บล็อก

พื้นฐานของสายเคเบิลรั่ว: กลไกการแผ่รังสีและการบูรณาการกับระบบ DAS แบบพาสซีฟ

การเปรียบเทียบการดำเนินงานในโหมดแผ่รังสีและโหมดเชื่อมต่อผ่านสนามแม่เหล็กเพื่อการกระจายสัญญาณภายในอาคารอย่างสม่ำเสมอ

สายเคเบิลรั่ว (leaky cables) ให้การครอบคลุมสัญญาณในร่มที่เชื่อถือได้ โดยใช้วิธีการทำงานหลักสองแบบ คือ โหมดแผ่รังสี (radiating) และโหมดเหนี่ยวนำ (coupled) เมื่อทำงานในโหมดแผ่รังสี สายเคเบิลเหล่านี้จะมีช่องเปิดพิเศษที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมตัดไว้ที่ชั้นนอก เพื่อปล่อยสัญญาณความถี่วิทยุตลอดความยาวของสายเคเบิล วิธีนี้เหมาะมากสำหรับการติดตั้งในแนวตรงยาว เช่น ตามทางเดิน ทางผ่านใต้ดิน หรือบันไดในอาคาร อีกโหมดหนึ่งเรียกว่าโหมดเหนี่ยวนำ ซึ่งทำงานแตกต่างออกไป โดยไม่ปล่อยสัญญาณโดยตรง แต่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อโต้ตอบกับเสาอากาศหรือพื้นผิวโลหะที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้สัญญาณสามารถเข้าถึงพื้นที่ที่ยากต่อการเข้าถึงได้ โดยไม่จำเป็นต้องกระจายสัญญาณออกมาจากตัวสายเคเบิลเอง การรวมกันของทั้งสองแนวทางนี้อธิบายได้ว่าทำไมสายเคเบิลรั่วจึงเป็นส่วนสำคัญของระบบเสาอากาศแบบกระจาย (distributed antenna systems) จำนวนมากที่ติดตั้งในอาคารที่มีโครงสร้างซับซ้อน ตัวอย่างเช่น สนามกีฬามักติดตั้งสายเคเบิลแบบแผ่รังสีรอบขอบพื้นที่นั่งชม แล้วจึงแยกสายไปยังโหมดเหนี่ยวนำเพื่อเข้าถึงห้องพักสุดพิเศษและพื้นที่ร้านอาหาร ซึ่งการติดตั้งเสาอากาศแบบปกติอาจทิ้งช่องว่างในการให้บริการไว้ การทดสอบในสภาพแวดล้อมจริงแสดงให้เห็นว่าการรวมเทคโนโลยีทั้งสองนี้สามารถเพิ่มความสม่ำเสมอของความแรงสัญญาณได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ ในอาคารที่สร้างจากวัสดุหลายชนิดซึ่งขัดขวางสัญญาณ

ฟิสิกส์ของการรั่วซึมที่ควบคุมได้: เรขาคณิตของช่อง, การออกแบบลอนพับ, และการปรับแต่งการสูญเสียจากการเชื่อมต่อ

การควบคุมการรั่วของสัญญาณ RF ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่เกิดจากการออกแบบทางด้านแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างระมัดระวัง โดยทั่วไปมีปัจจัยสามประการที่ทำงานร่วมกันซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบเหล่านี้ ได้แก่ รูปร่างของช่องเปิด (slot) ลักษณะการพับเป็นร่องของตัวนำภายใน และการจับคู่ความต้านทานเชิงซ้อน (impedance match) ให้เหมาะสม รูปร่างของช่องเปิดอาจเป็นรูปวงรีหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยปกติจะจัดวางห่างกันประมาณหนึ่งในสี่ถึงครึ่งความยาวคลื่น และตั้งอยู่ในแนวที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งกำหนดลักษณะต่างๆ เช่น รูปแบบการแผ่รังสี ความถี่ที่เลือกใช้งาน และระยะการแพร่กระจายของสัญญาณ เมื่อตัวนำภายในมีการพับเป็นร่อง จะช่วยป้องกันโหมดลำดับสูงที่ไม่ต้องการและลดปัญหาการกระโดดของความต้านทานเชิงซ้อนให้น้อยลงอย่างมาก ส่งผลให้สูญเสียสัญญาณลดลงประมาณ 15 ถึง 20 เดซิเบลต่อระยะ 100 เมตร เมื่อเทียบกับตัวนำเรียบแบบธรรมดา ตามทฤษฎีไกด์คลื่นที่ได้รับการสนับสนุนจากองค์กรมาตรฐานอย่าง IEEE และ IEC ปริมาณการสูญเสียจากการเหนี่ยวนำ (coupling loss) ซึ่งโดยพื้นฐานวัดว่าสัญญาณถูกถ่ายโอนจากสายเคเบิลไปยังบริเวณรอบข้างมากน้อยเพียงใด ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของช่องเปิดเป็นหลัก หากมีช่องเปิดน้อยต่อเมตร (เช่น 2 ถึง 4 ช่องต่อเมตร) สัญญาณจะสามารถแทรกผ่านวัสดุที่แข็งแรง เช่น ผนังคอนกรีตเสริมเหล็ก ได้ดีขึ้น ในขณะที่ช่องเปิดจำนวนมาก (ประมาณ 6 ถึง 8 ช่องต่อเมตร) จะให้การครอบคลุมที่ดีกว่าในพื้นที่โล่งขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น การออกแบบร่องแบบเกลียว (helical corrugation) ทำให้สัญญาณสามารถทำงานได้ในช่วงความถี่กว้างตั้งแต่ 698 MHz ไปจนถึง 3.8 GHz โดยยังคงรักษาประสิทธิภาพการแผ่รังสีไว้สูงกว่า 85% ตลอดทั้งช่วงความถี่นี้

