home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Black Crawling Systems Archive Release 1.0 / Black Crawling Systems Archive Release 1.0 (L0pht Heavy Industries, Inc.)(1997).ISO / blackcrwl / commcom / datacom / spreadsp.txt < prev    next >
Text File  |  1996-09-23  |  32KB  |  673 lines

  1.  
  2. Spread Spectrum Article in QEX
  3.  
  4. (Reprinted from Digital Communications, column by Harold E. Price,
  5. NK6K, from QEX, 1995)
  6.  
  7. ---------------------------------------------------------------------------
  8. Harold E. Price, NK6K 
  9.  
  10. Don't blame me, the title is the work of this month's guest columnist,
  11. STEVE BIBLE, N7HPR (N7HPR@TAPR.ORG).  While cruising the net recently,
  12. I noticed a sudden bump in the number of times Spread Spectrum (SS) 
  13. techniques were mentioned in the amateur digital areas.  While QEX 
  14. has discussed SS in the past, we haven't touched on it in this forum. 
  15. Steve was a frequent cogent contributor, so I asked him to give us 
  16. some background. Steve enlisted in the Navy in 1977 and became a 
  17. Data Systems Technician, a repairman of shipboard computer systems. 
  18. In 1985 he was accepted into the Navy's Enlisted Commissioning Program 
  19. and attended the University of Utah where he studied computer 
  20. science.  Upon graduation in 1988 he was commissioned an Ensign and 
  21. entered Nuclear Power School.  His subsequent assignment was onboard 
  22. the USS Georgia, a trident submarine stationed in Bangor, Washington. 
  23. Today Steve is a Lieutenant and he is completing a master's degree 
  24. in computer science at the Naval Postgraduate School in Monterey,
  25. California.  His areas of interest are digital communications, amateur 
  26. satellites, VHF/UHF contesting, and QRP.  His research area closely 
  27. follows his interest in amateur radio.  His thesis topic is Multihop 
  28. Packet Radio Routing Protocol Using Dynamic Power Control.   Steve 
  29. is also the AMSAT Area Coordinator for the Monterey Bay area. 
  30.  
  31.  
  32. ---------------------------------------------------------------------------
  33. CONTENTS 
  34.  
  35.  
  36.    Introduction
  37.  
  38.    Historical Background
  39.  
  40.    What is Spread Spectrum? 
  41.  
  42. Direct Sequence Systems  Frequency Hopping Systems
  43. Time Hopping Systems  Pulsed FM (Chirp) Systems
  44. Hybrid Systems  
  45.  
  46.  
  47.    Why Spread Spectrum?
  48.  
  49.    Other Properties
  50.  
  51.    Building Blocks
  52.  
  53.    Where does Part 15 fit into all this?
  54.  
  55.    Further Part 97 Rules and Regulations
  56.  
  57.  
  58. Sec. 97.119 Station identification | Sec. 97.305 Authorized 
  59. emission types | Sec. 97.311 SS emission types 
  60.  
  61.  
  62.    Rules Reform
  63.  
  64.    Getting Around the Rules -  Legally
  65.  
  66.    Areas to expand and research
  67.  
  68.    This isn't new
  69.  
  70.    PANSAT - A Spread Spectrum Satellite
  71.  
  72.    Future and Summary
  73.  
  74.  
  75.  
  76.    WEB Crawling
  77.  
  78.    Selected Bibliography
  79.  
  80.  
  81. ---------------------------------------------------------------------------
  82.  
  83.  
  84. Spread Spectrum - It's not just for breakfast anymore! 
  85.  
  86. Steve Bible,N7HPR
  87. (Reprinted from Digital Communications, column by Harold E. Price,
  88. NK6K, from QEX, 1995)
  89.  
  90.  
  91. The column title says it all. What was once a communications mode 
  92. shrouded in secrecy has entered the consumer market in the form of 
  93. wireless ethernet links, cordless telephones, global position 
  94. service (GPS), Personal Communications System (PCS), and digital 
  95. cellular telephony (CDMA).  And what are radio amateurs doing with 
  96. spread spectrum today?  Perhaps very little since AMRAD performed 
  97. early experiments in amateur spread spectrum in the 1980's and formed 
  98. the early regulatory rules that govern amateur radio today.  In this 
  99. column I would like to reintroduce the topic of amateur spread spectrum 
  100. communications, discuss what it is and how we can experiment with 
  101. spread spectrum today.  Hopefully this column will prod you into 
  102. thinking again about spread spectrum communications and see that 
  103. there are several low cost building blocks available on the market 
  104. today.  Interspersed throughout the column I'll throw in the Part 
  105. 97 rules and regulations that deal directly with amateur spread spectrum. 
