無線 むせん LAN、Bluetoothのスペクトラム拡散 かくさん
スペクトラム拡散 かくさん (スペクトラムかくさん、英語 えいご : spread spectrum 、SS )は、通信 つうしん の信号 しんごう を本来 ほんらい よりも広 ひろ い帯域 たいいき に拡散 かくさん して通信 つうしん する技術 ぎじゅつ 。無線 むせん 通信 つうしん に多 おお く用 もち いられる。「スペクトル 拡散 かくさん 」、「周波数 しゅうはすう 拡散 かくさん 」とも言 い う。
スペクトラム拡散 かくさん の代表 だいひょう 的 てき な方式 ほうしき には、周波数 しゅうはすう ホッピング と、直接 ちょくせつ 拡散 かくさん とがあり、いずれもノイズ や干渉 かんしょう に強 つよ く、秘匿 ひとく 性 せい に優 すぐ れるとされている。
元々 もともと は軍事 ぐんじ 無線 むせん のため、技術 ぎじゅつ 開発 かいはつ が進 すす み民生 みんせい 用 よう 機器 きき への応用 おうよう が拡 ひろ がり[1] 、CDMA 方式 ほうしき の携帯 けいたい 電話 でんわ や、無線 むせん LAN (IEEE 802.11 シリーズ、Wi-Fi )、無線 むせん アクセス 、GPS [2] 、親子 おやこ 電話 でんわ の接続 せつぞく などに用 もち いられている。
スペクトラム拡散 かくさん はクロックジェネレータ (英語 えいご 版 ばん ) (電子 でんし デバイスのクロック を生成 せいせい する電子 でんし 部品 ぶひん )でも用 もち いられる。スペクトラム拡散 かくさん クロックジェネレータ (英語 えいご 版 ばん ) (SSCG、英語 えいご : spread spectrum clock generation )は、クロック信号 しんごう に対 たい して意図 いと 的 てき にジッター (ゆらぎ)を加 くわ えて特定 とくてい の周波数 しゅうはすう にエネルギーが集中 しゅうちゅう しないようにする。これにより、電波 でんぱ 障害 しょうがい (EMI)の原因 げんいん となる特定 とくてい の周波数 しゅうはすう へのエネルギー集中 しゅうちゅう を緩和 かんわ し、妨害 ぼうがい を軽減 けいげん する。本質 ほんしつ 的 てき には通信 つうしん で使 つか われている技術 ぎじゅつ と同質 どうしつ である。
なおスペクトラム拡散 かくさん とはただ単 たん に通信 つうしん 方法 ほうほう ではなく、情報 じょうほう 変換 へんかん 方法 ほうほう の一方 いっぽう 式 しき である。従 したが ってスペクトラム拡散 かくさん は様々 さまざま な分野 ぶんや に応用 おうよう 可能 かのう である。例 たと えば「画像 がぞう のデジタル処理 しょり 」などの場合 ばあい にも、ある情報 じょうほう をスペクトラム拡散 かくさん 、特 とく に「直接 ちょくせつ シーケンス」方式 ほうしき により変換 へんかん し、目 め で見 み ても分 わ からない程度 ていど の画像 がぞう の色調 しきちょう などの変化 へんか として画像 がぞう の中 なか に多重 たじゅう 化 か することが可能 かのう である(ステガノグラフィー )。
周波数 しゅうはすう ホッピング (しゅうはすう―、英語 えいご : frequency-hopping 、FH )は、周波数 しゅうはすう を一定 いってい の規則 きそく に従 したが い高速 こうそく に切 き り替 か え、送受信 そうじゅしん 機 き 間 あいだ で通信 つうしん を行 おこな う、スペクトラム拡散 かくさん の一方 いっぽう 式 しき 。周波数 しゅうはすう ホッピング・スペクトラム拡散 かくさん (英語 えいご : frequency hopping spread spectrum 、FHSS )とも言 い う。
送信 そうしん 側 がわ と受信 じゅしん 側 がわ でホッピング・シーケンスやホッピング・パターンと呼 よ ぶ一定 いってい の規則 きそく を規定 きてい し、それに従 したが って一定 いってい の通信 つうしん 帯域 たいいき の中 なか で高速 こうそく に通信 つうしん 周波数 しゅうはすう を切 き り替 か えて、通信 つうしん を行 おこな う。ホップする周波数 しゅうはすう をホッピング・チャンネルと呼 よ び、これが多 おお いほど妨害 ぼうがい ・干渉 かんしょう ・傍受 ぼうじゅ に強 つよ くなる。ホッピング・チャンネルの一部 いちぶ にノイズが局在 きょくざい した場合 ばあい でも、高速 こうそく に周波数 しゅうはすう 切替 きりかえ するおかげで実際 じっさい に妨害 ぼうがい を受 う ける確 かく 率 りつ は低減 ていげん される。よってノイズに強 つよ いとされ、またホッピング・シーケンスが分 わ からなければ通信 つうしん を傍受 ぼうじゅ しにくいため、ある程度 ていど は通信 つうしん の秘匿 ひとく 性 せい にも優 すぐ れているとされる。