ประสิทธิภาพการทำงานแบบหลายช่วงความถี่: รองรับบริการเซลลูลาร์, Wi-Fi และการกระจายสัญญาณพร้อมกัน

การออกแบบสายอากาศรั่วแบบปรับความถี่ได้ ครอบคลุมตั้งแต่ 700 MHz ถึง 3.8 GHz

สายเคเบิลรั่วในปัจจุบันไม่ได้เกี่ยวกับแบนด์วิดท์กว้างเพียงอย่างเดียวอีกต่อไป แต่ถูกออกแบบมาเพื่อการรวมบริการหลายประเภทเข้าด้วยกันอย่างแท้จริง โดยสัญญาณที่ต่างกันสามารถทำงานร่วมกันได้โดยไม่ก่อให้เกิดปัญหา ความมหัศจรรย์นี้เกิดขึ้นได้จากช่องเปิด (slot) ที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถัน และลวดลายรอยหยัก (corrugation patterns) อันซับซ้อนบนพื้นผิวของสายเคเบิล ซึ่งทำให้รองรับทุกอย่างตั้งแต่สัญญาณ 700 MHz ที่ใช้โดย FirstNet และการออกอากาศโทรทัศน์ดิจิทัล ไปจนถึงเครือข่าย 5G แบบ sub-6 GHz และแม้กระทั่งความถี่ 3.8 GHz ครอบคลุมแทบทุกย่านความถี่สำคัญ รวมถึงเครือข่ายโทรศัพท์มือถือ การสื่อสารเพื่อความปลอดภัยสาธารณะ Wi-Fi 6/6E ที่ 5 GHz และช่องสัญญาณการออกอากาศแบบดั้งเดิมอีกด้วย เมื่อวิศวกรเลือกระหว่างช่องแนวตรงที่วิ่งยาวตามแนวสายเคเบิล กับช่องแบบเกลียวที่พันรอบตัวสายเคเบิล พวกเขาสามารถปรับระดับสัญญาณที่รั่วออกมาได้จริง สิ่งนี้ช่วยควบคุมระดับการแผ่รังสีให้อยู่ในช่วงต่างกันไม่เกินประมาณ 1.5 dB ตลอดความถี่ต่างๆ เหล่านี้ และช่วงแคบนี้เองที่สร้างความแตกต่างอย่างมากในสถานที่ที่เต็มไปด้วยสัญญาณไร้สาย เช่น สถานีรถไฟที่พลุกพล่าน หรืออาคารชุดสูงๆ ที่ซึ่งเสาอากาศทั่วไปจะต้องใช้ตัวกรองและเทคนิคแยกสัญญาณที่ซับซ้อน เพื่อให้ทำงานได้อย่างเหมาะสม

การตรวจสอบความเข้ากันได้ในโลกจริง: LTE-A, 5G NR, Wi-Fi 6 และ DVB-T ในอาคารที่ใช้งานร่วมกัน

