Research

สายอากาศสำหรับ 5 GHz เป็นอย่างไร


จักรกฤช ตรรกพาณิชย์

ภาควิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม

คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร

สายอากาศสำหรับ 5 GHz เป็นอย่างไร

ในปัจจุบันสายอากาศ (Antenna) หรือบางคนเรียกว่าเสาอากาศ นั้นอยู่ใกล้ตัวเรามากๆ เลย ลองมองหาดูสิว่ามีอยู่ที่ใดบ้าง อย่างน้อยถ้าใครพกพาโทรศัพท์เคลื่อนที่ก็จะมีสายอากาศอยู่ในนั้นด้วยแล้ว ถ้าย้อนไปเมื่อประมาณปี 1981 ที่เป็นยุคแรกๆ ของการสื่อสารโทรศัพท์เคลื่อน 1G ( the first Mobile Phone Generation) จนถึงตอนต้น 2G นั้น สายอากาศจะมองเห็นได้ชัดเจน เพราะมีลักษณะเป็นเสายื่นออกมานอกตัวโทรศัพท์ บางยี่ห้อเวลาจะใช้โทรเราอาจต้องดึงสายอากาศออกมาก่อนด้วย แต่ตอนนี้เราใช้โทรศัพท์เคลื่อนที่ยุค 4G สายอากาศนั้นอยู่ภายในตัวโทรศัพท์จนมองไม่ออกว่าสายอากาศอยู่ที่ส่วนไหน สายอากาศเป็นอุปกณ์สำคัญที่ใช้สำหรับรับส่งสัญญาณและข้อมูลระหว่างตัวโทรศัพท์เคลื่อนที่กับสถานีฐาน เพื่อที่จะเชื่อมต่อไปยังแหล่งข้อมูลตามโครงข่ายต่อๆ ไป    

ภาพจาก  http://pubs.sciepub.com/ajss/2/4/5/figure/2

ในช่วง 1G ถึงตอนต้น 2G โทรศัพท์เคลื่อนที่จะใช้งานเพื่อการสนทนาด้วยเสียงเป็นหลักเพียงอย่างเดียว จากนั้นในช่วงกลางของ 2G จนถึง 3G โทรศัพท์กลายมาเป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กและยังสามารถเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตโดยผ่านทางเครือข่ายโทรศัพท์โดยใช้ความถี่ย่าน 800 900 1,800 1,900 2,100 MHz (สำหรับประเทศไทย) หรือสามารถใช้ผ่านทาง wifi  2.4 และ 5 GHz ก็ได้ นอกจากนี้โทรศัพท์ยังสามารถรับสัญญาณ GPS ย่านความถี่ 1.5 GHz เพื่อใช้ระบุตำแหน่งและนำทางได้อีกด้วย แสดงว่าโทรศัพท์เคลื่อนที่นั้นจะต้องมีสายอากาศที่ใช้งานสำหรับย่านความถี่ดังกล่าว

        ต่อมาเมื่อเข้าสู่ 3G อย่างเต็มตัว การรับส่งข้อมูลมีความเร็วที่สูงมากขึ้นเพียงพอที่จะดู vdo ทางอินเทอร์เน็ตได้ ตัวโทรศัพท์เคลื่อนที่มีความสามารถเหมือนคอมพิวเตอร์และอาจเหนือกว่า อัตราค่าบริการเทียบกับข้อมูลลดลง ราคาตัวเครื่องโทรศัพท์ไม่สูงมากเมื่อเทียบกับค่าครองชีพ ส่งผลให้จำนวนผู้ใช้งานโทรศัพท์ได้เพิ่มขึ้นมากตามมา แน่นอนว่าอาจมีปัญหาการให้บริการเมื่อข้อมูลและผู้ใช้บริการมีจำนวนมากและจะเพิ่มขึ้นมากต่อไปเรื่อยๆ สำหรับความต้องการด้านการใช้ข้อมูล จาก 1G ถึง 3G นั้นมีการวิจัยและพัฒนาปรับเปลี่ยนเทคนิคการจัดการสัญญาณในแบบต่างๆ แต่ระบบสายอากาศนั้นไม่ได้เปลี่ยนแปลงมากนัก จนถึง 4G ซึ่งมีการพัฒนาระบบสายอากาศเป็นอย่างมากเพื่อให้สามารถรองรับจำนวนผู้ใช้ที่มากขึ้นและจำนวนข้อมูลที่มากขึ้นอย่างมหาศาล นั้นคือระบบที่เรียกว่า MIMO (multiple-input and multiple-output) ซึ่งใช้การสะท้อนของสัญญาณคลื่นวิทยุหรือสัญญาณที่มาจากหลายทิศทางให้เป็นประโยชน์ ต่างกับ 1G ถึง 3G สัญญาณเหล่านี้เป็นส่วนทำให้สัญญาณเสียหายและทำให้การส่งข้อมูลมีความเร็วลดลงหรือมีค่า throughput ต่ำลงนั้นเอง ในระบบ MINO นี้ ทางด้านส่งสัญญาณและด้านรับสัญญาณจะต้องมีสายอากาศด้านละ 2 ตัวขึ้นไป ดังนั้นสายอากาศที่อยู่บนโทรศัพท์ก็ต้องมีสายอากาศอย่างน้อย 2 ตัว เพื่อรองรับระบบนี้ แต่ขนาดและจำนวนของสายอากาศก็เป็นตัวแปรหรือข้อจำกัดในการพัฒนาเทคนิคทางการรับส่งคลื่นวิทยุ เนื่องจากสายอากาศที่มีขนาดใหญ่ (เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นที่สัมพันธ์กับความถี่ที่ใช้) นั้นไม่สามารถรถบรรจุลงในตัวโทรศัพท์เคลื่อนที่ได้ หรืออาจสร้างได้ลำบากเพื่อใช้กับสายอากาศที่สถานีฐาน

