สายอากาศฉลาดได้รับความสนใจในช่วงปี ค.ศ. ๑๙๘๐ เป็นต้นมา เนื่องจากความสามารถในการปรับปรุงประสิทธิภาพ ในระบบสื่อสารไร้สาย สายอากาศฉลาดประกอบด้วยกลุ่มของสายอากาศหลายๆ ต้น จัดเรียงตัวกันในรูปแบบต่างๆ กัน ร่วมกับการประมวลผลสัญญาณทั้งทางเวลาและทางพื้นที่ เพื่อช่วยปรับปรุงคุณภาพของสัญญาณในภาครับ ลดสัญญาณแทรกและเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งข้อมูลให้ได้ดีขึ้น

          Smart antennas have been used for improving the performance of wireless radio systems. They consist of an antenna array, combined with signal processing in both space and time domain. The objective is to enhance the received signal, to suppress all interfering signal, and to increase capacity. This chapter provides basic information about smart antenna system including its types and applications.

 

         สายอากาศฉลาดประกอบด้วยกลุ่มของสายอากาศหลายๆ ต้น จัดเรียงตัวกันในรูปแบบต่างๆ กัน ร่วมกับการประมวลผลสัญญาณทั้งทางเวลาและทางพื้นที่ ซึ่งมีผลทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบสื่อสารไร้สายดีขึ้นหลักการของสายอากาศฉลาดเริ่มนำเสนอในช่วงปี ค.ศ.1950(พ.ศ.๒๔๙๓)  โดย โฮแวลล์ (Howells) [๑] และแอปเปิลบาม (Applebaum) [๒] ณ บริษัทเจนเนอรัล อิเล็กทริก (General Electric) ปี ค.ศ.1966(พ.ศ.๒๕๐๙) โดยได้ตีพิมพ์เป็นรายงานจนกระทั่งนำเสนอเป็นบทความทางวิชาการในปี ค.ศ.1976(พ.ศ.๒๕๑๙) [๑, ๒] นอกจากนี้ ยังมีนักวิจัยอีกหลายกลุ่มนำเสนอหลักการของสายอากาศฉลาดเช่นกัน ได้แก่ ชอร์(Shor)[๔] ในปี ค.ศ.1966(พ.ศ.๒๕๐๙)และวิดรอว์(Widrow) [๕] ซึ่งใช้วิธีในการคำนวณที่เรียกว่า LMS (Least mean square) ในปี ค.ศ.1967(พ.ศ.๒๕๑๐)
         สายอากาศฉลาดถูกนำมาประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีด้านเรดาร์และอวกาศ ช่วงปี ค.ศ.2000(พ.ศ.๒๕๔๓) เป็นต้นมา สายอากาศฉลาดได้ถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์มากขึ้นอันเป็นผลเนื่องจากเทคโนโลยีด้านการประมวลผลสัญญาณที่ดีขึ้น ประกอบกับต้นทุนในการออกแบบสร้างมีราคาต่ำลง
      สายอากาศถูกนำมาประยุกต์ใช้งานทางด้านการสื่อสารไร้สาย เพื่อแก้ปัญหาข้อจำกัดของช่องสัญญาณซึ่งมีอยู่จำกัดในขณะที่จำนวนผู้ใช้โทรศัพท์หรือการสื่อสารไร้สายเพิ่มมากขึ้น สายอากาศฉลาดช่วยปรับปรุงความสามารถของระบบ ได้โดยการเพิ่มความจุของช่องสัญญาณและประสิทธิภาพในการจัดการสเปคตรัม (Spectrum) การขยายขอบเขตการครอบคลุมของสัญญาณ และการปรับลำคลื่นของสัญญาณ หลายๆ ลำคลื่นตามทิศทางของสัญญาณโทรศัพท์
         นอกจากนี้ ยังช่วยลดปัญหาการประวิงเวลา(delay) ของสัญญาณ ซึ่งเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่สัญญาณที่มาถึงทางด้านรับมากกว่าหนึ่งเส้นทางเนื่องจากการสะท้อนของสัญญาณกับวัตถุต่างๆ เช่น อาคาร บ้านเรือน เป็นต้น สัญญาณเหล่านี้แม้จะเป็นสัญญาณเดียวกัน มาจากแหล่งเดียวกัน แต่มาถึงปลายทางไม่พร้อมกันดังนั้นสัญญาณจะถูกประวิงไปมากน้อยไม่เท่ากัน ตามเส้นทางที่มีระยะสะท้อนต่างกัน ปัญหาเหล่านี้สามารถทำให้ลดน้อยลงได้ด้วยการใช้งานสายอากาศฉลาด ที่มีความสามารถในการปรับลำคลื่นไปในทิศที่ต้องการ ในขณะเดียวกันก็จะสามารถกำหนดมิให้รับสัญญาณ ที่ไม่ต้องการได้เช่นกัน

