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周波数ホッピング拡散スペクトル( FHSS ) は、広いスペクトル帯域を占める多数の周波数の間で搬送周波数を急速に変更することによって無線信号を送信する方法です。変更は、送信機と受信機の両方が知っているコードによって制御されます。FHSS は、干渉を回避し、盗聴を防ぎ、コード分割多重アクセス(CDMA) 通信を 可能にするために使用されます。
周波数帯域は、より小さなサブバンドに分割されています。信号は、決められた順序でこれらのサブバンドの中心周波数間で搬送周波数を急速に変更（「ホップ」）します。特定の周波数での干渉は、短い間隔でのみ信号に影響します。[1]
FHSS は、固定周波数伝送に比べて主に 4 つの利点があります。
- FHSS 信号は、信号が異なる周波数帯域にホップするため、狭帯域 干渉に対する耐性が非常に高くなります。
- 周波数ホッピングパターンが不明の場合、信号を傍受することは困難です。
- パターンが不明な場合も妨害は困難です。拡散シーケンスが不明な場合、信号は単一のホッピング期間のみ妨害できます。
- FHSS 送信は、相互干渉を最小限に抑えながら、多くの種類の従来の送信と周波数帯域を共有できます。FHSS 信号は狭帯域通信に最小限の干渉を加え、その逆も同様です。
使用法
軍隊
拡散スペクトル信号は、敵が周波数ホッピング パターンを知らない限り、意図的な妨害に対して非常に耐性があります。軍用無線は、送信者と受信者が事前に共有する秘密の伝送セキュリティ キー(TRANSEC) の制御下で周波数ホッピング パターンを生成します。このキーは、KY-57 音声セキュリティ装置などのデバイスによって生成されます。周波数ホッピングを使用する米国軍用無線には、JTIDS/MIDS ファミリ、HAVE QUICK航空移動通信システム、およびSINCGARS戦闘ネット無線、Link-16があります。
民間人
米国では、連邦通信委員会（FCC）が規制されていない2.4GHz帯でFHSSシステムを許可する規則を改正して以来、その帯域の多くの消費者向けデバイスはさまざまなFHSSモードを採用しています。eFCC CFR 47パート15.247は、米国の902〜928MHz、2400〜2483.5MHz、5725〜5850MHz帯域の規制と周波数ホッピングの要件をカバーしています。[2]
FHSS 技術を採用したトランシーバーの中には、900 MHz 帯域で無免許で使用するために開発されたものもあります。FHSS 技術は、ラジコン模型車、飛行機、ドローンなどに使用される趣味用の送信機や受信機にも数多く使用されています。同時チャンネル数が限られていた以前の FM または AM 無線制御システムとは対照的に、多重アクセスの一種が実現され、同じ帯域で数百の送信機/受信機のペアを同時に操作できます。
技術的な考慮事項
周波数ホッピングに必要な全体的な帯域幅は、1 つの搬送周波数のみを使用して同じ情報を送信する場合に必要な帯域幅よりもはるかに広くなります。ただし、送信は特定の時点でこの帯域幅のごく一部でのみ行われるため、瞬間的な干渉帯域幅は実際には同じです。周波数ホッピング アプローチ では、広帯域の熱雑音に対する追加の保護は提供されませんが、狭帯域の干渉源によって引き起こされる劣化が軽減されます。
周波数ホッピング システムの課題の 1 つは、送信機と受信機を同期させることです。1 つの方法は、送信機が一定期間内にすべてのチャネルを使用することを保証することです。受信機は、ランダム チャネルを選択し、そのチャネルで有効なデータをリッスンすることで、送信機を見つけることができます。送信機のデータは、このチャネルのデータ セグメントで発生する可能性が低い特別なデータ シーケンスによって識別されます。また、セグメントには、整合性チェックとさらなる識別のためのチェックサムも設定できます。送信機と受信機は、周波数ホッピング パターンの固定テーブルを使用できるため、同期されると、テーブルに従って通信を維持できます。
米国では、 902～928 MHz および 2.4 GHz 帯域の無認可スペクトラム拡散システムに関するFCC パート 15で、非スペクトラム拡散システムに許可されているよりも高い電力が許可されています。FHSS および直接拡散スペクトラム (DSSS) システムはどちらも 1 ワットで送信できます。これは、非スペクトラム拡散システムの 1 ミリワット制限の 1000 倍です。FCC では、周波数チャネルの最小数と各チャネルの最大滞留時間も規定しています。
起源
1899年、グリエルモ・マルコーニは干渉を最小限に抑えるために周波数選択受信の実験を行った。[3]
