5G คืออะไร
“ส่งข้อมูลได้มากขึ้นในเวลาที่น้อยลง
ตอบสนองต่อการทำงานได้รวดเร็วขึ้น
รองรับจำนวนอุปกรณ์ได้มากขึ้น”
5G เป็นคำใช้เรียกเทคโนโลยีสำหรับโทรศัพท์เคลื่อนที่หรือมือถือในยุคที่ 5 ถัดมาจาก 2G GSM (Global System for Mobile) 3G UMTS (Universal Mobile Telecomunications System) และ 4G LTE (Long Term Evolution) โดย 5G นั้นถูกพัฒนาขึ้นเพื่อก้าวข้ามขีดจำกัดการใช้งานที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน ตอบสนองต่อความต้องการทางด้านธุรกิจและการดำเนินชีวิตในอนาคต โดยมีคำใช้เรียกเพื่อให้เข้าใจและจดจำถึงความสามารถที่เพิ่มขึ้นมาใน 5G อยู่ 3 คำ คือ
– eMBB ย่อมาจาก Enhanced Mobile Broadband
– URLLC ย่อมาจาก Ultra-Reliable Low-Latency Communication
– mMTC ย่อมาจาก Massive Machine-Type Communication
ก่อนจะมาถึง 5G
ตั้งแต่ยุคที่มีการเปลี่ยนผ่านจาก 2G มาเป็น 3G มีหน่วยงาน 3rd Generation Partnership Project (3GPP) เกิดขึ้นเพื่อกำหนดและผลักดันมาตรฐานโดยยกจากความเป็นระดับโลก (Globe ที่อยู่ในชื่อของ 2G) มาเป็นจักรวาล (Universe ในชื่อของ 3G) เพื่อตั้งเป้าหมายให้การใช้งานเครือข่าย 3G นี้สามารถใช้ได้อย่างกว้างขวางและแพร่หลายครอบคลุมการสื่อสารได้ทั้งหมด เทคโนโลยีที่ถูกนำมาใช้ในขณะนั้นคือ CDMA (Code Division Multiple Access) โดย 3G UMTS ใช้แบบ Wideband CDMA (WCDMA) ถือเป็นคู่แข่งขันกับเทคโนโลยีที่ใช้สายสัญญาณสำหรับธุรกิจหรือภาคอุตสาหกรรมอย่าง ISDN (Integrated Services Digital Network) ที่ใช้สายโทรศัพท์หรือสายไฟเบอร์ออพติกเพื่อการสื่อสารทั้งเสียงและข้อมูล รวมทั้งแข่งกับ DSL (Digital Subscriber Line) สำหรับการใช้งานอินเตอร์เน็ตบรอดแบนด์ตามบ้าน
ต่อมา 3GPP ยังคงเดินหน้ากำหนดมาตรฐานที่สูงขึ้นเพื่อข้ามข้อจำกัดของ 3G แบบ UMTS ที่ใช้งานอยู่บนเทคโนโลยี WCDMA และได้กำหนดมาตรฐานในยุคที่ 4 ขึ้นเรียกว่า LTE โดยหวังว่ามันจะวิวัฒนาการสามารถพัฒนาต่อไปได้เรื่อยๆ ซึ่งขณะนั้นได้รับการสนับสนุนจากผู้ผลิตรายใหญ่อย่าง Qualcomm Nokia Ericsson และผู้ให้บริการเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ Mobile Network Operators (MNO) ใหญ่ๆ อีกหลายรายในหลายประเทศ ผ่านช่วงที่เกิดการแข่งขันกับเทคโนโลยี Wi-Max ที่มี Alcatel-Lucent และ ZTE รวมถึง Huawei สนุบสนุนอยู่ในขณะนั้น แต่ในส่วนของการเอามาใช้งานในโทรศัพท์เคลื่อนที่ของผู้ใช้ทั่วไป LTE นั้นสามารถเข้าครองตลาดได้มากกว่าทำให้เกิดการใช้งานกันอย่างแพร่หลายทั่วโลกในทุกวันนี้
เทคโนโลยีและข้อจำกัดของ 4G
LTE ถูกใช้งานและวิวัฒนาการอย่างต่อเนื่องออกมาตลอดเวลาหลายปี ถูกเป็น categories ต่างๆ เพื่อตอบสนองการใช้งานที่หลากหลายและมีความแตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น cat-1 ที่ความเร็วรับข้อมูล Downlink (DL) 10 Mbps ส่งข้อมูล Uplink (UL) 5 Mbps แล้วเพิ่มความเร็วขึ้นเป็น cat-2 ที่ DL 50 Mbps UL 25 Mbps มาถึงใน cat-3 ขยับขึ้นไปเป็น DL 100 Mbps UL 50 Mbps โดยอาศัยเทคนิคการทำงานเดิมแต่มีการเสริมด้วยเทคโนโลยีการเพิ่มสายอากาศรับ-ส่งเข้าไปจากตัวเดียวเป็นหลายเส้นทาง เรียกว่า Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) ทำให้ช่องทาง DL มีจำนวนมากขึ้นช่วยเพิ่มความเร็วในการรับ-ส่งข้อมูลระหว่างกันให้สูงขึ้น
