คลื่นมิลลิเมตร (Millimeter Wave) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) ในย่าน ความถี่ EHF (Extremely High Frequency) ซึ่งมีความถี่ในช่วง 30 – 300 GHz ตามข้อกำหนด ของสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (International Telecommunication Union)
หากเปรียบเทียบความถี่ของคลื่นมิลลิเมตรกับคลื่นอื่น ๆ ที่ทราบกันดี เช่น คลื่นไมโครเวฟ หรือช่วงสัญญาณ Wi-Fi (2.4 GHz) และคลื่นฟาร์อินฟราเรด (300 GHz – 20 THz) จะสังเกตได้ว่าความถี่ของคลื่นมิลลิเมตรจะมีความถี่สูงกว่าคลื่นไมโครเวฟ แต่จะมีความถี่ต่ำกว่าคลื่นฟาร์อินฟราเรด
” คลื่นมิลลิเมตร ซึ่งมีความถี่ในช่วง 30 – 300 GHz หากคำนวณค่าความยาวคลื่น จะได้ค่าความยาวคลื่นในช่วง 1 – 10 mm จึงเป็นที่มาของชื่อ คลื่นมิลลิเมตร “
ในปัจจุบันความต้องการในการสื่อสารข้อมูลไร้สายมีปริมาณเพิ่มขึ้นประมาณ 50% ในแต่ละปี เนื่องจากการใช้วิดีโอแบบต่อเนื่องและการมาของ IoT (Internet of Things) ประกอบกับแถบคลื่นความถี่ที่ต่ำกว่าซึ่งใช้สำหรับการสื่อสารเซลลูลาร์และการสื่อสารประเภทอื่น ๆ มีการใช้งานที่หนาแน่นมาก
โดยมีงานวิจัยชี้ให้เห็นว่าคลื่นความถี่ระหว่าง 28 – 73 GHz ที่มีความกว้างแถบความถี่ 1 GHz สามารถส่งข้อมูลได้ในระดับหลายกิกะบิตต่อวินาที และสามารถเพิ่มความเร็วสูงสุดถึง 15 กิกะบิตต่อวินาทีด้วยการใช้สายอากาศส่ง 4 ตัวและสายอากาศรับ 4 ตัว สำหรับระยะทาง 200 เมตร [1]
จะเห็นว่าด้วยศักยภาพดังกล่าวของคลื่นมิลลิเมตรจึงทำให้คลื่นนี้ได้รับความสนใจ ที่จะนำเอามาใช้งานสำหรับการสื่อสารส่วนบุคคลไร้สาย และการสื่อสารไร้สายในยุคที่ 5 (5th Generation: 5G) [2]–[5]
คุณสมบัติของคลื่นมิลลิเมตร
เนื่องจากคลื่นมิลลิเมตรมีความถี่ค่อนข้างสูง จึงทำให้ในคลื่นย่านความถี่นี้เดินทางเป็นเส้นตรงเช่นเดียวกับคลื่นแสง โดยคลื่นมิลลิเมตรจะไม่เดินทางไปตามพื้นดินเหมือนกับคลื่นความถี่ต่ำ และไม่สะท้อนกับพื้นดินและชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere) เหมือนกับคลื่น HF (High Frequency) หรือ VHF (Very High Frequency)
คลื่นมิลลิเมตรมีการลดทอนมากในชั้นบรรยากาศ เนื่องจากถูกดูดซับโดยก๊าซออกซิเจน โดยเฉพาะที่ความถี่ 60 GHz และยังสามารถถูกดูดซับโดยความชื้นได้โดยเฉพาะที่ความถี่ 24 GHz และ 184 GHz นอกจากนี้ในขณะที่ฝนตกการสื่อสารในย่านนี้จะไม่สามารถใช้งานได้แม้ในระยะสั้น ๆ เนื่องจากความยาวคลื่นของคลื่นมิลลิเมตรมีขนาดใกล้เคียงกับหยดน้ำฝน พลังงานของคลื่นส่วนใหญ่จึงถูกดูดซับไปกับฝน ดังนั้นคลื่นมิลลิเมตรจึงเหมาะสำหรับการสื่อสารระยะใกล้ หรือการสื่อสารบนภาคพื้นดินในระยะประมาณไม่เกิน 1 กิโลเมตร