           สายอากาศฉลาดอาศัยหลักการเดียวกัน กับการที่มนุษย์สามารถระบุทิศทางของเสียงที่ได้ยินได้โดยใช้หูทั้งสองข้าง นั่นคือ

         ก) เริ่มต้นเสียงจะถูกรับเข้ามาผ่านหูทั้งสองข้าง ซึ่งทำหน้าที่เหมือนเซ็นเซอร์รับเสียง
         ข) เสียงจะมาถึงหูแต่ละข้างไม่พร้อมกัน
         ค) สมองจะทำหน้าที่ประมวลผล หาความสัมพันธ์ของสัญญาณที่รับได้จากหูแต่ละข้างเพื่อคำนวณหาทิศทางของเสียงที่เข้ามา
         ง) สมองจะรวมเสียงที่รับได้จากหูทั้งสองข้างเพื่อเพิ่มความดังให้สามารถได้ยินชัดเจนในทิศทางที่ได้ยิน

         ระบบของสายอากาศฉลาดก็ทำงานเช่นเดียวกับหลักการได้ยินของหูมนุษย์ดังกล่าวโดยใช้สายอากาศ แทนหู ทำงานราวกับว่ามีหูจำนวนมากเช่น ๘ ๑๐ หรือ ๑๒ หู เพื่อสกัดข้อมูลที่สำคัญ ยิ่งไปกว่านั้นสายอากาศสามารถเป็นทั้งผู้ส่งและผู้รับ ระบบสายอากาศฉลาดจึงสามารถส่งข้อมูลกลับไปยังทิศทางที่รับสัญญาณเข้ามาได้ด้วย หมายความว่าไม่เพียงแต่จะได้ยินเสียงที่ดังขึ้นเป็น ๘ ๑๐ หรือ ๑๒ เท่าเท่านั้น สายอากาศฉลาดยังส่งสัญญาณกลับไปได้ดีกว่าในทิศทางที่ต้องการได้ดีอีกด้วย
 

          สายอากาศฉลาดแบ่งออกได้เป็นสองประเภทหลัก ดังนี้
 
          ๕.๑ สายอากาศแบบปรับเลือกลำคลื่น (Switched beam antenna)
          ประกอบด้วยสายอากาศชนิดระบุทิศทางแบบเจาะจงทิศทาง (Directional antenna) ซึ่งมีลักษณะลำคลื่นแคบ (Narrow beam) ชี้ไปในทิศทางที่ต้องการ สายอากาศแบบปรับเลือกลำคลื่นถูกออกแบบโดยการนำสายอากาศชนิดระบุทิศทางมาจัดเรียงกันในทิศทางต่างๆ ดังรูปที่ ๕.๑ โดยขณะใช้งานระบบจะเลือกลำคลื่นหนึ่งจากหลายๆ ลำคลื่น เพื่อใช้ในการรับและการส่งสัญญาณ โดยทั่วไปลำคลื่นที่ถูกเลือก คือ ลำคลื่นที่มีทิศทางของสัญญาณที่แรงที่สุด

         การทำงานของสายอากาศแบบปรับเลือกลำคลื่นประกอบด้วยสี่ขั้นตอนดังนี้

         ก) ตรวจหาทิศทางความแรงของสัญญาณ
         ข) ทำการเลือกลำคลื่นเพียงหนึ่งลำคลื่น ที่ถูกเลือกไว้อย่างเหมาะสม
         ค) ใช้ลำคลื่นในทิศทางที่เลือกไว้จากข้อ ข) เมื่อผู้ใช้ไม่มีการเคลื่อนที่
        ง) สับเปลี่ยนลำคลื่นเดิมไปยังลำคลื่นใหม่ เมื่อผู้ใช้เคลื่อนที่ไปยังส่วนอื่น นอกจากนี้การรวมสัญญาณออกของสายอากาศหลายๆ ตัว ทำให้สายอากาศแบบปรับเลือกลำคลื่นสามารถสร้างรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นแบบรูปการแผ่พลังงานได้หลากหลายมากขึ้นซึ่งทำให้ระบบมีทางเลือกของรูปแบบการแพร่กระจายแบบรูปการแผ่พลังงานที่มากกว่าการใช้สายอากาศต้นเดียว

         ข้อดี
         ก) มีความซับซ้อนน้อย
         ข) สามารถติดตามสัญญาณได้รวดเร็วตามอัตราการปรับเปลี่ยนลำคลื่น