การทดสอบในสภาพแวดล้อมจริงยืนยันสิ่งที่ทฤษฎีได้ชี้ไว้ อาคารโครงสร้างเหล็กที่ใช้สำหรับพื้นที่ค้าปลีกและเชิงพาณิชย์ประสบปัญหาสายเคเบิลรั่วซึมสัญญาณที่ต้องจัดการสัญญาณหลายชนิดพร้อมกัน ซึ่งรวมถึง LTE-A ที่ความถี่ 2.1 กิกะเฮิรตซ์, 5G NR ที่ 3.5 กิกะเฮิรตซ์, Wi-Fi 6 ที่ทำงานใกล้ระดับ 5 กิกะเฮิรตซ์ รวมถึงสัญญาณ DVB-T ที่ 700 เมกะเฮิรตซ์ ระบบยังคงรักษาระดับการเชื่อมต่อที่เสถียรในทุกความถี่ดังกล่าว โดยมีการสูญเสียสัญญาณโดยรวมต่ำกว่า 1.3% สิ่งที่ทำให้ระบบนี้ทำงานได้ดีมากคือ การที่สายเคเบิลปล่อยสัญญาณออกมาแบบเลือกสรรตามรูปแบบคลื่นที่ควบคุมได้ แทนที่จะกระจายสัญญาณทุกอย่างออกไปเท่ากัน ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้บริการต่างๆ รบกวนกันเอง แม้ในช่วงที่เครือข่ายเซลลูลาร์มีปริมาณการใช้งานสูง Wi-Fi ก็ยังสูญเสียแพ็กเก็ตข้อมูลน้อยกว่าหนึ่งในสิบของเปอร์เซ็นต์ วิดีโอออกอากาศยังคงเล่นได้อย่างต่อเนื่องขณะที่ผู้คนรอบข้างกำลังสนทนาด้วยเสียงผ่าน LTE ระบบทั่วไปจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์แยกต่างหาก เช่น เสาอากาศ สายเคเบิล ตัวกรอง และเครื่องขยายสัญญาณสำหรับแต่ละประเภทบริการ แต่ทางออกเพียงหนึ่งเดียวนี้สามารถลดความต้องการอุปกรณ์ลงได้ประมาณ 40% และประหยัดค่าใช้จ่ายในระหว่างการติดตั้ง นอกจากนี้ยังทำให้การบำรุงรักษาง่ายขึ้น และเมื่อต้องการเพิ่มความสามารถใหม่ในอนาคต ก็ไม่จำเป็นต้องรื้อถอนทุกอย่างออก

การกำจัดโซนตาย: ความเชื่อถือได้ในการเจาะสัญญาณและครอบคลุมในสภาพแวดล้อมภายในอาคารที่มีความท้าทาย

ความทนทานของสัญญาณผ่านคอนกรีตเสริมเหล็ก เหล็กโครงสร้าง และกระจกต่ำการแผ่รังสีความร้อน

วัสดุก่อสร้างสมัยใหม่ เช่น คอนกรีตเสริมเหล็ก กรอบโครงสร้างเหล็ก และกระจก Low-e ที่ทันสมัย มีประสิทธิภาพดีมากในการสะท้อนสัญญาณความถี่วิทยุ บางครั้งทำให้สูญเสียสัญญาณระหว่าง 20 ถึง 40 dB เรามักพบปัญหาการบล็อกสัญญาณเหล่านี้ในสถานที่ต่างๆ เช่น ลิฟต์ พื้นที่ใต้ดิน ห้องถ่ายภาพทางการแพทย์ และอาคารสำนักงานที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งมีผนังภายนอกเรียบหรู กับสายเคเบิลแบบรั่ว (Leaky cables) จัดการปัญหานี้ในลักษณะที่ต่างออกไป โดยไม่ใช่แค่เพียงเพิ่มระดับกำลังส่งสัญญาณเท่านั้น แต่จะย้ายจุดปล่อยรังสีเข้าไปอยู่ภายในบริเวณที่มีอุปสรรคโดยตรง หลักการทำงานของสายเคเบิลเหล่านี้ถือว่าชาญฉลาดพอสมควร เพราะการแผ่รังสีในแนวเส้นตรงสามารถเลี่ยงพื้นผิวสะท้อนได้ดี และเชื่อมต่อกับพื้นที่ใกล้เคียงได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากสัญญาณแพร่กระจายตลอดความยาวของสายเคเบิล สัญญาณจึงยังคงแรงและสม่ำเสมอในพื้นที่ต่างๆ แม้ต้องเจอกับผนังหนาแน่น การทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่า สายโคแอ็กเซียลแบบรั่วมีการสูญเสียสัญญาณน้อยกว่า 3 dB เมื่อส่งผ่านผนังคอนกรีตที่หนา 40 ซม. ซึ่งดีกว่าเสาอากาศติดเพดานแบบปกติประมาณ 15 dB ในสภาวะเดียวกัน

