Introduction to WIMAX

 

WiMAX
                                                                                                มิตรชัย จงเชี่ยวชำนาญ
 
รูปที่ 1 การใช้งาน WiMAX
 
WiMAX(ไวแมกซ์) มาจากคำ Worldwide Interoperability for Microwave Access เป็นเทคโนโลยีสื่อสารไร้สายที่สามารถส่ง/รับข้อมูลทุกอย่างใน 1 ช่องสัญญาณได้กว่า 120 Mbps ที่เป็นเช่นนี้ได้เพราะข้อมูลจะฝากไปกับคลื่นวิทยุย่านความถี่ไมโครเวฟระดับ 2 กิกะเฮิรตซ์ขึ้นไปด้วยช่องสื่อสารที่มีแบนด์วิดท์(bandwidth) กว้างตั้งแต่ 3.5 เมกะเฮิรตซ์ไปจนถึง 10 เมกะเฮิรตซ์  ไวแมกซ์สามารถรองรับการใช้งานได้หลากหลายเช่นการบริการโทรศัพท์ประจำที่ โทรศัพท์เคลื่อนที่ หรือการให้บริการอินเตอร์เน็ตบรอดแบนด์ดังรูปที่ 1 ซึ่งหากสรุปจากรูปแล้ว จะสามารถพิจารณาได้ว่าไวแมกซ์มีความสามารถที่จะรองรับประเภทการสื่อสารได้สองรูปแบบดังรูปที่ 2 คือ
รูปที่ 2 การสื่อสารแบบ LOS และ NLOS ในไวแมกซ์
 
  • รูปแบบการสื่อสาร Line of Sight (LOS) รูปแบบนี้เป็นการสื่อสารในลักษณะที่อุปกรณ์ไวแมกซ์ ณ ต้นทางและปลายทางจะติดตั้งอยู่บนภูมิประเทศหรือสิ่งก่อสร้างที่สูงมากจนทึกทักได้ว่าเส้นทางระหว่างจุดที่ติดตั้งอุปกรณ์ไวแมกซ์ทั้งสองนี้ไม่มีสิ่งบดบัง ฉะนั้นแนวเส้นทางที่คลื่นวิทยุเคลื่อนผ่านจะมีเพียงแนวเดียวคือแนวเส้นตรงที่มีจุดเริ่มต้นจากอุปกรณ์ต้นทางไปจรดอุปกรณ์ปลายทาง รูปแบบนี้ไว้สนับสนุนการสื่อสารแบบประจำที่(Fixed communication) เหมาะอย่างยิ่งกับการส่งข้อมูลความเร็วสูงที่ระยะไกลโดยอาจประยุกต์ใช้ไวแมกซ์เพื่อทดแทนสถานีไมโครเวฟหรือเคเบิลใยแก้วซึ่งเป็นการสื่อสารระหว่างสถานีฐานในโทรศัพท์เคลื่อนที่ได้
  • รูปแบบสื่อสารแบบ Non-Line of Sight (NLOS) ดังในรูปที่ 2 จะเป็นรูปแบบการสื่อสารที่เกิดขึ้นเมื่ออุปกรณ์สื่อสารอยู่ในอาคาร บนถนน หรือกำลังเคลื่อนที่ เป็นต้น  สำหรับภาพจำลองเหตุการณ์ของการสื่อสารแบบ NLOS นั้นจะแสดงดังในรูปที่ 3  เมื่อส่งคลื่นวิทยุจากอุปกรณ์ต้นทาง คลื่นจะเดินทางในอากาศด้วยความเร็วแสง กรณีมีสิ่งกีดขวางมาก คลื่นอาจกระทบกับสิ่งกีดขวางและจะกระเจิง (diffraction) ออกไปหลายทิศทาง ดังนั้น ณ อุปกรณ์ปลายทาง สัญญาณสื่อสารที่รับได้จะมีหลายเส้นทาง อาจมีทั้งแนว LOS และ/หรือแนวการกระเจิงจากวัตถุกีดขวาง  คลื่นทุกเส้นทางจะรวมกันโดยขนาดคลื่นแต่ละเส้นทางอาจเสริมหรือหักล้างกันได้   ถ้าหักล้างกัน คลื่นผลรวมที่อุปกรณ์ปลายทางจะมีขนาดเล็กลงและในที่สุดข้อมูลที่สื่อสารจะผิดพลาด 
 