  106.  
  107.  
  108. Historical Background
  109.  
  110. In 1980, the FCC expressed a desire to extend spread spectrum 
  111. communications outside of the military-only realm and allow radio 
  112. amateurs to experiment with spread spectrum communications.  The 
  113. FCC in following Title 47, Section 303 of the Code of Federal 
  114. Regulations (CFR) shall ... 
  115.  
  116.    (g) Study new rules for radio, provide for experimental uses of 
  117.    frequencies, and generally encourage the larger and more effective 
  118.    use of radio in the public interest...  
  119.  
  120.  
  121. What this meant was that a new mode of communications was opening 
  122. up for experimentation and exploration by radio amateurs. 
  123.  
  124. In 1980 AMRAD took the lead and forged the beginnings of amateur 
  125. spread spectrum experimentation.  The results of their experimentation 
  126. were documented in the AMRAD Newsletter, QEX, QST, and compiled into 
  127. a single book entitled "The ARRL Spread Spectrum Sourcebook." 
  128. This is a good book and recommended for anyone learning about spread 
  129. spectrum communications.  Though it is becoming a bit dated by today's 
  130. standards and advances in technology since the late 1980's, it is 
  131. nonetheless a good guide and provides a historical perspective into 
  132. the merging of SS into amateur radio.  At the end of the column I 
  133. will include a selected bibliography so that you can find other sources 
  134. of information ranging from the practical to theoretical. 
  135.  
  136.  
  137. What is Spread Spectrum? 
  138.  
  139. A spread spectrum system is one in which the transmitted signal is 
  140. spread over a wide frequency band, much wider, in fact, than the 
  141. minimum bandwidth required to transmit the information being sent 
  142. (ref. 1).  Spread spectrum communications cannot be said to be an 
  143. efficient means of utilizing bandwidth.  However, it does come into 
  144. its own when combined with existing systems occupying the frequency. 
  145. The spread spectrum signal being "spread" over a large bandwidth 
  146. can coexist with narrowband signals only adding a slight increase 
  147. in the noise floor that the narrowband receivers see.  As for the 
  148. spread spectrum receiver, it does not see the narrowband signals 
  149. since it is listening to a much wider bandwidth at a prescribed code 
  150. sequence which I'll explain later. 
  151.  
  152. First, let's introduce five types of spread spectrum techniques: 
  153.  
  154.  
  155.    DIRECT SEQUENCE SYSTEMS - Direct sequence is perhaps one of the 
  156.    most widely known and utilized spread spectrum systems and it 
  157.    is relatively simple to implement.  A narrow band carrier is modulated 
  158.    by a code sequence.  The carrier phase of the transmitted signal 
  159.    is abruptly changed in accordance with this code sequence.  The 
  160.    code sequence is generated by a pseudorandom generator that has 
  161.    a fixed length.  After a given number of bits the code repeats 
  162.    itself exactly.  The speed of the code sequence is called the 
  163.    chipping rate, measured in chips per second (cps).  For direct 
  164.    sequence, the amount of spreading is dependent upon the ratio 
  165.    of chips per bit of information.  At the receiver, the information 
  166.    is recovered by multiplying the signal with a locally generated 
  167.    replica of the code sequence.  See figure 1. 
  168.  
  169. Figure 1.  Comparison of a narrowband signal with a Direct Sequence 
  170. Spread Spectrum signal.  The narrowband signal is suppressed when 
  171. transmitting spread spectrum. 
  172.  
  173. FREQUENCY HOPPING SYSTEMS - In frequency hopping systems, the carrier 
  174. frequency of the transmitter abruptly changes (or hops) in accordance 
  175. with a pseudo random code sequence.  The order of frequencies selected 
  176. by the transmitter is dictated by the code sequence.  The receiver 
  177. tracks these changes and produces a constant IF signal.  See figure 
  178. 2. 
  179.  
  180.  
  181. Figure 2.  An example of Frequency Hopping Spread Spectrum signal. 
  182.  
  183.  