LTE ใช้เทคโนโลยี Quadrature Amplitude Modulation (QAM) เริ่มต้นใช้งานที่ 16-QAM (4-bit) ถึงแม้ QAM เป็นเทคโนโลยีเก่ากว่า 20 ปี แต่มีความสามารถรับ-ส่งข้อมูลได้จำนวนบิตข้อมูลต่อความถี่ (bit per hertz) สูง และใน categories ใหม่ๆ ของ LTE ที่ต้องการความเร็วสูงขึ้นก็สามารถเพิ่ม QAM ให้สูงขึ้น เช่น 64-QAM (6-bit) 256-QAM (8-bit) เป็นต้น ทำให้ยิ่งสามารถส่งบิตข้อมูลต่อความถี่ได้มากขึ้นโดยช่วงกว้างคลื่นเท่าเดิม ซึ่งการทำงานตรงนี้ต้องอาศัยความสามารถของตัวอุปกรณ์สื่อสารที่ประมวลผลสัญญาณดิจิตอลได้รวดเร็วโดยใช้ตัว Digital Signal Processor (DSP) คำนวณเวกเตอร์และสมการทางคณิตศาสตร์ โพรเซสเซอร์ที่ออกแบบด้วยสถาปัตยกรรม RISC (Reduced Instruction Set Computer) สามารถจัดการและประมวลผล QAM ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง ทำให้บริษัท ARM ผู้ที่คอยคิดค้น ออกแบบ และจำหน่ายสิทธิ์การผลิตโพรเซสเซอร์ (IP Core) นั้นก้าวขึ้นมาเป็นบริษัทที่เติบโตอย่างมากในยุคเฟื่องฟูของโทรศัพท์เคลื่อนที่แบบสมาร์ทโฟนรวมถึงอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับเครือข่าย LTE ที่ต้องมีโพรเซสเซอร์เพื่อใช้รับ-ส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายแทบทุกตัวจะใช้ชิพที่มีโครงสร้างภายในเป็น ARM
LTE ได้แบ่งใช้ช่วงกว้างคลื่นที่ 20 หรือ 40 MHz ไว้ในแต่ละความถี่ที่ถูกนำมาวางระบบให้ใช้งานกลายเป็นข้อจำกัดหนึ่ง ในแง่ที่หากต้องการช่วงความถี่ที่กว้างขึ้นเพื่อเพิ่มความเร็วในการสื่อสารจะไม่สามารถทำได้หากมีแบนด์วิธจำกัด เทคนิคหนึ่งที่ LTE นำมาใช้ในการเพิ่มความเร็วคือการรวมหลายคลื่นที่รองรับการทำงานมาใช้ร่วมกันเรียกว่า Carrier Aggregation (CA) โดยตั้งแต่ cat-6 ขึ้นมาเริ่มมีการนำเอา CA มาใช้ทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้นมาก และถูกตั้งชื่อเรียกใหม่ว่า LTE Advanced (LTE-A) และตั้งแต่ cat-12 ขึ้นมา ถูกเรียกว่า LTE-A Pro (LTE Advanced Pro)
– cat-6 ที่ DL 300 Mbps รองรับ 2x CA
– cat-12 ที่ DL 600 Mbps รองรับ 3x CA
– cat-18 ที่ DL 1.2 Gbps รองรับ 5x CA
การใช้ CA ทำให้ความเร็วโดยรวมเพิ่มขึ้นได้ ยกตัวอย่างในไทย 2x CA อาจใช้ช่วงกว้าง 20 MHz บนความถี่ 1800 MHz ร่วมกับ 20 MHz บนความถี่ 2100 MHz ที่ผู้ให้บริการมีสัมปทานอยู่ทำให้ช่วงกว้างรวมเป็น 40 MHz หรือหากใช้ 3x CA ก็เพิ่มช่วง 850/900 MHz เข้าไปทำงานร่วมอีก ทำให้มีช่วงกว้างรวมเป็น 60 MHz
แต่ CA ก็มีข้อจำกัดที่คุณสมบัติของคลื่นที่มีความถี่แตกต่างกันหากใช้ 850 MHz กับ 1800 MHz คุณลักษณะที่แตกต่างกันทั้งระยะทางที่ทำงานได้ของคลื่นเอง ความสามารถในการทะลุผ่านสิ่งกีดขวาง และความเร็วในการรับ-ส่ง รวมถึงหากยิ่งมีการใช้หลาย CA ก็จะมี overhead เพิ่มขึ้นในการจัดการด้วย
การมาของ 5G
เพื่อก้าวข้ามข้อจำกัดและยกระดับการสื่อสารเครือข่ายโทรศัทพ์เคลื่อนที่ไปอีกขั้น 3GPP ได้เริ่มศึกษาและวางแผนเกี่ยวกับ 5G เรื่อยมา แต่เริ่มปักหมุดและบันทึกผลการศึกษาและข้อสรุปการศึกษาต่างๆ ลงไว้ตั้งแต่ 3GPP Release 14 (ในแต่ละ Release ของ 3GPP เป็นการสรุปหรือประกาศใช้งานเทคโนโลยี)
