เทคโนโลยี LPWAN ELTRES จาก Sony เพื่อการสื่อสารระยะไกลที่มีเสถียรภาพ

     หนึ่งในคุณสมบัติของ ELTRES คือการสื่อสารทางไกลที่มีเสถียรภาพ ด้วยการส่งคลื่นสัญญาณวิทยุเพียงแค่ 20 mW แต่สามารถครอบคลุมพื้นที่ได้ทั่วทั้งโตเกียว โดยมีสถานีฐานสัญญาณเพียงแค่ไม่กี่ที่ ซึ่งหนึ่งในนั้นคือ Tokyo Skytree เราจะพาคุณไปรู้จักกับต้นกำเนิดของเทคโนโลยี ELTRES รวมถึงแนวคิดด้านเทคโนโลยีพื้นฐาน

จุดเริ่มต้นของเทคโนโลยี

    มันเป็นมากกว่า 10 ปีที่แล้ว ที่การเชื่อมต่อเซ็นเซอร์นับพันตัวเข้ากับอินเทอร์เน็ตถือเป็นการเปิดศักราชใหม่ของ  “sensor network” ซึ่งเป็นเทคโนโลยีแห่งอนาคต และนี่คือความคิดเห็นจากการบรรยายที่สะท้อนแนวคิดเกี่ยวกับเรื่องนี้ใน ณ ขณะนั้น:

"ระบบไร้สายเป็นสิ่งที่ไม่น่าเชื่อถือและไม่สามารถใช้งานได้ โลกอนาคตจะเป็นเครือข่ายเซ็นเซอร์แบบใช้สาย ซึ่งเซ็นเซอร์ทั้งหมดเชื่อมต่อกันด้วยสายไฟ"

การบรรยายในการประชุมที่บอสตันสะท้อนเสียงของผู้คนในสาขานั้นว่า

“อุปกรณ์สื่อสารวิทยุนั้นมีหน้าที่ปรับความแรงของคลื่นวิทยุให้ต่ำ อยู่ระดับกลาง หรือสูง  ซึ่งเป็นเรื่องปกติที่พนักงานภาคสนามจะติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าวเพื่อตั้งค่าความเข้มของคลื่นวิทยุให้ “สูง” ไม่ว่าสภาพคลื่นวิทยุนั้นจะดีหรือไม่ดีก็ตาม และแม้ว่าอุปกรณ์สื่อสารไร้สายนั้นจะถูกติดตั้งในสถานภาพ "สูง" และมีระยะครอบคลุมเพียงพอ แต่การสื่อสารแบบไร้สายก็อาจจะยังคงถูกรบกวนอยู่ดี"

ด้วยเหตุนี้ ความท้าทายของการสื่อสารแบบไร้สายคือ "ความไม่เสถียรในการสื่อสาร" ซึ่งที่ข้อมูลจากเซ็นเซอร์ถูกรบกวนหรือหยุดชะงักนั้นจะสร้างความไม่สะดวกสบายเป็นอย่างมากให้กับผู้ใช้งาน 

อีกปัจจัยที่เกี่ยวข้องเป็นอย่างมากกับความเสถียรนั่นก็คือ "ระยะห่างในการสื่อสาร" เพื่อให้ได้บริการการสื่อสารแบบไร้สายที่ใช้ทุนต่ำ แต่ก็จำเป็นต้องคำนึงถึงสื่อสารในระยะทางที่ไกล อย่างไรก็ตาม ในระยะทางไกล ระดับสัญญาณจะลดลง และจะทำให้การสื่อสารนั้นไม่เสถียรมากขึ้น

แล้วความไม่มั่นคงมาจากไหนและจะแก้ไขได้อย่างไร? หากเทคโนโลยีของ Sony สามารถรวมเข้ากับวิทยุทางไกลที่มีความเสถียรได้ ก็จะกลายเป็นความสามารถหลักที่จะเปิดทางสู่อนาคต ซึ่ง ELTRES ได้รับการพัฒนาโดยคำนึงถึงสิ่งนี้ แล้วเทคโนโลยีพื้นฐานของ ELTRES ทำงานอย่างไรกัน 