  184. TIME HOPPING SYSTEMS - A time hopping system is a spread spectrum 
  185. system in which the period and duty cycle of a pulsed RF carrier 
  186. are varied in a pseudorandom manner under the control of a coded 
  187. sequence. See figure 3. Time hopping is often used effectively with 
  188. frequency hopping to form a hybrid time-division, multiple-access 
  189. (TDMA) spread spectrum system. 
  190.  
  191. Figure 3.  Time Hopping Spread Spectrum.  Each burst consists of 
  192. k bits of data and the exact time each burst is transmitted is determined 
  193. by a PN sequence. 
  194.  
  195. PULSED FM (CHIRP) SYSTEMS - A pulsed FM system is a spread spectrum 
  196. system in which a RF carrier is modulated with a fixed period and 
  197. fixed duty cycle sequence.  At the beginning of each transmitted 
  198. pulse, the carrier frequency is frequency modulated causing an additional 
  199. spreading of the carrier.  The pattern of the frequency modulation 
  200. will depend upon the spreading function which is chosen.  In some 
  201. systems the spreading function is a linear FM chirp sweep, sweeping 
  202. either up or down in frequency. 
  203.  
  204. HYBRID SYSTEMS - Hybrid systems use a combination of spread spectrum 
  205. methods in order to use the beneficial properties of the systems 
  206. utilized.  Two common combinations are direct sequence and frequency 
  207. hopping.  The advantage of combining the two methods is to capitalize 
  208. on characteristics that are not available from a single method.  
  209.  
  210.  
  211. Why Spread Spectrum?
  212.  
  213. To answer the question "why should I use spread spectrum" could easily 
  214. degenerate into a simple listing of advantages and disadvantages. 
  215. However, spread spectrum has many different unique properties that 
  216. cannot be found in any other modulation technique.  As radio amateurs,
  217. we should exploit these properties and search for useful applications. 
  218. Think of spread spectrum as another useful tool in our repertoire 
  219. of modulation methods toolbox.  For completeness, I will list some 
  220. advantages and disadvantages that you will see for typical spread 
  221. spectrum systems.  Bare in mind that these come about because of 
  222. the nature of spread spectrum, not because they are direct attributes. 
  223.  
  224.  
  225.    Advantages:
  226. -Resists intentional and non-intentional interference
  227. -Has the ability to eliminate or alleviate the effect of multipath 
  228. interference
  229. -Can share the same frequency band (overlay) with other users
  230. -Privacy due to the pseudo random code sequence (code division multiplexing) 
  231.  
  232.  
  233. Disadvantages:
  234. -Bandwidth inefficient
  235. -Implementation is somewhat more complex.
  236.  
  237.  
  238. Other Properties
  239.  
  240. There are several unique properties that arise as a result of the 
  241. pseudo random code sequence and the wide signal bandwidth that results 
  242. from spreading.  Two of these are selective addressing and code division 
  243. multiplexing.  By assigning a given code to a single receiver or 
  244. a group of receivers, they may be addressed individually or by group 
  245. away from other receivers assigned a different code.  Codes can also 
  246. be chosen to minimize interference between groups of receivers by 
  247. choosing ones that have low cross correlation properties.  In this 
  248. manner more than one signal can be transmitted at the same time on 
  249. the same frequency.  Selective addressing and Code Division Multiple 
  250. Access (CDMA) are implemented via these codings. A second set of 
  251. properties is low probability of intercept (LPI) and anti-jamming. 
  252. When the intelligence of the signal is spread out over several megahertz 
  253. of spectrum, the resulting power spectrum is also spread out.  This 
  254. results in the transmitted power spread out over a wide frequency 
  255. bandwidth and makes detection in the normal sense (without the code),
  256. very difficult.  Though LPI is not a typical application for radio 
  257. amateurs, it would best to rename this property as "reduction of 
  258. interference." Thus spread spectrum can survive in an adverse environment 
  259. and coexists with other services in the band.  The anti-jamming property 
  260. results from the wide bandwidth used to transmit the signal.  Recall 
  261. Shannon's Information-rate theorem 
  262.  
  263.  
  264.    C = W log (1 + S/N)
  265.  
  266.    C = capacity in bits per second
  267.  
  268. W = bandwidth
  269. S=signal power
  270. N=noise power
  271.  
  272.  