 

ภาพจาก https://www.mwrf.com/systems/differentiate-between-4g-lte-and-non-standalone-5g-nr-antennas

สำหรับใน 5G นั้นได้ออกแบบระบบให้รองรับทั้งจำนวนผู้ใช้และปริมาณข้อมูลที่จะต้องมากกว่า 4G ขึ้นอีก โดยออกแบบให้พื้นที่บริการของสถานีฐานขนาดลดลงเพื่อเหมาะกับย่านความถี่วิทยุที่เปลี่ยนจากเดิมอย่าสิ้นเชิง คือใช้ย่านความถี่ 600-800MHz 3GHz 4-6GHz สำหรับย่านความถี่ต่ำและที่สำคัญความย่านถี่สูงคือ 24-29GHz 37-43GHz 64-71GHz จากการกำหนดใช้ย่านความถี่สูงขึ้นมากนั้นมีผลทำให้สายอากาศมีขนาด(ทางกายภาพ)ลดลงได้เพราะขนาดของสายอากาศจะแปรผกผันกับความถี่ และยังสามารถสร้างสายอากาศได้จำนวนมากขึ้นหลายตัวเพื่อใช้งานร่วมกันที่เรียกว่าสายอากาศแถวลำดับหรืออาร์เรย์ (Array) บรรจุลงในสายอากาศสถานีฐานและที่ตัวโทรศัพท์เคลื่อนที่ ทำให้สร้างเป็นระบบสายอากาศฉลาด (smart antenna system) ซึ่งจะกำหนดทิศทางลำคลื่นวิทยุให้โฟกัสไปเฉพาะทิศทางที่ต้องการรับและส่งเท่านั้น แท้จริงแล้วระบบ smart antenna นี้ได้มีผู้เสนอแนวคิดและงานวิจัยมานานมากก่อนที่จะมีระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่เสียอีก และใน 5G ยังสามารถนำ smart antenna system มาใช้ร่วมกับระบบ MINO เรียกว่า Massive MINO  ก็จะสามารถรองรับความการใช้งานต่างๆ ดังกล่าวในอนาคตได้  ดังนั้นจึงมีการวิจัยพัฒนาสายอากาศแถวลำดับเพื่อใช้ติดตั้งที่สถานีฐานหรืออาจหรือโทรศัพท์เคลื่อนที่ ซึ่งระบบสายอากาศนี้จะมีจำนวนสายอากาศหลายสิบตัวหรือเป็นจำนวนร้อยตัวเลยทีเดียว 

        จากที่กล่าวมาจะเห็นว่าระบบสายอากาศที่จะใช้กับ 4G จะมีการปรับเปลี่ยนไปจากเดิมและมีความซับซ้อนขึ้น และสำหรับ 5G นั้นก็จะยิ่งซับซ้อนเพิ่มมากขึ้นไปอีกเพื่อให้สามารถรองรับการสื่อสารระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ในอนาคต    

 

ภาพจาก http://www.yaspan.com/5g-starts-with-chips-like-ibm-and-ericssons-silicon-antenna/

 

ภาพจาก  http://wirelessone.news/10-r/784-256-antenna-transmitter-antenna-for-high-frequency

 

ภาพจาก  http://the-mobile-network.com/2015/09/5gic-the-launch-the-goals-the-research-the-project/

 

อาจดูข้อมูลที่เกี่ยวข้องและละเอียดมากขึ้นที่ได้จาก

https://www.youtube.com/watch?v=GEx_d0SjvS0

https://www.youtube.com/watch?v=qjqYRHYLoWo

https://www.youtube.com/watch?v=hIl4ZQb-A70

 

 

<< ย้อนกลับ