อย่างไรก็ดี การที่คลื่นย่านนี้มีพื้นที่ครอบคลุม (coverage area) ไม่มากจึงทำให้สามารถนำคลื่นย่านนี้มาใช้งานซ้ำ (frequency reuse) ในพื้นที่ต่าง ๆ ได้มากกว่าคลื่นความถี่ที่ต่ำกว่า และเหตุที่คลื่นมิลลิเมตรมีความยาวคลื่นน้อยมากจึงทำให้สามารถออกแบบให้สายอากาศมีขนาดเล็กและมีความกว้างของบีมแคบมาก ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้เพิ่มการใช้ความถี่ซ้ำและช่วยชดเชยกับการลดทอนของคลื่นมิลลิเมตรได้เป็นอย่างดี
เนื่องจากคลื่นมิลลิเมตรมีคุณสมบัติแตกต่างจากคลื่นความถี่ในย่านที่ต่ำกว่าอย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นเรื่องการลดทอน (attenuation) การเลี้ยวเบน (diffraction) การแทรกสอด (diffraction) การกระเจิง (scattering) และการทะลุทะลวงผ่านวัตถุ (material penetration) จึงมีความจำเป็นต้องมีการศึกษาเพื่อหาแบบจำลองของช่องสัญญาณ (channel model) ที่แม่นยำสำหรับคลื่นมิลลิเมตร
ปัญหาการนำมาใช้งาน
ปัญหาที่สำคัญในการใช้งานคลื่นมิลลิเมตร จากคุณสมบัติในการเดินทางของคลื่น ซึ่งมีการสูญเสียพลังงานในการเดินทาง เนื่องจากการลดทอนและสิ่งกีดขวาง รวมทั้งความยาวคลื่นของคลื่นมิลลิเมตรมีขนาดเล็กกว่าสิ่งกีดขวางมาก ทำให้แทบจะไม่มีการเลี้ยวเบน
ในปัจจุบันปัญหาที่สำคัญในการออกแบบอุปกรณ์สำหรับคลื่นมิลลิเมตรคือ แบนด์วิดท์ที่กว้างและกำลังงานส่งของอุปกรณ์ที่มีค่าต่ำมาก ทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (Signal-to-Noise Ratio: SNR) ที่ภาครับมีค่าต่ำมาก แม้ว่าจะทำให้ค่าไดเรกติวีตี้ (directivity) ของสายอากาศมีค่าสูงก็ตาม ดังนั้นหากไม่มีเทคโนโลยีอื่น ๆ ที่เข้ามาช่วยแก้ปัญหาดังกล่าว ในการส่งคลื่นมิลลิเมตรจะต้องสูญเสียกำลังงานเป็นจำนวนมาก
การเพิ่ม SNR อาจทำได้โดยการใช้สายอากาศส่งและสายอากาศรับที่มีค่าไดเรกติวิตี้ที่สูง โดยนำสายอากาศหลายตัวมาทำงานร่วมกัน ซึ่งเรียกว่าสายอากาศแบบอเรย์ (array antenna) และเนื่องจากสายอากาศสำหรับคลื่นมิลลิเมตรมีขนาดเล็กมาก จึงสามารถเพิ่มจำนวนสายอากาศส่งและสายอากาศรับได้อย่างมากมาย ซึ่งเรียกเทคโนโลยีนี้ว่า massive MIMO (Multi-Input Multi-Output)
โดยในการรวบรวมสัญญาณจากสายอากาศส่งหรือรับแต่ละตัวนั้นจำเป็นต้องใช้ตัวเลื่อนเฟสแถบความถี่กว้าง (wideband phase shifter) ที่ใช้เทคโนโลยี MEMs (Micro Electro Mechanical Systems) แทนการใช้ตัวเลื่อนเฟสแบบเฟอร์ไรต์ (ferrite-based phase shifter) ซึ่งทำงานในช่วงความถี่แคบกว่า
การนำคลื่นมิลลิเมตรมาใช้สำหรับการสื่อสารไร้สายใน 5G
ระบบสื่อสารไร้สายในยุคที่ 5 ต้องมีความยืดหยุ่นในการรองรับการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่ใช้โพรโทคอลไอพี (IP protocol) สถาปัตยกรรมเซลล์ขนาดเล็ก (small cell architecture) และบริเวณที่มีการเชื่อมต่ออย่างหนาแน่น (dense coverage area) ทั้งนี้เพื่อรองรับการใช้งานอินเทอร์เนต (Internet) การสื่อสารระหว่างยานพาหนะและยานพาหนะ (vehicle-to-vehicle communication) การสื่อสารระหว่างยานพาหนะและระบบพื้นฐาน (vehicle-to-infrastructure communication) และการสื่อสารระหว่างเครื่องจักรและเครื่องจักร (machine-to-machine communication) เป็นต้น
