คุณสมบัติสื่อกลางแบบไร้สาย คลื่นวิทยุ

บทที่ 5
สื่อกลางส่งข้อมูล และการมัลติเพล็กฃ์

วัตถุประสงค์

1. สามารถบอกข้อดีและข้อเสียของสื่อกลางส่งข้อมูลแบบมีสายชนิดต่าง ๆ ได้
2. สามารถบอกชื่อย่านความถี่บนสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างถูกต้อง
3. สามารถอธิบายคลื่นไร้สายประเภทต่าง ๆ ที่นำมาใช้กับระบบการสื่อสารได้
4. บอกเกณฑ์พิจารณาสื่อกลางส่งข้อมูลในด้านต่าง ๆ ได้อย่างถูกต้อง
5. สามารถพิจารณาและตัดสินใจคัดเลือกสื่กลางเพื่อมาใช้งานได้อย่างเหมาะสม
6. บอกวัตถุประสงค์ของการมัลติเพล็กซ์ได้

ในระบบสื่อสารและเครือข่ายคอมพิวเตอร์จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้เลย หากปราศจากสื่อที่นำมาใช้เป็นตัวกลางส่งผ่านข้อมูล สำหรือสื่อกลางที่นำมาใช้เพื่อการสื่อสารนั้น สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทด้วยกันคือ สื่อกลางส่งข้อมูลแบบมีสาย และสื่อกลางส่งข้อมูลแบบไร้สาย

สื่อกลางที่นำมาใช้เพื่อการส่งผ่านข้อมูล จะทำงานอยู่ในชั้นสื่อสารฟิสิคัลบนแบบจำลอง OSI ทั้งนี้อุปกรณ์ในระดับชั้นสื่อสารฟิสิคัล จะไม่สามารถเข้าใจถึงความหมายของข้อมูลที่ส่งเลย เพียงแต่ทำหน้าที่แปล่งข้อมูลให้อยู่ในรูปของสัญญาณที่เหมาะสม และส่งสัญญาณจากต้นทางไปยังปลายทาง เมื่อปลายทางได้รับก็จะแปลงสัญญาณให้กลับมาเป็นข้อมูลเพื่อนำไปใช้งานต่อไป

นอกจากกระแสไฟฟ้าที่สามารถส่งผ่านตัวนำแล้ว ก็ยังมีพลังงานแสง แต่แสงที่แพร่ในอากาศจะมีระดับความเข้มค่อนข้างเบาบาง แต่เมื่อนำพลังงานแสงส่งผ่านท่อ เช่น สายไฟเบอร์ออพติก พลังงานแสงก็จะมีระดับความเข้มสูง สามารถส่งผ่านได้ระยะไกล สำหรับสื่อกลางส่งข้อมูลแบบไร้สาย เช่น คลื่นวิทยุ จะสามารถส่งคลื่นสัญญาณผ่านอากาศ ท้องฟ้า ได้โดยไม่ต้องใช้สายเป็นตัวนำทาง

สื่อกลางส่งข้อมูลแบบใช้สาย (Conducted Media)

1.      สายคู่บิดเกลียว (Twisted-Pair Cable)

ลักษณะของสายคู่บิดเกลียวจะประกอบด้วยสายทองแดง (Copper Wire) ที่หุ้มด้วยฉนวนป้องกันที่มีหลากสี (Color-Coded Insulation) และนำมาถักกันเป็นเกลียวคู่ ซึ่งเป็นไปดังรูป

จำนวนรอบของการถักเป็นเกลียวต่อหนึ่งหน่วยความยาว (1 เมตรหรือ 1 ฟุต) จะเรียกว่า Twist Ratio ทั้งนี้ยิ่งมีรอบถักเกลียวกันหนาแน่นมากเท่าไร นั่นหมายถึงจะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้ดีขึ้น ทำให้การส่งข้อมูลมีคุณภาพดียิ่งขึ้น

