ลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นมิลลิเมตรและผลกระทบต่อการสื่อสาร

หลักการพื้นฐานของการแพร่กระจายสัญญาณในการสื่อสารคลื่นความถี่มิลลิเมตร

คลื่นมิลลิเมตร การสื่อสารในย่านความถี่มิลลิเมตร (mmWave) ที่ช่วง 30-300 กิกะเฮิรตซ์ ถือเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับระบบ 5G ที่ต้องการอัตราการส่งข้อมูลสูง การใช้ช่องสัญญาณกว้าง (~1 กิกะเฮิรตซ์) ทำให้เทคโนโลยีนี้สามารถให้ความเร็วในการส่งข้อมูลระดับหลายกิกะบิตต่อวินาที เพื่อรองรับความต้องการที่เพิ่มขึ้นของแอปพลิเคชันที่ต้องการความหน่วงต่ำ เช่น ความเป็นจริงเสริม (augmented reality) และรถยนต์อัตโนมัติ รายงานจากวารสาร Nature ในปี 2023 แสดงให้เห็นว่า mmWave สามารถให้ความเร็วสูงถึง 10 กิกะบิตต่อวินาที บนระยะทาง 1 กิโลเมตร โดยใช้เสาอากาศแบบมีทิศทาง แม้ว่าลักษณะการแพร่กระจายสัญญาณจะแตกต่างไปจากคลื่นไมโครเวฟที่ความถี่ต่ำกว่าอย่างชัดเจน

การสูญเสียเส้นทางแบบ Free space จะแปรผันตามกำลังสองของความถี่ในสภาพแวดล้อมแบบ free space ส่งผลให้เกิดการสูญเสียเส้นทาง (path loss) สูงกว่าช่วงความถี่ sub-6 GHz อยู่ 20–30 dB ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมภายนอกยิ่งทำให้สถานการณ์แย่ลง—ฝนตกสามารถก่อให้เกิดการลดทอนสัญญาณ (attenuation) 5-15 dB/กม. ที่ความถี่ 60 GHz ในขณะที่วัสดุก่อสร้าง เช่น คอนกรีต ทำให้เกิดการสูญเสียเมื่อสัญญาณทะลุผ่าน (penetration loss) 40-60 dB การสูญเสียจากพืชพรรณโดยปกติจะทำให้สัญญาณลดลงประมาณ 10-20 dB และจำเป็นต้องใช้วิธีแก้ปัญหาเชิงวิศวกรรมที่สร้างสรรค์เพื่อให้ได้ระดับความน่าเชื่อถือเทียบเท่ากับบริเวณที่ไม่มีสิ่งกีดขวาง

การใช้งานระบบลำแสงขั้นสูงร่วมกับเสาอากาศแบบแถวลำดับช่วยลดข้อจำกัดในการแพร่กระจายสัญญาณ โดยการสร้างช่องทางการส่งสัญญาณแบบมีทิศทาง ลำแสงที่มีทิศทางนี้ช่วยให้สามารถนำความถี่กลับมาใช้ซ้ำกันในพื้นที่ต่าง ๆ ได้ และลดการรบกวน ซึ่งเป็นประโยชน์หลักในพื้นที่เมืองที่มีการใช้งานหนาแน่น สถาปัตยกรรมล่าสุดใช้โครงสร้างแบบผสมผสานระหว่างการปรับคลื่นหลายพาหะตั้งฉาก (OMM) และระบบ MIMO จำนวนมาก เพื่อสร้างเครือข่ายอัจฉริยะที่ใช้ประโยชน์จากความอุดมสมบูรณ์ของช่วงคลื่น mmWave และความทนทานของระบบไมโครเวฟ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการส่งข้อมูลสูงสุดแบบเรียลไทม์

ผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมต่อสัญญาณการสื่อสาร mmWave

ระบบการสื่อสารคลื่นมิลลิเมตร (mmWave) มีความท้าทายเฉพาะตัวจากสภาพแวดล้อมที่ส่งผลอย่างมากต่อคุณภาพของสัญญาณในหลากหลายสถานการณ์การใช้งาน