  273. where the capacity of a channel is proportional to its bandwidth 
  274. and the signal-to-noise ratio on the channel.  By expanding the bandwidth 
  275. to several megahertz and even several hundred megahertz, there is 
  276. more than enough bandwidth to carry the required data rate and have 
  277. even more to spare to counter the effects of noise.  This anti jamming 
  278. quality is usually expressed as "processing gain." 
  279.  
  280. So for the radio amateur, the properties of code division multiplexing,
  281. coexistence in an adverse environment, and processing gain, are all 
  282. excellent reasons to experiment with and find useful applications 
  283. for spread spectrum in the amateur radio service.  Coupled with these 
  284. reasons, amateurs can also enjoy increased data rates in digital 
  285. data (packet radio) that cannot be done with conventional amateur 
  286. or commercial radios due to physical (i.e. bandpass filters) and 
  287. rules restrictions.  For example, narrowband systems in the 70 cm 
  288. band are limited to a maximum data rate of 56 kbps and a bandwidth 
  289. of 100 kHz, there are no such restrictions in the 33 cm band and 
  290. up. 
  291.  
  292. Perhaps one of the most important reasons to use spread spectrum 
  293. is its ability discriminate against multipath interference.  A RAKE 
  294. receiver implementation for direct sequence allows individual signal 
  295. paths to be separately detected and the coherently combined with 
  296. other paths.  This not only tends to prevent fading but also provides 
  297. a path diversity effect resulting in very rugged links in terrestrial 
  298. mobile communications (ref. 2). 
  299.  
  300.  
  301. Building Blocks
  302.  
  303. Spread spectrum signals are demodulated in two steps:  1) the spectrum 
  304. spreading (direct sequence, frequency hopping) modulation is removed,
  305. and 2) the signal is demodulated.  The process of despreading a signal 
  306. is called correlation.  The spread spectrum signal is despread when 
  307. the proper synchronization of the spreading code between the transmitter 
  308. and receiver is achieved.  Synchronization is the most difficult 
  309. aspect of the receiver.  More time, research, effort, and money has 
  310. gone into the development and improving of synchronization techniques 
  311. than in any other area of spread spectrum.  The problem of synchronization 
  312. is further broken down into two parts: initial acquisition and tracking. 
  313.  
  314.  
  315. There are several methods to solve the synchronization problem.  
  316. Many of these methods require a great deal of discrete components 
  317. to implement.  But perhaps the biggest break-through has been from 
  318. Digital Signal Processing (DSP) and Application Specific Integrated 
  319. Circuits (ASIC).  DSP has provided high speed mathematical functions 
  320. that can slice up in many small parts and analyze the spread spectrum 
  321. signal to synchronize and decorrelate it.  ASIC chips drive down 
  322. the cost by using VLSI technology and creating generic building blocks 
  323. that can be used in any type of application the designer wishes. 
  324. With the fast growing Part 15 and Personal Communications System 
  325. (PCS) spread spectrum market, many ASIC manufactures have been designing 
  326. and selling ASIC chips that take care of the most difficult problem 
  327. in spread spectrum--despreading and synchronization.  With a few 
  328. extra components, the amateur can have a fully functioning spread 
  329. spectrum receiver. 
  330.  
  331. One manufacture of a spread spectrum demodulator ASIC is Loral Communications 
  332. Systems (recently Unisys Communications Systems Division) DSP Components,
  333. Dept. 9065, M/S F1F12, 640 North 2200 West, Salt Lake City, Utah 
  334. 84116-2988; Phone: (801) 594-2440.  Their PA-100 performs the functions 
  335. of despreading and demodulation, carrier recovery loop (frequency 
  336. or phase), Pseudo Noise (PN) code detection, PN code tracking loop,
  337. data synchronization, and automatic gain control.  It is programmable 
  338. and offers a wide range of choices in data rates, modulation types,
  339. processing gains, PN codes, loop bandwidths, and tracking and acquisition 
  340. procedures.  It is capable of chipping rates up to 32 Mcps and data 
  341. rates up to 64 Mbps.  The PA-100 is controlled via a simple 8-bit 
  342. interface.  The chip is a 208-pin plastic Metrix Quad Flat Package 
  343. (MQFP).  The cost of the chip is $167.00 in single qty and $67.00 
  344. in lots of 1000. 
  345.  
  346.  
  347. Where does Part 15 fit into all this?
  348.  
