คลื่นวิทยุกับการสื่อสารเบื้องต้น

แนะนำให้อ่านและทำความเข้าใจก่อนอ่านข่าว 3G ทุกข่าวช่วงนี้ครับ

จากข่าวมาตรฐานการให้บริการข้อมูล 2G/3G ของกสทช. ผมพบว่าแม้แต่ผู้อ่านของ Blognone เองที่น่าจะเป็นกลุ่มคนที่มีความรู้เทคโนโลยีมากกว่าเฉลี่ยของสังคมไทยโดยรวมก็ยังถูกการตลาดของค่ายผู้ให้บริการต่างๆ สร้างความหวังและความฝันว่าเมื่อเรามีเครือข่าย 3G ให้บริการกันแล้ว เราจะได้ใช้งานเครือข่ายที่ความเร็วสูงในระดับที่แทบจะไม่ต้องการวายฟายหรือบรอดแบนด์ตามบ้านกันอีกเลย

ขณะที่เครือข่ายไร้สายระยะไกลอย่าง 3G เป็นความหวังของคนไทยอย่างมากว่าน่าจะสามารถเข้ามาขยายโอกาสในการเข้าถึงอินเทอร์เน็ตของคนไทยได้มากขึ้น การสื่อสารข้อมูลด้วยสัญญาณวิทยุมีข้อจำกัดในตัวมันเองหลายประการ และในการใช้งานข้อมูลมากๆ เช่น วิดีโอความสะเอียดสูง หรือการดาวน์โหลดไฟล์ขนาดใหญ่ อย่างต่อเนื่องโดยมีราคาต่ำที่ให้ทุกคนเข้าถึงได้นั้นกลับเป็นเรื่องที่เป็นไปได้ยาก บทความนี้ผมเขียนเพื่อแสดงข้อมูลพื้นฐานถึงข้อจำกัดโดยทั่วไปของการสื่อสารไร้สาย เราจะได้ตั้งความหวังกับมันได้อย่างตรงความเป็นจริง

คลื่นวิทยุกับการการส่งข้อมูล

ข้อมูลคอมพิวเตอร์นั้นเป็นข้อมูลดิจิตอลอย่างที่เรารู้กัน ว่ามันประกอบไปด้วยเลขศูนย์และหนึ่ง แต่ในคลื่นวิทยุนั้นการส่งคลื่นเป็นเพียงการบอกว่ามีคลื่นนั้นอยู่หรือไม่ จำเป็นต้องหาทางแปลงคลื่นวิทยุที่เราจับได้ในอากาศมาเป็นข้อมูลศูนย์และหนึ่งอีก กระบวนการหนึ่งที่เป็นไปได้ เช่น เมื่อส่งคลื่นนั้นไปในอากาศในถือว่าช่วงเวลานั้นเป็นการส่งข้อมูลหนึ่ง และเมื่อหยุดส่งให้ถือว่าว่าข้อมูลเป็นศูนย์ เมื่อเรากำหนดช่วงเวลาศูนย์และหนึ่งแต่ละตัวจะกินเวลานานเท่าใด เราก็สามารถจับคลื่นสัญญาณในอากาศออกมาเป็นข้อมูลเหมือนในสายไฟที่เราใช้งานกันได้

การเข้ารหัสสัญญาณแบบ FSK (Frequency Shift Keying) ทำให้ความถี่ของสัญญาณเปลี่ยนไปเพื่อแสดงแทนข้อมูลศูนย์และหนึ่ง เป็นการเข้ารหัสสัญญาณพื้นฐานแบบหนึ่ง ภาพโดย Ktims

เทคนิคการแปลงข้อมูลให้เป็นคลื่นวิทยุนี้ เราเรียกว่ากระบวนการเข้ารหัสสัญญาณ (modulation) เทคนิคการเข้ารหัสสัญญาณมีมากมายหลากหลาย และได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมา ทำให้เราสามารถส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายไร้สายอย่างมีประสิทธิภาพขึ้นมาก วายฟายที่เราใช้งานทุกวันนี้ทำความเร็วเพิ่มขึ้นจาก 1 Mbps ในมาตรฐาน 802.11 ไปเป็น 300 Mbps ในมาตรฐาน 802.11n อย่างรวดเร็ว

