass man das Frequenzband auf relativ große Bandbreiten ausweiten muss. Wäre die Spreizung nur geringfügig, wäre das gesendete Signal lediglich eine weitere, weniger effiziente Form des Schmalbandbetriebs ohne jeglichen Nutzen.

 

Entspreizung

Nach dem Empfang des gespreizten Signals durch den Empfänger wird dieses mit einer lokal erzeugten PN-Sequenz multipliziert, die mit der des Senders identisch und synchronisiert ist. Durch den Entspreizungsprozess werden die ursprüngliche Bandbreite und der ursprüngliche Signalpegel wiederhergestellt, sodass der Empfänger die ursprüngliche Nachricht demodulieren und wiederherstellen kann.
Das Verhältnis der gespreizten Bandbreite zur ungespreizten Bandbreite wird als Spreizgewinn bezeichnet.
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Vorteile des DSSS-Verfahrens

• Da das gespreizte Signal dem Umgebungsrauschen ähnelt, ist das Signal für andere Nutzer weniger sichtbar.
• Die Energie eines gespreizten Signals ist viel stärker über den Frequenzbereich verteilt, sodass der größte Teil des Signals in einem normalen Empfänger ignoriert und herausgefiltert wird, was dessen Wirkung mindert.
• Höhere Empfindlichkeit durch die Möglichkeit, das Signal aus dem Rauschen herauszufiltern (Verarbeitungsgewinn). Dies ist nur möglich, wenn der Empfänger denselben Spreizcode verwendet; daher ist Mehrfachzugriff (CDMA) möglich, da die Nutzer durch eindeutige Spreizcodes voneinander getrennt werden können – sofern zwischen den Codes Orthogonalität besteht.
• Das DSSS-Signal kann nur mit dem identischen Spreizcode entschlüsselt werden, wodurch das Abhören verhindert wird.
• Ein DSSS-Empfänger ist aufgrund der Redundanz der zusätzlichen Chips störungsunempfindlich; selbst wenn ein einzelner Chip durch Rauschen beeinträchtigt wird, bleiben genügend Chips intakt, sodass der Empfänger das richtige Nachrichtenbit statistisch ermitteln kann.

Für welche Variante sollten Sie sich also entscheiden?

FHSS vermeidet oder minimiert Frequenzkollisionen durch das Hopping-Verfahren. Selbst wenn es zu einer Kollision kommt, wechselt FHSS auf eine andere Frequenz. Dadurch können mehrere Geräte unabhängig voneinander betrieben werden, ohne sich gegenseitig nennenswert zu beeinträchtigen. Bei DSSS arbeiten die Sender weiterhin auf Kanälen, sodass es nach wie vor möglich ist, dass ein starkes DSSS-Signal ein schwächeres auf demselben Kanal überlagert.

Was die Datenrate angeht, weisen sowohl DSSS als auch FHSS im Vergleich zu reinem FSK Einschränkungen auf. Obwohl die Chiprate (über Funk) bei DSSS sehr hoch ist, liegt der Durchsatzwert im Vergleich zu FHSS deutlich niedriger. Bei FHSS verringert sich die Datenrate durch die Übergangszeit bei jedem Sprung.

Die Reichweite lässt sich nur schwer bestimmen, da sie vollständig vom Signal-Rausch-Verhältnis am Empfänger abhängt. Bei FHSS beispielsweise kann jeder Sprung mehr Energie in einer geringeren Bandbreite übertragen, was eine bessere Durchdringung von Hindernissen ermöglicht. Leider hängt der Empfang bei FHSS letztendlich dennoch vom verfügbaren Signal-Rausch-Verhältnis am Empfänger ab. DSSS hingegen verfügt über einen Verarbeitungsgewinn, und ein Signal kann während des Entspreizungsprozesses aus dem Rauschen herausgefiltert werden. Ein DSSS-Empfänger kann über größere Entfernungen eine höhere Empfindlichkeit aufweisen.

Was Störsignale betrifft, bietet DSSS aufgrund der Redundanz durch die zusätzlichen Chips einen größeren Vorteil gegenüber Burst-Interferenzen. Der DSSS-Empfänger kann statistisch das richtige Bit ermitteln, selbst wenn einige Bits durch Rauschen verfälscht sind. Darüber hinaus bedeutet die Möglichkeit, unterschiedliche Spreizcodes (CDMA) zu verwenden, dass eine DSSS-Übertragung nicht ohne Weiteres empfangen werden kann, da der Spreizcode bekannt sein muss. Bei FHSS hingegen kann eine Burst-Interferenz zu einem vollständigen Datenverlust während eines einzelnen Frequenzsprungs führen.

Was die Auswirkungen auf andere Geräte betrifft, so verteilt sich die Energie eines DSSS-Signals, was bedeutet, dass die Leistung pro Frequenzeinheit geringer ist. Herkömmliche Empfänger nehmen dies ähnlich wie Hintergrundrauschen wahr und filtern es heraus, sodass die Auswirkungen minimal sind.

Bei der Umsetzung erfordert FHSS keine manuelle Kanalauswahl durch den Nutzer, da dies automatisch vom Sender übernommen wird und die Hardware einfacher aufgebaut ist. DSSS erfordert komplexere Hardware und eine präzise Ausrichtung, um den Spreiz- und Entspreizvorgang durchzuführen.

 

Fazit

Spread Spectrum kann viele der Einschränkungen bei der Kommunikation über feste Kanäle überwinden.

Da sowohl FHSS als auch DSSS für die Übertragung ihrer Signale zusätzliche Bandbreite benötigen, werden sie in der Regel in den höheren Frequenzbändern wie beispielsweise
2,4 GHz eingesetzt. Wenn sich viele Funkgeräte dasselbe Frequenzband teilen müssen, trägt die Spread-Spectrum-Technologie dazu bei, Störungen auf ein Minimum zu beschränken.

Es mag verschwenderisch erscheinen, absichtlich zusätzliche Bandbreite zu nutzen, doch ist dies für den breiten Systemgebrauch vorteilhafter als für den individuellen Gebrauch, da sich viele Nutzer dasselbe Frequenzband teilen können.