รูปที่ 3 ภาพจำลองการเคลื่อนที่แบบ NLOS
 
ทั่วโลกต่างจับจ้องย่างก้าวของไวแมกซ์ซึ่งเป็นเทคโนโลยีบรอดแบนด์ไร้สายอย่างใจจดใจจ่อ เพราะไวแมกซ์สามารถทดแทนเทคโนโลยีสื่อสารแบบเก่าหลายตัวได้ด้วยต้นทุนในการติดตั้งที่ถูกกว่า รองรับข้อมูลความเร็วสูง มีแอพพลิเคชั่นโดนใจจำพวก IPTV นอกจากนี้ ยังสามารถสื่อสารได้ไกลนับหลายกิโลเมตรในโหมดการสื่อสารแบบประจำที่และแบบเคลื่อนที่ จึงไม่น่าแปลกใจที่ไวแมกซ์จะได้รับความสนใจอย่างมาก  หลายประเทศต่างก็คาดหวังกับเทคโนโลยีไวแมกซ์มากพอควรถึงกับตั้งความหวังไว้ว่าไวแมกซ์จะเป็นเทคโนโลยีสำคัญ (Key technology) ที่จะทำให้กิจการโทรคมนาคมของประเทศนั้นรุดหน้าไปแบบก้าวกระโดด เทคโนโลยีสำคัญในไวแมกซ์ที่ทำให้ไวแมกซ์ถูกคาดหวังจากบรรดาผู้ใช้มีสองเทคโนโลยีคือ AAS(Adaptive Antenna System) และ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
รูปที่ 4 ลักษณะการแผ่คลื่นของสายอากาศแบบแผ่รอบ
รูปที่ 5 ลักษณะการแผ่คลื่นของสายอากาศแบบชี้ทิศ
 
