周波数ホッピングスペクトラム拡散

周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）は、広いスペクトル帯域を占める多数の周波数間で搬送波周波数を高速に切り替えることで無線信号を送信する方式です。この切り替えは、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、干渉の回避、盗聴の防止、および符号分割多重アクセス（CDMA）通信の実現に利用されます。

周波数帯域はより小さなサブバンドに分割されます。信号は、これらのサブバンドの中心周波数間で搬送周波数を一定の順序で急速に変化（「ホップ」）させます。特定の周波数での干渉は、短い時間間隔でのみ信号に影響を与えます。^{[ 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。

1. FHSS信号は、信号が異なる周波数帯域に切り替わるため、狭帯域干渉に対して非常に高い耐性を持つ。
2. 周波数ホッピングパターンが不明な場合、信号を傍受することは困難である。
3. パターンが不明な場合、妨害は困難である。拡散シーケンスが不明な場合、信号を妨害できるのは単一のホッピング期間のみである。
4. FHSS伝送は、多くの種類の従来型伝送と周波数帯域を共有でき、相互干渉は最小限に抑えられます。FHSS信号は狭帯域通信への干渉を最小限に抑え、その逆もまた同様です。

周波数ホッピングに必要な全体の帯域幅は、単一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い。しかし、送信は常にこの帯域幅のごく一部で行われるため、瞬時干渉帯域幅は実質的に同じである。周波数ホッピング方式は、広帯域熱雑音に対する追加の保護機能はないものの、狭帯域干渉源による劣化を軽減する。

周波数ホッピングシステムの課題の一つは、送信機と受信機の同期です。一つのアプローチとして、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方法があります。受信機は、ランダムにチャネルを選択し、そのチャネル上の有効なデータを受信することで送信機を特定できます。送信機のデータは、このチャネルのデータセグメントでは発生しにくい特殊なデータシーケンスによって識別され、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付加できます。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、一度同期が確立すれば、テーブルに従って通信を維持できます。

米国では、FCCパート15  （902～928MHz帯および2.4GHz帯の無免許スペクトラム拡散システムに関する規定）により、 非スペクトラム拡散システムよりも高い出力が許可されています。FHSSシステムと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、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倍に相当します。FCCはまた、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。

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最初に言及されているのは、1903年3月17日にニコラ・テスラに付与された米国特許第725,605号^{[ 4 ]}と、ラジオのパイオニアであるジョナサン・ツェネックの著書『無線電信』（ドイツ語、1908年、英語訳McGraw Hill、1915年）^{[ 5 ] [ a ]}である。ただし、ツェネックはテレフンケンがすでにそれを試みていたと書いている。ニコラ・テスラは「周波数ホッピング」という言葉を直接は言及していないが、確かにそれをほのめかしている。「信号伝達方法」と題されたこの特許は、信号やメッセージが妨害されたり、傍受されたり、何らかの形で干渉されたりする危険なしに無線通信を可能にするシステムを記述している。^{[ 6 ]}

ドイツ軍は第一次世界大戦中、固定指揮所間の通信に周波数ホッピングを限定的に使用し、シーケンスを追跡する技術を持たないイギリス軍による盗聴を防いだ。^{[ 7 ]}ジョナサン・ゼネックの著書『無線電信』は元々1908年にドイツ語で出版されたが、敵が前線で周波数ホッピングを使い始めた1915年に英語に翻訳された。

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・ヴァーナムは「秘密通信システム」の特許を出願し、 1926年に米国特許第1,598,673号として取得しました。この特許は、秘密性を確保するために複数の周波数でランダムに信号を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特徴を先取りしていました。^{[ 4 ]}

ポーランドのエンジニア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と主張したが、却下された。^{[ 8 ]}

1932年、ウィレム・ブロエルチェスに米国特許第1,869,659号が授与された。「無線電信メッセージの送信における秘密保持方法」と題されたこの特許は、「送信者と受信者のみが知っている周波数群を用いてメッセージを送信し、メッセージの送信中に周波数を任意に切り替えて送信する」システムを記述している。

第二次世界大戦中、アメリカ陸軍通信隊は、単一周波数帯域でスペクトラム拡散を利用したSIGSALYと呼ばれる通信システムを開発していた。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なかった。

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、「秘密通信システム」^{[ 9 ] [ 10 ]}で米国特許2,292,387を取得しました。これは、ピアノロールを使用して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、無線誘導魚雷を敵が探知したり妨害したりしにくくするものでした。その後、彼らはこの特許を米国海軍に寄贈しました。^{[ 11 ]}

周波数ホッピングのアイデアは、1950年代に民間企業が独自に直接シーケンス符号分割多重アクセス（周波数ホッピングではないスペクトラム拡散方式）を開発していた特許調査中に再発見された可能性がある。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技術の代わりに、最近発明されたトランジスタを使用して同様のアイデアを採用した。^{[ 9 ]} 1962年、米国海軍はキューバ危機中にシルバニア電子システム部門の成果を利用した。^{[ 12 ]}

周波数ホッピングの実用的な応用は、 Micrel Corporationの共同創業者であるレイ・ジンによって開発されました。ジンは、受信機と送信機を同期させる必要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の方法は、主に電力メーター、機械・設備の監視と計測、リモートコントロールなどの低データレート無線アプリケーションに適用されています。2006年、ジンは「周波数ホッピングとスイープモードを使用した無線機器および方法」で米国特許第6,996,399号を取得しました。

Bluetoothなどで用いられる適応型周波数ホッピングスペクトラム拡散（AFH ）は、ホッピングシーケンスにおいて混雑した周波数を避けることで、無線周波数干渉に対する耐性を向上させます。このような適応型伝送は、 DSSSよりもFHSSの方が実装が容易です。

AFHの基本的な考え方は、「良好な」周波数のみを使用し、「不良な」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には、良好なチャネルと不良なチャネルを検出するメカニズムが不可欠です。

しかし、無線周波数干渉自体が動的な場合、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。例えば、Bluetoothピコネットのように、複数の周波数ホッピングネットワークが同一場所に存在する場合、それらは相互に干渉し合い、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 規格のバージョン 1.2 (2003 年) で解決されました。このような状況は、免許不要のスペクトルを使用するシナリオでよく発生します。

さらに、ネットワークとデバイスが周波数可変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る。

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を行う、一種の周波数ホッピングと考えることができる。

周波数ホッピングは、他の変調方式や波形に重ね合わせることで、システム性能を向上させることができる。

• 動的周波数ホッピング
• 複数の発見のリスト
• 最大長シーケンス
• 直交周波数分割多重方式
• 無線周波数掃引

• 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な経路」 American Scientist.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：第二次世界大戦におけるドイツの機械式暗号の解読と連合国による解読』 。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：ユニバーシティ・パブリケーションズ・オブ・アメリカ。ISBN 0-89093-547-5。