  349. Many of the spread spectrum devices on the market today are listed 
  350. as Part 15 devices.  This refers to the device operating under the 
  351. provisions of Title 47 Section 15.247 of the Code of Federal Regulations 
  352. (CFR).  There are three frequency bands allocated to this service:
  353.  
  354.  
  355.       902 - 928 MHz (26 MHz bandwidth)
  356. 2400 - 2483.5 MHz (83.5 MHz bandwidth)
  357. 5725 - 5850 MHz (125 MHz bandwidth) 
  358.  
  359.  
  360. Operation under this provision of this section is limited to frequency 
  361. hopping and direct sequence spread spectrum.  No other spreading 
  362. techniques are permitted.  Section 15.247 defines the technical standards 
  363. that these systems must operate under. For example, the maximum peak 
  364. output power of the transmitter shall not exceed 1 watt.  If transmitting 
  365. antennas of directional gain greater than 6 dBi are used, the power 
  366. shall be reduced by the amount in dB that the directional gain of 
  367. the antenna exceeds 6 dBi.  This equates to a maximum transmitter 
  368. EIRP of +6dBW (1 watt into a 6 dBi gain antenna) Part 15 equipment 
  369. operates on a secondary basis.  Users must accept interference from 
  370. other transmitters operating in the same band and may not cause interference 
  371. to the primary users in the band.  Primary users are government systems 
  372. such as airborne radiolocation systems that emit a high EIRP; and 
  373. Industrial, Scientific, and Medical (ISM) users.  Thus the Part 15 
  374. device manufacturer must design a system that will not cause interference 
  375. with and be able to tolerate the noisy primary users of the band. 
  376. And this is where spread spectrum systems excel because of their 
  377. low noise transmissions and ability to operate in an adverse environment. 
  378.  
  379.  
  380. Amateurs should realize that under the present Part 97 rules and 
  381. regulations governing amateur spread spectrum today, taking a Part 
  382. 15 spread spectrum device and adding an amplifier to it would break 
  383. the rules.  Even though it would be transmitting within the amateur 
  384. spectrum, it more than likely would not be using one of the specified 
  385. spreading codes assigned to amateur operation (refer to Sec. 97.311 
  386. Section (d) - SS emission types).  However, this should not deter 
  387. the radio amateur from using Part 15 devices in their experimentation 
  388. or use in the amateur service.  The device should be monitored to 
  389. ensure that it remains under the Part 15 regulations and as such,
  390. no Part 97 regulations apply.  Amateur traffic can flow though Part 
  391. 15 devices, and they do not require a callsign since they do not 
  392. require a license.  However, the radio amateur should realize that 
  393. when the traffic enters the amateur bands, for example, through a 
  394. gateway, then Part 97 rules begin to apply. 
  395.  
  396.  
  397. Further Part 97 Rules and Regulations
  398.  
  399. Any radio amateur contemplating experimentation of spread spectrum 
  400. in the amateur bands (excluding Part 15 devices) should become familiar 
  401. with the present Part 97 rules and regulations governing it.  Here 
  402. are some excerpts that bare emphasizing: 
  403.  
  404. SEC. 97.119 STATION IDENTIFICATION
  405.  
  406.    (a)(5) By a CW or phone emission during SS emission transmission 
  407.    on a narrow bandwidth frequency segment.  Alternatively, by the 
  408.    changing of one or more parameters of the emission so that a conventional 
  409.    CW or phone emission receiver can be used to determine the station 
  410.    call sign. 
  411. SEC. 97.305 AUTHORIZED EMISSION TYPES.
  412.  
  413. Spread Spectrum is permitted on the following bands (over the entire 
  414. band unless otherwise indicated): 
  415.    UHF: 70 cm (420-450 MHz), 33 cm (902-928 MHz), 23 cm (1240-1300 
  416.    MHz), 13 cm (2300-2310 and 2390-2450 MHz*)
  417. SHF: 9 cm (3.3-3.5 GHz), 5 cm (5.650-5.925 GHz), 3 cm (10.00-10.50 
  418. GHz), 1.2 cm (24.00-24.25 GHz)
  419. EHF: 6 mm (47.0-47.2 GHz), 4 mm (75.5-81.0 GHz), 2.5 mm (119.98-120.02 
  420. GHz), 2 mm (142-149 GHz), 1mm (241-250 GHz), Above 300 GHz 
  421.  
  422.  