กลไกการลดทอนสัญญาณที่เกิดจากสภาพอากาศ

ฝนสามารถทำให้เกิดการลดทอนสัญญาณได้สูงถึง 20 dB/km ที่ความถี่ 60 GHz โดยหิมะและหมอกยังก่อให้เกิดผลกระทบการกระเจิงเพิ่มเติมที่รบกวนความสมมาตรของเฟส สภาวะอากาศเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อคลื่นความยาวมิลลิเมตร (mmWave) มากกว่าระบบความถี่ต่ำกว่า เนื่องจากความยาวคลื่นที่สั้นกว่านั้นมีความไวต่อการรบกวนจากอนุภาคต่าง ๆ

ผลกระทบจากการลดทอนสัญญาณจากพืชพรรณและการทะลุผ่านอาคาร

ผลการวัดค่าในสนามแสดงให้เห็นว่าต้นไม้เดียวสามารถลดทอนสัญญาณ mmWave ได้ถึง 35 dB โดยใบไม้หนาแน่นสามารถบล็อกสัญญาณได้ถึง 98% วัสดุสำหรับสร้างอาคาร เช่น กระจกสี มีค่าการสูญเสียการส่งผ่านที่ 40 dB ที่ความถี่ 28 GHz ซึ่งสูงกว่าความถี่ไมโครเวฟถึงสามเท่า จึงจำเป็นต้องวางแผนเครือข่ายอย่างรอบคอบเพื่อเอาชนะอุปสรรคทางกายภาพ

ความท้าทายด้านการลดทอนสัญญาณจากฝนตกและการดูดกลืนของบรรยากาศ

การดูดซับออกซิเจนที่ความถี่ 60 GHz จะสร้างการสูญเสียในบรรยากาศที่ระดับ 15 dB/km โดยการลดลงของสัญญาณจากฝนเขตร้อนอาจสูงเกิน 30 dB/km ในสภาพอากาศรุนแรง ผลกระทบเหล่านี้มีผลรวมกันทำให้ระยะการใช้งานจริงลดลง จำเป็นต้องคำนวณค่าเผื่อการสูญเสียแบบปรับตัว และมีโปรโตคอลการปรับกำลังสัญญาณแบบไดนามิก

การสร้างแบบจำลองการสูญเสียของคลื่นความถี่สูงในการสื่อสารแบบมิลลิเมตรเวฟ

การแพร่กระจายในอวกาศเสรี (Free-Space) เทียบกับแบบจำลองการแพร่กระจายในเขตเมือง

การแพร่คลื่นความถี่สูง (mmWave) มีคุณสมบัติเฉพาะที่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม การสูญเสียเส้นทางในอวกาศว่าง (FSPL) สามารถแสดงได้โดยใช้กำลังสองผกผันของระยะการส่งสัญญาณ \(\frac{1}{R^2}\) อย่างไรก็ตาม ในพื้นที่เขตเมือง ช่องสัญญาณจะมีปฏิกิริยาที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยที่เลขชี้กำลังการสูญเสียเส้นทางจะอยู่ในช่วง 2.5–4.5 (LOS) และ 4.7–9.2 (non-LOS) การสูญเสียจากใบไม้ที่ความถี่ 28 GHz อยู่ที่ 6–8 dB/m และกำแพงคอนกรีตทำให้เกิดการสูญเสีย 40–60 dB ระยะ mmWave ในเขตเมืองโดยไม่ใช้ beamforming จะลดลงเหลือเพียง 150–200 เมตร เนื่องจากสิ่งกีดขวางเหล่านี้ เมื่อเทียบกับระยะทางอวกาศว่างเชิงทฤษฎีที่ 1–2 กิโลเมตร แถบแอนเทนาแบบปรับตัวสามารถชดเชยการสูญเสียนี้บางส่วนได้ โดยการควบคุมพลังงานไปยังเส้นทางที่มีสัญญาณที่เป็นไปได้ แต่ระยะการใช้งานจริงจะถูกกำหนดโดยความหนาแน่นของสิ่งกีดขวาง