ในปัจจุบันสายคู่บิดเกลียวมีการนำมาใช้งานอย่างกว้างขวาง และมีกว่าร้อยชนิดที่ออกแบบมาให้เลือกใช้งานตามลักษณะงาน นอกจากนี้จำนวนสายที่บรรจุอยู่ภายใน สามารถมีได้ตั้งแต่ 1-4200 คู่ แต่อย่างไรก็ตาม สำหรับสายคู่บิดเกลียวที่นำมาใช้งานบนเครือข่ายแลน ภายในจะประกอบด้วยสายจำนวน 4 คู่

สายคู่บิดเกลียวนี้ ยังสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทด้วยกันคือ สาย UTP และสาย STP

ข้อดี

–          ราคาถูก

–          ง่ายต่อการนำไปใช้งาน

ข้อเสีย

–          มีความเร็วจำกัด

–          ใช้กับระยะทางสั้น ๆ

–          กรณีเป็นสายแบบไม่มีชีลด์ ก็จะไวต่อสัญญาณรบกวนจากภายนอก

2.      สายโคแอกเชียล (Coaxial Cable)

สายโคแอกเชียลหรือมักเรียกสั้น ๆ ว่า สายโคแอกซ์ (Coax) จะมีแบนด์วิดธ์ที่สูงกว่าสายคู่บิดเกลียว สำหรับโครงสร้างของสายโคแอกเชียล จะมีตัวนำที่มักทำด้วยทองแดงอยู่แกนกลาง ซึ่งสายทองแดงดังกล่าวจะถูกห่อหุ้มด้วยพลาสติก จากนั้นก็จะมีชีลด์ที่เป็นเส้นใยโลหะถักห่อหุ้มอีกชั้นหนึ่ง ก่อนที่จะหุ้มด้วยเปลือกนอกและด้วยเหตุนี้เอง สายโคแอกเชียลจึงเป็นสายที่ป้องกันสัญญาณรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี

ข้อดี

–          เชื่อมต่อได้ระยะทางไกล

–          ป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดี

ข้อเสีย

–          มีราคาแพง

–          สายมีขนาดใหญ่

–          การติดตั้งหัวเชื่อมต่อ ค่อนข้างยุ่งยาก

3.      สายไฟเบอร์ออปติก (Optical Fiber)

สายไฟเบอร์ออปติกหรือสายเส้นใยแก้วนำแสง เป็นสายที่มีลักษณะโปร่งแสง มีรูปทรงกระบอก ภายในตัน ขนาดประมาณเส้นผมของมนุษย์แต่มีขนาดเล็กกว่าโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 125 ไมครอน เส้นใยแก้วนำแสงจะเป็นแก้วบริสุทธิ์ซึ่งนำวัตถุดิบมาจากทราย และปนด้วยสารบางอย่างเพื่อให้แก้วมีค่าดัชนีหักเหของแสงตามต้องการ โดยแกนกลางของเส้นใยแก้วนี้จะเรียกว่า คอร์ (Core) และจะถูกห่อหุ้มด้วยแคลดดิ้ง (Cladding) จากนั้นก็มีวัสดุหุ้มเปลือกนอีกชั้นหนึ่ง ซึ่งทั้งคอร์และแคลดดิ้งจัดเป็นส่วนสำคัญที่ใช้สำหรับส่งสัญญาณแสง

แสงจัดเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถเดินทางได้อย่างรวดเร็วในสูญญากาศ โดยความเร็วของแสงจะขึ้นอยู่กับความเข้มของสื่อกลางที่ใช้ในการเดินทาง หากสื่อกลางมีความเข้มสูงก็จะทำให้ความเร็วลดต่ำลง