  423. Operation on all of the above bands are on a secondary basis.  No 
  424. amateur station transmitting in these bands shall cause harmful interference 
  425. to, nor is protected from interference due to the operation of the 
  426. primary service. (*Note:  Recent rule making has allocated 2390-2400 
  427. MHz and 2402-2400 MHz to the Amateur community on a primary basis.) 
  428.  
  429.  
  430. SEC. 97.311 SS EMISSION TYPES
  431. [Note: Sections (a) through (d) set the technical standards for spread 
  432. spectrum emissions.] 
  433.    (e) The station records must document all SS emission transmissions 
  434.    and must be retained for a period of 1 year following the last 
  435.    entry.  The station records must include sufficient information 
  436.    to enable the FCC, using the information contained therein, to 
  437.    demodulate all transmissions.  The station records must contain 
  438.    at least the following:
  439.  
  440.    (1) A technical description of the transmitted signal;
  441. (2) Pertinent parameters describing the transmitted signal including 
  442. the frequency or frequencies of operation and, where applicable, 
  443. the chip rate, the code rate, the spreading function, the transmission 
  444. protocol(s) including the method of achieving synchronization, and 
  445. the modulation type;
  446. (3) A general description of the type of information being conveyed,
  447. (voice, text, memory dump, facsimile, television, etc.);
  448. (4) The method and, if applicable, the frequency or frequencies used 
  449. for station identification; and
  450. (5) The date of beginning and the date of ending use of each type 
  451. of transmitted signal.
  452.  
  453. (f) When deemed necessary by an EIC to assure compliance with this 
  454. part, a station licensee must:
  455.  
  456.    (1) Cease SS emission transmissions;
  457. (2) Restrict SS emission transmissions to the extent instructed;
  458. and
  459. (3) Maintain a record, convertible to the original information (voice,
  460. text, image, etc.) of all spread spectrum communications transmitted.
  461.  
  462. (g) The transmitter power must not exceed 100 W.
  463.  
  464.  
  465. Rules Reform
  466.  
  467. Needless to say, by today's standards, practices, and improvements 
  468. in technology, the above Part 97 rules and regulations on amateur 
  469. spread spectrum are extremely restrictive  especially in the case 
  470. of the few fixed spreading codes dictated by section 97.311 (d)(1). 
  471. The ARRL is reviewing the suggestions from the ARRL Futures Committee 
  472. for changes to these rules and regulations to allow less restriction 
  473. and freer experimentation.  
  474.  
  475.  
  476. Getting Around the Rules -  Legally
  477.  
  478. In the mean time there is a Special Temporary Authority (STA) 
  479. to allow amateur spread spectrum experimentation.  Under this STA 
  480. Section 97.305(c) is waived to the extent that particular amateur 
  481. stations are authorized to transmit spread spectrum emissions on 
  482. frequencies in the 6 meter (50 - 54 MHz), 2 meter (144 - 148 MHz),
  483. and 1.25 meter (222 - 225 MHz) bands.  Section 97.311(c) is waived 
  484. for these stations to the extent that the prohibition against hybrid 
  485. spread spectrum emissions is lifted; and Section 97.311(d) is waived 
  486. for these stations to use other spreading codes. 
  487.  
  488. To participate in this STA it is requested that you have a bonafide 
  489. purpose of experimenting and advancing the art of amateur spread 
  490. spectrum.  Contact Robert Buaas, K6KGS, 20271 Bancroft Circle,
  491. Huntington Beach, California 92646.  Please include your name, address,
  492. callsign, expiration date of your license, and the details of your 
  493. experiment.  Do include an abstract of the project and a proposed 
  494. set of goals you are trying to obtain.  The information that you 
  495. collect through your experimentation will be helpful in the advancement 
  496. of Amateur spread spectrum but will also be useful for justification 
  497. for rules changes before the FCC.  
  498.  
  499.  
  500. Areas to expand and research
  501.  
  502. Typical SS applications such as wireless ethernet use point-to-point 
  503. communications.  They link two subnets over distances of several 
  504. miles with external Yagi antennas and less than one watt of power. 
