¿Qué es Frequency Hopping - FHSS?

Escrito por leopedrini jueves, 24 de febrero de 2011 15:50:00 Categories: Curso
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Podemos definir Frequency Hopping como um esquema de comunicação entre um receptor e um transmissor. Diversos conceitos são envolvidos, como modulação Spread Spectrum e alternância de frequências segundo um padrão conhecido.

 

 

O Frequency Hopping (FH) é muito usado por exemplo em redes GSM, então vamos entender hoje um pouco melhor esse assunto.

Nota: Todas las telecomHall artículos están escritos originalmente en portugués. A continuación se hacen traducciones en Inglés y Español. Como nuestro tiempo es escaso, sólo se producen varios errores de ortografía (que utilizar el traductor automático, y sólo entonces hacer una revisión final). Pedimos disculpas, y contamos con su comprensión de nuestro esfuerzo. Si usted quiere contribuir traduciendo / corregir una de estas lenguas, o incluso uno nuevo, por favor comuníquese con nosotros: contacto.

 

Antes, um pouco de história

Mas antes de falarmos sobre FH: você sabe quem foi que inventou isso?

Várias pessoas disputam esse título, como o alemão Johannes Zenneck, em 1908, através de sua companhia Telefunken. Divide o título com o inventor polonês, que também expos a idéia.

Mas particularmente, gosto mais da versão mais exótica, onde uma linda atriz (isso mesmo) Hedy Lamar, junto com seu vizinho compositor George Antheil foram também responsáveis, na época da Segunda Guerra Mundial.

Hedy foi casada com um fabricante de armas alemão. Assuntos como segurança, principalmente como enviar torpedos utilizando um sinal que não pudesse ser interferido pelo inimigo naturalmente vinham à sua mente.

Se você envia um torpedo controlado por um sinal contínuo, o mesmo pode ser identificado pelo inimigo, que por sua vez pode inserir um forte ruído, e abatê-lo.

Certa vez, ao piano com o compositor George, ele tocava uma nota, e ela repetia em outra escala. Foi aí que ela percebeu que era possível estabelecer uma comunicação mudando o canal de comunicação, bastando para isso, que fizessem a mudança ao mesmo tempo, ou seja, seguindo um padrão conhecido por ambos.

Trazendo essa idéia para o torpedo, bastaria que o transmissor no navio e o receptor no torpedo alterassem (ou pulassem) de uma frequência para outra de forma sincronizada. Ou seja, basta que o receptor do torpedo saiba quais são as posições de frequências para onde o transmissor vai pular!

E se alguma dessas frequências estiver sofrendo interferência? Bom, ainda sobram outros canais na sequência de saltos, de onde a informação pode ser recuperada!

Como toda grande invenção, perceba que a idéia é simples.

 

Definição

Bem, após a breve história, espero que você já tenha entendido a idéia por trás do FH.

Após a contribuição dos inventores iniciais, a idéia foi aperfeiçoada, e hoje é usada em diversos sistemas, como por exemplo o GSM, como já mencionamos.

O FH tem principalmente o objetivo de evitar a interferência, e veremos como ele consegue isso.

No FH, a informação é espalhada em uma largura de banda bem maior que a realmente necessária para sua transmissão. Para isso, a mesma é dividida em diversos canais de largura de banda menor.

Conhecendo a sequência de saltos que deve ser seguida, o receptor e o transmissor saltam por esses canais.

 

Essa sequência é pseudo-aleatória, e é o que torna o FH também seguro, já que receptores não desejados não conseguem interceptar o sinal uma vez que eles não conhecem a sequência. A única coisa que eles vêem são ruídos de curta duração.

Para cada aplicação com seu range total de frequência, definem-se largura de banda, número de saltos, e o máximo tempo médio que cada frequência deve ser ocupada.

Vale ainda destacar que no FH não precisamos de bandas contínuas. Em cenários onde a banda disponível é limitada e não contígua, o espectro pode ser melhor aproveitado. (Na verdade, essa é mais uma característica de comparação entre sistema de banda estreita x banda larga).