無線 むせん 局 きょく ごとに異 こと なるホッピング・シーケンスを適用 てきよう すると、多元 たげん 接続 せつぞく が可能 かのう となる。戦術 せんじゅつ 無線 むせん 機 き ではFHの使用 しよう が多 おお い。
なお、この技術 ぎじゅつ の基礎 きそ 的 てき 発明 はつめい は女優 じょゆう のヘディ・ラマー と音楽家 おんがくか のジョージ・アンタイル によってなされた[3] [4] 。
直接 ちょくせつ 拡散 かくさん 、直接 ちょくせつ シーケンス (ちょくせつかくさん、ちょくせつ―、英語 えいご : direct sequence 、DS )は、送信 そうしん データよりも遥 はる かに広 ひろ い周波数 しゅうはすう にエネルギーを拡散 かくさん して通信 つうしん するスペクトラム拡散 かくさん の一方 いっぽう 式 しき 。送受信 そうじゅしん 双方 そうほう が保持 ほじ する「拡散 かくさん 符号 ふごう 」と呼 よ ばれる鍵 かぎ に基 もと づいて演算 えんざん を行 おこな う。直接 ちょくせつ シーケンス・スペクトラム拡散 かくさん 、直接 ちょくせつ スペクトラム拡散 かくさん (英語 えいご : direct sequence spread spectrum 、DSSS )とも言 い う。
実際 じっさい には、例 たと えば帯域 たいいき 幅 はば 1MHzだった明瞭 めいりょう な信号 しんごう を周波数 しゅうはすう 帯域 たいいき 100MHzに拡 ひろ げると、見 み かけ上 じょう の信号 しんごう 電圧 でんあつ が1/100に減 へ る。雑音 ざつおん レベル以下 いか になるので、信号 しんごう 自体 じたい の検出 けんしゅつ が困難 こんなん になる。雑音 ざつおん レベル以下 いか の信号 しんごう 強度 きょうど で良 よ いので、さらに出力 しゅつりょく 電力 でんりょく (受信 じゅしん 電圧 でんあつ )を大幅 おおはば に下 さ げることができる。
SS方式 ほうしき の応 おう 用例 ようれい の一 ひと つとしてレーダーが挙 あ げられる。通常 つうじょう のレーダーでは、高 たか い周波数 しゅうはすう できわめて大 おお きい送信 そうしん 電力 でんりょく を用 もち いていた。SS方式 ほうしき をレーダーに導入 どうにゅう することで、通常 つうじょう のレーダーと比較 ひかく して極 きわ めて小 ちい さな受信 じゅしん 電圧 でんあつ でも信号 しんごう を復元 ふくげん することが可能 かのう となるため、送信 そうしん 電力 でんりょく も小 ちい さくすることができ、送受信 そうじゅしん 回路 かいろ (及 およ び素子 そし )を半導体 はんどうたい 化 か 、小型 こがた 化 か 、省 しょう 電力 でんりょく 化 か 、一体化 いったいか 、長寿 ちょうじゅ 命 いのち 化 か できる。また送信 そうしん 電力 でんりょく が小 ちい さい[5] ので、レーダー波 は の検知 けんち が困難 こんなん である[6] 。レーダー の妨害 ぼうがい はできるが、遅延 ちえん 波 は を送 おく って位置 いち を欺瞞 ぎまん する方法 ほうほう が使 つか えないため、防御 ぼうぎょ 効果 こうか が高 たか い。
この「受信 じゅしん 電圧 でんあつ が雑音 ざつおん 電圧 でんあつ より低 ひく くて良 よ い」というのが、画期的 かっきてき な技術 ぎじゅつ 革新 かくしん となった[7] 。
通常 つうじょう の電波 でんぱ の雑音 ざつおん は時間 じかん 的 てき に短 たん かかったりランダムであるため、広 ひろ い周波数 しゅうはすう 帯域 たいいき の(比較的 ひかくてき )長 なが い時間 じかん に特異 とくい 的 てき に存在 そんざい する信号 しんごう に対 たい して、大 おお きく影響 えいきょう することは少 すく ない[8] 。
拡散 かくさん のためのPN符号 ふごう (拡散 かくさん 符号 ふごう )が自由 じゆう に選 えら べるので、拡散 かくさん の具合 ぐあい がそれぞれ異 こと なり、暗号 あんごう 化 か と同 おな じことになる。暗号 あんごう 化 か と違 ちが うのは、信号 しんごう 自体 じたい の検出 けんしゅつ が困難 こんなん になることである。受信 じゅしん の場合 ばあい は、暗号 あんごう 解読 かいどく と同様 どうよう に解読 かいどく コード(逆 ぎゃく 拡散 かくさん 符号 ふごう )を使 つか って、広 ひろ い周波数 しゅうはすう 範囲 はんい から必要 ひつよう な信号 しんごう を浮 う かび上 あ がらせる。
