تقنيات توسيع عرض الموجة - Spread Spectrum

يتم استخدام فئة جماعية من تقنيات الإشارات قبل إرسال إشارة لتوفير اتصال آمن حيث يُعرف باسم تعديل الطيف المنتشر، والميزة الرئيسية لتقنية اتصالات الطيف الممتد هي منع التداخل سواء كان مقصوداً أو غير مقصود، ومن الصعب تداخل الإشارات المعدلة بهذه التقنيات ولا يمكن تشويشها، لكن لا يُسمح مطلقاً للمتطفل الذي ليس لديه وصول رسمي بخرقها حيث تستخدم هذه التقنيات لأغراض عسكرية، كما تنتشر إشارات الطيف هذه بكثافة منخفضة للطاقة ولها انتشار واسع للإشارات.

ما هو توسيع عرض الموجة – Spread Spectrum؟

توسيع عرض الموجة (Spread Spectrum): هي طرق يتم من خلالها توسيع إشارة، فعلى سبيل المثال إشارة كهربائية أو كهرومغناطيسية أو صوتية متولدة مع عرض نطاق معين في مجال التردد، ممّا ينتج عنه إشارة ذات عرض نطاق أوسع حيث تستخدم هذه التقنيات لأسباب متنوعة، بما في ذلك إنشاء اتصالات آمنة وزيادة المقاومة للتداخل الطبيعي والضوضاء والتشويش ولمنع الكشف والحد من كثافة تدفق الطاقة، على سبيل المثال في الوصلات الساتلية وتمكين الاتصالات متعددة الوصول.

نبذة تاريخية عن Spread Spectrum:

استخدمت أجهزة إرسال العصر اللاسلكي ذات فجوة الشرارة المبكرة في الواقع حيز الانتشار، ونظراً لأنّ عرض النطاق الترددي الخاص بها كان أوسع بكثير من عرض النطاق الترددي للمعلومات، ومع ذلك كان أول استخدام متعمد لـ (Spread Spectrum) بواسطة (Armstrong) في أواخر العشرينات أو أوائل الثلاثينيات مع النطاق العريض (FM) حيث جاء الدافع الحقيقي لانتشار (Spread Spectrum) مع الحرب العالمية الثانية.

جرب كل من الحلفاء وقوى المحور أنظمة توسيع عرض الموجة بسيطة حيث لا يزال الكثير ممّا تم إنجازه يكتنفه السرية حتى بعد 60 عاماً، وكان أول براءة اختراع متاحة على (Spread Spectrum) جاءت من هيدي لامار ممثلة أفلام هوليوود وجورج أنتيل والملحن الطليعي حيث تم منح براءة الاختراع هذه في عام 1942م، لكن التفاصيل ظلت سراً عسكرياً لسنوات عديدة حيث لم يدرك المخترعون سنتاً على اختراعهم، كما قاموا ببساطة بتسليمها إلى حكومة الولايات المتحدة لاستخدامها في المجهود الحربي وتأخر الاستخدام التجاري إلى ما بعد انتهاء صلاحية براءة الاختراع.

أنواع تقنيات توسيع عرض الموجة:

1. تقنية توسيع عرض الموجة المتسلسل المباشر – DSSS:

يقدم (Direct Sequence Spread Spectrum) انتقالاً سريعاً للطور إلى البيانات ممّا يجعله أكبر في عرض النطاق الترددي، ونظراً لأنّ الفترة (T) للإشارة تقصر في الوقت المناسب أو يزيد المعدل (R)، ممّا يزداد عرض النطاق (B) للإشارة: (R = 1 / T = 2B) أي معدل (Nyquist).

عندما يرغب المستخدم في إرسال البيانات باستخدام تقنية (DSSS)، يتم ضرب كل جزء من بيانات المستخدم بواسطة رمز سري يسمى رمز التقطيع، كما رمز التقطيع هذا ما هو إلّا رمز الانتشار الذي يتم ضربه بالرسالة الأصلية وإرساله حيث يستخدم المتلقي نفس الرمز لاسترداد الرسالة الأصلية.