ในช่วง 3GPP Release 15 (Q2/2017 – Q3/2018) ได้หาข้อสรุป (Freeze) และประกาศมาตรฐานของ 5G แบบ Non-standalone ซึ่งเป็นการใช้งาน 5G ที่ยังร่วมอยู่บนเครือข่าย LTE เดิมเพื่อนำมาใช้ในช่วงเปลี่ยนผ่าน และใน Release 16 (Q3/2018 – Q4/2019) ที่กำลังทำอยู่ตอนนี้จะมีการประกาศมาตรฐานของ 5G แบบ Standalone รวมถึง Core Network ใหม่ของ 5G เองซึ่งถือเป็นจุดตั้งต้นของการใช้งานเครือข่าย 5G เต็มรูปแบบ
คาดการณ์ว่าในช่วงปี 2020 นั้นจะเป็นช่วงที่จะเกิดการพัฒนามาตรฐานของเครือข่าย 5G จนพอที่จะเริ่มเห็นถึงประสิทธิภาพที่สูงกว่าเครือข่าย LTE หลังจากนั้นจนถึงช่วงปี 2025 ระบบเครือข่าย 5G จะมีประสิทธิภาพในการทำงานที่สูงกว่าเครือข่าย LTE เดิมอย่างเห็นได้ชัด และหลังจากปี 2025 ประสิทธิภาพของเครือข่าย LTE จะเข้าสู่สภาวะคงตัว แต่ประสิทธิภาพของเครือข่าย 5G จะเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดซึ่งประมาณการณ์ว่าจะสูงกว่ากันราว 5 – 10 เท่า และหลังจากปี 2030 ไปแล้วเครือข่าย 5G ถูกประมาณการณ์ไว้ว่าอาจทำงานได้รวดเร็วกว่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครือข่าย LTE ที่ยังสามารถใช้งานได้อยู่ในขณะนั้นถึง 100 เท่า
กลับมายังคำ 3 คำที่ใช้อธิบายภาพรวมของ 5G ที่กล่าวไว้ในตอนต้น ขอมาลงรายละเอียดกันว่าในแต่ละอันคืออะไรและมีที่มาที่ไปอย่างไร
eMBB (Enhanced Mobile Broadband)
แรงผลักดันอันดับต้นๆ ของการเปลี่ยนแปลงในแต่ละยุคของระบบเครือข่ายคงหนีไม่พ้นความต้องการทำให้เครือข่ายสามารถรับ-ส่งข้อมูลได้เร็วขึ้นหรือได้ปริมาณมากขึ้นโดยใช้เวลาที่น้อยลง จากความเร็วสูงสุดที่ตัวเลขระดับ Mbps ใน 3G ก้าวขึ้นมาสู่ตัวเลขระดับ Gbps ใน 4G แล้วสิ่งที่คาดหวังใน 5G คือระดับไหนกัน ?
จากการเก็บสถิติการใช้งานข้อมูลบนเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ทั่วโลกพบว่าความต้องการในการรับ-ส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในปี 2017 การใช้งานข้อมูลเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 11.5 exabytes ต่อเดือน (ข้อมูลจาก Cisco) ส่วนสิ้นปีนี้คาดการณ์ว่าตัวเลขจะอยู่ที่ประมาณ 28.5 exabytes ต่อเดือน ซึ่งเป็นตัวเลขที่เพิ่มขึ้นจากเมื่อ 2 ปีที่แล้วประมาณเกือบ 3 เท่า และในปี 2022 คืออีก 3 ปีข้างหน้า ปริมาณการใช้งานเฉลี่ยอาจแตะถึงเกือบ 80 exabytes ต่อเดือน หากเทียบกับปีนี้คือจะเพิ่มขึ้นถึงเกือบ 3 เท่าเช่นกัน แสดงว่าความต้องการในการใช้งานข้อมูลผ่านเครือข่ายในปัจจุบันนั้นสูงมากและเครือข่าย LTE อาจจะไม่เพียงพอที่จะรองรับต่อความต้องการที่กำลังเกิดขึ้นเหล่านี้แล้ว
5G ที่ออกมาจึงควรจะต้องตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้ได้ ทั้งนี้เมื่อมองในทางเทคนี้แล้วมีความเป็นไปได้ที่จะสามารถตอบสนองได้เกินกว่าความต้องการที่คาดไว้มาก เป็นช่องทางให้สามารถนำมาใช้ทดแทนเครือข่ายแบบใช้สาย (Wired) ที่ให้บริการอยู่ทั้งในธุรกิจหรือแม้แต่ในที่พักอาศัยได้ด้วย โดยในปัจจุบันเครือข่าย 4G ก็ได้มีการนำมาประยุกต์ใช้งานอยู่บ้างแล้วในรูปแบบที่เราเรียกกันว่า Mobile Broadband โดยใช้อุปกรณ์อย่าง Mobile Router หรือ Pocket Wireless Access Point เป็นตัวเชื่อมต่อกับผู้ให้บริการเครือข่ายเพื่อใช้บริการอินเตอร์เน็ต ซึ่งใน 4G นั้นสามารถทำได้ในระดับหลาย