Frequenzsprungverfahren

Frequenzsprungverfahren (formaler als „Frequency Hopping Spread Spectrum“ oder FHSS bezeichnet) ist ein Verfahren zur Übertragung von Funksignalen, bei dem ein Träger schnell zwischen vielen Frequenzunterkanälen umgeschaltet wird, die ein breites Frequenzband einnehmen. Die Umschaltungen werden durch einen pseudozufälligen Code oder ein Muster gesteuert, der bzw. das sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt ist, wodurch sichergestellt wird, dass beide genau zur gleichen Millisekunde auf die nächste Frequenz umschalten. Diese Technologie wird häufig bei unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) eingesetzt, um effizient und sicher mit ihren Funksteuerungen (RCs) zu kommunizieren, schädliche Störungen zu vermeiden und die Ausfallsicherheit der Verbindung zu erhöhen.

Warum das wichtig ist

Frequenzsprungverfahren sind die Standard-Kommunikationsarchitektur für professionelle und militärische Drohnen, da sie das Abfangen oder Stören der Befehls- und Kontrollverbindung (C2) erheblich erschweren. Für C-UAS-Betreiber stellen Bedrohungen durch Frequenzsprungverfahren eine große technische Herausforderung dar: Herkömmliche Störsender, die auf eine einzelne Frequenz abzielen (Spot-Jamming), lassen sich leicht umgehen, da die Drohne einfach auf einen freien Kanal “springt”. Um diese Systeme unschädlich zu machen, sind fortschrittliche C-UAS-Fähigkeiten erforderlich, wie beispielsweise Barriere-Störung oder Hochgeschwindigkeits-Protokollanalyse, um die gesamte Frequenzsprungsequenz gleichzeitig zu verfolgen oder zu blockieren.

So funktioniert es

Beim Frequenzsprungverfahren wird die verfügbare Bandbreite in mehrere Unterkanäle unterteilt, und das Signal wird rasch zwischen diesen hin- und hergeschaltet, um die Wahrscheinlichkeit einer Erkennung und eines Abhörens zu minimieren.

1. Kanalisierung: Das System unterteilt ein breites Frequenzband, wie beispielsweise das 2,4-GHz-ISM-Band, in viele schmale Unterkanäle.
2. Sprungsequenz: Ein pseudozufälliger Algorithmus legt die Reihenfolge fest, in der diese Frequenzen verwendet werden, und folgt dabei einem Muster, das eine Synchronisation durch unbefugte Empfänger verhindert.
3. Synchronisation: Die Drohne und die Bodenkontrollstation (GCS) bleiben zeitlich synchron und wechseln die Trägerfrequenzen in einer vorgegebenen Reihenfolge.
4. Verweilzeit: Das Signal bleibt für eine sehr kurze Zeit – oft im Millisekundenbereich – auf einer einzigen Frequenz, bevor es zum nächsten “Hop” wechselt.

Frequenzsprungverfahren Technologien / Methoden

Frequenzsprungverfahren werden nach der Geschwindigkeit und Komplexität des Sprungmusters sowie nach ihrer Fähigkeit, sich an externe Störungen anzupassen, klassifiziert.

Rolle bei Maßnahmen zur Abwehr von Drohnen

Das Frequenzspringen bestimmt die Wahl der Abwehrtechnologie und die Anforderungen an die Sensorik in der C-UAS-Kill-Chain.

• Erkennung: Passive HF-Sensoren müssen in der Lage sein, breite Frequenzbereiche mit hoher Geschwindigkeit abzutasten, um die “bursty”-Charakteristik eines Hopping-Signals über ein großes Spektralband hinweg zu erkennen.
• Identifizierung: Fortschrittliche Systeme wie Sentrycs nutzen Protokollanalysen, um die eindeutige digitale Signatur der Hopping-Sequenz zu identifizieren, wodurch eine Erkennung ohne Fehlalarme ermöglicht wird.
• Abschwächung (Staudamm): Um eine „Hopping“-Drohne zu stören, kann ein System eine Barriere-Störtechnik einsetzen, bei der die gesamte Bandbreite mit Rauschen überflutet wird; dabei wird jedoch die volle Leistung auf mehrere Frequenzen verteilt, was die effektive Dichte verringert.
• Risikominderung (Cyber): Durch protokollbasierte Gegenmaßnahmen lässt sich die Hopping-Logik entschlüsseln, um eine “Smart Disconnect”-Funktion auszuführen, die die Drohne anweist, zu landen, ohne dass das gesamte Frequenzband überlastet werden muss.

Stärken und Grenzen

Stärken:

• Störfestigkeit: Ignoriert effektiv Störsender, die nur auf bestimmte Frequenzen abzielen.
• Geringe Abfangwahrscheinlichkeit (LPI): Durch die Verteilung des Signals auf viele Frequenzen wird es für einfache Empfänger schwieriger, die Übertragung zu erkennen oder sich darauf “einzustellen”.
• Multipath-Ausfallsicherheit: Wenn eine Frequenz durch Reflexionen oder Hindernisse blockiert ist, ist der Weg zum nächsten Knotenpunkt wahrscheinlich frei.

Einschränkungen:

• Synchronisationsabhängigkeit: Erfordert eine präzise zeitliche Abstimmung zwischen der Drohne und der Fernsteuerung; ein Synchronisationsverlust führt zu einem vollständigen Verbindungsausfall.
• Anfälligkeit von Staudämmen: Starkes Breitbandrauschen, das den gesamten Sprungbereich abdeckt, kann die Verbindung dennoch stören.
• Frequenzüberlastung: In Umgebungen mit hoher Funkanlagen-Dichte kann es zu Konflikten zwischen den Hopping-Mustern und anderen FHSS-Geräten wie WLAN oder Bluetooth kommen.

Regulatorische und betriebliche Aspekte

Der Einsatz von FHSS ist in den ISM-Bändern (Industrial, Scientific, and Medical) weit verbreitet, wo die Regulierungsbehörden dessen Verwendung vorschreiben, um Interferenzen zwischen den Millionen von Geräten zu verhindern, die sich das Frequenzspektrum teilen. Bei C-UAS-Einsätzen sind Versuche, ein Frequenzsprungsignal zu stören, oft mit breitbandigen Emissionen verbunden, die unbeabsichtigt legitime Kommunikation stören können, was in städtischen oder zivilen Umgebungen ein hohes Risiko für “Frequenz-Brudermord” mit sich bringt.

Neue Trends

• Hybrides Spread-Spectrum-Verfahren: Kombination von FHSS mit Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), um eine noch widerstandsfähigere und “unauffälligere” Verbindung zu schaffen.
• RF-Cyber-Übernahme: Systeme, die mithilfe von Intelligenz auf Protokollebene in die Frequenzsprungsequenz eingreifen und so eine zerstörungsfreie Übernahme des UAS ermöglichen.