         ข้อด้อย
         ก) อัตราการขยายสัญญาณต่ำในทิศทางที่อยู่ระหว่าง ลำคลื่น
         ข) การลดจำนวนสัญญาณแทรกมีข้อจำกัด
รวมทั้งในกรณีที่สัญญาณไม่ชัดเจน มีการบดบังสัญญาณ มีการแทรกสอดของสัญญาณ หรือมีสัญญาณมาถึงในมุมกว้างหลายๆ มุม อาจมีความผิดพลาดในการเลือกสัญญาณได้

          ๕.๒ สายอากาศแบบปรับตัวได้ (Adaptive array antenna)
         สายอากาศชนิดที่สามารถปรับเปลี่ยนลำคลื่นให้ชี้ไปในทิศทางใดๆ ได้โดยอิสระโดยในด้านส่งจะทำการปรับเปลี่ยนสัญญาณที่สายอากาศแต่ละต้นเพื่อให้รูปแบบการแพร่กระจายของลำคลื่นแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศโดยรวมปรับเปลี่ยนไปในทิศทางที่ต้องการ ส่วนในด้านรับ จะใช้การปรับเปลี่ยนสัญญาณที่สายอากาศแต่ละต้น เพื่อให้ได้สัญญาณในทิศทางที่ต้องการมีความแรงขึ้น ในขณะเดียวกันก็ลดทอนความแรงของสัญญาณในทิศทางที่ไม่ต้องการด้วย ดังรูปที่ ๕.๒ การปรับเปลี่ยนสัญญาณเหล่านี้สามารถทำได้ด้วยวิธีทางดิจิทัลโดยใช้วงจรกรองสัญญาณไฟฟ้าที่มี การปรับเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์ถ่วงน้ำหนักอัตโนมัติ โดยหาค่าผิดพลาดจากการประมาณที่ น้อยที่สุดระหว่างรูปแบบการแพร่กระจาย แบบรูปการแผ่พลังงานของลำคลื่นที่ออกแบบ กับรูปแบบการแพร่กระจายแบบรูปการแผ่พลังงานของลำคลื่นจริง

        ข้อดี
        ก) มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ดี
        ข) ไม่ต้องการการปรับแต่งสายอากาศ (Calibration)
        ค) มีประสิทธิภาพดี แม้แต่ในกรณีที่จำนวนสัญญาณมากกว่าจำนวนสายอากาศ

        ข้อด้อย
        ก) มีความซับซ้อนสูงมากกว่าสายอากาศฉลาดแบบปรับเลือกลำคลื่น
        ข) ต้องการสัญญาณอ้างอิงที่ดี เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด
        ค) ต้องการหน่วยประมวลผลความเร็ว

     สายอากาศเป็นอุปกรณ์เพื่อช่วยในการรับส่งสัญญาณผ่านอากาศในระบบสื่อสารโดยทั่วไปมักจะใช้สายอากาศเพียงต้นเดียวในการรับและส่งสัญญาณ เรียกว่าระบบ SISO (Single Input Single Output)สายอากาศฉลาดจะถูกนำมาใช้เพื่อช่วยในการประมวลสัญญาณในเชิงพื้นที่ โดยการใช้สายอากาศหลายๆ ต้นในด้านส่งหรือด้านรับ ด้านใดด้านหนึ่งเท่านั้น ระบบนี้ถูกเรียกว่าระบบ MISO (Multiple Input Single Output) หรือ SIMO(Single Input Multiple Output) ในช่วงปี ค.ศ.2000(พ.ศ.๒๕๔๓) เป็นต้นมา การใช้งานสายอากาศฉลาดได้พัฒนาก้าวหน้าขึ้น โดยการใช้สายอากาศหลายๆต้น ทั้งในด้านส่งและด้านรับของสัญญาณ ระบบนี้มีชื่อเรียกเฉพาะว่าระบบ MIMO (Multiple Input Multiple Output) ดังแสดงในรูปที่ ๕.๓โดยการใช้สายอากาศฉลาดแบบปรับตัวได้ที่ให้อัตราขยาย ทั้งในสภาพแวดล้อมที่สายอากาศรับสัญญาณโดยตรง และในสภาพแวดล้อมที่รับสัญญาณสะท้อนแบบหลายคลื่นวิถี ซึ่งทำให้ความจุของช่องสัญญาณที่เพิ่มขึ้นอย่างมากมาย ในสภาพแวดล้อมภายในอาคาร(Indoor) และภายนอกอาคาร(Outdoor) มีค่าใกล้เคียงกัน [๔]