Mbps อยู่แล้ว สิ่งเหล่านี้ใน 5G จึงถูกนำมาขยายตั้งเป้าไปสู่ความเป็น Enhanced Mobile Broadband ที่มีความเร็วในการรับ-ส่งเพิ่มขึ้นเป็นระดับ Gbps สามารถนำมาเปรียบเทียบและแข่งขันได้กับบริการ High Speed Internet ตามบ้านด้วยเทคโนโลยี Fibre to the Home (FTTH) ที่กำลังเป็นบริการบรอดแบนด์ที่เริ่มขยายตัวอยู่ในขณะนี้ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดและจะถูกผลักดันออกมาเป็นอันดับแรกของการใช้ 5G ในรูปแบบ eMBB คือ แอพพลิเคชันที่มีชื่อเรียกว่า Fixed Wireless Access (FWA) สำหรับรองรับงานที่ต้องการรับ-ส่งข้อมูลมากๆ (Data Intensive) ตัวอย่างเช่น การให้บริการวิดีโอสตรีมมิงทั้งแบบ 4K หรือ 8K ในอนาคต การทำ Augmented Reality (AR) และ Virtual Reality (VR) รวมไปถึงการให้บริการเกมส์ในรูปแบบใหม่ที่มีความสมจริงมากขึ้นในอนาคต
URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication)
ในมุมมองของผู้ใช้งานทั่วไปเมื่อพูดถึงความเร็วของการใช้งานเครือข่ายเรามักจะสนใจหรือดูแต่ตัวเลขความเร็วในหน่วยของจำนวนข้อมูลต่อวินาทีอย่าง Mbps หรือ Gbps ซึ่งบอกว่าเราเครือข่ายที่เราใช้บริการสามารถรับ-ส่งข้อมูลให้เราได้มากแค่ไหนในช่วงเวลาหนึ่ง แต่ความเร็วที่กำลังพูดถึงในหัวข้อนี้เรียกว่าเป็นความเร็วในการตอบสนอง (Response Time) ของการรับ-ส่งข้อมูลคือเมื่อเราส่งข้อมูลแล้วเครือข่ายใช้เวลามากแค่ไหนในการส่งไปถึงยังปลายทางหรือข้อมูลใช้เวลามากแค่ไหนถึงจะส่งกลับมาที่เรา ในทางการสื่อสารเรียกว่า ความล่าช้า (Latency) ของเครือข่าย บางครั้งเราอาจจะเคยได้ยินว่าค่า PING เครือข่ายสูง หรือใช้งานแล้วมันแล็ค (Lack) มันช้า
การออกแบบ 5G นั้นต้องการที่จะสร้างเครือข่ายที่ตอบสนองได้อย่างรวดเร็วมากหรือมีความล่าช้าต่ำ เรียกว่า Low-Latency นอกเหนือไปกว่านั้นยังต้องการความน่าเชื่อถือของระบบที่สูงมาก มีเสถียรภาพ โดยใช้คำว่า Ultra-Reliable คือ สามารถใช้งานได้ต่อเนื่อง การเชื่อมต่อไม่หลุดหรือขาดจากกัน เพื่อให้สามารถรองรับงานที่มีความสำคัญสูงมาก (Mission-Critical) ตัวอย่างเช่น งานควบคุมระยะไกลผ่านเครือข่าย (Remote Control) ควบคุมเครื่องจักรในโรงงานหรือในโรงไฟฟ้า หรือแอพพลิเคชันในอนาคตที่กำลังถูกพัฒนาอยู่ในขณะนี้ ตัวอย่างเช่น รถยนต์อัตโนมัติไร้คนขับ (Autonomous Driving Car) ที่จำเป็นต้องประสานการติดต่อสื่อสารกันระหว่างตัวยานพาหนะเองกับสภาพแวดล้อมรอบตัวผ่านเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ที่เรียกว่า Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) ที่ต้องอาศัยข้อมูล ทั้งสภาพการจราจร รถยนต์คันอื่นที่ใช้ทางร่วมกัน ผู้ใช้ถนนที่อาจเดินข้ามถนน เครื่องหมายจราจรและสัญญาณไฟจราจร รวมทั้งแผนที่และเส้นทางการเดินรถ ซึ่งต้องใช้เครือข่ายที่มีการตอบสนองที่รวดเร็วทันเวลาและมีความน่าเชื่อถือสูง เพื่อป้องกันและลดความผิดพลาดในการเกิดอุบัติเหตุลงได้
เครือข่าย 5G นั้นออกแบบให้สามารถตอบสนองได้ในระดับต่ำกว่าหนึ่งส่วนพันวินาที (millisecond: ms) โดยใช้เทคนิคการแบ่งเวลา (time-slicing) เพื่อลดเวลาการตอบสนองลง
ตัวอย่างเช่น ในช่วงของความถี่ย่อย (subcarrier) หนึ่งของ 5G ที่มีขนาด ได้ตั้งแต่ 15 kHz ถึง 480 kHz การรับ-ส่งข้อมูลของ 5G จะถูกแบ่งเป็นเฟรม (frame) ซึ่งสามารถตอบสนองการทำงานได้อย่างรวดเร็วอยู่ที่ 10 ms