สัญญาณรบกวน

สิ่งที่คู่กันกับการส่งข้อมูลผ่านคลื่นวิทยุ คือ สัญญาณรบกวนที่เป็นคลื่นวิทยุที่มีอยู่ในธรรมชาติทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นจากการใช้งานของมนุษย์ด้วยกันเอง ไปจนถึงรังสีจากดวงอาทิตย์ที่ส่งมายังโลก ทำให้ทุกคลื่นความถี่ที่เราใช้งานกัน ล้วนมีคลื่นวิ่งอยู่ในอากาศความแรงคลื่นที่แต่ละความถี่ต่างๆ กันออกไปอย่างคาดเดาไม่ได้

สัญญาณรบกวนเมื่อมาพบกับสัญญาณที่เป็นข้อมูลทำให้สัญญาณรวมเปลี่ยนรูปร่างไป ภาพโดย Yves-Laurent

โดยทั่วไปแล้วเมื่อสัญญาณรบกวนมีไม่มากนัก ก็จะไม่มีผลอะไรต่อการส่งข้อมูล เช่น เสียงที่เราได้ยินกันทุกวันนี้ (ซึ่งเป็นคลื่นแบบหนึ่งเช่นเดียวกัน) เรายังสามารถพูดคุยกันได้ คือ การรับรู้คลื่นที่ฝ่ายตรงข้ามส่งมา และแปลความหมายของข้อมูลได้ แม้จะมีเสียงรบกวนรอบข้างก็ตาม แต่หากเสียงรบกวนมีมากเกินไป เช่น มีเครื่องจักรทำงานอยู่ใกล้ๆ สัญญาณรบกวนก็จะเริ่มทำให้การพูดคุยทำได้ลำบาก สิ่งที่เราทำได้ เช่น การพูดให้เสียงดังขึ้น ก็สามารถทำให้แก้ปัญหาเสียงรบกวนเหล่านั้นได้

คลื่นโดยทั่วไปนั้น เมื่อเราใช้ส่งออกไปแล้วความแรงสัญญาณก็จะลดลงตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น จนกระทั่ง ความแรงสัญญาณใกล้เคียงกับสัญญาณรบกวนในธรรมชาติจนแยกจากกันไม่ออกในที่สุด
สัญญาณรบกวนและการที่คลื่นอ่อนแรงลงเช่นนี้ ทำให้ระยะทำการของการส่งข้อมูลวิทยุมีข้อจำกัด เช่น วายฟายในมาตรฐาน 802.11b นั้นจะมีระยะทำการในที่โล่งประมาณ 40 เมตร แต่ถ้าเราอยู่ในย่านที่มีคลื่นรบกวนสูงๆ เช่น ในเมือง หรือคอนโดที่มีการใช้งานคลื่นความถี่เดียวกันมากๆ สัญญาณรบกวนก็จะแรงขึ้น ทำให้ระยะทำการลดลง

ประสิทธิภาพการใช้งานคลื่นความถี่

ประสิทธิภาพในการใช้งานคลื่นความถี่ (Spectral Frequency) เป็นตัวเลขที่บอกเราว่าเมื่อเรามีคลื่นอยู่ในมือเป็นความกว้างค่าหนึ่ง โดยความกว้างของคลื่นความถี่ คือ ความถี่ที่เริ่มใช้งานได้ไปจนถึงความถี่สุดท้ายที่ใช้งานได้ เราจะสามารถส่งข้อมูลผ่านคลื่นความถี่นั้นๆ ได้มากน้อยแค่ไหน เช่น วายฟาย 802.11b นั้นใช้คลื่นความถี่ 22MHz ตัวอย่างช่อง 1 ของวายฟาย คือ คลื่น 2401MHz – 2423MHz มีความกว้างทั้งหมด 22MHz และใช้ส่งข้อมูลได้ 11Mbps แสดงว่ามันมีประสิทธิภาพการใช้งานคลื่นความถี่ 0.5 bit/s/Hz