       เนื่องจากระบบ MIMO เป็นเทคโนโลยีเพื่อช่วยเพิ่มความเร็ว ระยะทาง เสถียรภาพ และการใช้ทรัพยากรความถี่ที่มีอยู่อย่างจำกัดให้มีประสิทธิภาพในระบบสื่อสารไร้สายระบบ MIMO จึงเป็นหนึ่งในเทคโนโลยี ที่ถูกพิจารณาให้บรรจุอยู่ในมาตรฐาน IEEE 802.11n ซึ่งเป็นมาตรฐานในกลุ่ม 802.11 สามารถรองรับการส่งถ่ายข้อมูลที่ความเร็วสูงถึง ๑๐๐เมกะบิตต่อวินาที(Mbps)ด้วยคุณสมบัติของ MIMO จะช่วยปรับปรุงความสามารถของระบบเครือข่ายที่มีอยู่ตามมาตรฐาน 802.11a/b/g ได้

       สายอากาศฉลาดแบบปรับตัวได้ สามารถใช้เพื่อปรับปรุงผลประสิทธิภาพของระบบไร้สาย ถูกนำไปประยุกต์ใช้หลากหลายระบบ เช่น Wi-Fi WiMax Cellular RFID Ultra-Wideband GPS และ ระบบวิทยุโทรทัศน์ผ่านดาวเทียม เป็นต้น

       ตัวอย่างการใช้สายอากาศฉลาดแบบปรับตัวได้ ในระบบ Wi-Fi มีประโยชน์หลายประการ ดังนี้

      ก) เพิ่มอัตราขยายของสายอากาศทำให้ประหยัดพลังงานยืดอายุการใช้งานแบตเตอรีขยายพื้นที่ครอบคลุมที่กว้างขึ้นและทำให้ความเร็วในการสื่อสารข้อมูลสูงขึ้นด้วย
      ข) ปรับปรุงเสถียรภาพของระบบให้ดีขึ้น เนื่องจากการใช้ประโยชน์จากสัญญาณที่สะท้อนมาในทิศทางที่ต่างๆ กัน ทำให้ระบบมีโอกาสรับสัญญาณได้มากขึ้น ซึ่งจำเป็นต่อระบบที่ต้องการคุณภาพของการบริการ (Quality of Service: QoS) สูง เช่น บริการ VoIP เป็นต้น
      ค)ลดสัญญาณแทรกจากระบบอื่นโดยเฉพาะระบบสื่อสารที่ใช้งานในย่านความถี่ที่ยังไม่ได้รับการอนุญาตและยังไม่มีการควบคุมสัญญาณแทรกสอด
      ง) ลดสัญญาณแทรกที่ข้ามไปรบกวนระบบอื่นๆ
      จ) เพิ่มความจุของช่องสัญญาณในการเชื่อมต่อ โดยการใช้ระบบ MIMO แบบ สลับสัญญาณเชิงพื้นที่ (Spatial Multiplexing)
 

           ตารางที่ ๖.๑ แสดงลำดับเหตุการณ์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับสายอากาศฉลาด ดังนี้

                                     ตารางที่ ๖.๑ เหตุการณ์สำคัญเกี่ยวกับสายอากาศฉลาด

[๑] P. W. Howells, ‘Explorations in fixed and adaptive resolution at GE and SURC’, IEEE trans. Antennas and Propagation, vol. 24, no. 5, pp.575-584, Sep. 1976.

[๒] S. P. Applebaum, ‘Adaptive arrays’, IEEE trans. Antennas and Propagation, vol. 24, no. 5, pp. 585-598, Sep. 1976.

[๓] S. P. Applebaum, ‘Adaptive arrays’, Syracuse University Research Corporation Report, SPL TR 66-1, Aug. 1966.

[๔] S. W. W. Shor, ‘Adaptive technique to discriminate against coherent noise in a narrow band system,’ Journal of Acoustical Society of America, vol. 39, no. 1, pp. 74-78, Jan. 1966.

[๕] B. Widrow, P. E. Mantey, L. J. Griffiths, and B. B. Goode, ‘Adaptive antenna systems’, Proceedings of IEEE , vol. 55, no. 12, pp. 2143-2158 , Dec. 1967.

[๖] J. H. Winter, ‘Smart antenna techniques and their application to wireless Ad Hoc networks’, IEEE Wireless Communications, pp. 77-83,Aug 2006.

[๗] M. Chryssomallis, ‘Smart antenna’, IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 42, No. 3, pp. 129-136, June 2000.

[๘] G. V. Tsoulos, ‘Smart antenna for mobile communication system: benefits and challenges’, Electronics & Communication Engineering Journal, pp. 85-94, April 1999.

[๙] A. Alexiou and M. Haardt, ‘Smart antenna technologyfor future wireless system: trand and challenges’, IEEE Communications Magazine,pp. 90-97, Sept. 2004.

[๑๐] R. T. Campton, Jr., Adaptive antennas: concepts and Performance, Prentice-Hall, 1988.