ข้อดี

–          มีอัตราค่าลดทอนของสัญญาณต่ำ

–          ไม่มีการรบกวนของสัญญาณไฟฟ้า

–          มีแบนด์วิดธ์สูงมาก

–          มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา

–          มีความเป็นอิสระทางไฟฟ้า

–          มีความปลอดภัยในข้อมูล

–          มีความทนทานและมีอายุการใช้งานยาวนาน

ข้อเสีย

–          เส้นใยแก้วมีความเปราะบาง แตกหักง่าย

–          การเดินสายจำเป็นต้องระมัดระวังอย่าให้มีความโค้งงอมาก

–          มีราคาสูง เมื่อเทียบกับสายเคเบิลทั่วไป

–          การติดตั้งจำเป็นต้องพึ่งพอผู้เชี่ยวชาญเฉพาะ

สื่อกลางส่งข้อมูลแบบไร้สาย

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีหน่วยวัดความยาวเป็นนาโนเมตร หรือไมโครเมตร ส่วนความถี่ของคลื่นจะมีหน่วยวัดเป็นเฮิรตซ์ โดยลักษณะสำคัญประการหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็คือ จะมีความถี่แบบต่อเนื่องกันไปเป็นช่วงแนวกว้าง ที่เรียกว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กฟ้า (Electromagnetic Spectrum) โดยแต่ละย่านความถี่จะมีชื่อเรียกที่แตกต่างกันออกไปตามแหล่งกำเนิดที่เป็นไปตามรูป

1.      คลื่นวิทยุ (Radio Frequency: RF)

คลื่นวิทยุมีช่วงความถี่อยู่ที่ 3 KHz – 1 GHz โดยคลื่นในช่วงดังกล่าวสามารถนำไปใช้สำหรับการส่งข่าวสาร โดยการสื่อสารไร้สายได้มีการเริ่มต้นใช้งานกับคลื่นวิทยุ AM (Amplitude Modulation) และคลื่นวิทยุ FM (Frequency Modulation) รวมถึงโทรทัศน์ในช่วงปี ค.ศ.1950 โดยคลื่น AM จะมีอยู่ในช่วงความถี่ที่ 530-1600 KHz และคลื่นวิทยุ FM จะอยู่ในช่วงความถี่ที่ 88-108 MHz

การสื่อสารโดยอาศัยคลื่นวิทยุ จะกระทำโดยการส่งคลื่นไปยังอากาศเพื่อเข้าไปยังเครื่องรับวิทยุ โดยการใช้เทคนิคการกล้ำสัญญาณหรือที่เรียกว่าการมอดูเลต ด้วยการรวมกับคลื่นเสียงที่เป็นคลื่นไฟฟ้าความถี่เสียงรวมกัน ทำให้การสื่อสารด้วยวิทยุกระจายเสียงเสียงนั้นไม่จำเป็นต้องใช้สาย อีกทั้งยังสามารถส่งคลื่นได้ในระยะทางที่ไกลออกได้ตามประเภทของคลื่นนั้น รวมถึงเทคนิควิธีการผสมคลื่นก็จะใช้เทคนิคที่แตกต่างกัน ดังนั้นเครื่องรับวิทยุที่ใช้งานจำเป็นต้องปรับให้ตรงกับชนิดของคลื่นที่ส่งมาด้วย

2.      ไมโครเวฟ (Terrestrial Microwave Transmission)

ช่วงความถี่ตั้งแต่ 1-300 GHz เป็นช่วงความถี่ของคลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ ซึ่งคลื่นดังกล่าวจะสามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปยังนอกโลก สำหรับช่วงความถี่ที่นิยมนำมาใช้ส่งคลื่นโทรทัศน์คือคลื่น VHF (30-300 MHz) และคลื่น UHF (300-3 GHz) คลื่นไมโครเวฟจะสามารถส่งสัญญาณได้ไกลประมาณ 20 ไมล์ ดังนั้นหากมีความต้องการส่งข้อมูลในระยะทางที่ไกลออกไป จึงจำเป็นต้องมีจานรับส่งที่ทำหน้าที่ทวนสัญญาณเพื่อส่งต่อในระยะไกลออกไปได้ ข้อเสียของสัญญาณไมโครเวฟก็คือ สามารถถูกรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ง่าย รวมทั้งสภาพภูมิอากาศแปรปรวนก็จะส่งผลต่อระบบการสื่อสาร ข้อจำกัดด้านภูมิประเทศที่มีภูเขาบดบังสัญญาณ และความโค้งของเปลือกโลก

