طيف الانتشار بالقفز الترددي

تقنية طيف الانتشار بالقفز الترددي ( FHSS ) هي طريقة لنقل الإشارات اللاسلكية عن طريق تغيير تردد الموجة الحاملة بسرعة بين ترددات متعددة تشغل نطاقًا طيفيًا واسعًا. وتُتحكم هذه التغييرات بواسطة رمز معروف لكل من المرسل والمستقبل . تُستخدم تقنية FHSS لتجنب التداخل، ومنع التنصت، ولتمكين اتصالات الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA).

ينقسم نطاق التردد إلى نطاقات فرعية أصغر. وتنتقل الإشارات بسرعة ("تقفز") بين ترددات مركز هذه النطاقات الفرعية وفق ترتيب محدد. ويؤثر التداخل عند تردد معين على الإشارة لفترة قصيرة فقط. ^{[ 1 ]}

توفر تقنية FHSS أربع مزايا رئيسية مقارنة بتقنية الإرسال بتردد ثابت:

1. تتمتع إشارات FHSS بمقاومة عالية للتداخل ذي النطاق الضيق لأن الإشارة تنتقل إلى نطاق تردد مختلف.
2. يصعب اعتراض الإشارات إذا لم يكن نمط قفز التردد معروفًا.
3. كما أن التشويش صعب إذا كان النمط غير معروف؛ إذ لا يمكن التشويش على الإشارة إلا لفترة قفز واحدة إذا كان تسلسل الانتشار غير معروف.
4. تستطيع عمليات الإرسال بتقنية FHSS مشاركة نطاق التردد مع العديد من أنواع الإرسال التقليدية مع الحد الأدنى من التداخل المتبادل. وتضيف إشارات FHSS تداخلاً ضئيلاً إلى اتصالات النطاق الضيق، والعكس صحيح.

إن عرض النطاق الترددي الإجمالي المطلوب للقفز الترددي أوسع بكثير من ذلك المطلوب لنقل نفس المعلومات باستخدام تردد حامل واحد فقط . ولكن نظرًا لأن الإرسال يتم فقط على جزء صغير من هذا النطاق الترددي في أي لحظة، فإن عرض نطاق التداخل اللحظي يكون متطابقًا تقريبًا. ورغم أن تقنية القفز الترددي لا توفر حماية إضافية ضد الضوضاء الحرارية واسعة النطاق، إلا أنها تقلل من التدهور الناتج عن مصادر التداخل ضيقة النطاق.

يُعدّ تزامن جهاز الإرسال والاستقبال أحد تحديات أنظمة القفز الترددي. يتمثل أحد الحلول في ضمان استخدام جهاز الإرسال لجميع القنوات خلال فترة زمنية محددة. عندئذٍ، يستطيع جهاز الاستقبال تحديد موقع جهاز الإرسال باختيار قناة عشوائية والاستماع إلى بيانات صحيحة عليها. تُعرَّف بيانات جهاز الإرسال بتسلسل بيانات خاص من غير المرجح تكراره في جزء البيانات الخاص بهذه القناة، ويمكن أن يحتوي هذا الجزء أيضًا على مجموع اختباري للتحقق من سلامة البيانات وتحديدها بدقة. يمكن لجهاز الإرسال والاستقبال استخدام جداول ثابتة لأنماط القفز الترددي، بحيث يتمكنان، بعد التزامن، من الحفاظ على الاتصال باتباع هذا الجدول.

في الولايات المتحدة، يسمح الجزء 15 من لوائح لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) بشأن أنظمة الطيف المنتشر غير المرخصة في نطاقي 902-928  ميجاهرتز و2.4  جيجاهرتز، بقدرة أعلى مما هو مسموح به لأنظمة الطيف غير المنتشر. ويمكن لكل من أنظمة الطيف المنتشر ذات التسلسل السريع (FHSS) وأنظمة الطيف المنتشر ذات التسلسل المباشر (DSSS) الإرسال بقدرة 1 واط، أي بزيادة ألف ضعف عن حد 1 ميلي واط المسموح به في أنظمة الطيف غير المنتشر. كما تحدد لجنة الاتصالات الفيدرالية الحد الأدنى لعدد قنوات التردد والحد الأقصى لوقت بقاء كل قناة.