มาตรฐานการส่งข้อมูลแบบใหม่ๆ ให้ประสิทธิภาพของคลื่นความถี่ที่ดีกว่าเดิมมาก มาตรฐานเก่าเช่น โทรศัพท์มือถือในระบบ AMPS ที่มีใช้งานถึงสามสิบปีแล้ว อาจจะมีประสิทธิภาพเพียง 0.0015 bit/s/Hz เท่านั้น ขณะที่มาตรฐานใหม่กว่านั้นเช่น GSM จะให้ประสิทธิภาพที่ 0.45 bit/s/Hz ส่วนมาตรฐานใหม่ๆ เช่น HSDPA สามารถให้ประสิทธิภาพได้สูงสุดถึง 8.44 bit/s/Hz วายฟายที่เราใช้งานอยู่ทุกวันนี้ก็พัฒนาขึ้นมาอยู่ในระดับ 2.4 bit/s/Hz ในมาตรฐาน 802.11n

ประสิทธิภาพเหล่านี้แม้จะเพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ ตามเทคโนโลยีที่ดีขึ้น แต่ก็มีข้อจำกัดอยู่ โดยมีทฤษฎีบทที่เรียกว่า Shannon-Hartley Theorem ระบุว่า

โดย C คือ ปริมาณข้อมูล bit/s ที่ใส่เข้าไปในช่องสัญญาณได้ B คือ ความกว้างของช่องสัญญาณที่ใช้ และ S/N คือความแรงสัญญาณเทียบกับความแรงของสัญญาณรบกวน

สมการนี้บอกเราสองอย่าง คือ เมื่อเรามีสัญญาณรบกวนในสภาพแวดล้อมจริง เราสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการส่งข้อมูลได้สองวิธี คือ การส่งสัญญาณให้แรงขึ้น และการส่งผ่านช่องสัญญาณที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ตัวอย่าง เช่น ในมาตรฐาน 802.11n นั้นอนุญาตให้ เพิ่มช่องสัญญาณไปได้ถึงความกว้าง 40MHz

โดยตัวทฤษฎีบทนี้เองเป็นเพียงขีดจำกัดสูงสุดที่เป็นไปได้เท่านั้น ทุกวันนี้หากนำความกว้างช่วงคลื่นและความแรงสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่เราใช้กันอยู่มาใส่ในสมการนี้จะพบว่าประสิทธิภาพที่เราได้รับต่ำกว่าสมการนี้ แต่เทคนิคในยุคหลังๆ จะเข้าใกล้มากขึ้นเรื่อยๆ

การนำคลื่นความถี่กลับมาใช้ใหม่

คลื่นความถี่ที่เราส่งข้อมูลกัน แม้จะมีเพียงไม่กี่ช่องสัญญาณ เช่น 802.11b ในคลื่นย่าน 2.4GHz นั้นสามารถใช้งานได้พร้อมกัน 3 ช่องสัญญาณ แต่เราก็สามารถใช้งานกันได้กว้างขวาง เพราะเมื่อพ้นระยะสัญญาณของตัวส่งตัวหนึ่งไปไกลๆ แล้ว สัญญาณจากตัวส่งตัวนั้นก็จะอ่อนลงเรื่อยๆ จนกระทั่งไม่ต่างไปจากสัญญาณรบกวนในธรรมชาติ ก็จะสามารถใช้ช่องสัญญาณเดิมได้อีกครั้ง เรียกว่า การนำความถี่กลับมาใช้ใหม่ (Frequency Reuse)

ความแรงสัญญาณของเสาส่งสามต้นที่อยู่ติดกัน เมื่อต้นหนึ่งส่งสัญญาณก็จะกระทบไปถึงต้นอื่นๆ แม้ความแรงสัญญาณจะต่ำลงจนกระทั่งอ่านข้อมูลกลับมาไม่ได้แล้วก็ตาม

ในระบบที่มีการจัดการ เช่น ระบบโทรศัพท์มือถือนั้น ช่องสัญญาณจะถูกจัดวางอย่างเป็นระบบ มีการวางแผนว่าพื้นที่ใดควรใช้ช่องสัญญาณใด เพื่อสับหลีกการใช้คลื่นความถี่เดียวกันในพื้นที่ติดกัน ซึ่งจะทำให้รบกวนกันเองจนกระทั่งไม่มีใครสามารถส่งข้อมูลได้