  505. Amateurs would rather use the traditional CSMA/CA technique they 
  506. are familiar with in today's packet radio.  However, with the requirement 
  507. of correlating the spreading code it would require a network node 
  508. to have multiple receivers to listen in on the channel and detect 
  509. when an outlying node is trying to communicate with it.  Here's where 
  510. amateur radio experimentation can advance the art of spread spectrum,
  511. by creating a CDMA spread spectrum packet radio network.  By using 
  512. the techniques employed by GPS, relatively short codes can be use 
  513. to minimize receiver acquisition time.  These codes would also need 
  514. to have good cross-correlation properties to minimize multiple access 
  515. interference between nodes. 
  516.  
  517. Power control is required to control the reuse of the frequency beyond 
  518. code division multiplexing.  It also behooves us to explore good 
  519. power control to limit interference and to reduce the power consumption 
  520. and drain on batteries. Routing of packets through a network is typically 
  521. a software issue, but with the ability to do code division multiplexing,
  522. how do we route packets from one subnet to another when they do not 
  523. use the same code sequence? 
  524.  
  525. Driving cost down has always been a top goal of any designer, and 
  526. even more so since the Amateur is experimenting with their own money. 
  527. Amateurs tend to be a frugal lot and will find any means available 
  528. to build a system that costs as little as possible.  This spawns 
  529. innovative and creative methods to achieve this means.  Then these 
  530. means tend to be passed back to the commercial sector and benefit 
  531. everybody. 
  532.  
  533. CDMA is not the exclusive province of direct sequence systems; CDMA 
  534. can also be used with frequency hopping.  TDMA is not the exclusive 
  535. province of narrowband systems; TDMA can also be used with direct 
  536. sequence or frequency hopping. 
  537.  
  538.  
  539. This isn't new
  540.  
  541. In the 1982 AMRAD letter (reprinted on page 4-11 of the ARRL SS Handbook),
  542. Hal Feinstein, WB3KDU, wrote, 
  543.      Spread spectrum has found its way into packet radio.  Spread 
  544.    spectrum allows each node to have a unique code which acts as 
  545.    a hard address. Another node in the system can send data to that 
  546.    node by encoding that data with the spread spectrum address for 
  547.    the receiving node.  Traffic for other nodes does not interfere 
  548.    because it would have a different code.  Among the reasons cited 
  549.    for employing spread spectrum for packet switching are privacy,
  550.    selected addressing, multipath protection and band sharing.  
  551.    But it is interesting to note that a load is taken off the contention 
  552.    collision approach because now a single frequency is not in contention 
  553.    among the nodes wishing to transmit.  The load is divided among 
  554.    the nodes addresses, and each that is interested in sending data 
  555.    to a target node competes for that node only. 
  556. This is the CDMA part of SS.  This is one of those areas the FCC 
  557. really wants hams to experiment with.  I think the paper has a lot 
  558. of insight and it was even written over 13 years ago. 
  559.  
  560.  
  561. PANSAT - A Spread Spectrum Satellite
  562.  
  563. The Space Systems Academic Group (SSAG) at the Naval Postgraduate 
  564. School (NPS) in Monterey, California is actively designing and building 
  565. an amateur satellite named PANSAT (see figure 4).  PANSAT is the 
  566. acronym for Petite Amateur Navy Satellite.  PANSAT is to become a 
  567. packet digital store-and-forward satellite vary similar in capabilities 
  568. as the existing PACSATs in orbit today. The tentative launch date 
  569. of PANSAT is late 1996, early 1997 as a Get Away Special (GAS) 
  570. payload from the Space Shuttle.  
  571.  
  572. One big difference between today's PACSATs and PANSAT is that 
  573. PANSAT will use direct sequence spread spectrum as the communications 
  574. up and downlink.  
  575.  
  576. PANSAT is being designed from the ground up as an amateur satellite. 
  577. The only military mission of PANSAT is as a training vehicle for 
  578. the education of military officers in the Space Systems Curricula 
  579. by the design, fabrication, testing and operation of a low-cost, 
  580. low earth orbit (LEO), digital communications satellite.  One of 
  581. the engineering objectives of PANSAT includes the evaluation and 
  582. performance of spread spectrum packet radio communications using 
  583. the Amateur community as the user base. 
  584.  
  585. In order to facilitate the evaluation of spread spectrum performance 
  586. the SSAG is designing a low cost spread spectrum modem and RF package 
  587. to be presented to the amateur community in a kit form.  The goal 
  588. is to have the design of the spread spectrum radio/modem available 
  589. before the launch of PANSAT to allow Amateurs to build and become 
  590. operational via terrestrial means.  This presents an exciting exchange 
  591. of technology and the ability for the Amateur to build a low cost 
  592. unit to experiment with.  As the design and development progresses 
  593. they will be presented in the Amateur press. 