يستخدم منشئ رمز (PN) من هذا النوع سجلاً مع الرموز بين المراحل المحددة حيث يتم (ORed) هذه الرموز منطقياً ثم يتم إعادتها إلى مرحلة الإدخال في السجل، كما تدور آلة الحالة التي يتم إنتاجها بهذه الطريقة بشكل دوري عبر نفس تسلسل (PN) أثناء تطبيق الساعة.

يمكن إنتاج أطوال تسلسل الشفرة التي تصل إلى آلاف البتات في حوالي اثنتي عشرة مرحلة تسجيل باستخدام تقنيات (VLSI) الحديثة ومن الممكن بناء مولدات بسرعات على مدار الساعة تصل إلى مئات ميغاهرتز على أي قالب، علاوة على ذلك تسمح أجهزة المنطق المزدوجة ذات السرعة العالية الحديثة بإنشاء مولدات بسرعات ساعة في منطقة (GHz).

2. تقنية قفز التردد لتوسيع عرض الموجة – FHSS:

هذا هو أسلوب القفز الترددي (Frequency Hopped Spread Spectrum) حيث يُجبر المستخدمون على تغيير ترددات الاستخدام من واحد إلى آخر في فترة زمنية محددة ومن ثم يطلق عليه قفز التردد، فعلى سبيل المثال تم تخصيص تردد للمرسل 1 لفترة زمنية معينة الآن، أمّا بعد فترة ينتقل المرسل 1 إلى التردد الآخر ويستخدم المرسل 2 التردد الأول والذي كان يستخدمه المرسل 1 سابقاً، وهذا ما يسمى بإعادة استخدام التردد.

يتم نقل ترددات البيانات من واحد إلى آخر من أجل توفير نقل آمن حيث يُطلق على مقدار الوقت المستغرق في كل قفزة تردد اسم وقت المكوث (Dwell time).

أنظمة FH / DS الهجينة:

تواجه العالم مشكلة بشأن التنصت، ولكن يمكن اتخاذ المزيد من الخطوات لجعل العثور على الغشارات صعباً، والمثال الشائع الاستخدام هو نظام هجين ممتد للطيف يستخدم تقنيات (FH وDS) حيث ستستخدم هذه المخططات عادةً قفز التردد للموجة الحاملة، بينما تستخدم في نفس الوقت تقنية تضمين (DS) لتعديل البيانات على الموجة الحاملة.

بهذه الطريقة يتم قفز رسالة معدلة (DS) بشكل أساسي حول توسيع عرض الموجة ولاعتراض مثل هذه الإشارة بنجاح، كما يجب عليك أولاً كسر رمز (FH) ثم كسر رمز (DS)، وإذا كنت تريد أن تكون أكثر أماناً فأنت تقوم بتشفير دفق البيانات الخاص بك برمز تشفير آمن للغاية قبل إدخاله في مُعدِّل (DS) الخاص بك واستخدام أكواد (PN) الآمنة المشفرة لعمليات (DS وFH)، كما يتم تعيين على المتصنت أن يوفر طريقه عبر ثلاثة مستويات من التشفير حيث يتم استخدام مثل هذا المخطط في رابط البيانات العسكري (JTIDS / Link 16).

مقارنة بين تقنية FHSS وتقنية DSSS:

1. تقسم (FHSS) الموجة المتاحة إلى نطاقات منفصلة من نقطة الوصول وقفزة العميل بين الترددات بناءً على نفس النمط العشوائي الزائف حيث يتم نقل جزء من البيانات أثناء كل قفزة، لكن عندما يفسد التداخل الإشارة يمكن للأجهزة استئناف نقل البيانات بعد القفزة التالية إلى تردد جديد واضح.
   ينخفض ​​عرض النطاق الترددي في كل مرة يواجه فيها الجهاز تردداً محظوراً، ومع ذلك فإنّ التداخل لا يقطع الاتصال ممّا يؤدي إلى شعار (FHSS) بأنّ البطء أفضل من الفشل، كما يمكن أن يؤدي التنقل الذكي أي تجنب الترددات المعروفة بأنّها محجوبة إلى زيادة الإنتاجية، أمّا نظام (DSSS) فإنّه ينشر الإشارة عبر عرض نطاق أوسع من (FHSS) ممّا يؤدي إلى انخفاض كثافة الطاقة عبر الموجة، كما يقوم (DSSS) بترميز كل بت من البيانات في تسلسل مكون من 11 شريحة، ممّا يوفر الأمان والمتانة ضد الضوضاء.
   