คุณสมบัติการดูดกลืนที่ขึ้นอยู่กับความถี่

การดูดกลืนของบรรยากาศมีค่าสูงสุดที่ 24 GHz (เนื่องจากไอน้ำ) และที่ 60 GHz (เนื่องจากออกซิเจน) ซึ่งก่อให้เกิดการสูญเสียเพิ่มเติมในระบบคลื่นความถี่มิลลิเมตร (mmWave) ระหว่าง 0.2–15 dB/กม. การลดทอนจากฝน (Rain fade) ทำให้เกิดการลดทอน 2–8 dB/กม. ที่ความถี่ระหว่าง 30–40 GHz ในสภาพฝนปานกลาง ควรสังเกตว่า สัญญาณที่ 73 GHz มีการสูญเสียอิสระในพื้นที่ว่าง (free-space loss) มากกว่า 1.8 เท่าเมื่อเทียบกับที่ 24 GHz ในระยะทางเดียวกัน ซึ่งเป็นผลมาจากความสัมพันธ์ตามกำลังสองของความถี่ ($f^2$) ในสมการ FSPL สิ่งนี้นำไปสู่ข้อแลกเปลี่ยนที่สำคัญ — แม้ว่าความถี่ที่สูงขึ้นจะช่วยให้มีความกว้างของแถบความถี่มากขึ้น (เช่น ช่องสัญญาณขนาด 2 GHz) แต่ยังต้องการให้สถานีฐานติดตั้งหนาแน่นขึ้นถึง 4 เท่า เมื่อเทียบกับความถี่ที่ต่ำกว่า 100 GHz ข้อจำกัดเหล่านี้ในปัจจุบันได้รับการบรรเทาลงด้วยวัสดุขั้นสูง เช่น ฉนวนไฟฟ้าที่มีการสูญเสียน้อย และเสาอากาศแบบเมตาซอร์ฟ (metasurface antennas) ซึ่งสามารถให้ประสิทธิภาพในช่วงความถี่ E-band สำหรับการเชื่อมโยงย้อนกลับ (backhaul) ใน 5G ได้สูงถึง 90%

ข้อกำหนดในการมองเห็นโดยตรง (Line-of-Sight) เพื่อการสื่อสารที่มีความน่าเชื่อถือ

คลื่นมิลลิเมตร ระบบสื่อสาร (mmW) ต้องการการจัดแนวที่แม่นยำระหว่างตัวส่งและตัวรับสัญญาณ เนื่องจากมันทำงานที่ความถี่สูง (24–100 GHz) ในขณะที่สัญญาณความถี่ต่ำสามารถเลี้ยวเบนรอบอุปสรรคได้ แต่พลังงาน mmWave จะถูกดูดกลืนโดยอุปสรรคถึง 60-90% (ITU 2023) ข้อจำกัดดังกล่าวทำให้ LOS ที่ไม่มีสิ่งบังคับเป็นเงื่อนไขจำเป็นในการบรรลุความเร็วสูงระดับ multigigabit ในสถานการณ์ 5G/6G

ผลกระทบจากการบังสัญญาณจากกิจกรรมของมนุษย์และโครงสร้างต่าง ๆ

สภาพแวดล้อมในเขตเมืองก่อให้เกิดผู้รบกวน LOS หลักสามประเภท ได้แก่

• อุปสรรคแบบสถิต : กำแพงคอนกรีตลดสัญญาณ mmWave ลง 40–60 dB ในขณะที่กระจกจะลดทอนการส่งสัญญาณลง 15–25 dB
• อุปสรรคแบบเคลื่อนที่ : คนเดินเท้าเพียงคนเดียวสามารถก่อให้เกิดการสูญเสียสัญญาณ 20–35 dB และการจราจรทางรถยนต์สามารถก่อให้เกิดการขาดช่วงของสัญญาณชั่วคราวนาน 0.8–3.2 วินาที
• สภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง : การเปลี่ยนแปลงของพืชพรรณตามฤดูกาล ส่งผลให้การลดทอนของใบไม้เปลี่ยนไป 12–18 dB

ผลกระทบเหล่านี้จะทวีความรุนแรงขึ้นในเขตเมืองที่มีความหนาแน่นสูง โดยระดับการให้บริการ LOS เฉลี่ยลดลงเหลือ 54–72% หากไม่มีการใช้เทคโนโลยี beamforming เข้ามาช่วย

โซลูชัน Beamforming สำหรับสถานการณ์ที่ไม่สามารถมองเห็นเส้นทางตรง (Non-LOS Scenarios)

เสาอากาศแบบ Phased Array สร้างพลังงานคลื่นความถี่สูงแบบ Equivalent Isotropically Radiated Power (EIRP) ได้สูงถึง 27 dBm และสามารถควบคุมทิศทางลำแสงเพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางได้ ระบบสมัยใหม่ปัจจุบันสามารถทำได้:

• กลุ่มเสาอากาศขนาด 1024 ตัวแปร เพื่อความแม่นยำในการกำหนดทิศทางลำแสงที่ 1.2°
• ปรับเปลี่ยนทิศทางลำแสงใหม่ภายในเวลาไม่ถึง 3 มิลลิวินาที โดยใช้ AI คาดการณ์เส้นทาง RF
• ความน่าเชื่อถือของ NLOS (Non-Line-of-Sight) สูงถึง 78% ผ่านการสะท้อนบนพื้นผนัง

ผลการศึกษาโครงสร้างพื้นฐานการสื่อสาร UAV ในปี 2024 แสดงให้เห็นว่า การใช้เทคโนโลยี Beamforming แบบปรับตัวได้ ช่วยลดโอกาสเกิดการขาดการเชื่อมต่อในเขตเมืองได้มากถึง 63% เมื่อเทียบกับเสาอากาศแบบแบ่งเซ็กเตอร์คงที่ แนวทางนี้รวมเอาการสร้างแผนที่แบบเรียลไทม์จาก Lidar และการแบ่งปันช่วงความถี่แบบไดนามิกเข้าไว้ด้วยกัน เพื่อรักษาคุณภาพการให้บริการ (QoS) ในช่วงเกิดการบล็อกสัญญาณ

เทคนิคการสร้างแบบจำลองช่องสัญญาณสำหรับการสื่อสาร MmWave

กลไกการกระจายสัญญาณในเชิงพื้นที่ 3 มิติ

จำเป็นต้องมีโมเดลเชิงพื้นที่ 3 มิติที่มีความละเอียดสูงสำหรับระบบการสื่อสารคลื่นความถี่มิลลิเมตร (mmWave) เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของสัญญาณกับองค์ประกอบในเขตเมืองทั้งในระนาบแนวตั้งและระนาบราบ ต่างจากการใช้โมเดล 2 มิติแบบดั้งเดิม โมเดลเหล่านี้ใช้เทคนิคการสร้างแบบจำลองทางสถิติเพื่อเลียนแบบความน่าจะเป็นในการรับสัญญาณโดยตรง (LOS) โดยรวมถึงขนาดของอาคารและสิ่งกีดขวางที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา เช่น การใช้แบบจำลอง Saleh-Valenzuela แบบขยาย เราแสดงให้เห็นว่าโมเดลเหล่านี้สามารถทำนายค่าความสูญเสียจากปรากฏการณ์เลี้ยวเบน (diffraction loss variation) ได้ในช่วง 12–18 เดซิเบล สำหรับโครงสร้างที่มีรูปทรงเรขาคณิตแตกต่างกัน

การวิเคราะห์การลดทอนสัญญาณแบบหลายเส้นทางและการสะท้อน

ความยาวคลื่นที่สั้นของ mmWave ก่อให้เกิดกลุ่มสัญญาณสะท้อนที่กระจายตัวไม่มาก โดยการสะท้อนแต่ละครั้งมีการสูญเสียพลังงานประมาณ 6-9 เดซิเบล เมื่อเทียบกับสัญญาณในย่านความถี่ sub-6 GHz การศึกษาภายในอาคารแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่กระเจิงออกไปมีเพียง 20-30% เท่านั้นที่มีส่วนช่วยในการสร้างลิงก์สัญญาณแบบหลายเส้นทางที่ใช้งานได้จริง จึงจำเป็นต้องปรับปรุงแบบจำลองทางสถิติใหม่ โดยเน้นเส้นทางการสะท้อนหลักมากกว่าการพึ่งพาการกระเจิงแบบแพร่กระจาย

ความขัดแย้งในอุตสาหกรรม: ความแลกเปลี่ยนระหว่างความจุแบนด์วิดธ์สูงกับระยะทางจำกัด

แม้ว่าช่วงคลื่น mmWave จะมีความกว้างของช่องสัญญาณ 400-800 เมกะเฮิรตซ์ แต่การสูญเสียพลังงานของคลื่นในอากาศที่ความถี่ 28 กิกะเฮิรตซ์จะสูงกว่าที่ความถี่ 3 กิกะเฮิรตซ์อยู่ 29 เดซิเบล สิ่งนี้ทำให้เครือข่ายจำเป็นต้องติดตั้งเซลล์เล็ก (small cells) ในระยะห่างกัน 150-200 เมตรในเขตเมืองที่หนาแน่น—หนาแน่นกว่าระบบที่ใช้ไมโครเวฟถึง 4 เท่า—เพื่อรักษาอัตราการส่งข้อมูลระดับกิกะบิต

