Frequency hopping
Oude en moderne toepassingen
TechTalk
Root server » TechTalk » FAQ bruingoed » Frequency hopping
-

-

Verschillende uitvindingen hebben praktische toepassingen gevonden tijdens de tweede wereldoorlog, maar één toepassing werd niet gebruikt, namelijk frequency hopping (frekwentieverspringing), waarbij een zender constant van frekwentie verandert. Zowel zender als ontvanger hebben een frekwentietabel of een formule om de volgende frekwentie te bepalen zodat beide toestellen constant in verbinding met elkaar kunnen blijven ondanks de frekwentieverandering. De frekwentieverandering moet pseudo random zijn zodat de vijand de volgende frekwentie niet kan raden.

Meerdere mensen hebben de uitvinding geclaimd voor de tweede wereldoorlog, maar dit kwam nooit tot een praktische realisatie vanwege de complexiteit van het systeem. Er zijn talrijke afgestemde kringen nodig en die hebben de neiging te verlopen bij veranderlijke omstandigheden.

Men heeft het vaak over een koppel die de amerikaanse versie van het systeem gepatenteerd heeft tijdens de tweede wereldoorlog. Hun ontwerp was gebaseerd op de werking van een mechanische piano om de verschillende frekwenties te genereren. Het was Hedy Lamarr, een amerikaanse actrice die tevens ook wiskundige was, en haar man, George Antheil, die pianist was.

Het systeem gebruikt perfotape, waarbij men tot 88 verschillende frekwenties kan selecteren. Zowel de zender als de ontvanger gebruiken dezelfde tape en de band moet gesynchroniseerd zijn.

Een patent werd toegekend voor het ontwerp, maar werd in de praktijk niet gebruikt. De bedoeling was de radiocommunicatie met torpedo's te verbeteren (om storing door de vijand te vermijden). Door de constante verandering van de gebruikte frekwentie was het onmogelijk de communicatie te verstoren. Indien één van de frekwenties gestoord was, dan bleef de torpedo gewoon rechtdoor varen en werd de koers indien nodig aangepast als een volgende, niet gestoorde frekwentie gebruikt werd. Maar een dergelijk systeem met perfotape en talrijke afgestemde kringen was veel te complex om gebruikt te worden in een torpedo. Het principe werd als zeer interessant aangezien, maar de praktische realisatie was nog niet mogelijk.

In plaats van 88 afgestemde kringen te gebruiken, had men een binair systeem kunnen gebruiken met 7 perforaties, waarbij er meer dan 100 frekwenties gegenereerd kunnen worden (enkele frekwenties worden voor synchronisatiedeoleinden gebruikt). Door de combinatie van een aantal perforaties worden een aantal afgestemde condensatoren in werking gesteld, en die bepalen de frekwentie.

Het is pas later dat dit systeem effektief gebruikt zal worden voor beveiligde communicaties. Voor de vijand was het onmogelijk een bericht te ontcijferen als slechts een klein deel van de communicatie ontvangen kon worden. Het bericht zelf werd ook nog gecodeerd (dubbele beveiliging). Door de digitale codering kon men een mechanisme voorzien om de informatie uit gestoorde pakketten toch te achterhalen door een foutcorrectie in te bouwen.

Men heeft ook opgemerkt dat het systeem voor een betere verbinding kon zorgen. Het systeem is beter bestand tegen storingen.

Een storing is vaak slechts aanwezig in een deel van de frekwentieband (omdat een andere zender op die frekwentie werkt). Er is slechts een deel van het bericht gestoord, op het ogenblik dat de zender een gestoorde frekwentie gebruikt.

Men kan de ontbrekende delen van het bericht reconstrueren als men een aangepaste codering gebruikt, zoals de Reed-Solomon code die gebruikt wordt bij de codering van CD's. Dankzij de kode kan de muziek correct afgespeeld worden, zelfs al is de plaat bekrast en zijn sommige delen niet leesbaar.

De frekwentieverspringing wordt tegenwoordig vooral gebruikt in toepassingen waar je het niet zou verwachten, namelijk bij wifi en bluetooth communicatie. Men gebruikt hier het feit dat verschillende zenders simultaan aktief kunnen zijn in een bepaalde frekwentieband. Soms wordt de verbinding gestoord, maar later is de communicatie opnieuw mogelijk. Bij een klassiek systeem met vaste frekwenties is de communicatie normaal mogelijk, of totaal onmogelijk naargelang de gebruikte frekwentie, en er is geen mogelijkheid om een andere frekwentie te gebruiken. Bij frequency hopping is er altijd een deel van het bericht dat gedecodeerd kan worden.

De formule voor de frequency hopping is publiek en iedereen kan de communicatie ontvangen: de frekwentieverspringing wordt niet gebruikt voor de geheimhouding, daarvoor gebruikt men een aparte versleuteling van het bericht.

Wifi netwerk


Het wifi netwerk gebruik verschillende frekwenties in de 2.4GHz band (en tegenwoordig ook in de 5GHz band). Deze band kan vrij gebruikt worden en is daarom sterk gestoord. Voor wifi is de frekwentieband onderverdeeld in 14 kanalen die elkaar overlappen. In principe gebruikt men enkel de kanalen 1, 6 en 11 of 1, 5, 9 en 13 als een kleine overlap toegestaan is.

Bij het tot stand brengen van de verbinding wordt er bepaald welk kanaal gebruikt zal worden. Ert wordt normaal niet van kanaal gewisseld en het volledig kanaal wordt benut.

In het kanaal worden alle frekwenties simultaan gebruikt met een beperkte bandbreedte (orthogonal frequency division multiplex) in plaats van één enkele draaggolf te gebruiken met een grotere bandbreedte. Daardoor kan men een scherp begrensd kanaal gebruiken (rechthoekvorm in plaats van klokvorm). Bij het voorbeeld worden er 5 draaggolven gebruikt (in de praktijk zijn dat er veel meer). De hoeveelheid data die op iedere frekwentie doorgestuurd wordt is beperkt, waardoor het kanaal goed afgebakend is en er geen overspraak is met een naburiuge kanaal.

Bij een klassieke uitzending (amplitude of frekwentie modulatie) moet men een guard band voorzien (en deel van de frekwenties kan niet gebruikt worden om overspraak te vermijden). De bandbreedte heeft immers een klokvorm en geen mooi afgetekende kanaalvorm.

Bluetooth verbinding

Een bluetooth verbinding gebruikt een zeer laag vermogen, waardoor de verbinding totaal verstoord wordt door een wifi verbinding op de gebruikte kanalen.

Bij het aanleggen van een bluetooth verbinding wordt er automatisch nagegaan welke frekwentiebanden beschikbaar zijn en enkel de niet gestoorde frekwenties worden gebruikt (AFH: adaptive frequency hopping).

In tegenstelling met het wifi netwerk dat simultaan alle frekwenties van een kanaal gebruikt, gebruikt bluetooth geen kanalen, maar gebruikt random alle frekwenties die niet gestoord zijn. Door de frekwentiesprongen kan men de storingen beperken: is er een frekwentie toch gestoord, dan is de volgende frekwentie misschien niet gestoord.

Men heeft dus twee verschillende systemen die dezelfde frekwentieband gebruiken en elkaar nauwelijks storen. Wifi wordt niet gestoord door de zwakke bluetooth signalen en bluetooth heeft een ingebouwde coping mechanisme om storing te vermijden.

Publicités - Reklame

-