การวางแผนการใช้คลื่นความถี่ จะพยายามไม่ใช้งานคลื่นความถี่เดียวกัน (สีเดียวกัน) ในพื้นที่ติดกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนกันเอง หากมีช่องสัญญาณมากขึ้นก็จะจัดให้ช่องสัญญาณเดียวกันอยู่ห่างกันได้มากขึ้น

การวางแผนนำคลื่นความถี่กลับมาใช้ซ้ำจะทำได้ง่ายขึ้น หากมีคลื่นจำนวนมาก แบนวิดท์ของคลื่นที่มีมากก็จะสามารถเว้นระยะห่างระหว่างคลื่นช่องเดียวกันได้ไกลขึ้น ในสภาพความเป็นจริง คลื่นไม่ได้แผ่ออกเป็นเป็นวงกลมเท่ากันทุกด้านเหมือนในภาพตัวอย่าง เนื่องจากเสาสัญญาณอาจจะบีบให้คลื่นไปด้านใดด้านหนึ่ง หรือสิ่งก่อสร้างอาจจะสะท้อนหรือปิดกั้นคลื่นบางด้านให้ระยะทางสั้นลง การออกแบบวางแผนคลื่นจึงมีความซับซ้อนขึ้นมาก แต่หลักการยังคงเดิม คือ ระยะทำการของคลื่นช่องสัญญาณหนึ่งๆ จะมีจำกัด และแต่ระยะทางที่มันจะแรงพอที่จะรบกวนการส่งข้อมูลบนช่องสัญญาณเดียวกันนั้นไกลกว่าระยะที่มันทำงานได้ ทำให้ต้องเว้นระยะที่ไม่ใช่ช่องสัญญาณนั้นออกไปช่วงหนึ่ง (นอกจากนี้ยังมีการเข้ารหัสสัญญาณแบบใหม่ๆ ยังเปิดให้มีการบริหารคลื่นแบบอื่นๆ แต่บทความนี้ละไว้)

ในระบบโทรศัพท์นั้น เสาให้บริการโทรศัพท์มือถือต้นหนึ่งๆ อาจจะมีรัศมีให้บริการนับสิบกิโลมเตร กินพื้นที่นับร้อยตารางกิโลเมตร หากให้บริการบนคลื่นความถี่เพียงช่องสัญญาณเดียวก็จะสามารถให้บริการแชร์กันได้ตามความเร็วที่ทำได้ของมาตรฐานแต่ละตัว แล้วแบ่งกันไปตามจำนวนคนใช้งาน เช่น ในระบบ HSDPA สามารถส่งข้อมูลได้ 42Mbps ในพื้นที่การทำงานของเสาต้นเดียวกัน ทุกคนก็ต้องแชร์ช่องสัญญาณดียวกัน ทำให้หากมีคนใช้งาน 10 คนพร้อมกันก็ไม่สามารถทำความเร็วได้เกิน 4.2Mbps ไปได้

การวางแผนจัดการช่องสัญญาณอาจจะใช้เทคนิคอื่นๆ เช่น การลดกำลังส่งของเสาสัญญาณลง ทำให้รัศมีการให้บริการต่ำลง แล้ววางเสาให้ถี่ขึ้นทำให้ผู้ใช้บริการต่อเสาแต่ละต้นนั้นมีจำนวนน้อยลง ในเมืองใหญ่ที่ประชากรหนาแน่นอาจจะมีการวางเสา microcell ที่มีรัศมีทำการเพียงหลักร้อยเมตร จนกระทั่งมีการเสนอบริการ femtocell ที่มีรัศมีให้บริการไม่กี่สิบเมตร พอๆ กับวายฟาย มันช่วยผู้ให้บริการสามารถนำคลื่นความถี่มาใช้ซ้ำได้มากในเมืองใหญ่ที่ประชากรหนาแน่น ผู้ใช้กระจุกตัว แต่ก็สามารถวางเสาสัญญาณได้ง่ายเพราะสาธารณูปโภคพร้อม ขณะที่การวางเสาสัญญาณในพื้นที่ห่างไกล ความหนาแน่นประชากรต่ำอาจจะวางเสากำลังส่งสูงเพื่อจะสามารถให้บริการได้ครอบคลุมพื้นที่เป็นหลัก