จะเห็นว่าระบบจะต้องรองรับการส่งข้อมูลความเร็วสูงได้อย่างต่อเนื่อง และมีความล่าช้าที่น้อย ซึ่งระบบ 4G LTE และ WiFi ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันมีความล่าช้าในการส่งข้อมูลไปกลับประมาณ 20 – 60 มิลลิวินาที แต่ระบบ 5G จะต้องมีความล่าช้าต่ำได้ถึงในระดับมิลลิวินาที
ในปี ค.ศ. 2015 Next Generation Mobile Network (NGMN) Alliance ได้กำหนดความต้องการของระบบสื่อสารไร้สายในยุคที่ 5 ไว้ดังนี้ [10]
- อัตราการส่งข้อมูลอย่างน้อย 50 เมกกะบิตต่อวินาทีในทุกที่ และในบางกรณี 1 กิกะบิตต่อวินาที แต่ในปัจจุบัน NGMN คาดหวังว่าอัตราการส่งข้อมูลจะสูงมากกว่า 20 กิกะบิตต่อวินาทีด้วยการใช้เทคโนโลยี massive MIMO และ adaptive beamforming เพื่อรองรับการส่งข้อมูลขนาดใหญ่ เช่น ฟอร์แมตสามมิติ และออฟฟิศเสมือน เป็นต้น
- ความล่าช้าจากจุดต่อจุด (end-to-end latency) น้อยกว่า 10 มิลลิวินาที สำหรับกรณีทั่วไป และอาจต่ำเพียง 1 มิลลิวินาที ในกรณีที่จำเป็น เช่น ความปลอดภัยด้านการจราจร
- จำนวนของการเชื่อมต่อของอุปกรณ์ได้มากกว่า 200,000 อุปกรณ์ต่อตารางกิโลเมตร เพื่อสำหรับรองรับ เซนเซอร์จำนวนมหาศาล เป็นต้น (แต่ในปัจจุบันคาดหวังว่าจะเป็นหนึ่งล้านอุปกรณ์ต่อตารางกิโลเมตร)
ความน่าเชื่อถือได้สูง (high reliability) ไม่น้อยกว่า 99.999% หรืออาจสูงกว่า สำหรับกรณีที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงเป็นพิเศษ เช่น การป้องกันทางไกลผ่านโครงข่ายกริดอัจฉริยะ (smart grid network)
อ้างอิง
[1] T. S. Rappaport, Y. Xing, G. R. MacCartney, Jr., A. F. Molisch, E. Mellios, and J. Zhang, “Overview of Millimeter Wave Communications for Fifth-Generation (5G) Wireless Networks-with a Focus on Propagation Models,” in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Special Issue on 5G, Nov 2017.
[2] GSMA, “ROAD TO 5G: Introduction and Migration,” April 2018.
[3] CEPT. (2019) “Spectrum for wireless broadband – 5G”. from https://www.cept.org/ecc/topics/spectrum-for-wireless-broadband-5g
[4] FCC. (2016). “Spectrum Frontiers Proposal To Identify, Open Up Vast Amounts Of New High-Band Spectrum For Next Generation (5g) Wireless Broadband”. from https://www.fcc.gov/document/fact-sheet-spectrum-frontiers-item
[5] FCC. (2016). “Spectrum Frontiers R&O and FNPRM”. from https://www.fcc.gov/document/spectrum-frontiers-ro-and-fnprm