 

 

 

FH no GSM

Falando agora especificamente sobre o GSM, vamos finalmente entender como a interferência é evitada.

Para isso, como sempre, vamos tomar um exemplo de uma rede com 10 MHz de banda. Como o canal do GSM é de 200 KHz, teremos então 50 canais disponíveis. Lembre-se que cada canal no GSM tem 8 time slots, e considerando Full Rate temos então 8 usuários.

Pode parecer até muitos canais, mas acredite, é um grande desafio de planejamento espalhar esses canais numa rede GSM de forma a minimizar os problemas de interferência. Para exemplificar, suponha um rede com 100 BTS de 3 setores cada: temos 300 setores, para apenas 50 frequências. Naturalmente, os canais devem ser reutilizados, o que fatalmente resultará em mesmos canais sendo utilizados em diferentes setores.

E aí temos a interferência co-canal, um grande problema a ser resolvido, principalmente se a rede GSM for densa.

Se não bastasse o problema de co-canis, também temos o problema de multipercurso, agravado pelo fato da nossa banda ser estreita. Um sinal pode sair do transmissor e, e devido a obstáculos, ser refletido de forma tal que acabe interferindo no sinal original que chega no receptor, já que este sinal está defasado, pois teve que ‘viajar’ mais.

E é principalmente nestes casos que o FH vem ajudar.

Para ficar mais claro, considere um setor com canais A e B. Dificilmente todos os slots de todos os canais estarão em uso em todo o tempo. E mesmo um determinado slot do canal A esteja também em uso em outro setor, com interferência co-canal, pode ser que outro slot do canal B não! É isso que o FH faz: muda as frequências e os slots da chamada!

 

Dessa forma, cada usuário corre um risco muito menor de sofrer a interferência co-canal.

Em outras palavras, um dos canais pode até estar sofrendo interferência, mas temos os outros canais da sequência de saltos que podem estar sem interferência! Quando a rede utiliza o FH, e move a nossa chamada de slot a slot, e de frequência a frequência, a interferência passa a ter um efeito mais randômico.

Temos ainda, como falamos, os problemas de multipercurso. E a idéia é basicamente a mesma. Ao pular de uma frequência para outra, o usuário sofre os efeitos problemáticos do multipercurso por um períodos de tempo muito pequenos.

Em ambos os casos, seja interferência co-canal ou desvanecimento de multipercurso, existem os algorítmos de correção de erro, que conseguem de maneira bem eficiente limpar e recuperar o sinal original.

 

Algorítmo Básico do FH

Para finalizar, vamos ver um diagrama simplificado mostrando os passos envolvidos no estabelecimento de uma comunicação utilizando FH.

 

Primeiro, o transmissor envia uma solicitação (1) para iniciar o FH através do canal de controle. O receptor, após receber essa solicitação, envia um número base (2) de volta. O transmissor então, utiliza esse número, calcula e envia a série de frequências (3) que será usada. Com essa lista de frequências, o receptor retornado um sinal de sincronização (4) na primeira frequência da lista. Assim, a comunicação entre os dois é estabelecida (5).

 

 

Desvantagens

E quais seriam as desvantagens do FH?

Como toda comunicação de espectro espalhado, e como já falamos, é necessária uma banda maior do que seria necessário se fosse usada apenas uma única frequência para transportar o sinal.

Além disso, toda vez que uma comunicação é estabelecida, perde-se um tempo significante para para se estabeler o sincronismo entre o receptor e transmissor.

De qualquer forma, as vantagens superam esses pontos.

 

Conclusão

Conhecemos hoje a idéia simples do Frequency Hopping, um esquema de modulação spread-spectrum, onde é possível estabelecer uma comunicação através de um canal lógico único, baseado no sincronismo das alterações (saltos) de frequência entre eles, seguindo uma sequência pseudo-aleatória conhecida por ambos.

Como resultado, o utilizando o FH temos um sinal mais robusto – resistente a interferência, e seguro – por ser muito difícil de ser interceptado.