หลักการติดต่อสื่อสารทางไกล

เมื่อระยะการสื่อสารเพิ่มขึ้น สัญญาณที่ได้รับก็จะเบาบางลงและจะจมอยู่ในสัญญาณรบกวนในที่สุด แต่สัญญาณจะไม่หายไป และเมื่อคุณรวบรวมและเพิ่มสัญญาณขาเข้าจำนวนมาก (เรียกว่าการรวมระบบ) คุณจะสามารถมองเห็นสัญญาณที่ฝังอยู่ในเสียงรบกวนได้ในที่สุด โดยเทคโนโลยีการสื่อสารระยะไกล เช่น สเปรดสเปกตรัม, Sigfox และ LoRa จะใช้หลักการนี้เพื่อตรวจจับสัญญาณที่อ่อนและเพิ่มระยะการสื่อสาร ซึ่ง ELTRES จะใช้เทคโนโลยีเดียวกันเพื่อลดเสียงรบกวนและเพิ่มระยะการสื่อสารโดยการสะสมสัญญาณขาเข้าหลายตัวมารวมกัน

ความยากในการสะสมสัญญาณ = ปัญหาการประสานข้อมูล

พื้นที่ของสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม เช่น ห้องปฏิบัติการ จะง่ายต่อการรวบรวมและ "สะสม" สัญญาณที่ได้รับ แต่อย่างไรก็ตามบุคคลที่มีเครื่องส่งสามารถที่จะเคลื่อนที่ได้เช่นกัน เมื่อระยะการสื่อสารเปลี่ยนแปลงไปครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น (ประมาณ 16 เซนติเมตร) เนื่องจากการเคลื่อนไหว เวลาของการสื่อสารก็จะล่าช้าลงไป 0.5 นาโนวินาที และขั้วของสัญญาณที่ได้รับจะกลับกัน (ซึ่งหมายถึงสัญญาณบวกจะกลายเป็นสัญญาณลบ)

การเพิ่มสัญญาณกลับหัวเข้าด้วยกันเพื่อ "สะสม" จะยกเลิกรูปคลื่นและมีผลตรงกันข้าม เพื่อให้ "การสะสม" ทำงานได้ดี สิ่งสำคัญคือต้องปรับเวลาของสัญญาณที่ได้รับที่รวบรวมไว้อย่างถูกต้องและไม่มีข้อผิดพลาด ซึ่งสิ่งนี้จะเรียกว่าการซิงโครไนซ์ในแง่เทคนิค โดยที่ความไม่เสถียรของระบบไร้สายที่ได้กล่าวถึงมาในข้างต้นนั้นอาจเกิดจากการซิงโครไนซ์ที่ไม่ดีได้ ด้วยเหตุนี้ ELTRES จึงเกิดมาพร้อมกับแนวคิดใหม่ 2 ประการเกี่ยวกับการซิงโครไนซ์

แนวคิดการซิงโครไนซ์ข้อที่ 1: GNSS Assistance

ELTRES รับคลื่นวิทยุจากดาวเทียม GNSS และปรับเทียบนาฬิกาภายในเครื่องส่งสัญญาณก่อนส่งสัญญาณ เนื่องจากดาวเทียม GNSS แต่ละดวงมีนาฬิกาอะตอมซีเซียม นาฬิการะบบ ELTRES ที่ปรับเทียบด้วยสัญญาณ GNSS จึงมีความแม่นยำสูงจึงถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้จังหวะเวลา (การซิงโครไนซ์) ทั้งในการส่งและรับที่ถูกต้อง ดังนั้น ELTRES จึงมีโอกาสน้อยมากที่จะไม่ซิงค์กันในกรณีที่มีสัญญาณรบกวน

*ELTRES ใช้ย่านความถี่ 920 MHz ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 32 เซนติเมตร

แนวคิดการซิงโครไนซ์ข้อที่ 2 : สัญญาณอ้างอิงแบบฝัง

สัญญาณการสื่อสารที่ส่งโดย ELTRES จะมีลักษณะเฉพาะที่ระบบสื่อสารอื่นไม่มี ซึ่งนั่นก็คือสัญญาณอ้างอิงจะถูกฝังอยู่ใน ELTRES ทุก ๆ บิตที่สามของข้อมูลจะเป็นสัญญาณอ้างอิง 1 บิต (ดู "รูปแบบการซิงค์" ในรูปด้านล่าง ซึ่งแสดงสัญญาณอ้างอิงที่ถูกฝังไว้ระหว่างการอินเตอร์ลีฟ)