2. تسمح لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) باستخدام ما يصل إلى 83 ترددًا من الترددات (FHSS) في نطاق (2.4 جيجا هرتز) وما يصل إلى ثلاث قنوات (DSSS)، كما يجب أن يشترك مستخدمان على نفس القناة في عرض النطاق الترددي وبالتالي تقليل الإنتاجية الإجمالية المحتملة، ونظراً لأنّ (FHSS) يسمح بمزيد من القنوات في نفس نطاق التردد فيمكن لأنظمة (FHSS) أن تدعم نطاقاً ترددياً أكبر للتغطية.
   يدعم معيار 802.11 ما يصل إلى 26 شبكة (FHSS) مجمعة للحصول على نطاق ترددي أعلى من خلال استخدام أنماط التنقل المنظمة والمتعامدة التي تقلل من الاصطدامات، ومن ناحية أخرى يمكن لـ (DSSS) التوسع في ثلاث قنوات فقط.
   
3. في قنوات (FHSS وDSSS) ذات معدلات البيانات المتساوية تحقق أجهزة (DSSS) إنتاجية أعلى قليلاً بسبب كفاءة المعالجة العالية حيث تتمتع (FHSS) بالحمل الإضافي لترددات التنقل وإعادة إنشاء الاتصال، فضلاً عن عرض النطاق الترددي المفقود عند مواجهة الترددات المحظورة، كما تقدم (DSSS) نطاقاً أكبر من (FHSS) وهي الطبقة المادية الوحيدة التي يدعمها امتداد (802.11a ) أي (5 جيجاهرتز).
   
4. بالنسبة لتطبيقات الهاتف المحمول الحساسة لعمر البطارية توفر (FHSS) كفاءة أكبر في استهلاك الطاقة، كما تستخدم تطبيقات (DSSS) بشكل تقليدي مضخمات طاقة خطية، وفي حين أنّ تطبيقات (FHSS) يمكن أن تستخدم مضخمات طاقة غير خطية وبالتالي تحقيق كفاءة طاقة أعلى، أمّا عند (2 ميجابت في الثانية) يمكن أن يكون (FHSS) أرخص من (DSSS)، ولكن بمعدلات بت أعلى حيث تصل (FHSS) إلى جدار التكلفة كما يجب عليك الانتقال إلى (DSSS)، ومن المحتمل أن يقود (FHSS) الأسواق منخفضة التكلفة ومعدلات البت المنخفضة وسيقود (DSSS) الأسواق عالية التردد ومعدل البت الأعلى.
   

مزايا توسيع عرض الموجة – Spread Spectrum:

• نواتج أفضل مع سلامة البيانات.
  
• انخفاض تأثير متعدد المسارات.
  
• أمن من حيث الاستخدام.
  
• تقليل الضوضاء.
  
• التعايش مع الأنظمة الأخرى.
  
• مسافات تشغيل أطول.
  
• يصعب اكتشافه.
  
• ليس من السهل فكه.
  
• من الصعب تشويش الإشارات.
  

تتفوق تقنيات توسيع عرض الموجة من الناحية التكنولوجية على تقنيات التضمين التقليدية ضيقة النطاق في عدد من المجالات الهامة، ونظراً لأنّهم يشكلون طبقة ارتباط البيانات للجيل الجديد من الشبكات المحلية اللاسلكية حيث يُنصح مسؤولو الأنظمة وخبراء أمن الكمبيوتر باكتساب فهم جيد لنقاط القوة والقيود الخاصة بهم، كما ستنظر الميزات المستقبلية في الآثار العملية لتكنولوجيا (LAN) اللاسلكية.