นักวิจัยแดนปลาดิบออกแบบเครื่องรับส่งสัญญาณแบบใหม่ มีการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย ช่วยปรับปรุงเครือข่ายการสื่อสาร 5G ให้ครอบคลุมพื้นที่มากขึ้น แม้ในบริเวณที่มีสิ่งกีดขวาง

ผลงานตีพิมพ์ในรายงานการประชุม IEEE/MTT-S International Microwave Symposium ประจำปี 2024 โดยทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียว ประเทศญี่ปุ่น นำเสนอเครื่องรับส่งสัญญาณที่มีการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย ใช้สายอากาศแบบอาร์เรย์ที่มีองค์ประกอบ 256 ส่วน สำหรับการสื่อสารไร้สาย 5G แบบไม่อยู่ในแนวสายตา (Non-line-of-sight) ทดสอบแล้วว่ามีประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณและการแปลงพลังงานสูง ช่วยเพิ่มการครอบคลุมพื้นที่ของเครือข่ายได้ แม้ในบริเวณที่มีสิ่งกีดขวาง ซึ่งอาจทำให้การสื่อสารความเร็วสูงที่มีความหน่วงต่ำเข้าถึงได้มากขึ้น

การสื่อสารระบบ 5G ซึ่งใช้สัญญาณวิทยุความถี่สูงมาก (24 - 100 GHz) เป็นเทคโนโลยีที่น่าจะเข้ามามีบทบาทสำคัญในการสื่อสารไร้สายยุคถัดไป มีความเร็วในการสื่อสารข้อมูลสูง มีเวลาหน่วงต่ำ และสามารถรองรับเครือข่ายขนาดใหญ่ได้ อย่างไรก็ตาม เครือข่าย 5G ในปัจจุบันต้องเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญสองประการ คือ อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ต่ำ ซึ่งอาจลดประสิทธิภาพของการสื่อสาร และความไม่ต่อเนื่องของการส่งสัญญาณระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับเนื่องจากสิ่งกีดขวางต่าง ๆ เช่น อาคาร ต้นไม้ ภูเขาหรือเสาไฟ เป็นต้น

โดยทั่วไปเทคนิคบีมฟอร์มมิง (Beamforming) ถูกนำมาใช้ปรับปรุง SNR ซึ่งอาศัยสายอากาศแบบอาร์เรย์ปรับลำคลื่นวิทยุให้แคบและมีทิศทางเฉพาะ คล้ายกับการปรับลำแสงไฟฉายไปที่จุดใดจุดหนึ่ง แต่ก็ทำให้การสื่อสารถูกจำกัดอยู่เพียงการสื่อสารแนวสายตา (line of sight) คือ คลื่นเดินทางจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับในแนวเส้นตรงเท่านั้น หากมีสิ่งกีดขวาง สัญญาณที่รับได้อาจลดลง โดยเฉพาะภายในอาคารที่วัสดุคอนกรีตและกระจกในปัจจุบันทำให้เกิดการสูญเสียของการแพร่กระจายสัญญาณค่อนข้างสูง

ทีมวิจัยจึงพยายามแก้ไขปัญหาดังกล่าว โดยก่อนหน้านี้ได้ศึกษาเครื่องรับส่งสัญญาณ 5G ทั้งแบบที่ต้องจ่ายพลังงานผ่านสายไฟ และที่มีการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย (WPT: wireless power transfer) พบว่า แบบแรกสามารถรักษา SNR ได้ดี แม้จะใช้อาร์เรย์เรียงกระแสเพียงไม่กี่ตัว แต่ก็มีการใช้พลังงานสูง ส่วนแบบที่สองนั้น ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟเฉพาะ แต่ต้องการอาร์เรย์เรียงกระแสจำนวนมากเพื่อรักษา SNR เนื่องจากมีอัตราการขยายสัญญาณต่ำ และใช้ไดโอด CMOS ที่ทำให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่ำกว่าแบบแรกประมาณ 10 เปอร์เซนต์ ซึ่งในงานวิจัยนี้พยายามที่จะนำไอซี (ICs) ที่มีจำหน่ายทั่วไปมาพัฒนาเครื่องรับส่งสัญญาณที่สามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีสิ่งกีดขวางได้

เครื่องรับส่งสัญญาณที่นำเสนอเป็นประเภทที่มีการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย ใช้อาร์เรย์เรียงกระแส 256 ตัว แต่ละตัวประกอบด้วย ไอซีดิจิทัล ไดโอดแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) บาลัน (Balun) เชื่อมต่อระหว่างสัญญาณแบบสมดุลและไม่สมดุล และสวิตช์แบบ 2 ขั้ว 2 ทาง (DPDT: Double Pole Double Throw) สามารถถ่ายโอนพลังงานและรับส่งสัญญาณข้อมูลแบบไร้สายได้พร้อมกัน อาร์เรย์เรียงกระแสแต่ละตัวจะได้รับสัญญาณ WPT ความถี่ 24 GHz แยกจากกัน เพื่อแปลงเป็นกระแสตรง (DC) ป้อนให้กับวงจร แต่จะร่วมกันปรับลำคลื่นวิทยุเพื่อรับหรือส่งสัญญาณข้อมูลแบบสองทิศทาง (bi-directional) ที่ความถี่ 28 GHz โดยสามารถรับสัญญาณ WPT และสัญญาญข้อมูลที่มาจากทิศทางเดียวกันหรือต่างกันได้ และสามารถส่งสัญญาณข้อมูลความถี่ 28 GHz ได้ทั้งแบบสะท้อนกลับด้วยสัญญาณนำร่อง 24 GHz หรือในทิศทางใดก็ได้

การทดสอบพบว่าเครื่องรับส่งสัญญาณที่นำเสนอมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานที่ 54% และมีอัตราการขยายสัญญาณที่ -19 เดซิเบล ซึ่งสูงกว่าเครื่องรับส่งสัญญาณแบบเดิม ในขณะที่ยังคงรักษา SNR ในระยะทางไกลได้ดี สามารถผลิตพลังงานได้ประมาณ 56 มิลลิวัตต์ ซึ่งเพิ่มขึ้นได้อีกโดยการเพิ่มจำนวนอาร์เรย์ และยังสามารถปรับลำคลื่นในการรับและส่งสัญญาณให้ละเอียดมากขึ้นได้ นับว่าเป็นการออกแบบนวัตกรรมที่สนับสนุนการใช้งานเครือข่าย 5G ในบริเวณที่มีสิ่งกีดขวางได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการติดตั้งและเพิ่มพื้นที่ให้ครอบคลุมมากยิ่งขึ้น

ที่มาของภาพ :

https://www.shutterstock.com/th/image-photo/smart-city-communication-network-concept-5g-2083013083

ที่มาของแหล่งข้อมูล (Reference)

https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240617173708.htm

https://www.titech.ac.jp/english/news/2024/069448

ผู้เรียบเรียง

นางสาวแก้วนภา โพธิ

นักสื่อสารวิทยาศาสตร์  องค์การพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์แห่งชาติ