中文 英语
知识中心
导航
知识中心

扩频

一种无线传输数据的安全方法。
受欢迎程度

描述

由于扩频,无线领域在保护数据传输方面长期处于领先地位。自第一次世界大战以来,通过扩频保护射频传输一直存在。事实上,这个理论最早是在1908年德国无线电先驱乔纳森·赞奈克(Jonathan Zenneck)的一本书中提到的,德国军队在第一次世界大战中使用了一个原始形式。然而,也许最著名和最著名的发展是女演员海蒂·拉玛和作曲家乔治·安塞尔开发了一个相当复杂的版本(当时),并于1941年获得了美国专利。然而,直到几十年后,美国海军在古巴导弹危机期间将该技术应用于通信设备时,它才真正成为现实。在那之后,美国军方意识到其惊人的编码传输能力,并使其几乎防弹。从那时起,它一直依赖扩频作为射频通信的主要安全方案。事实上,它可以被称为启动数字通信时代的最重要的发展。
将扩频技术应用于射频传输是在硬件层面确保无线语音和数据安全的一种极其有效的方法。它是一种非常健壮的TX/RX技术,本质上不受符号间干扰(ISI)、反射、噪声和其他环境因素以及干扰的影响。虽然直到最近十年左右,它主要被军方用于语音无线电,但它正在各种消费和商业技术中实现。所有类型的基于无线电的系统,如蓝牙、业余无线电控制、Wi-Fi、WiMax无线局域网(wlan)、宽带无线接入(BWA)、近场通信(NFC)和射频识别(RFID——尤其是防撞)都配备了扩频硬件。

扩频类型
扩频有两种方式,直接序列(DSSS)和跳频(FHSS)。这两种技术在良性环境中都同样有效,但在边缘,即拥挤频率、小区边缘和有大量干扰物体的区域,FHSS更加健壮和宽容。DSSS的主要优点是它提供了更好的容量。

然而,DSSS的容量是有代价的——环境敏感性。DSSS受许多环境因素的影响(最具问题的是反射),因此在具有许多结构的密集环境中,它不是最佳选择。它在短距离安装的点对多点或在较长距离拓扑的点对点中工作得最好。在这些情况下,优势在于DSSS技术提供的更高容量,因为反射,主要的退化元素,可以被最小化。因此,典型的DSSS应用包括室内办公室wlan、建筑物到建筑物的链路、接入点(PoP)到基站的链路等等。

FHSS技术的鲁棒性使其对噪声、反射、附近射频信号和其他环境因素的影响具有很强的免疫能力。与DSSS相比,FHSS可以在同一地理区域(共定位系统)支持更多数量的同时活动系统。这些指标使得FHSS成为需要大量共置系统的大面积覆盖的首选技术。需要注意的是,定向天线必须用于将环境因素的影响降至最低。FHSS的典型应用包括用于固定宽带无线接入(BWA)的蜂窝部署,随着小型蜂窝部署的上线,蜂窝部署正在以惊人的速度扩展。

技术如何工作
扩频依赖于发射机和接收机之间的握手来来回传递同步代码。它同步一个只有发送方和接收方知道的“密钥”。一旦密钥被同步,所有发射器和接收器都有了它,信息就可以发送了。只有密钥持有者知道调制信息的传播码和反传播码。对于其他接收器来说,这些信息看起来就像噪音。这就是为什么扩频对于任何数量的无线通信链路都是一种有用和安全的技术,也是自主物联网对象的理想安全锁。

在DSSS中,原始信号的每一位都由传输信号中的多个位表示。插入扩频码,将信号扩频到更宽的频带。扩展与使用的比特数成正比(参见图2),信息中的能量“扩展”了一个宽度。功率的积分值保持不变,只是分布在更宽的带宽上。

数学上可以表示为:(假设二元相移键控[BPSK])
sd(t) = A d(t) cos(2Ï€fct)
用c (t)(需要值+ 1,1]ˆ´s (t) = d (t) c (t)因为(2我€fct)
A =信号振幅
载频
D (t) =离散函数[+1,-1]

在接收机处,输入信号乘以c(t),因为c(t) x c(t) = 1。这是恢复后的原始信号。

对于FHSS,技术有点不同。FHSS并不是将信号分散在单个宽带频率上,而是将信号分解为多个“片段”,并将它们分散在多个频率上(见图3)。如果用频谱分析仪观察信号,则信号呈现为随机的RF频率序列,每个频率上都出现一个微小的“光点”。

那个光点是正在传输的信息的一部分。在实际中,使用的是伪随机码。它不是真正随机的,因为接收方必须能够生成与发送方相同的代码,因此必须能够在信息广播之前同步代码。然而,许多参考文献使用术语随机代码。由于光点在多个频率上随机出现,因此不可能收集和解码原始序列中的信息位并理解它。同样,这是一种非常安全的传输数据的方法。即使有人试图干扰信号,干扰掉几个比特以上的可能性也非常小。因此,重构数据通常是非常成功的,即使试图进行干扰。

根据一组标准,为传输分配若干通道。分配多少通道取决于许多变量,但它与输入信号的带宽有关。发射机设置过程,启动跳频序列,并设置定时,以固定的间隔将信号从一个频率跳频到另一个频率,每次一个信道。比特使用预定的编码方案进行传输。在下一个间隔中,选择一个新的载波频率,并在该频率上传输比特。该过程重复进行,直到所有数据发送完毕。

Baidu