3.      โทรศัพท์เคลื่อนที่ (Mobile Telephone)

ยุค 3G (Third-Generation)

ในช่วงปี ค.ศ.1999 เป็นต้นมา ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการสื่อสารของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่อย่างเห็นได้ชัด โทรศัพท์เคลื่นที่ไม่ใช่แค่เพียงใช้งานเพื่อสื่อสารพูดคุยกันเท่านั้น แต่สามารถเชื่อมต่อเข้าระบบเครือขายได้ตลอดเวลา เช่น การเชื่อมต่อแบบไร้สายเพื่อเข้าสู่เครือข่ายอินเทอร์เน็ต เพื่อดำเนินธุรกรรมบนเครือขาย รับส่งอีเมล ดาวน์โหลดไฟล์เพลง การส่งข้อมูลมัลติมีเดีย การชมคลิปวิดีโอ เป็นต้น ด้วยความเร็วในการดาวน์โหลดข้อมูลถึง 2.4 Mbps (ระบบ CDMA 2000)

ยุค 4G (Fourth-Generation)

เทคโนโลยีโทรศัพท์ยุค 4G เป็นระบบสื่อสารไร้สายแบบบรอดแบนด์ด้วยความเร็วสูงถึง 75 Mbps ซึ่งมีความเร็วกว่ายุค 3G ถึง 30 เท่า จึงทำให้ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ในยุคนี้สามารถรับชมรายการทีวีผ่านโทรศัพท์ รวมถึงการดาวน์โหลดภาพยนตร์มาชมที่เครื่องโทรศัพท์ นอกจากนี้ยังครอบคลุมพื้นที่กว้างกว่าโครงข่ายระบบโทรศัพท์ในระบบ 3G ถึง 10 เท่า หรือคิดเป็นระยะทางรัศมีกว่า 48 กิโลเมตร

4.      อินฟราเรด (Infrared Transmission)

แสงอินฟราเรดจะมีช่วงความถี่อยู่ที่ 300 GHz-400 THz มักนำมาใช้ควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น วิทยุ โทรทัศน์ ด้วยการใช้รีโมตคอนโทรล ลำแสงอินฟราเรดจะเดินทางในแนวเส้นตรง สามารถสะท้อนวัตถุผิวเรียบได้ สำหรับการใช้รีโมตคอนโทรลในการควบคุมปรับเปลี่ยนช่องโทรทัศน์ ระยะห่างที่สามารถควบคุมใช้งานได้ปกติจะอยู่ในช่วงระยะเพียงไม่กี่เมตร แต่อย่างไรก็ตาม แสงอินฟราเรดก็สามารถมีกำลังส่งในระยะทางไกลกว่า 1-1.5 ไมล์ สำหรับข้อเสียของอินฟราเรดก็คือ ไม่สามารถสื่อสารทะลุวัตถุทึบแสงหรือกำแพงที่กีดขวางได้

5.      บลูทูธ (Bluetooth)

เทคโนโลยีบลูทูธ เกิดขึ้นเมื่อราวปี ค.ศ.1998 ซึ่งแต่เดิมนั้นถูกออกแบบมาเพื่อใช้เป็นวิธีใหม่ของการเชื่อมต่อหูฟังเข้ากับเซลล์โฟนได้สะดวกยิ่งขึ้น มีข้อดีตรงที่ลงทุนต่ำและใช้พลังงานต่ำ ต่อมาจึงได้นำมาพัฒนาเพื่อใช้สำหรับการสื่อสารไร้สายบนระยะทางสั้น ๆ ตั้งแต่ 10 เซนติเมตร ถึง 10 เมตร มีความแตกต่างเมื่อเทียบกับการสื่อสารด้วยแสงอินฟราเรดตรงที่สามารถสื่อสารทะลุสิ่งกีดขวางหรือกำแพงได้ อีกทั้งยังเป็นการสื่อสารไร้สายด้วยการแผ่คลื่นออกเป็นวงรัศมีรอบทิศทางด้วยคลื่นความถี่สูงที่ความถี่ 2.45 GHz