  • Adaptive Antenna System
สายอากาศดีเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้การสื่อสารไร้สายสำเร็จได้ มีการทดลองหลายครั้งมากเพื่อให้สื่อสารไร้สายได้ไกลและหนึ่งในเคล็ดลับการสื่อสารให้ได้ไกลและข้อมูลถูกต้องครบถ้วนคือการเลือกใช้สายอากาศที่มีคุณภาพดี ซึ่งสายอากาศที่ดีต้องเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นวิทยุหรือรับคลื่นวิทยุเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยกำลังงานของสัญญาณหรือคลื่นต้องมากพอเพื่อให้คลื่นเดินทางได้ไกล  ยิ่งคลื่นวิทยุมีกำลังงานมากฉันใดย่อมเอื้อให้สื่อสารได้ไกลฉันนั้น   
รูปแบบการแผ่คลื่นของสายอากาศจะจำแนกได้สองแบบคือแบบแผ่(กระจาย)รอบและแบบชี้ทิศ เพื่อให้เข้าใจง่ายอาจเปรียบเปรยการทำงานของสายอากาศแบบแผ่รอบนี้ได้กับหัวฉีดน้ำแบบรอบซึ่งสายอากาศจะกระจายหรือรับคลื่นวิทยุได้รอบทิศดังรูปที่ 4 ส่วนสายอากาศประเภทชี้ทิศมีลักษณะการแผ่คลื่นที่ชี้ไปยังทิศทางใดทิศทางหนึ่งดังรูปที่ 5 ทั้งนี้อาจอุปมาการทำงานของสายอากาศแบบชี้ทิศเสมือนกับหัวฉีดน้ำเฉพาะทิศทางเดียวซึ่งสื่อสารได้ดีในทิศทางเดียวเท่านั้น ข้อดีของสายอากาศแบบชี้ทิศเมื่อเทียบกับแบบแผ่รอบคือสามารถสื่อสารไร้สายได้ไกลกว่าแบบแผ่รอบ นอกจากข้อดีเรื่องของระยะทางที่ไกลกว่าแล้ว การสื่อสารด้วยสายอากาศแบบชี้ทิศจะคัดแยกสัญญาณที่ต้องการสื่อสารจากสัญญาณที่ไม่ต้องการในทิศอื่นๆได้ดี ตัวอย่างเช่น มีสัญญาณสองสัญญาณเดินทางมาถึงเครื่องรับในสองทิศทาง หากรู้ทิศของสัญญาณที่ต้องการก็จะสามารถหันสายอากาศแบบชี้ทิศชี้ไปยังทิศของสัญญาณที่ต้องการได้เลย (ดูรูปที่ 5 ประกอบซึ่งต้องหันสายอากาศของโนตบุคชี้ทิศไปยังต้นกำเนิดสัญญาณ A) 
อย่างไรก็ดีสายอากาศทั้งสองแบบต่างมีจุดอ่อนและไม่เหมาะสมสำหรับไวแมกซ์ที่ต้องการสื่อสารข้อมูลความเร็วสูงแบบไร้สาย เหตุผลง่ายๆ การสื่อสารไร้สายให้ไกลได้ต้องอัดกำลังงานคลื่นไปยังทิศที่เราต้องการ แน่นอนว่าเราตัดตัวเลือกสายอากาศแบบแผ่รอบไปได้เลย คำถามถัดมาคือแล้วถ้าเลือกสายอากาศแบบชี้ทิศจะเหมาะสมหรือไม่? จากรูปที่ 6 ถ้าเรากำลังนั่งอยู่ในรถที่กำลังวิ่งตามเส้นทาง ก-ข-ค และใช้เครือข่ายไวแมกซ์ซึ่งมีสถานีฐานย่อยในบ้านซึ่งใช้สายอากาศแบบชี้ทิศ สังเกตว่าเมื่อรถเคลื่อนผ่านตำแหน่งต่างๆ ทิศทางของสัญญาณ ณ. ตำแหน่ง ก. ข. และ ค. จะเปลี่ยนแปลงไปตลอด ดังนั้น หากใช้สายอากาศแบบชี้ทิศจะรับได้ดี ณ. ตำแหน่งเดียวเท่านั้น ถ้าต้องการให้รับสัญญาณได้ดีตลอดเส้นทางเราต้องหันตัวสายอากาศไปยังทิศทางของสัญญาณ ดังนั้นการใช้สายอากาศแบบชี้ทิศสำหรับโจทย์อย่างไวแมกซ์นั้นไม่เพียงพอ
รูปที่ 6 การสื่อสารด้วยสายอากาศแบบ AAS
 
