การสื่อสารเทราเฮิร์ตซ์ (THz): ขอบเขตคลื่นวิทยุสำหรับ 6G และอนาคตข้างหน้า

ความต้องการด้านการเชื่อมต่อเพื่อสื่อสารด้วยความเร็วสูงครอบคลุมทุกพื้นที่ทั่วโลก กำลังผลักดันให้เกิดการวิจัยด้านการสื่อสารไร้สายให้ก้าวข้ามขีดจำกัดของ 5G ผ่านการสื่อสาร ด้วยคลื่นความถี่เทราเฮิร์ตซ์ (THz) ซึ่งทำงานในช่วงความถี่ 0.1 ถึง 10 THz และได้รับการ ยกย่องอย่างกว้างขวางว่า เป็นคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ระดับแนวหน้าสำหรับ เครือข่ายยุคที่หก (6G) และยุคเทคโนโลยีต่อไปในอนาคต 

ย่านความถี่นี้อยู่ระหว่างความถี่คลื่นมิลลิเมตร (mmWave) ที่ใช้ใน 5G และย่าน ความถี่อินฟราเรด ซึ่งเป็นทรัพยากรขนาดใหญ่ที่ยังไม่ได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างเต็มที่ การปลดล็อกช่วงสเปกตรัมนี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากมีแบนด์วิดท์มากกว่าย่านความถี่ RF ที่ใช้ในปัจจุบันหลายเท่า ก่อให้เกิดการประยุกต์ใช้งานที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งต้องการอัตราการ ส่งข้อมูลสูงและการตอบสนองที่รวดเร็ว

ปัจจัยด้านความจุในการใช้งานที่ไม่มีใครเทียบได้: แบนด์วิดท์ที่มีอยู่หลากหลาย

ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของการสื่อสาร THz คือ แบนด์วิดท์มีให้ใช้มหาศาล ในขณะ ที่แถบคลื่น mmWave ของ 5G ให้ช่องสัญญาณต่อเนื่องได้หลายร้อยเมกะเฮิร์ตซ์ แต่สเปกตรัม THz ให้ห้วงแบนด์วิดท์ได้หลายสิบถึงหลายร้อยกิกะเฮิร์ตซ์ หมายความว่า อัตราการส่งข้อมูลที่ สามารถทำได้ในทางทฤษฎีเกินกว่า 1 เทราบิตต่อวินาที (Tbps) ในการเชื่อมต่อแบบไร้สาย ความจุดังกล่าวไม่ได้เกิดจากการพยายามปรับปรุงเพียงเล็กน้อย แต่เป็นการพัฒนาอย่างก้าว กระโดดที่ทำให้เชื่อมต่อไร้สายแบบเรียลไทม์ได้ในเครือข่ายที่มีความหนาแน่นสูงมาก และสามารถดาวน์โหลดชุดข้อมูลขนาดใหญ่ได้ทันที อีกทั้งสนับสนุนการสื่อสาร แบบโฮโลแกรมและเทคโนโลยี(XR) ที่ต้องการแบนด์วิดท์สูง (Dang et al., 2020) แบนด์วิดท์เหล่านี้จึงเป็นคำตอบสำหรับการคาดการณ์การปริมาณที่เพิ่มขึ้นของการรับส่งข้อมูล มือถือเป็นพันเท่าภายในปี 2030

การใช้งาน 6G ที่ปฏิวัติวงการ

คุณสมบัติเฉพาะของคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ (THz) พร้อมที่จะเร่งให้เกิดแอปพลิเคชัน การใช้งานที่ปัจจุบันยังไม่สามารถทำได้จริง ความยาวคลื่นที่สั้นมาก (ต่ำกว่ามิลลิเมตร) ช่วยให้สามารถสร้างอาร์เรย์ MIMO (multiple-input, multiple-output) ขนาดใหญ่พิเศษ ที่มีเสาอากาศขนาดเล็กหลายร้อยตัวบนชิปเดียว ทำให้สามารถควบคุมทิศทางลำแสง ได้อย่างแม่นยำสำหรับการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ที่แม่นยำและประสิทธิภาพในห้วงสเปกตรัมที่ไม่ เคยมีมาก่อน นอกจากนี้ ความถี่สูงยังช่วยให้ได้ความละเอียดในระดับเซนติเมตร ทำให้เกิด กระบวนทัศน์ใหม่ๆ เช่น การสื่อสารและความไวในการตอบสนอง และเครือข่าย 6G สามารถให้การถ่ายโอนข้อมูลมีความเร็วสูงและทำการถ่ายภาพมีความละเอียดมากขึ้น หรือ การใช้ในการบันทึกสภาพแวดล้อม (Environmental Sensing) หรือ การ gesture recognition ได้พร้อมกันทั้งหมดภายในฮาร์ดแวร์เดียวกัน (Petrov et al., 2020)