จากนั้นในแต่ละเฟรมยังถูกแบ่งออกเป็น 10 เฟรมย่อย (subframe) ซึ่งทำให้ในแต่ละเฟรมย่อยนี้สามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วที่ 10 / 10 = 1 ms
มากไปกว่านั้น ในแต่ละเฟรมย่อยยังสามารถแบ่งช่อง (slot) ลงไปได้อีกเป็นจำนวนสูงสุดถึง 32 ช่อง ส่งผลให้แต่ละช่องนี้สามารถตอบสนองได้รวดเร็วขึ้นอีก โดยหากแบ่งย่อยที่สุดจะใช้เวลาทำงานเพียง 1 ใน 32 ส่วนของเวลา 1 ms ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1 / 32 = 0.03125 ms ซึ่งเฟรมย่อยนี้สามารถกำหนดช่องให้มีค่าต่างกันได้ 1 2 4 8 16 หรือ 32 ช่อง ขึ้นกับความต้องการและความเหมาะสมกับการใช้งาน
ยังมีแอพพลิเคชันอื่นๆ ที่มีความต้องการใช้งาน URLLC เพื่อตอบสนองการทำงานที่รวดเร็วอีก เช่น การผ่าตัดระยะไกล (Remote Surgery) ในวงการแพทย์ที่บุคลากรขาดแคลนในถิ่นธุรกันดารอาจมีเพียงเครื่องมือและเจ้าหน้าที่คอยช่วยเหลือให้แต่แพทย์ผู้เชี่ยวชาญเฉพาะด้านรักษาผ่านระบบทางไกล
การเกษตร อุตสาหกรรม การสำรวจ การผลิต หรืองานควบคุมในโรงงานอัจฉริยะ (Intelligent Factory) ที่ต้องมีการใช้หุ่นยนต์แบบแขนกล (Robotics Arm) หรืออากาศยานไร้คนขับ (Drone) เชื่อมต่อเข้ากับเครือข่ายและระบบคลาวด์ให้สามารถควบคุมและสั่งการทั้งจากมนุษย์เองหรือใช้ระบบปัญญาประดิษฐ์
mMTC (Massive Machine-Type Communication)
การใช้งานเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ในการรับ-ส่งข้อมูล นอกจากผู้ใช้งานที่เป็นบุคคลแล้ว ส่วนหนึ่งที่ถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายคืออุปกรณ์ต่างๆ ที่ต้องการเชื่อมต่อทั้งแบบอยู่กับที่ในพื้นที่ที่ไม่สะดวกหรือมีต้นทุนในการเดินสายสัญญาณสูงหรือแอพพลิเคชันที่ตัวอุปกรณ์มีการเคลื่อนที่ไปยังที่ต่างๆ ที่ไม่สามารถใช้สายได้ การใช้งานแอพพลิเคชันแบบนี้มีมาตั้งแต่ยุค 2G ภายใต้ชื่อที่เรียกว่า M2M (Machine-to-Machine) ที่ใช้ตรวจสอบการทำงาน รับ-ส่งข้อมูล หรือสถานะของเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ในการผลิต รวมถึงเครื่องที่ทำงานอัตโนมัติต่างๆ เรื่อยมาจนถึงยุค 3G ก็เริ่มเป็นที่นิยมเพิ่มขึ้นสำหรับงานที่ต้องการความเร็วที่สูงขึ้นและการตอบสนองที่รวดเร็วขึ้นในระดับหนึ่ง
จนมาถึงยุค 4G เป็นช่วงเวลาสอดคล้องกันกับการเติบโตของคำว่า Internet of Things (IoT) ที่ขยายต่อยอดมาจากการใช้งานอุปกรณ์หรือเครื่องมือเพื่อตรวจจับและส่งข้อมูลบางอย่างที่เคยถูกเรียกกันว่า Wireless Sensor Network (WSN) หรือ Ubiquitous Network ทำให้ความต้องการในการใช้งานของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นเป็นจำนวนมากในพื้นที่หนึ่งๆ แบบที่ไม่เคยเป็นมาก่อน อาจถึงหลัก 1,000 หรือ 10,000 อุปกรณ์ต่อพื้นที่ 1 ตารางกิโลเมตร การใช้งานในรูปแบบดังกล่าวนี้มีเทคโนโลยีที่หลากหลายจัดอยู่ในกลุ่มที่เรียกว่า LPWAN (Low Power Wide Area Network) ในส่วนของ 4G LTE ได้มีมาตรฐานมารองรับออกมาใน Release 13 จาก 3GPP ได้แก่ มาตรฐาน NB-IoT (Narrowband IoT) cat-nb1 และ LTE-M (LTE for Machine) หรือ eMTC (Enhanced Machine-Type Communication) cat-m1 