公開文献で周波数ホッピングについて言及されている最も古いものは、1903年3月17日にニコラ・テスラに与えられた米国特許725,605号[4]と、無線の先駆者であるジョナサン・ゼンネックの著書「無線電信」 （ドイツ語、1908年、英訳はマグロウヒル、1915年）[5] [a]であるが、ゼンネックはテレフンケンがすでにそれを試していたと書いている。ニコラ・テスラは「周波数ホッピング」という語句を直接言及していないが、確かにそれに言及している。「信号送信方法」と題されたこの特許は、信号やメッセージがいかなる形でも妨害、傍受、干渉される危険なしに無線通信を可能にするシステムを説明している。[6]
第一次世界大戦中、ドイツ軍は、手順を追う技術を持たないイギリス軍による盗聴を防ぐため、固定された指揮所間の通信に周波数ホッピングを限定的に使用しました。[7]ジョナサン・ゼンネックの著書「無線電信」は、もともと1908年にドイツ語で出版されましたが、敵が前線で周波数ホッピングを使い始めたため、1915年に英語に翻訳されました。
1920年、オットー・B・ブラックウェル、デ・ロス・K・マーティン、ギルバート・S・バーナムは「秘密通信システム」の特許を申請し、1926年に米国特許1,598,673として認可された。この特許は、秘密保持のために複数の周波数で信号をランダムに送信する方法を記述しており、後の周波数ホッピングシステムの重要な機能を予見していた。[4]
ポーランドの技術者で発明家のレオナルド・ダニレヴィッチは、1929年にポーランド参謀本部に周波数ホッピングの概念を提案したが、却下されたと主張した。[8]
1932 年、ウィレム・ブローチェスに「無線電信メッセージの送信における秘密保持方法」と題する米国特許 1,869,659が付与されました。この特許は、「メッセージは、送信者と受信者のみが知っている一連の周波数によって送信され、メッセージの送信中に任意に切り替えられる」システムについて説明しています。
第二次世界大戦中、米国陸軍通信部隊は、単一周波数コンテキストにスペクトル拡散を組み込んだSIGSALYと呼ばれる通信システムを発明していました。しかし、SIGSALY は極秘の通信システムであったため、その存在は 1980 年代まで知られていませんでした。
1942年、女優のヘディ・ラマーと作曲家のジョージ・アンタイルは、無線誘導魚雷を敵に探知されたり妨害されたりしにくくするために、ピアノロールを使って88の周波数を切り替える周波数ホッピングの初期バージョンである「秘密通信システム」で米国特許2,292,387を取得した。 [9] [10]その後、彼らはその特許を米国海軍に寄贈した。[11]
周波数ホッピングのアイデアは、民間企業が周波数ホッピングのない拡散スペクトル形式である直接拡散符号分割多重接続を独自に開発していた1950年代に特許検索中に再発見された可能性がある。 [要出典] 1957年、シルバニア電子システム部門のエンジニアは、ラマーとアンタイルの時計仕掛けの技術の代わりに、発明されたばかりのトランジスタを使用して同様のアイデアを採用した。[9] [疑わしい-議論] 1962年、米国海軍はキューバ危機の際にシルバニア電子システム部門の研究を利用した。[12]
周波数ホッピングの実用化は、マイクレル社の共同設立者であるレイ・ジン氏によって開発されました。ジン氏は、受信機と送信機を同期させることなく無線機器を動作させる方法を開発しました。周波数ホッピングとスイープ モードを使用するジン氏の方法は、主にユーティリティ メータリング、機械および装置の監視と計測、リモート コントロールなどの低データ レートの無線アプリケーションに適用されます。2006 年にジン氏は、「周波数ホッピングとスイープ モードを使用する無線機器と方法」で 米国特許 6,996,399 を取得しました。
バリエーション
Bluetoothで使用される適応型周波数ホッピング拡散スペクトル( AFH ) は、ホッピング シーケンスで混雑した周波数を回避することで、無線周波数干渉に対する耐性を向上させます。この種の適応型伝送は、DSSSよりも FHSS で実装する方が簡単です。
AFH の背後にある重要な考え方は、「良い」周波数のみを使用し、「悪い」周波数 (周波数選択性フェージングが発生している周波数、第三者が通信しようとしている周波数、または積極的に妨害されている周波数) を避けることです。したがって、AFH は、良いチャネルと悪いチャネルを検出するメカニズムによって補完される必要があります。