  594.  
  595.  
  596. Future and Summary
  597.  
  598. Now is the time to begin experimenting with spread spectrum communications 
  599. on a wider scale.  Technology has advanced to the point where Amateurs 
  600. can afford to build systems.  The building blocks are available now 
  601. in the form of Application Specific Integrated Circuits.  The recent 
  602. flood of consumer devices that employ spread spectrum has also driven 
  603. the price down.  In many cases the Amateur can either use these devices 
  604. under their present type acceptance or modify them for Amateur operations. 
  605. However, the Amateur should remain aware of the rules and regulations 
  606. governing the particular device whether it falls under Part 15 or 
  607. Part 97 of the FCC Rules and Regulations and remain within their 
  608. guidelines.  If the Amateur wishes to expand beyond the present Part 
  609. 97 rules in bonafide experimentation, they are encouraged to join 
  610. in the Special Temporary Authority. 
  611.  
  612. Spread spectrum systems exhibit unique qualities that cannot be obtained 
  613. from conventional narrowband systems.  There are many research avenues 
  614. exploring these unique qualities.  Amateurs in their inherent pioneering 
  615. nature can and will find new and novel applications for spread spectrum 
  616. communications that the commercial sector may not even think of. 
  617. And due to the frugal propensity of the Radio Amateur, they will 
  618. certainly find the least expensive way to implement it, thus driving 
  619. down the cost.  
  620.  
  621. Amateurs should realize that there is plenty of room to explore spread 
  622. spectrum techniques.  All that remains now is to pick up a few good 
  623. books on the subject and warm up the soldering iron.  And as you 
  624. progress upon this road less traveled, make sure you take notes along 
  625. the way.  Then share your discoveries with your fellow Amateur to 
  626. help all of us expand the horizon with this exciting mode of communications 
  627. call spread spectrum.  It is no longer shrouded in secrecy and it's 
  628. not just for breakfast anymore! 
  629.  
  630.  
  631. ---------------------------------------------------------------------------
  632.  
  633.  
  634. WEB Crawling
  635.  
  636. Here are two WEB pages of interest. 
  637. I've started a general amateur radio SS page, http://www.tapr.org/
  638. ss.
  639. See also the PANSAT page at http://www.sp.nps.navy.mil/pansat/
  640. pansat.html. 
  641.  
  642.  
  643. Selected Bibliography
  644.  
  645. BOOKS - Extensive research oriented analysis - 
  646.    M.K. Simon, J. Omura, R. Scholtz, and K. Levitt, Spread Spectrum 
  647.    Communications Vol. I, II, III.  Rockville, MD. Computer Science 
  648.    Press, 1985. 
  649. Intermediate level - 
  650.    J.K. Holmes, Coherent Spread Spectrum Systems, New York, NY. Wiley 
  651.    Interscience, 1982.
  652. D.J. Torrieri, Principles of Secure Communication Systems.  Boston. 
  653. Artech house, 1982. 
  654. Introductory to intermediate levels - 
  655.    G.R. Cooper and C.D. McGillem, Modern Communications and Spread 
  656.    Spectrum, New York, McGraw-Hill, 1986.
  657. R.E. Ziemer and R.L. Peterson, Digital Communications and Spread 
  658. Spectrum Systems, New York, Macmillan, 1985.
  659. R.E. Ziemer and R.L. Peterson, Introduction to Digital Communications,
  660. New York, Macmillan, 1985. 
  661. Practical - 
  662.    R.C. Dixon, Spread Spectrum Systems, John-Wiley & Sons, 1984. 
  663. JOURNALS - There have been several special issues of IEEE publications 
  664. that are devoted to spread spectrum systems.  IEEE Transactions on 
  665. Communications: August 1977 and May 1982.  IEEE Journal of Selected 
  666. Areas in Communications: May 1990, June 1990, and May 1992. 
  667.  
  668. REFERENCES 
  669.    (1) R.C. Dixon, Spread Spectrum Systems, John-Wiley & Sons, 1984,
  670.    page 7.
  671.    (2) K. Gilhousen, Qualcomm Inc., USENET newsgroup discussion. 
  672.  
  673.