บริการที่ผู้ใช้สามารถเคลื่อนที่ไปได้อิสระอย่างโทรศัพท์มือถือยังมีความซับซ้อน เช่น กรณีที่ผู้ใช้รวมตัวกันมากๆ เป็นการชั่วคราวในพื้นที่ที่ปกติมีผู้ใช้งานน้อย พื้นที่นั้นอาจจะวางเสาสัญญาณไว้ให้สามารถให้บริการได้ไกลๆ เป็นหลัก แต่เมื่อผู้ใช้มารวมกันก็เกิดการแย่งช่องสัญญาณกันจนใช้มงานไม่ได้ เหมือนที่เราประสบปัญหาเมื่อมีงานคอนเสิร์ต หรืองานอีเวนต์อื่นๆ แล้วมีคนไปรวมตัวในที่เดียวกันจำนวนมากๆ แล้วไม่สามารถใช้งานโทรศัพท์มือถือได้

การสื่อสารไร้สายกับการทดแทนการสื่อสารแบบมีสาย

ขณะที่การสื่อสารแบบไร้สายสร้างความสะดวกสบายอย่างมากในช่วงยี่สิบปีให้หลังมานี้ แต่ข้อจำกัดของการสื่อสารแบบไร้สาย ไม่ว่าจะเป็นระบบ 3G หรือวายฟายก็ยังมีปัญหาของมันเองอยู่ ความได้เปรียบของรัศมีการให้บริการที่ไกล และเสียค่าติดตั้งน้อยกว่า แลกมากับการที่บริการเหล่านี้ต้องให้บริการบนคลื่นความถี่ที่มีจำกัด การเพิ่มกำลังส่งให้ไกลขึ้นเรื่อยๆ จะช่วยให้สามารถให้บริการพื้นที่ห่างไกลได้ดีขึ้น แต่ก็ทำให้จำนวนคนที่ต้องใช้ช่องสัญญาณร่วมกันมีมากขึ้นด้วยเช่นเดียวกัน

การสื่อสารแบบไร้สายเหมาะสมที่จะมีไว้เพื่อใช้ร่วมกับการสื่อสารแบบมีสายอย่างที่เราใช้กัน เช่น บริการบรอดแบนด์ที่แม้จะมีสายโทรศัพท์มาถึงบ้านเรา แต่เราก็มักเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ของเราเองผ่านอินเทอร์เน็ตด้วยวายฟายในบ้านของเราเองอีกทีหนึ่ง การใช้งานแบบไร้สายเป็นทางเลือกเดียวเมื่อมีการเคลื่อนที่ไปเรื่อยๆ เพราะเราไม่สามารถเชื่อมต่อสายกับยานพาหนะที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ได้ หรือการให้บริการในพื้นที่ห่างไกล ที่ปกติแล้วไม่คุ้มค่าที่จะให้บริการแบบมีสาย เช่น หมู่บ้านที่ความหนาแน่นประชากรต่ำ บ้านแต่ละหลังอยู่ห่างกันมาก การให้บริการแบบไร้สายที่มีรัศมีให้บริการไกลๆ เช่น 3G ทำให้คนในพื้นที่เหล่านี้สามารถเข้าถึงอินเทอร์เน็ตได้ง่ายขึ้น

ขณะที่การให้บริการแบบมีสายนั้นยังมีข้อดีที่สามารถทำความเร็วได้เพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ ทุกวันนี้โครงสร้างพื้นฐานหลักมักใช้ผ่านสายไฟเบอร์ออปติกส์ที่สามารถทำความเร็ว 40Gbps ได้ไม่ยากนัก การเดินสายไฟเบอร์ออปติกส์มักเดินสายไว้ทีละจำนวนมากๆ เพราะค่าดำเนินการเดินสายมีราคาแพง จึงสามารถนำสายที่ยังไม่ได้ใช้งานมาใช้งานได้เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ หรือกระทั่งเดินสายใหม่หากจำเป็น ขณะที่คลื่นความถี่วิทยุนั้นไม่สามารถหามาเพิ่มได้เรื่อยๆ เหมือนสายเหล่านี้