เพื่อมารองรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์เข้ากับเครือข่าย LTE ที่สามารถรองรับได้สูงสุดถึง 50,000 อุปกรณ์ต่อพื้นที่ 1 ตารางกิโลเมตร ซึ่ง NB-IoT นั้นเหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการประหยัดพลังงานอย่างมาก และมีการรับ-ส่งข้อมูลจำนวนไม่มากในเวลาหนึ่งด้วยความเร็วต่ำระดับ 100 Kbps สามารถออกแบบให้รองรับการทำงานด้วยแบตเตอร์รีได้นานสูงสุดถึง 10 ปี สำหรับ eMTC นั้นเหมาะสมกับอุปกรณ์ที่ต้องการรับ-ส่งข้อมูลที่ความเร็วสูงขึ้นถึงระดับ 1 Mbps แต่ยังคงประหยัดพลังงานอยู่พอสมควร และทั้งสองเทคโนโลยีนี้ยังมีการอัพเดทใน Release 14 เป็น cat-nb2 ซึ่งเพิ่มคุณสมบัติในการทำงานเพิ่มขึ้น เช่น รองรับการ Roaming ข้าม Cell Site ของอุปกรณ์ NB-IoT รองรับจำนวนอุปกรณ์เพิ่มขึ้นของทั้ง NB-IoT และ eMTC ขึ้นเป็น 100,000 อุปกรณ์บน Cell Site ในพื้นที่ต่อตารางกิโลเมตร
เครือข่าย 5G ยกระดับความสามารถในการรองรับและสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ขึ้นเป็นส่วนประกอบหลักภายใน mMTC เพื่อที่จะรองรับการขยายตัวของจำนวนอุปกรณ์ที่คาดการณ์ว่าจะเพิ่มขึ้นอีกมากในกลุ่มที่ใช้งานแบบ LPWAN ซึ่งเทคโนโลยี mMTC ของ 5G นั้นจะออกแบบมาให้รองรับ จำนวนอุปกรณ์ได้สูงถึง 1,000,000 อุปกรณ์ต่อตารางกิโลเมตร โดยจากการคาดการณ์ว่าประมาณร้อยละ 5 (ประมาณ 1,500 ล้านตัว) ของอุปกรณ์ IoT ทั้งหมดในปี 2022 (จาก 30,000 ล้านตัว) จะเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานผ่านเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ และเมื่อใช้งานบนเครือข่าย 5G ที่มีความเป็น URLLC ที่สามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วด้วยแล้ว การทำงานร่วมกับอุปกรณ์ที่ต้องการรับ-ส่งข้อมูลและการตอบสนองที่รวดเร็วขึ้นจะมีความเป็นจริงได้มากขึ้น ซึ่งเทคโนโลยีของ 4G ทั้ง NB-IoT และ eMTC จะถูกควบรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่าย 5G อยู่ภายใต้ส่วนที่เป็น mMTC นี้ด้วย
ช่วงคลื่นความถี่การใช้งาน 5G
การวางเครือข่ายและการเปลี่ยนผ่านจาก 4G ไป 5G ในทางทฤษฎีนั้นสามารถทำได้เลยเมื่อพร้อม แต่ในความเป็นจริงแล้วต้องเผื่อระยะเวลาให้ผู้ให้บริการเครือข่ายได้วางแผนและติดระบบ รวมทั้งต้องรอการเปลี่ยนผ่านจากผู้ใช้ซึ่งมีความพร้อมไม่เท่ากัน ทาง 3GPP เล็งเห็นในจุดนี้จึงได้ออกแบบให้สามารถผสมผสานการวางเครือข่ายด้วยความถี่คลืนต่างๆ ที่แตกต่างกันเพื่อให้สามารถเข้าถึงได้ โดยแบ่งเป็น 3 ช่วงใหญ่ๆ ดังนี้
คลื่นความถี่ต่ำ (Low Frequency)
ความถี่ในช่วงที่ต่ำกว่า 1 GHz หรือที่เรียกว่า sub-1GHz (บางเอกสารระบุว่าต่ำกว่า 2 GHz หรือ sub-2GHz) โดย 5G จะใช้ความถี่ 600 และ 700 MHz ในการวางเครือข่ายเพื่อให้สามารถกระจายการติดตั้งและใช้งานได้ครอบคลุมระยะทางไกลโดยสามารถแพร่ไปได้ไกลกว่าการใช้คลื่นความถี่ที่สูงขึ้น นอกจากนี้ยังสามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางได้ดีกว่าสามารถใช้งานในภายในอาคาร (Indoor) ได้ รวมทั้งรองรับความสามารถ URLLC ด้วย
แต่เนื่องจากข้อจำกัดในช่วงความถี่เหล่านี้อาจถูกนำไปใช้ในสื่อสารรูปแบบอื่นแล้ว และกำหนดให้มีช่วงแบนด์วิธกว้างเพียง 20 MHz เท่านั้น ทำให้ความสามารถในด้านความเร็วจะลดต่ำลงยังไม่ถึงระดับ eMBB แต่ก็สามารถนำมาใช้ในรูปแบบ Wide Area Mobile Broadband ที่ต้องการให้ครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณกว้างได้
