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Unterabschnitte


3.1 Spread Spectrum

Überträgt man Informationen mittels Funkwellen, so geschieht dies üblicherweise in einem schmalen Bereich um einer festen Frequenz (Schmalbandkommunikation). Diese Verbindung kann -- absichtlich oder unabsichtlich -- leicht gestört werden. Überträgt man die gleiche Information jedoch über ein breiteres Frequenzband, so wirken sich einzelne Störquellen weit aus weniger gravierend auf die Übertragung aus (siehe Abbildung 4). Da des Spektrum der benutzten Funkwellen nun gegen über der Schmalbandkommunkikation künstlich verbreitert wurde, bezeichnet man diese Methode mit dem englischen Begriff Spread Spectrum (SS).

Abbildung 4: Erhöhung der Störsicherheit mittels Spread Spectrum
spreadspectrum


3.1.1 Frequency Hopping

Die einfachste Spread Spectrum Methode ist das Frequency Hopping (FH oder FHSS). Das Frequency Hopping unterscheidet sich von der Schmalbandkommunikation dadurch, dass in regelmäßigen Abständen (20-400ms sind üblich) die benutzte Frequenz nach einem Schema (dem Hopping Plan) gewechselt wird (siehe Abbildung 5). Der Hopping Plan muss natürlich nicht nur dem Sendern sondern auch dem Empfänger bekannt sein.

Abbildung 5: Wechseln der Frequenzen beim FHSS
FHSS

Wird beim Hopping auf eine ‚‚schlechte“ Frequenz gewechselt, auf der aufgrund von Störungen keine Verbindung möglich ist, dann ist die Kommunikation nur so lange unterbrochen, bis auf eine ungestörte Frequenz gewechselt wird. Zur Optimierung der Übertragungsleistung ist es denkbar, dass der Hopping Plan dynamisch geändert werden, so das schlechte Frequenzen weniger oft angesprungen werden wie gute3. Ganz aus dem Plan sollte man sie jedoch nicht nehmen, da zu einem späteren Zeitpunkt die Verbindung auf diesen Frequenzen wieder besser werden könnte.

FHSS wurde bereits im zweiten Weltkrieg entwickelt um die Kommunikation mit ferngelenkte Waffen (z.B. Torpedos) gegen Störungen des Feindes abzusichern. Weitere für die Militärs interessante Vorzüge des FHSS war die erhöhte Abhörsicherheit und die erschwerte Anpeilbarkeit des Senders: Mit normalen Funkempfängern erhält man nur ein kurze ‚‚Blips“ in den Momenten, in denen der Sender die gleiche Frequenz benutzt wie man selbst. Da es sich jedoch mit dem damaligen technischen Möglichkeiten als zu schwierig erwies, Sender und Empfänger beim Wechsel der Frequenzen synchron zu halten, kam es zu keiner Anwendung mehr.


3.1.2 Direct Sequence Spread Spectrum

Beim Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) wird das Spektrum auf eine andere Weise gespreizt: Der Datenstrom wird mit einer Sequenz exklusiv-oder verknüpft, die aus der Wiederholung einer PRN (Pseudo-random Numerical) besteht (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: Prinzip des Direct Sequence Spread Spectrum
DSSS

Bei der Verwendung von DSSS auf dem 2.4GHz Band war zunächst die Verwendung des 11 Chip Barker Codes 1011101000 als PRN vorgeschrieben, jedoch wurde diese Beschränkung später aufgehoben, um die Einführung des WLAN Standard 802.11b zu ermöglichen (siehe Abschnitt 4.1.2).

Da durch diese Verknüpfung die Datenrate des Signals vervielfacht wurde, ergibt sich nach der Modulation auch eine Verbreiterung des Spektrums bzw. eine Vergrößerung der Bandbreite.


3.1.3 Vergleich von DSSS und FHSS

Aufgrund der gegenüber FHSS elf4 mal höheren Signalraten stellt DSSS höhere Anforderungen an den Sender und Empfänger. Außerdem müssen beim Empfänger die Daten aus dem DSSS-Signal mit Hilfe eines so genannten Matched Filter Correlator wieder gewonnen werden, wohingegen ein FHSS-Empfänger das Signal nur noch zu demodulieren braucht.

Dafür kommt DSSS mit leichten Störungen besser zurecht, da aufgrund der elffachen5 Redundanz das Signal komplett ohne Verlust wieder hergestellt werden kann, wohingegen bei FHSS die komplette in dem gestörten ‚‚Hop“ übertragene Information verloren gehen (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7: Vergleich von FHSS und DSSS bei leichter Störung
FHSSvsDSSS1

Bei stärkeren Störungen, die sich im Falle von DSSS über einen Großteil der Bandbreite des gespreizten Signals auswirken, ist mittels DSSS allerdings kaum noch eine Kommunikation mehr möglich. Da FHSS aber über das ganze nutzbare Frequenzband springt, kann FHSS auch diese Störung ‚‚umspringen“ (siehe Abbildung 8).

Abbildung 8: Vergleich von FHSS und DSSS bei starker Störung
FHSSvsDSSS2


Fußnoten

... gute3
802.11 (siehe Abschnitt 4.1.1) hat jedoch einen festen Hopping Plan.
... elf4
bei Verwendung des 11 Chip Barker Codes
... elffachen5
siehe Fu▀note 4

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Thilo Manske 2002-08-13