ความท้าทายในการแพร่คลื่นสัญญาณที่ยากลำบาก

การใช้ประโยชน์จากคลื่นความถี่เทราเฮิร์ตซ์ (THz) ไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะความท้าทาย ทางด้านเทคนิค ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณ THz ประสบปัญหาการสูญเสีย การแพร่สัญญาณอย่างรุนแรง รวมถึงการสูญเสียระยะทางในระหว่างทางสูง (Loss) การดูดซับโมเลกุล (Molecular Absorption)อย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะก๊าซในบรรยากาศ เช่น ไอน้ำ การดูดซับเหล่านี้ทำให้เกิด "transmission windows" ที่ต้องนำมาใช้ประโยชน์ให้ได้ประสิทธิภาพ นอกจากนี้ สัญญาณยัง มีความไวต่อการถูกกีดขวางและการกระเจิงสูง ไม่สามารถทะลุผ่านวัสดุที่มีความแข็งมากได้ และถูกลดทอนอย่างรุนแรงด้วยธรรมชาติอย่าง ใบไม้และเม็ดฝน ดังนั้น การสื่อสาร THz จึงเหมาะสำหรับลิงก์ระยะสั้นแบบมองเห็น ได้โดยตรง (LoS) จึงจำเป็นต้องมีการคิดออกแบบใหม่ เกี่ยวกับสถาปัตยกรรมเครือข่าย เพื่อให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งและมีคุณภาพ (Rappaport et al., 2019)

ข้อกำหนดด้านสถาปัตยกรรมและฮาร์ดแวร์

เพื่อเอาชนะข้อจำกัดด้านการแพร่กระจายสัญญาณ เครือข่ายในอนาคตจะผสานรวมเซลล์ THz เข้ากับสถาปัตยกรรมหลายระดับที่มีความแตกต่างกัน จุดเชื่อมต่อ THz จะทำหน้าที่เป็น "ท่อส่งข้อมูล" สำหรับฮอตสปอตที่มีความจุสูงมาก เสริมด้วยเลเยอร์ความถี่ต่ำเพื่อให้ครอบคลุม พื้นที่กว้าง สิ่งเหล่านี้จำเป็นต้องมีสถาปัตยกรรมอัจฉริยะแบบ cell-free ที่มีการติดตั้งเป็นพิเศษ และกลไกขั้นสูงในการส่งสัญญาณ ในส่วนของด้านฮาร์ดแวร์การพัฒนาตัวรับส่งสัญญาณ THz กำลังสูงและประหยัดพลังงานเป็นอุปสรรคที่สำคัญ แม้ว่าความก้าวหน้าในเทคโนโลยี ซิลิคอน-เจอร์มาเนียม (SiGe) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) จะแสดงให้เห็นถึงศักยภาพ แต่การสร้างแหล่งกำเนิด ตัวปรับสัญญาณ และตัวตรวจจับ THz ที่มีขนาดกะทัดรัด คุ้มค่า และปรับขนาดได้ ยังคงเป็นเป้าหมายหลักของการวิจัยทั่วโลก (Nagatsuma et al., 2016)

เส้นทางการวิจัยและเทคโนโลยีที่ทำงานร่วมกัน

การสื่อสาร THz จำเป็นต้องมีการวิจัยแบบองค์รวมในหลายสาขาวิชา ในด้านการ ประมวลผลสัญญาณ การออกแบบรูปคลื่นแบบใหม่ การเข้ารหัสช่องสัญญาณขั้นสูง และอัลกอริธึมการจัดการลำคลื่น (Beam Forming) แบบปรับได้นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในการลดผลกระทบจากความไม่สมบูรณ์ของฮาร์ดแวร์และช่องสัญญาณแบบไดนามิก ในชั้นของการสื่อสาร network layer ปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) จำเป็นสำหรับการจัดสรรทรัพยากรแบบเรียลไทม์ การจัดการโทโพโลยีแบบไดนามิก และการหลีกเลี่ยงการกีดขวางแบบมีการคาดการณ์ล่วงหน้า นอกจากนี้ เครือข่าย THz จะไม่ทำงาน โดดเดี่ยว แต่จะทำงานร่วมกับเทคโนโลยีอื่นๆ ที่รองรับ 6G เช่น พื้นผิวอัจฉริยะที่ปรับเปลี่ยนได้ (RIS: Reconfigurable Intelligent Surfaces) เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมวิทยุอัจฉริยะ(Smart Radio) และลิงก์ซับเทราเฮิร์ตซ์ (sub-THz) สำหรับการตรวจจับและการสื่อสารแบบบูรณาการ (ISAC) (Bi et al., 2020)

สรุป

การสื่อสารในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ (THz) ถือเป็นขอบเขตคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ที่สำคัญที่สุดสำหรับยุค 6G และอนาคตในภายภาคหน้า โดยนำเสนอแบนด์วิดธ์พื้นฐาน ที่จำเป็นสำหรับโลกดิจิทัลที่เชื่อมต่ออย่างสมบูรณ์ ชาญฉลาด และมีความสามารถในการตรวจจับ แม้ว่าความท้าทายที่สำคัญในด้านการแพร่กระจายคลื่น ฮาร์ดแวร์ และการบูรณาการระบบยังคงมีอยู่ แต่การวิจัยอย่างเข้มข้นทั่วโลกกำลังเปลี่ยนทฤษฎีนี้ให้กลายเป็นความจริงที่เป็นไปได้ การบรรจบ กันที่ประสบความสำเร็จของอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง ทฤษฎีสารสนเทศที่เป็นนวัตกรรม และการ ออกแบบเครือข่ายอัจฉริยะ จะปลดล็อกสเปกตรัม THz ในที่สุด นำไปสู่บทใหม่ของการเชื่อม ต่อไร้สายที่จะกำหนดนิยามใหม่ของการปฏิสัมพันธ์ของมนุษย์กับเทคโนโลยีและการใช้งานแอป พลิเคชันอื่นๆ