في عام 1899، أجرى غولييلمو ماركوني تجربة على الاستقبال الانتقائي للتردد في محاولة لتقليل التداخل. ^{[ 3 ]}

أقدم الإشارات إلى تقنية القفز الترددي في الأدبيات المتاحة للعموم وردت في براءة الاختراع الأمريكية رقم 725,605 ، الممنوحة لنيكولا تيسلا في 17 مارس 1903، ^{[ 4 ]} وفي كتاب رائد الراديو جوناثان زينك "التلغراف اللاسلكي" (بالألمانية، 1908، والترجمة الإنجليزية من ماكجرو هيل، 1915)، ^{[ 5 ] [ أ ]} مع أن زينك يذكر أن شركة تيليفونكن قد جربتها بالفعل. لم يذكر نيكولا تيسلا عبارة "القفز الترددي" صراحةً، ولكنه ألمح إليها ضمنيًا. وتصف براءة الاختراع، المعنونة " طريقة الإشارة" ، نظامًا يُمكّن من الاتصال اللاسلكي دون أي خطر من تشويش الإشارات أو الرسائل أو اعتراضها أو التشويش عليها بأي شكل من الأشكال . ^{[ 6 ]}

استخدم الجيش الألماني تقنية القفز الترددي بشكل محدود للاتصال بين مراكز القيادة الثابتة خلال الحرب العالمية الأولى لمنع التنصت من قبل القوات البريطانية، التي لم تكن تمتلك التكنولوجيا اللازمة لتتبع التسلسل. ^{[ 7 ]} نُشر كتاب جوناثان زينك "التلغراف اللاسلكي" باللغة الألمانية في الأصل عام 1908، ثم تُرجم إلى الإنجليزية عام 1915 عندما بدأ العدو باستخدام تقنية القفز الترددي على خط الجبهة.

في عام 1920، قدم كل من أوتو ب. بلاكويل، ودي لوس ك. مارتن، وجيلبرت س. فيرنام طلب براءة اختراع لـ "نظام اتصالات سري"، مُنحت كبراءة اختراع أمريكية رقم 1,598,673 في عام 1926. وصفت هذه البراءة طريقة لنقل الإشارات على ترددات متعددة بطريقة عشوائية للحفاظ على السرية، متوقعةً بذلك السمات الرئيسية لأنظمة القفز الترددي اللاحقة. ^{[ 4 ]}

ادعى المهندس والمخترع البولندي ليونارد دانيليفيتش أنه اقترح مفهوم القفز الترددي في عام 1929 على هيئة الأركان العامة البولندية ، لكن تم رفضه. ^{[ 8 ]}

في عام 1932، مُنحت براءة الاختراع الأمريكية رقم 1,869,659 إلى ويليم برورتجيس، بعنوان "طريقة الحفاظ على السرية في نقل الرسائل التلغرافية اللاسلكية"، والتي تصف نظامًا يتم فيه "نقل الرسائل عن طريق مجموعة من الترددات ... المعروفة للمرسل والمستقبل فقط، ويتم تبديلها حسب الرغبة أثناء نقل الرسائل".

خلال الحرب العالمية الثانية ، كان سلاح الإشارة التابع للجيش الأمريكي يعمل على تطوير نظام اتصالات يُدعى SIGSALY ، والذي دمج تقنية الطيف المنتشر في سياق تردد واحد. مع ذلك، كان نظام SIGSALY نظام اتصالات سريًا للغاية، لذا لم يُعرف بوجوده إلا في ثمانينيات القرن العشرين.

في عام 1942، حصلت الممثلة هيدي لامار والملحن جورج أنثيل على براءة اختراع أمريكية رقم 2,292,387 لنظام الاتصالات السرية الخاص بهما، ^{[ 9 ] [ 10 ]} وهو نسخة مبكرة من تقنية القفز الترددي باستخدام أسطوانة بيانو للتبديل بين 88 ترددًا لجعل اكتشاف الطوربيدات الموجهة لاسلكيًا أو التشويش عليها أكثر صعوبة على الأعداء. ثم تبرعا ببراءة الاختراع للبحرية الأمريكية . ^{[ 11 ]}