ในไวแมกซ์ได้แก้ปัญหานี้อย่างเบ็ดเสร็จด้วยเทคโนโลยีสายอากาศแบบปรับทิศได้เอง(Adaptive Antenna System: AAS) จริงๆมันมาจากจินตนาการสุดยอดของวิศวกรซึ่งต่อยอดจากสายอากาศแบบชี้ทิศกล่าวคือดัดแปลงให้สายอากาศแบบชี้ทิศนี้ให้มีความสามารถที่จะชี้ไปยังทิศที่สัญญาณมีคุณภาพดีที่สุดได้เองโดยอัตโนมัติ ดังรูปที่ 6 ในขณะที่รถเคลื่อนที่ สายอากาศแบบ AAS ในอุปกรณ์สื่อสารไวแมกซ์บนรถจะชี้ทิศไปยังทิศของอุปกรณ์สื่อสารในบ้านตลอดเวลาทำให้คลื่นวิทยุที่รับได้บนรถจะมีกำลังงานแรงตลอดเส้นทางรถเคลื่อน นอกจากนี้ หลักการสายอากาศแบบ AAS นี้มีประโยชน์มากในสภาพแวดล้อมของการสื่อสารจริงๆเพราะสัญญาณมีหลายเส้นทางและมีทั้งสัญญาณที่จะสื่อสารและสัญญาณขยะที่เราไม่ต้องการในแต่ละทิศ ในทางทฤษฎี การสื่อสารด้วยสายอากาศแบบ AAS จะรับสัญญาณที่ต้องการเสมอไม่มีสัญญาณแปลกปลอมปน เพราะสายอากาศ AAS จะชี้ไปยังทิศที่ถูกต้อง สัญญาณที่ได้จึงแรงและคุณภาพของการสื่อสารจึงดีตลอดเวลาแม้อุปกรณ์สื่อสารจะเคลื่อนที่ก็ตาม 
โครงสร้างสายอากาศ AAS ประกอบด้วยสามส่วน ส่วนแรกคือส่วนสายอากาศ ส่วนที่สองคือส่วนควบคุมทิศทางการแผ่คลื่นและส่วนที่สามคือส่วนวิเคราะห์สัญญาณ สายอากาศเมื่อรับสัญญาณได้จะส่งต่อสัญญาณไปยังส่วนวิเคราะห์สัญญาณเพื่อพิจารณาว่าสัญญาณที่รับได้ในทิศนี้คือสัญญาณที่ต้องการหรือไม่ จากนั้นจะคำนวณและส่งข้อมูลไปยังส่วนควบคุมทิศทางการแผ่คลื่นเพื่อบังคับทิศของสายอากาศไปยังทิศที่ถูกต้องในช่วงเวลาสั้น 
  • Orthogonal Frequency Division Multiplexing
เทคโนโลยี OFDM เป็นเทคโนโลยีที่ลดปัญหาที่เกิดจากการสื่อสารแบบ NLOS ที่นำมาประยุกต์ใช้ในไวแมกซ์ซึ่งทำให้ไวแมกซ์สามารถสนับสนุนการสื่อสารแบบบรอดแบนด์ได้ ในการสื่อสารแบบบรอดแบนด์ ข้อมูลจะมีความเร็วสูงซึ่งบอกเป็นนัยว่าจำนวนข้อมูลมากในห้วงเวลาวินาที ย้อนกลับไปพิจารณารูปการสื่อสาร NLOS ในรูปที่ 3  หากส่งข้อมูล 8 บิตจากต้นทางไปปลายทางโดยกำหนดให้ข้อมูล 1 บิตยาว X วินาที สมมติให้เส้นทางจากต้นทางไปปลายทางมีสองเส้นทางคือเส้นทาง #1 กับ #2 เนื่องจากปรากฏการณ์กระเจิงของสัญญาณ สมมติให้เส้นทาง #2 ยาวกว่าเส้นทาง #1 และคลื่นเคลื่อนในเส้นทาง #2 กินเวลานานกว่าเส้นทาง #1 อยู่ X วินาทีซึ่งเท่ากับช่วงเวลา 1 บิตข้อมูล ดังในรูปที่ 3  เมื่อข้อมูลมาถึงปลายทางซึ่งเครื่องรับที่ปลายทางจะรวมสัญญาณทั้งสองเส้นทาง ผลรวมของข้อมูลที่รับได้ 8 บิตจะเป็นศูนย์หมดเพราะข้อมูลจากสองเส้นทางหักล้างกัน  ซึ่งหากเราความเร็วข้อมูลเหลือเพียง 2 บิตจากเดิม 8 บิต เมื่อคลื่นเคลื่อนผ่านสองเส้นทางเดิมและรวมกันที่เครื่องรับปลายทางดังรูปที่ 3 แล้ว เรายังคงได้ข้อมูล 2 บิตที่เหมือนต้นทางทุกประการ ผลในรูปที่ 3 ชี้ให้เห็นชัดเจนว่า ถ้าอยากส่งข้อมูลสื่อสารเคลื่อนที่แบบไร้สายให้มีคุณภาพ ไร้ข้อผิดพลาด ต้องลดความเร็วข้อมูล!! อย่างไรก็ตาม การลดความเร็วข้อมูลลงจะทำให้ระบบสื่อสารไม่สามารถสนับสนุนข้อมูลบรอดแบนด์ได้ ไวแมกซ์จึงเลือกแก้ปัญหาที่น่าปวดหัวนี้ด้วยเทคโนโลยี OFDM  
โครงสร้างของ OFDM เป็นดังรูปที่ 7 เมื่อมีกลุ่มข้อมูลความเร็วสูงเข้ามาในระบบ “อุปกรณ์แบ่งข้อมูล”จะแยกข้อมูลความเร็วสูงออกเป็นกลุ่มย่อยทั้งหมด N กลุ่ม ทำให้ความเร็วข้อมูลของแต่ละกลุ่มย่อยถูกลดลงไป N เท่า (เนื่องจากจำนวนข้อมูลในแต่ละกลุ่มย่อยลดไป N เท่าแล้ว) กลุ่มข้อมูลย่อยทุกกลุ่มจะป้อนเข้า “อุปกรณ์เติมช่องเผื่อ” เพื่อแทรกกลุ่มข้อมูลด้วยข้อมูลพิเศษที่เรียกว่า Cyclic prefix  ทั้งนี้  การเติมข้อมูล Cyclic prefix จะทำให้เกิดช่องว่างระหว่างข้อมูลจริงดังรูปที่ 8 ซึ่งการแทรกช่องเผื่อนี้เพื่อเผื่อการซ้อนทับข้อมูลเนื่องจากปรากฎการณ์ที่ทำให้ความกว้างของรูปพัลส์ข้อมูลขยายออก (Delay Spread) :ซึ่งเกิดขึ้นในการสื่อสารแบบ NLOS 
 