คลื่นความถี่กลาง (Medium Frequency)
ความถี่ในช่วงตั้งแต่ 1 ถึง 6 GHz (หรือ 2 ถึง 6 GHz) ถือเป็นช่วงที่เหมาะสมระดับกลางในการวางโครงข่ายให้ครอบคลุมพื้นที่ สามารถทะลุทะลวงได้ปานกลาง ใช้ในอาคารทีมีโครงสร้างไม่หนาแน่นมากเช่นที่พักอาศัยได้ แล้วยังสามารถรองรับการเชื่อมต่อในความเร็วที่สูงขึ้นด้วยการกำหนดให้มีช่วงแบนด์วิธกว้างถึง 100 MHz โดยความถี่ที่เลือกมาใช้อยู่ในช่วง 3.3 ถึง 3.8 GHz เรียกว่าช่วง 3.5 GHz (band n78)
นอกจากนั้นยังมีการพูดถึงการใช้งานช่วงที่กว้างขึ้นอย่าง 3.3 – 4.2 GHz หรือช่วงที่แคบลงมาอย่าง 3.4 – 3.6 GHz และช่วงกว้างมากๆ อย่าง 2.6 – 3.8 GHz รวมทั้งอาจมีการดึงหรือปันความถี่เดิมในช่วงที่ 4G LTE ใช้อยู่มาให้ใช้งานด้วย เช่น 1.8 GHz 2.1 GHz 2.3 GHz 2.6 GHz เป็นต้น
คลื่นความถี่ใหม่ (New Spectrum)
ความต้องการช่วงแบนด์วิธที่กว้างมากเพื่อให้รองรับความต้องการทำ eMBB ทำให้ 3GPP ต้องมองหาช่วงคลื่นความถี่ใหม่ที่พอจะมีช่วงกว้างมากพอ จนได้ข้อตกลงเลือกใช้ช่วงที่เรียกว่า Millimetre Wave Band (mmWave) ที่ความถี่ 26 GHz (band n258) กับ 28 GHz (band n257) ทำให้สามารถแบ่งช่วงกว้างแบนด์วิธได้ถึง 400 ความถี่ช่วงนี้เองเป็นที่มาให้ 5G ถูกเรียกในชื่อเล่นว่า New Radio หรือ NR แม้จะสามารถรับ-ส่งข้อมูลได้ในปริมาณมหาศาล แต่ก็มีข้อจำกัดที่ต้องใช้ในรูปแบบ Line-of-Sight ที่ตัวรับกับตัวส่งจะต้องอยู่ในแนวเดียวกันเหมือนกับการใช้ลิงก์สื่อสารไมโครเวฟ โดยคุณสมบัติของตัวคลื่นเองที่ความถี่ระดับนี้นั้นไม่สามารถทะลุผ่านอาคารหรือสิ่งกีดขวางแม้แต่ต้นไม้ได้ หากมีสิ่งกีดขวางก็จะลดทอนสัญญาณลงไปอย่างมาก การหยิบเอาความถี่สูงขนาดนี้มาใช้ถือเป็นความท้าทายทางด้านวิศวกรรมในการออกแบบภาครับ-ส่งของอุปกรณ์และสายอากาศเพื่อให้รองรับการทำงานได้ การยกระดับช่วงกว้างความถี่จาก 20 MHz เป็น 100 MHz จนถึง 400 MHz หรือ 800 MHz หรือมากกว่านี้ตัวอย่างเช่น 2 GHz ในอนาคตนั้นทำให้ความเร็วที่สามารถทำได้ของ 5G จะสูงขึ้นอย่างมาก ความเร็วในระดับ 20 Gbps นั้นอยู่บนพื้นฐานที่สามารถทำได้และมีการทดสอบแล้ว
นอกจากพื้นฐานและเทคโนโลยีที่กล่าวมาข้างต้นเทคนิคอื่นที่มีประโยชน์จะถูกหยิบมาปรับปรุงและประยุกต์ใช้ใน 5G ด้วย ตัวอย่างเช่น
Massive MIMO
Massive Multiple-Input Multiple-Output เป็นเทคนิคการเพิ่มและใช้สายอากาศหรือเสาอากาศซึ่งมีใช้อยู่ในระบบไร้สายทั้ง 4G และ Wi-Fi โดยการเพิ่มจำนวนสายรับหรือสายส่งให้มากขึ้นเพื่อรองรับการรับ-ส่งข้อมูลได้พร้อมกับ ตัวอย่างเช่นในมาตรฐาน LTE มีการใช้ 2×2 MIMO เพิ่มสายอากาศรับสัญญาณเป็น 2 เส้น และสายอากาศส่งสัญญาณเป็น 2 เส้น มาตั้งแต่ cat-3 ช่วยเพิ่มอัตราการรับส่งข้อมูลและยังสนับสนุนให้ลิงก์เชื่อมต่อมีหลายช่องทางขึ้นเพิ่มสเถียรภาพของเครือข่ายให้มากขึ้น ใน 5G นั้นจะเรียกว่า Massive MIMO คือมีการออกแบบให้รองรับสายอากาศจำนวนมากตั้งแต่หลัก 10 ไปถึงหลัก 100 ต้น ตัวอย่างเช่น Huawei และ ZTE ร่วมกับ Facebook ได้จำลองการทำสอบ MIMO ด้วยสายอากาศจำนวน 96 ต้น และ 128 ต้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการรับ-ส่ง
