Time-Hopping

Time-Hopping ist eine Signal-Spreiz-Technik, bei der ein Sender Daten in kurze Impulse aufteilt und diese nach einer Pseudozufallsfolge auf Zeitschlitze verteilt, die nur dem vorgesehenen Empfänger bekannt ist. Statt einen kontinuierlichen Kanal zu belegen, springt das Signal zeitlich umher, ähnlich wie Frequency-Hopping Energie über das Frequenzspektrum verteilt. Der Empfänger synchronisiert sich mit demselben Pseudozufallscode und rekonstruiert die Nachricht, indem er Impulse aus ihren verstreuten Zeitschlitzen sammelt. In der Praxis liegen Impulsbreiten typischerweise im Nanosekunden- bis Mikrosekundenbereich, wobei sich das Sprungmuster alle Millisekunden oder länger wiederholt.

Die Technik arbeitet hervorragend in feindseligen Funkumgebungen. Ein unbefugter Hörer ohne Kenntnis der Sprungfolge nimmt nur kurze, verstreute Energiebursts wahr, die wie Rauschen oder momentane Störung wirken. Ein Jammer, der das Signal unterbrechen will, muss entweder über alle möglichen Zeitschlitze hinweg stören und seine Leistung verteilen oder den nächsten Sprung korrekt vorhersagen. Time-Hopping widersteht gezieltem Jamming und unbeabsichtigter Störung besser als Übertragung nach festem Plan. Diese Eigenschaft macht es wertvoll für Militärkommunikation, Mobilfunksysteme und industrielle drahtlose Netze, die in dichtem Spektrum arbeiten.

Time-Hopping passt natürlich zu Spread-Spectrum-Modulation. Ultra-Wideband-Systeme (UWB) nutzen typischerweise Time-Hopping als grundlegendes Verfahren und erzeugen sehr kurze Impulse, verteilt über breite Bandbreiten und pseudozufällig verzögert. Ein Time-Hopping-Empfänger muss strenge Zeitsynchronisation bewahren, üblicherweise innerhalb eines Bruchteils der Impulsbreite. Synchronisationsdrift führt dazu, dass Impulse außerhalb ihrer zugewiesenen Sammelzeitfenster fallen und die Fehlerrate steigt. Die Empfängerkomplexität wächst mit der erforderlichen Zeitsynchronisationsgenauigkeit und der Länge der Pseudozufallsfolge.

Unterschied zu Frequency-Hopping

Frequency-Hopping und Time-Hopping sind komplementäre Verfahren. Frequency-Hopping verschiebt die Trägerfrequenz, Time-Hopping verschiebt den Übertragungszeitpunkt. Time-Hopping verbraucht weniger Momentanleistung, da Energie in kurzen Impulsen konzentriert ist, statt kontinuierlich verteilt zu werden. Allerdings erfordert Time-Hopping strenge Synchronisation und funktioniert am besten mit Kurzimpuls-Wellenformen. Frequency-Hopping verträgt lose Synchronisation und eignet sich für Schmalbandsysteme. Einige fortgeschrittene Systeme kombinieren beide und erreichen tieferen Schutz gegen Jamming.

Die Pseudozufallsfolge selbst muss starke kryptografische Eigenschaften besitzen: lange Periode, niedrige Autokorrelation und Resistenz gegen Vorhersage. Schwache Folgen ermöglichen es einem Abhörer, das Muster zu erkennen und das Signal zu dekodieren. Die meisten praktischen Systeme leiten den Sprungcode aus einem gemeinsamen geheimen Schlüssel zwischen Sender und Empfänger ab, ähnlich wie die Schlüsselung in Frequency-Hopping-Systemen.