รูปที่ 7 ผังโครงสร้างของเทคโนโลยี OFDM
 
รูปที่ 8 การแก้ปัญหาปรากฏการณ์ Delay spread โดยการเติม Cyclic Prefix ใน OFDM
 
เมื่อผ่านขั้นตอนการเติม Cyclic prefix แล้วกลุ่มข้อมูลย่อยจะป้อนเข้าสู่ “อุปกรณ์แบ่งความถี่และฝากข้อมูล” OFDM จะแบ่งช่องความถี่เป็นคลื่นความถี่ย่อยให้ได้เท่ากับ N แล้วฝากกลุ่มข้อมูลย่อยแต่ละกลุ่มไปกับคลื่นความถี่ย่อย  สิ่งที่พิเศษอีกประการใน OFDM คือ คลื่นความถี่ย่อยแต่ละความถี่นั้นเป็นอิสระต่อกันหรือไม่เกี่ยวข้องกัน (ชื่อ Orthogonal ของ OFDM บ่งถึงคลื่นความถี่ย่อยที่อิสระต่อกัน) การแบ่งคลื่นความถี่ย่อยแบบ OFDM จะได้ตำแหน่งความถี่ย่อยแต่ละตำแหน่งอยู่ชิดๆกัน สัญญาณที่ออกจาก “อุปกรณ์แบ่งความถี่และฝากข้อมูล” จะเป็นคลื่นความถี่ย่อย N คลื่นที่มีข้อมูลกลุ่มย่อย N กลุ่ม สัญญาณนี้จะเข้า “อุปกรณ์แปลงสัญญาณไมโครเวฟ” เพื่อปรับให้ทุกคลื่นความถี่ย่อยเป็นคลื่นไมโครเวฟย่อยดังรูปที่ 7 แล้วส่งออกอากาศ คลื่นไมโครเวฟย่อยที่ออกอากาศแต่ละคลื่นบรรจุข้อมูลความเร็วต่ำ ดังนั้นมันจึงรอดพ้นพิษสงจากปัญหาการสื่อสารไร้สายเคลื่อนที่ ข้อมูลในคลื่นไมโครเวฟย่อยก็ปลอดภัยไร้ข้อผิดพลาด เมื่อคลื่นไมโครเวฟย่อยมาถึงเครื่องรับ ข้อมูลจากแต่ละคลื่นไมโครเวฟย่อยก็จะถูกดึงมากองกันกลายเป็นกลุ่มข้อมูลใหญ่ ผลลัพธ์คือเราจะได้ข้อมูลทั้งหมดกลับคืนโดยสมบูรณ์ นั่นหมายถึงว่าข้อมูลสื่อสารในอัตราเร็วสูงเท่าเดิมเพราะปริมาณข้อมูลที่ได้จากต้นทางและปลายทางเท่ากันแถมข้อมูลไม่มีการสูญหายหรือผิดพลาดแม้แต่น้อย นี่เองที่ทำให้ไวแมกซ์สามารถส่งข้อมูลความเร็วสูงผ่านระบบไร้สายเคลื่อนที่แบบไร้กังวลซึ่งเป็นฝีมือของOFDM
ทั้งสองเทคโนโลยีในไวแมกซ์เป็นสองเทคโนโลยีสำคัญในหลายเทคโนโลยีที่บรรจุในไวแมกซ์ที่ทำให้ไวแมกซ์มีคุณสมบัติที่โอ้อวดว่าเป็นระบบการสื่อสารที่เหนือกว่าเทคโนโลยี-3G   สิ่งที่น่าติดตามคือความสำเร็จนี้จะเกิดขึ้นได้จริงในประเทศไทยหรือไม่    
 