Beam-forming
การมีสายอากาศจำนวนมากด้วยการทำ Massive MIMO ยังส่งเสริมการปรับแต่งสัญญาณให้เหมาะสมในการสื่อสารกับอุปกรณ์ที่มีจำนวนมากและแตกต่างกัน ช่วยปรับกระแสไฟฟ้าและกำลังส่ง เฟสของสัญญาณ ทิศทางการส่ง เพิ่มความเร็วในการส่งพร้อมกัน การโฟกัสไปยังอุปกรณ์ที่สำคัญ รวมทั้งลดการรบกวนสัญญาณได้
Smart RF
การใช้ช่วงความถี่เดียวทำให้ตัวอุปกรณ์สามารถจัดการภาครับ-ส่งวิทยุของตัวมันเองได้ชาญฉลาดขึ้น สามารถปิดหรือตัดการทำงานเมื่อไม่ต้องการใช้งานเป็นเทคนิคช่วยประหยัดพลังงาน
Quectel 5G modules
ในส่วนของโมดูลสื่อสารของ Quectel ที่ ThaiEasyElec เป็นตัวแทนจำหน่ายก็ได้มีการเตรียมออกสู่ตลาดพร้อมกับการมาของเครือข่าย 5G เช่นกัน โดยในปัจจุบันได้เปิดตัวโมดูลแล้ว 2 รุ่น คือ RG500Q และ RM500Q
RG500Q เป็นโมดูลแบบ Dual Mode รองรับทั้งเครือข่าย 4G LTE-A cat-12 และเครือข่าย 5G NR ในช่วงความถี่กลางที่ตำกว่า 6 GHz มาในแพ็คเกจ LGA เหมาะสำหรับประกอบลงบนแผ่นวงจรที่ออกแบบขึ้นเองเพื่อใช้งานตามความต้องการ ภายในใช้ชิพ Snapdragon X55 จาก Qualcomm รองรับการทำงาน 5G ทั้งแบบ Standalone และ Non-Standalone เหมาะสำหรับแอพพลิเคชัน FWA หรือการใช้งานเป็น Mobile Hotspot หรือใช้ในงาน Public Safety และงาน Surveillance มีความสามารถรองรับระบบ GNSS
RM500Q เป็นโมดูลที่มีคุณสมบัติเดียวกันกับ RG500Q แต่มาในรูปแบบ M.2 เหมาะสำหรับแอพพลิเคชันที่ต้องการเสริม 5G เข้าไปในอุปกรณ์ตัวอย่างเช่น Always Connected PCs (ACPC) Industrial PDAs หรือ Mobile Gateways ต่างๆ
ทั้ง RG500Q และ RM500Q ทางผู้ผลิตได้เตรียมไดรฟเวอร์สำหรับการใช้งานร่วมกับระบบปฏิบัติการอย่าง Windows และ Linux รวมถึง Android ที่กำลังได้รับความนิยมนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมมากขึ้น
และอีกไม่นานนี้ทาง Quectel จะพร้อมเปิดตัวโมดูลที่รองรับช่วงความถี่ในระดับ mmWave ในรุ่น RG510Q ในรูปแบบเดียวกับ RG500Q และ RM510Q ที่มาในรูปแบบเดียวกับ RG500Q เพื่อตอบสนองต่อแอพพลิเคชันที่ต้องการใช้งานความเร็วในการรับ-ส่งข้อมูลสูงมากอย่าง eMBB
สรุป
สุดท้ายนี้หวังว่าบทความที่ทางทีมงานได้รวบรวมรายละเอียดคร่าวๆ เกี่ยวกับ 5G นี้คงจะพอทำให้ได้รู้จักและเกิดเข้าใจเกี่ยวกับ 5G ขึ้นมาบ้างไม่มากก็น้อย หากพิจารณาแล้วคงไม่อาจปฏิเสธได้ว่า 5G กำลังจะเข้ามาเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของเราทุกคนในไม่ช้า ซึ่งช่วยก่อให้เกิดประโยชน์ต่อการดำรงชีวิตในอนาคตอีกมากมาย ทั้งช่วยอำนวยความสะดวกในด้านต่างๆ ช่วยยกระดับคุณภาพชีวิตของคนในสังคม สร้างสรรค์ความบันเทิง นอกจากนี้ยังอาจมีแง่มุมอื่นที่เรายังคาดไม่ถึงอีกด้วย สำหรับในด้านการดำเนินธุรกิจ 5G ก็จะมาช่วยผลักดันและเป็นพื้นฐานสำคัญในการสร้างหรือต่อยอดสิ่งต่างๆ ช่วยให้การทำธุรกิจสะดวกมากขึ้น เปิดโอกาสทางธุรกิจและการสร้างสรรค์นวัตกรรมใหม่ๆ ได้
หากท่านสนใจข้อมูลเกี่ยวกับโมดูล 5G โมดูล 4G หรือโมดูลอื่นๆ ในกลุ่ม NB-IoT และ eMTC รวมทั้งสินค้าต่างๆ ของ Quectel สามารถสอบถามเข้ามาได้ที่อีเมล sales@thaieasyelec.com หรือทางโทรศัพท์ 02-954-2408 และ 089-514-8111 รวมทั้งทาง LINE @thaieasyelec หรือทางเฟซบุค fb.com/ThaiEasyElec