กรณีศึกษาการติดตั้งจริงในเขตเมือง

การทดลองใช้งานในรถไฟใต้ดินมาดริดโดยใช้ความถี่ 26 กิกะเฮิรตซ์สามารถบรรลุความน่าเชื่อถือได้ถึง 94% ในสถานีที่มีผู้คนแออัด โดยการรวมเทคโนโลยี beamforming เข้ากับการทำนายการบล็อกสัญญาณแบบเรียลไทม์ อย่างไรก็ตาม การเคลื่อนไหวของผู้คนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของระดับสัญญาณ (RSS) ประมาณ 3-5 เดซิเบล ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความจำเป็นในการปรับตัวของช่องสัญญาณโดยใช้ปัญญาประดิษฐ์ในพื้นที่สาธารณะ

เชิงกลยุทธ์ สถานีฐาน การวางแผนเครือข่ายการสื่อสาร

การเลือกสถานที่ติดตั้งเพื่อลดการรบกวนสัญญาณ

การวางตำแหน่งสถานีฐานอย่างเหมาะสม ช่วยลดระดับสัญญาณรบกวนในเครือข่ายคลื่นความถี่สูง (mm-wave) ซึ่งมีการลดทอนของสัญญาณเกิดขึ้นเร็วมากจากอุปสรรคต่าง ๆ การติดตั้งในสภาพแวดล้อมเขตเมืองจำเป็นต้องมีการวางผังให้เหมาะสม เพื่อแก้ไขปัญหาการบล็อกสัญญาณและทับซ้อนของสัญญาณจากสภาพแวดล้อม ด้วยแบบจำลองการกระจายสัญญาณที่ซับซ้อน ผู้วางแผนระบบสามารถระบุพื้นที่ที่ลดการรบกวนระหว่างช่องสัญญาณ และเพิ่มประสิทธิภาพในการครอบคลุมสัญญาณได้สูงสุด เราพบว่าการเลือกสถานที่ติดตั้งโดยคำนึงถึงลักษณะภูมิประเทศ สามารถลดจำนวนพื้นที่ที่ไม่มีสัญญาณ (dead zones) ได้ถึง 45% และลดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยลง 24% เมื่อเทียบกับการจัดวางแบบห่างเท่ากัน โดยปัจจัยหลักๆ ได้แก่ ความหนาแน่นของอาคาร ความแตกต่างของระดับความสูง และการแผนที่โครงสร้างพื้นฐานเดิม เพื่อให้สามารถควบคุมการรบกวนสัญญาณโดยไม่ต้องลงทุนเพิ่มเติมในฮาร์ดแวร์

แนวโน้มในอนาคต: สถาปัตยกรรมแบบผสม RF-MmWave

สถาปัตยกรรมแบบดูอัลแบนด์ที่ผสานเทคโนโลยี mmWave เข้ากับคลื่นความถี่ sub-6 GHz ได้แสดงให้เห็นว่าเป็นทางเลือกที่ใช้งานได้สำหรับเครือข่ายในอนาคต สถาปัตยกรรมแบบไฮบริดนี้รวมเอา massive MIMO ในย่าน mmWave เพื่อการส่งข้อมูลความเร็วสูงในเขตเมืองหนาแน่นเข้ากับคลื่นความถี่ RF สำหรับการครอบคลุมพื้นที่ชานเมือง/ชนบทที่กว้างขึ้น โปรโตคอลสลับอัจฉริยะจะจัดสรรผู้ใช้งานให้อยู่ในแต่ละแบนด์อย่างมีประสิทธิภาพตามระดับการเคลื่อนที่และลักษณะการใช้งาน ระบบดังกล่าวสามารถลดความหนาแน่นในการติดตั้งลงได้ 60% เมื่อเทียบกับเครือข่ายที่ใช้เฉพาะ mmWave และยังคงรักษาระดับ QoS ที่จำเป็นไว้ได้ขณะเกิดการเปลี่ยนมือ (handover) ทางออกแบบผสมผสานนี้ยังได้พิสูจน์แล้วว่ามีศักยภาพสำหรับการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม IoT ซึ่งการเชื่อมต่ออย่างต่อเนื่องบนภูมิประเทศที่หลากหลายมีความสำคัญอย่างมาก