บรรณานุกรม
[1] J. G. Andrews, A. Ghosh, and R. Muhamed, Fundamentals of WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking, Pearsons Education Inc., 2007.
[2] K. Kalaichevan and L. Harte, WiMAX explained, Althos Publishing, 2007.
 
 
ประวัติผู้เขียน
no_pic
มิตรชัย จงเชี่ยวชำนาญ เป็นคนจังหวัดตรัง สำเร็จการศึกษาระดับมัธยมศึกษาจากโรงเรียนวิเชียรมาตุ จังหวัดตรัง ได้รับคัดเลือกเข้าศึกษาระดับปริญญาตรีในหลักสูตรวิศวกรรมโทรคมนาคม สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหาร ลาดกระบังและสำเร็จการศึกษาในระดับปริญญาตรีในปีการศึกษา พ.ศ. 2534 จากนั้นได้เริ่มงานครั้งแรกโดยเป็นอาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร ในปี พ.ศ. 2537 ได้ไปศึกษาต่อโดยได้รับทุนการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานครที่ วิทยาลัยอิมพีเรียล มหาวิทยาลัยลอนดอน ประเทศอังกฤษในระดับปริญญาโทด้านระบบสื่อสารและการประมวลสัญญาณดิจิตอล จากนั้นก็ได้รับทุนในระดับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานครเพื่อศึกษาต่อในระดับปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมไฟฟ้า ณ. มหาวิทยาลัยเซอร์เรย์ ประเทศอังกฤษโดยมีอาจารย์ที่ปรึกษาคือ ศาสตราจารย์ เอียน โรเบิร์ตสัน  
ปัจจุบัน มิตรชัย จงเชี่ยวชำนาญ ดำรงตำแหน่งรองศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า ณ ภาควิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์และเป็นหนึ่งสมาชิกของทีมวิจัยระบบอัจฉริยะ(ISYS) ในด้านวิชาการรับสากล มิตรชัย จงเชี่ยวชำนาญเป็นสมาชิกในสถานะ Senior ของสมาคม IEEE และรับหน้าที่บอร์ดบรรณาธิการวารสาร IET Proc. Microwaves, Antennas and Propagation ของสมาคม IET ประเทศอังกฤษ นอกจากนี้ ยังเป็นผู้ทรงคุณวุฒิในการพิจารณาบทความวารสารต่างประเทศหลายฉบับทั้งของสมาคม IEEE, IET, ETRI และอื่นๆ ในด้านงานวิจัยปัจจุบัน มิตรชัย จงเชี่ยวชำนาญ มีความสนใจด้านการประยุกต์เทคโนโลยีไฟฟ้ากับเกษตรกรรมและอุตสาหกรรมการเกษตรที่เกี่ยวข้องกับเศรษฐกิจของภาคใต้    

 

Back to E-magazine List
 

ECTI Association
99 M.18 Paholyothin Rd., Klong Luang, Pathumthani 12120, THAILAND
E-mail: ecti.secretary@gmail.com
Find us on: