نظام قفز تردد الطيف المنتشر في الاتصالات FHSS

يُعد إرسال الطيف المنتشر بقفزات التردد “FHSS” بأنّه التحويل المتكرر لتردد الموجة الحاملة أثناء الإرسال اللاسلكي لتقليل التداخل وتجنب الاعتراض، كما يفيد “FHSS” في مكافحة التنصت وكذلك لعرقلة تشويش التردد في الاتصالات ولتمكين اتصالات الوصول المتعدد بتقسيم الكود، حيث يمكنه أيضاً تقليل تأثيرات التداخل غير المقصود.

ما هو نظام قفز التردد الطيف المنتشر FHSS

قفز تردد الطيف المنتشر: هي تقنية إرسال يتم فيها تعديل إشارة البيانات بواسطة إشارة حاملة ضيقة النطاق والتي تغير التردد “القفزات” عبر نطاق واسع من الترددات، كما يبدو التنقل عشوائياً ولكنّه موصوف بواسطة خوارزمية معروفة لنظام الاستقبال.

• “FHSS” هي اختصار لـ “Frequency-hopping spread spectrum”.

أساسيات نظام قفز التردد الطيف المنتشر FHSS

تم اكتشاف الفكرة وراء “FHSS” وإعادة اكتشافها عدة مرات في القرن العشرين، وذكر الفيزيائي والمهندس الكهربائي الألماني جوناثان زينيك هذا المفهوم في البداية في عام 1908م، ومع ذلك تم إنشاء تطبيق آخر أكثر عملية لقفزات التردد بواسطة “Ray Zinn” والمؤسس المشارك لشركة “Micrel Inc”، حيث مكّن أنظمة الاتصالات اللاسلكية من العمل دون مزامنة جهاز الاستقبال مع جهاز الإرسال في التطبيقات اللاسلكية ذات معدل البيانات المنخفض.

آلية عمل نظام قفز التردد الطيف المنتشر FHSS

• في “FHSS” يتنقل جهاز الإرسال بين الترددات ضيقة النطاق المتاحة داخل قناة عريضة محددة في تسلسل شبه عشوائي معروف لكل من المرسل والمستقبل.

• يتم إرسال دفعة قصيرة من البيانات على قناة النطاق الضيق الحالية، ثم يقوم المرسل والمستقبل بضبط التردد التالي في التسلسل للدفعة التالية من البيانات، وفي معظم الأنظمة ينتقل جهاز الإرسال إلى تردد جديد أكثر من مرتين في الثانية.

• نظراً لعدم استخدام أي قناة لفترة طويلة واحتمالات وجود أي جهاز إرسال آخر على نفس القناة في نفس الوقت منخفضة، غالباً ما يتم استخدام “FHSS” كطريقة للسماح لأزواج متعددة من أجهزة الإرسال والاستقبال بالعمل في نفس المساحة على نفس النطاق الواسع قناة في نفس الوقت.

فوائد استخدام نظام قفز التردد الطيف المنتشر FHSS

• نظراً لأنّه يمكن تقسيم نطاق التردد إلى نطاقات فرعية يمكن لأجهزة المستخدم أن تغير بسرعة ترددات الموجة الناقلة أو قفزة التردد مع الحد الأدنى من التداخل.

• توفر إستراتيجية النطاق العريض بعض الفوائد على عمليات الإرسال التناظرية الثابتة فهو مقاوم للتداخل الضيق.

• يصعب اعتراض إشارات البيانات إذا كان نمط قفز التردد غير معروف.

• يصعب التشويش إذا كانت قناة التردد أو خوارزمية التنقل غير معروفة.

• يمكن للإشارة الراديوية المرسلة على نظام “FHSS” أن تشترك في نطاقات التردد مع عمليات الإرسال التقليدية دون تداخل كبير.

• ولهذه الأسباب تستخدم أجهزة الراديو العسكرية عادةً إشارات طيف الانتشار لنشر اللغة المشفرة لأنّها تحتاج إلى التخفي والمرونة ضد تقنيات التشويش، ولتعطيل إشارة “FHSS” ستحتاج معدات الخصم إلى الحصول على نظرة ثاقبة لنمط قفز التردد.

كيف يتم تنظيم قفز الترددات انتشار الطيف

• تنظم الحكومات طيف البث وغالبًا ما تملي بعض جوانب اتصالات الطيف المنتشر، وعلى سبيل المثال في أمريكا الشمالية ينقسم نطاق الموجات الصناعية والعلمية والطبية إلى “75 قناة قفز”، وقد لا ترسل الأجهزة التي تستخدمها بأكثر من 1″ واط” من الطاقة على أي قناة واحدة.

• تضمن هذه القيود أنّ جهازاً واحداً لا يستهلك قدرًا كبيرًا من النطاق الترددي أو يظل طويلاً على تردد واحد.

• في “2000 ثانية” سمحت لجنة الاتصالات الفيدرالية الأمريكية “FCC” لأنظمة “FHSS” بالعمل في نطاق “2.4 جيجاهرتز” غير منظم، ومن أجل دعم استخدام”FHSS” في عمليات نشر شبكات “Wi-Fi 802.11b” و”802.11g” و”802.11n”.

• يوفر كود لجنة الاتصالات الفيدرالية “FCC” للوائح الفيدرالية 47 الجزء 15.247 إرشادات لقفزات التردد لعدة نطاقات تردد ميجاهرتز أيضاً.

• ” FCC ” هي اختصار لـ “Federal Communications Commission”.

ما هي الاختلافات في  نظام قفز التردد الطيف المنتشر FHSS

يشيع استخدام تقنيات الطيف المنتشر الإضافية وتنوعات “FHSS” اليوم، ومن بعض الأمثلة:

1- انتشار الطيف بالتتابع المباشر DSSS

انتشار الطيف بالتتابع المباشر “DSSS”: هي تقنية مرتبطة بـ “FHSS” وينشر أيضاً إشارة مرسلة عبر قناة واسعة، لكنّه يفعل ذلك دفعة واحدة بدلاً من رشقات نارية منفصلة مفصولة بقفزات.

يمكن أن تحقق صبيب أعلى لكنّ أنظمة “DSSS” أكثر عرضة للتداخل وأقل فعالية كطريقة لتقاسم الطيف.

• “DSSS” هي اختصار لـ “Direct sequence spread spectrum”.

2- طيف انتشار التردد المتكيف AFH

يستخدم “AFH” في تقنية “Bluetooth” اللاسلكية لتحسين مقاومة تداخل التردد اللاسلكي من خلال التحايل على الترددات عالية الحركة في تسلسل التنقل، وهذا النوع من النقل التكيفي أسهل في الاستعمال مع “FHSS” وليس مع “DSSS”.

كما يتفعل الطيف الترددي المتكيف بقفزات التردد “AFH” كما هو مستعمل في البلوتوث للابتعاد عن الترددات المزدحمة في تسلسل التنقل، والفكرة الرئيسية من “AFH” هي استعمال الترددات “الجيدة” فقط من خلال الابتعاد عن قنوات التردد “السيئة”، حيث ربما تعاني قنوات التردد “السيئة” هذه من اضمحلال التردد الانتقائي أو ربما يحاول طرف ثالث الاتصال على تلك النطاقات، أو ربما يتم تشويش هذه المجموعات بنشاط وكما ينبغي استكمال “AFH” بآلية لمعرفة قنوات التردد الجيدة والسيئة.

• “AFH” هي اختصار لـ “Adaptive Frequency Hopping”.

3- تعديل النرد

يعد تعديل النرد نوعاً آخر من أنواع التنقلات الترددية التي تقوم ببساطة بمسح جميع الترددات المتاحة بترتيب متناسق.

خطوات عمل نظام FHSS

• تنقل هذه الطريقة إشارات الراديو وتغير بسرعة تردد الموجة الحاملة بين الكثير من الترددات الفريدة التي تشغل نطاقاً طيفياً كبيراً.

• يتم التحكم في التغييرات بواسطة رمز معروف لكل من المرسل والمستقبل.

• يتم اعتماد “FHSS” للابتعاد عن التداخل ولمنع التنصت ولتمكين اتصالات الوصول المتعدد بتقسيم الكود “CDMA“.

• تأخذ أجهزة إرسال التنقل بين الترددات تدفق البيانات الواردة وتقسيمها إلى حزم متعددة البتات.

• ثم تُرسل هذه الرزم بالتتابع بطريقة شبه عشوائية عبر قنوات التردد المختلفة داخل نطاق الطيف الممتد المستخدم.

• بمعنى آخر، فإنّ تردد إشارة الناقل يستمر في التنقل. يتحقق التزامن بين جهاز الإرسال الرئيسي والأجهزة التابعة عن طريق تعديل المركز، أو تردد الموجة الحاملة لنطاق الاتصال وفقاً لخوارزمية محددة مسبقاً.

• يعرف كل من الجهاز المحمول والمحطة الأساسية خوارزمية التعديل، والتي تمكنهما من البقاء على اتصال مع بعضهما البعض.

• لزيادة الأمان يمكن تعديل خوارزمية التعديل ديناميكياً.

ملاحظة:“CDMA” هي اختصار لـ “Code Division Multiple Access”.

مزايا نظام قفز التردد الطيف المنتشر FHSS

• إشارات “FHSS” شديدة المناعة ضد التداخل الضيق لأنّ الإشارة تنتقل إلى نطاق تردد مختلف.

• يصعب اعتراض الإشارات إذا كان نمط القفز الترددي غير معروف.

• يمكن أن تتفاسم إرسالات “FHSS” في نطاق تردد مع الكثير من أنواع الإرسالات التقليدية بأقل كمية من التداخل المتبادل.

•  تدخل إشارات “FHSS” الحد المنخفض من التداخل إلى الاتصالات ضيقة النطاق “narrow band communications” والعكس صحيح.