技術 ぎじゅつ 的 てき に詳 くわ しく言 い うと、送信 そうしん 側 がわ では送信 そうしん データに対 たい して拡散 かくさん 符号 ふごう による演算 えんざん を行 おこな い、送信 そうしん データよりも広 ひろ い帯域 たいいき にエネルギーを拡散 かくさん して送信 そうしん する。送信 そうしん データの数 すう 十 じゅう 倍 ばい ~数 すう 千 せん 倍 ばい の帯域 たいいき に広 ひろ げる。拡散 かくさん に使用 しよう される送信 そうしん データのビットを「チップ」と呼 よ ぶ。受信 じゅしん 側 がわ では、送信 そうしん 側 がわ での拡散 かくさん 符号 ふごう を知 し っているので逆 ぎゃく 拡散 かくさん 符号 ふごう を作 つく り、受信 じゅしん データと逆 ぎゃく 拡散 かくさん 符号 ふごう との演算 えんざん により送信 そうしん データを復号 ふくごう する。拡散 かくさん 符号 ふごう は自己 じこ 相関 そうかん が小 ちい さい符号 ふごう 系列 けいれつ である擬似 ぎじ ランダム雑音 ざつおん (英語 えいご : pseudo random noise 、PN )パターンが使 つか われる[9] 。2種類 しゅるい のPN系列 けいれつ を加算 かさん して得 え られるGold系列 けいれつ や最長 さいちょう 系列 けいれつ (M系列 けいれつ )も拡散 かくさん 符号 ふごう に使 つか われる。拡散 かくさん された帯域 たいいき の一部 いちぶ にノイズが局在 きょくざい していても、その影響 えいきょう も拡散 かくさん されるためノイズに強 つよ くなる。また正当 せいとう な逆 ぎゃく 拡散 かくさん 符号 ふごう によって復号 ふくごう 演算 えんざん を行 おこな わなければノイズにしか聞 き こえず、逆 ぎゃく 拡散 かくさん 符号 ふごう が判 わか らなければ通信 つうしん を傍受 ぼうじゅ できないので通信 つうしん の秘匿 ひとく 性 せい にも優 すぐ れているとされる。
無線 むせん 局 きょく ごとに異 こと なる拡散 かくさん 符号 ふごう を適用 てきよう すると、一 ひと つの周波数 しゅうはすう (帯 おび )で複数 ふくすう の通信 つうしん を行 おこな う多元 たげん 接続 せつぞく が可能 かのう となる。(符号 ふごう 分割 ぶんかつ 多元 たげん 接続 せつぞく )
正当 せいとう な受信 じゅしん 者 しゃ ではないものが解読 かいどく する場合 ばあい は、広帯域 こうたいいき 受信 じゅしん 機 き を使 つか い記録 きろく し、色々 いろいろ な方法 ほうほう [10] で逆 ぎゃく 拡散 かくさん 符号 ふごう を当 あ てはめてみることによりできる(困難 こんなん ではあるが)。
ハイブリッド方式 ほうしき はDSを行 おこな い、さらにFHを行 おこな う方式 ほうしき 。必要 ひつよう な演算 えんざん 処理 しょり 量 りょう は増 ふ えるがDSの重 じゅう なりを半分 はんぶん 行 おこな った後 のち でFHを行 おこな うと、処理 しょり 利得 りとく が3dB でしべる 向上 こうじょう する。処理 しょり 利得 りとく は、拡散 かくさん 帯域 たいいき 幅 はば /送信 そうしん データの帯域 たいいき 幅 はば で表 あらわ される。
FHもDSも送受信 そうじゅしん 間 あいだ で同期 どうき が正 まさ しく取 と れないと、期待 きたい された処理 しょり 利得 りとく は得 え られない。同期 どうき は2つの段階 だんかい がある。同期 どうき 捕捉 ほそく は最初 さいしょ にとる同期 どうき であり、一度 いちど 合 あ った同期 どうき を維持 いじ するのが同期 どうき 追跡 ついせき である。
SSでは遠近 えんきん 問題 もんだい と呼 よ ばれる問題 もんだい 点 てん がある。SSでは同 おな じ帯域 たいいき を複数 ふくすう の送受信 そうじゅしん 局 きょく が使用 しよう する。強力 きょうりょく な送信 そうしん 出力 しゅつりょく の局 きょく の近 ちか くでは、弱 よわ い局 きょく の送信 そうしん が受信 じゅしん 局 きょく で受信 じゅしん できなくなる。この問題 もんだい はDSで顕著 けんちょ である。送信 そうしん 出力 しゅつりょく の制御 せいぎょ によって強 つよ すぎる送信 そうしん 局 きょく がなくなるようにすることで軽減 けいげん できる。
ベースバンド信号 しんごう
拡散 かくさん 符号 ふごう により拡散 かくさん された信号 しんごう
妨害 ぼうがい を受 う けた信号 しんごう 赤色 あかいろ が妨害 ぼうがい 信号 しんごう
拡散 かくさん 符号 ふごう により復元 ふくげん された信号 しんごう 赤色 あかいろ が妨害 ぼうがい 信号 しんごう