กรณีศึกษา: การบรรลุความสม่ำเสมอของการครอบคลุม 99.2% ทั่วโรงพยาบาล 12 ชั้นด้วยสายอากาศรั่วแบบดูอัลบานด์

โรงพยาบาลในเขตเมืองที่มี 12 ชั้นเพิ่งติดตั้งระบบสายสัญญาณรั่วแบบคลื่นคู่ (dual band leaky cable) เพื่อแก้ปัญหาการสื่อสารที่รุนแรงในพื้นที่สำคัญ เช่น ห้องเครื่อง MRI โรงจอดรถใต้ดิน และห้องปฏิบัติการที่ป้องกันรังสีได้ การติดตั้งนี้สามารถรองรับทั้งสัญญาณ FirstNet ที่ความถี่ 700 MHz และสัญญาณ 5G NR ใหม่ที่ความถี่ 2.5 GHz ผ่านระบบสายโคแอกเชียลเส้นเดียวกัน หลังจากการติดตั้งเสร็จสมบูรณ์ การทดสอบพบว่า 99.2% ของอาคารมีการครอบคลุมสัญญาณอย่างต่อเนื่อง โดยค่าความแรงสัญญาณอยู่เหนือระดับ -95 dBm ทุกชั้นและทุกแผนก รวมถึงจุดที่เคยไม่มีสัญญาณเลยมาก่อน เมื่อเจ้าหน้าที่ฉุกเฉินทดสอบระบบระหว่างการซ้อมจริง พบว่าวิทยุทำงานได้อย่างราบรื่น โดยมีปัญหาเพียงเล็กน้อยเท่านั้นขณะเปลี่ยนผ่านระหว่างส่วนต่างๆ ของสายสัญญาณ สิ่งที่ทำให้โซลูชันนี้โดดเด่นคือประสิทธิภาพที่เหนือกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม การวางแผนที่เหมาะสมกับโครงสร้างอาคารและการเข้าใจพฤติกรรมของความถี่ ทำให้โรงพยาบาลสามารถบรรลุมาตรฐานการสื่อสารที่เชื่อถือได้ ซึ่งระบบที่กระจายสัญญาณแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟรุ่นเก่าไม่สามารถทำได้

คำถามที่พบบ่อย

สายรั่วทำงานอย่างไร

สายรั่วทำงานโดยใช้โหมดการแผ่รังสีและโหมดการเหนี่ยวนำ โหมดการแผ่รังสีจะปล่อยสัญญาณออกมาโดยตรงผ่านช่องเปิดในสายเคเบิล ในขณะที่โหมดการเหนี่ยวนำใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าในการส่งสัญญาณโดยไม่ต้องปล่อยสัญญาณออกมาโดยตรง

ข้อดีของสายรั่วในอาคารที่มีโครงสร้างซับซ้อนคืออะไร

สายรั่วสามารถเพิ่มความแรงและความสม่ำเสมอของสัญญาณ โดยเฉพาะในอาคารที่สร้างจากวัสดุที่มักจะกีดขวางสัญญาณ ทำให้ความน่าเชื่อถือเพิ่มขึ้นประมาณ 40%

วัสดุและลักษณะใดในออกแบบสายรั่วที่ช่วยลดการสูญเสียสัญญาณ

รูปร่างของช่องเปิด ลวดลายรอยพับของตัวนำภายใน และความหนาแน่นของช่องเปิดมีความสำคัญ ปัจจัยเหล่านี้ช่วยควบคุมรูปแบบการแผ่รังสี การเลือกความถี่ และจำกัดการสูญเสียสัญญาณ

สายรั่วสนับสนุนบริการหลายประเภท เช่น เซลลูลาร์และไวไฟ ได้อย่างไร

สายรั่วใช้การออกแบบที่รองรับความถี่หลากหลาย ซึ่งสามารถรองรับช่วงความถี่ตั้งแต่ 700 MHz ถึง 3.8 GHz ทำให้สามารถรองรับบริการต่างๆ ได้พร้อมกันโดยไม่เกิดการรบกวน

สายเคเบิลรั่วสามารถช่วยเพิ่มการครอบคลุมในพื้นที่ที่มีอุปสรรคด้านโครงสร้างได้หรือไม่

ได้ โดยการจัดตำแหน่งจุดปล่อยสัญญาณไว้ภายในสิ่งกีดขวาง สายเคเบิลรั่วจะช่วยให้สัญญาณกระจายตัวได้ดีแม้ผ่านสิ่งกีดขวางจากวัสดุอย่างคอนกรีตและเหล็ก