しかし、無線周波数干渉自体が動的である場合、AFH の「不良チャネル除去」戦略はうまく機能しない可能性があります。たとえば、複数の周波数ホッピング ネットワーク (Bluetooth Piconetなど) が共存している場合、それらは相互に干渉し、AFH の戦略ではこの干渉を回避できません。
動的干渉、利用可能なホッピング チャネルの段階的な減少、および従来の Bluetooth デバイスとの下位互換性の問題は、Bluetooth 標準バージョン 1.2 (2003) で解決されました。このような状況は、ライセンス不要のスペクトルを使用するシナリオで頻繁に発生する可能性があります。
さらに、ネットワークとデバイスが周波数アジャイルな動作を示す必要があるコグニティブ無線に関連するシナリオでは、動的な無線周波数干渉が発生することが予想されます。
チャープ変調は、利用可能な周波数を順番にスキャンして通信するだけの周波数ホッピングの一種と見なすことができます。
周波数ホッピングを他の変調または波形に重ね合わせることで、システムのパフォーマンスを向上させることができます。
参照
注記
- ^ 「さらに、この装置は、波長が簡単かつ迅速に変更されるように構成することができ、その後、事前に設定されたプログラムに従って、おそらく自動的に波長を変えることができます。（この方法は、かつてテレフンケン社によって採用されました。）」Zenneck は、受信を送信のサブセットのみに同期させるなど、追加のセキュリティ方法について説明しています。
参考文献
- ^ Torrieri, Don (2018).拡散スペクトル通信システムの原理、第 4 版。
- ^ 「47 CFR § 15.247 - 902～928 MHz、2400～2483.5 MHz、5725～5850 MHz の帯域内での運用」LII / Legal Information Institute . law.cornell.edu . 2019年12月17日閲覧。
- ^ カーン、デイビッド（2014年）。『第二次世界大戦の最も偉大なスパイとその他の諜報と暗号の物語を発見した方法』アウアーバッハ出版。158ページ。ISBN 9781466561991。
- ^ ab Rothman, Tony (2019年1月～2月). 「周波数ホッピングへのランダムパス」. American Scientist . Vol. 107, no. 1. p. 46. doi :10.1511/2019.107.1.46 . 2024年3月27日閲覧。
- ^ ゼンネック、ジョナサン (1915 年 8 月) [1908]。「受信機」。ワイヤレス電信。アルフレッド・シーリグ訳 (第 5 版)。ニューヨーク: マグロウヒル。331 ページ。
- ^ 「拡散スペクトルの短い歴史」。EE Times。2012年1月26日。
- ^ デニス・ウィンター。ヘイグの命令 - 再評価。
- ^ ダニレヴィチは後にこう回想している。「1929 年に、私たちは秘密無線電信のために私が設計した装置を参謀本部に提案したが、幸運にもそれは受け入れられなかった。送信周波数を絶えず変更するという本当に野蛮なアイデアだったからだ。しかし、委員会は私に 5,000ズウォティを与え、さらに研究を進めるよう奨励してくれた。」Władysław Kozaczuk (1984)の「エニグマ: 第二次世界大戦でドイツの機械暗号が破られ、連合国によってどのように解読されたか」p. 27に引用されている。
- ^ ab 「1941 年 6 月: ヘディ・ラマーとジョージ・アンタイルが無線周波数ホッピングの特許を申請」。APS ニュース。第 20 巻、第 6 号。2011 年 6 月。
- ^ ウェナー、メリンダ（2008年6月3日）。「ヘディ・ラマー：美しい顔だけじゃない」サイエンティフィック・アメリカン。
- ^ Iancu, Andrei (2018年5月19日). 「2018年軍事発明デーにおけるAndrei Iancu長官の発言」.米国特許商標庁.米国商務省. 2024年2月25日閲覧。
- ^ Commissariat、Tushna（2018年8月1日）。「2つの人生の物語」。Physics World。
文献
- トニー・ロスマン（2019年1月～2月）。「周波数ホッピングへのランダムパス」。アメリカン・サイエンティスト。107 （1）：46。doi ：10.1511/2019.107.1.46。
- ヴワディスワフ・コザチュク(1984)。クリストファー・カスパレク(編)。『エニグマ: 第二次世界大戦でドイツの機械暗号がいかにして破られ、連合国はいかにしてそれを解読したか』。クリストファー・カスパレク訳。メリーランド州フレデリック: University Publications of America。ISBN 0-89093-547-5。