ربما أُعيد اكتشاف أفكار تقنية القفز الترددي في خمسينيات القرن الماضي خلال عمليات البحث عن براءات الاختراع، عندما كانت شركات خاصة تُطوّر بشكل مستقل تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة ذات التسلسل المباشر ، وهي شكل من أشكال طيف الانتشار لا يعتمد على القفز الترددي. في عام 1957، تبنى مهندسون في قسم الأنظمة الإلكترونية بشركة سيلفانيا فكرة مماثلة، مستخدمين الترانزستور الذي تم اختراعه حديثًا بدلًا من تقنية الساعة الميكانيكية التي ابتكرها لامار وأنثيل. ^{[ 9 ]} وفي عام 1962، استخدمت البحرية الأمريكية عمل قسم الأنظمة الإلكترونية بشركة سيلفانيا خلال أزمة الصواريخ الكوبية . ^{[ 12 ]}

طوّر راي زين ، المؤسس المشارك لشركة ميكريل، تطبيقًا عمليًا لتقنية القفز الترددي. ابتكر زين طريقةً تُمكّن الأجهزة اللاسلكية من العمل دون الحاجة إلى مزامنة جهاز الاستقبال مع جهاز الإرسال. وباستخدام القفز الترددي وأنماط المسح، تُطبّق طريقة زين بشكل أساسي في التطبيقات اللاسلكية ذات معدل نقل البيانات المنخفض، مثل قياس استهلاك الطاقة، ومراقبة وقياس الآلات والمعدات، والتحكم عن بُعد. في عام 2006، حصل زين على براءة اختراع أمريكية رقم 6,996,399 عن "جهاز وطريقة لاسلكية تستخدم القفز الترددي وأنماط المسح".

تعمل تقنية الطيف المنتشر التكيفي ذو القفز الترددي ( AFH )، المستخدمة في تقنية البلوتوث، على تحسين مقاومة التداخل اللاسلكي عن طريق تجنب الترددات المزدحمة في تسلسل القفز. ويُعد هذا النوع من الإرسال التكيفي أسهل في التنفيذ باستخدام تقنية FHSS مقارنةً بتقنية DSSS .

تعتمد فكرة AFH الأساسية على استخدام الترددات "الجيدة" فقط وتجنب الترددات "السيئة" - تلك التي تعاني من التلاشي الانتقائي للتردد ، أو تلك التي يحاول طرف ثالث التواصل عليها، أو تلك التي تتعرض للتشويش النشط. لذلك، ينبغي أن تُكمَّل تقنية AFH بآلية للكشف عن القنوات الجيدة والسيئة.

لكن إذا كان تداخل الترددات الراديوية ديناميكيًا، فقد لا تنجح استراتيجية AFH المتمثلة في "إزالة القنوات غير المرغوب فيها". على سبيل المثال، إذا كانت هناك عدة شبكات قفز ترددي متجاورة (مثل شبكة Bluetooth Piconet )، فإنها تتداخل فيما بينها، وتفشل استراتيجية AFH في تجنب هذا التداخل.

تم حل مشكلة التداخل الديناميكي، والتناقص التدريجي لقنوات التردد المتاحة، والتوافق مع أجهزة البلوتوث القديمة في الإصدار 1.2 من معيار البلوتوث (2003). ويمكن أن تحدث مثل هذه الحالة غالبًا في السيناريوهات التي تستخدم طيفًا غير مرخص .

بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع حدوث تداخل ترددات الراديو الديناميكي في السيناريوهات المتعلقة بالراديو المعرفي ، حيث يجب أن تُظهر الشبكات والأجهزة تشغيلًا مرنًا للتردد .

يمكن اعتبار تعديل التردد المتغير شكلاً من أشكال القفز الترددي الذي يقوم ببساطة بمسح الترددات المتاحة بالترتيب المتتالي للتواصل.

يمكن تطبيق تقنية القفز الترددي على تعديلات أو أشكال موجية أخرى لتحسين أداء النظام.

• القفز الترددي الديناميكي
• قائمة بالاكتشافات المتعددة
• تسلسل ذو طول أقصى
• تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد
• مسح الترددات الراديوية

• توني روثمان (يناير-فبراير 2019). "مسارات عشوائية للقفز الترددي" . مجلة ساينتست الأمريكية . 107 (1): 46. doi : 10.1511/2019.107.1.46 .
• فلاديسلاف كوزاتشوك (1984). كريستوفر كاسبارك (محرر). إنجما: كيف تم فك شفرة الآلة الألمانية، وكيف قرأها الحلفاء في الحرب العالمية الثانية . ترجمة كريستوفر كاسبارك . فريدريك، ماريلاند: منشورات جامعة أمريكا. ISBN 0-89093-547-5.