การพิจารณาสื่อกลางส่งข้อมูล

          ในการออกแบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์ เรื่องของการพิจารณาเลือกสรรชนิดสื่อกลางส่งข้อมูลถือเป็นสิ่งสำคัญทีเดียว โครงการเครือข่ายคอมพิวเตอร์อาจไม่สมบูรณ์หรือไปสู่ความล้มเหลวได้ หากมีการพิจารณาเลือกสื่อกลางส่งข้อมูลที่ไม่เหมาะสม โดยปกติต้นทุนในการเดินสายเพื่อการติดตั้งเครือข่ายคอมพิวเตอร์มักมีต้นทุนที่สูง โดยเฉพาะธุรกิจขนาดใหญ่ที่มีการเดินสายจำนวนมากให้มีการเชื่อมโยงกันในแต่ละชั้น หรือเชื่อมโยงระหว่างอาคาร รวมถึงเชื่อมโยงข้ามประเทศ และหากวันใดวันหนึ่งมีความจำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงถือเป็นเรื่องใหญ่โตทีเดียว

ดังนั้นการพิจารณาสื่อกลางในการส่งข้อมูลนั้นจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องพิจารณาถึงเทคโนโลยีที่รองรับในอนาคต รวมถึงปัจจัยด้านอื่น ๆ ประกอบ ซึ่งจะพิจารณาเกี่ยวกับด้านต่าง ๆ ดังนี้

1. ต้นทุน
2. ความเร็ว
3. ระยะทางและการขยาย
4. สภาพแวดล้อม
5. ความปลอดภัย

การมัลติเพล็กซ์ (Multiplexing)

การเชื่อมต่อแบบหลายจุด (Multi-Point) ซึ่งเป็นวิธีที่อนุญาตให้สายนำสัญญาณที่มีอยู่ลิงก์เดียว ให้สามาถแชร์ใช้งานร่วมกันบนเครือข่ายได้ แต่ก็มีอีกเทคนิคหนึ่งที่สามารถนำมาใช้เพื่อแชร์สายนำสัญญาณร่วมกันที่เรียกว่า การมัลติเพล็กซ์ (Multiplexing)

การมัลติเพล็กซ์เป็นเทคนิคที่อนุญาตให้สัญญาณที่ใช้แทนข้อมูลจากหลาย ๆ แหล่ง สามารถส่งผ่านช่องสัญญาณเดียวกัน เพื่อใช้งานร่วมกันได้ด้วยการรวมสัญญาณเข้าด้วยกัน ทำให้ช่วยประหยัดสายนำสัญญาณ โดยในระบบมัลติเพล็กซ์แบบพื้นฐาน จะพบว่าสายจำนวน n เส้นที่อยู่ฝั่งซ้ายจะส่งผ่านไปยังอุปกรณ์ที่เรียกว่า มัลติเพล็กเซอร์ (MUX) ที่ทำหน้าที่รวมสัญญาณและส่งผ่านไปยังสายเส้นหนึ่งทีเชื่อมต่อระหว่าง MUX ไปยังอุปกรณ์ปลายทางที่เรียกว่า ดีมัลติเพล็กเซอร์ (MUX) ซึ่งอุปกรณ์ DEMUX จะทำการแยกสัญญาณที่รับเข้ามาในลักษณะ one-to-many และส่งต่อไปยังอุปกรณ์ปลายทาง