เทคโนโลยีโทรศัพท์มือถือในปัจจุบัน

     การให้บริการหลักของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่คือ การใช้งานโทรศัพท์เพื่อการสนทนา แต่การใช้บริการระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ ก็มีความต้องการที่จะใช้งานการสื่อสารข้อมูลประเภทอื่น เช่น การรับส่งข้อความสั้น (Short Message Service: SMS) การรับส่งข้อมูล ของคอมพิวเตอร์ ข้อมูลภาพเคลื่อนไหว ข้อมูลภาพ ๓ มิติ ข้อมูลเสียง ๓ มิติ และการสื่อสารเสมือน ๓ มิติ จากสาเหตุของความต้องการของผู้ใช้ ที่มีจำนวนเพิ่มขึ้นนี้เองจึงเกิดการพัฒนาระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและรองรับ

การสื่อสารข้อมูลเหล่านี้ ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่รุ่นแรกจัดเป็นระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ (First Generation: 1G) รุ่นต่อมาเป็นระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๒ (Second Generation: 2G) ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ (Third Generation: 3G) และระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๔ (Forth Generation: 4G) ส่วนระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๕ (Fifth Generation: 5G) เป็นระบบ

โทรศัพท์เคลื่อนที่ที่อยู่ในขั้นตอนการทดลองและการวิจัย ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่แต่ละยุคสามารถสรุปได้ดังรูปที่ ๑ จากรูประบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๔ เป็นแบบการสื่อสารบนเครือข่ายไอพีเป็นหลัก แต่อย่างไรก็ตามยังรองรับการใช้งานบนเครือข่ายที่ใช้งานการสวิตช์วงจรของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๒ เช่นกัน

                                                  รูปที่  ๑ คุณลักษณะที่สำคัญของระบบโทรศัพท์เคลื่อนแต่ละยุค

การพัฒนาของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่มายังระบบโทรศัพท์ยุค 4G นั้นสามารถแยกได้เป็น ๓ กลุ่มหลักแสดงดังรูปที่ ๒ จากรูปที่ ๒ แสดงการพัฒนาการโดยมีจุดเริ่มต้นจากระบบโทรศัพท์ยุคที่ ๒ ซึ่งประกอบด้วยระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ GSM (Global System for Mobile Communications) ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ IS-95 (CDMAone) และ ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ IS-136 (Digital AMPS: D-AMPS) รายละเอียดของแต่ละยุคจะกล่าวในหัวข้อต่อไป

                                                   รูปที่  ๒ วิวัตนาการของเทคโนโลยีของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่

๑. ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที ๑ (1G) 
ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ ใช้การสื่อสารอนาล็อกสำหรับการรับส่งสัญญาณเสียงและการสื่อสารดิจิตอลในการรับส่งสัญญาณควบคุม ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ ใช้เอฟดีเอ็มเอ (Frequency Division Multiple Access: FDMA) ในการใช้ช่องสัญญาณร่วมกัน ในระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ นี้ ๑ ช่องคลื่นความถี่ (ระบบ AMPS ๑ ช่องคลื่นความถี่เท่ากับ ๓๐ กิโลเฮิร์ซ) สามารถใช้งานโทรศัพท์เคลื่อนที่ได้เครื่องเดียว ณ เวลาใด ๆ ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ ใช้การสวิตช์วงจร (Circuit Switching) ในการจัดเส้นทางการสนทนา ในระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ นั้นการเชื่อมต่อระหว่างสถานีบริการโทรศัพท์เคลื่อนที่อยู่ห่างไกลกันใช้งานเครือข่ายพีเอสทีเอ็น (Public Switching Telephone Network: PSTN)
ในระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ นั้นสัญญาณเสียงที่ส่งออกอากาศจะไม่มีการแปลงเป็นดิจิตอล สัญญาณเสียงจะถูกทำการผสมสัญญาณกับคลื่นพาห์และส่งออกอากาศ ตัวอย่างระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ เช่น ระบบเอ็นเอ็มที (Nordic Mobile Telephone: NMT) ระบบแอมพซ์ (Advanced Mobile Phone System: AMPS) เป็นต้น ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ ได้ออกแบบมารองรับการสื่อสารสนทนาเป็นหลัก                 

                            รูปที่  ๓ สถาปัตยกรรมของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่แต่ละยุคเมื่อจุดเริ่มต้นเป็นมาตรฐาน GSM

แต่อย่างไรก็ตามถ้าต้องการส่งข้อมูลดิจิตอลก็สามารถทำได้โดยการใช้โมเด็มในการแปลงข้อมูลดิจิตอลเป็นอนาล็อกแล้วส่งผ่านช่อง

สัญญาณโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๑ ส่วนการรับข้อมูลดิจิตอลก็สามารถทำได้ในทางตรงกันข้าม อัตราการส่งข้อมูลดิจิตอลในระบบโทรศัพท์ยุคที่ ๑ ต่ำ ในรูปที่ ๑  อยู่ที่ประมาณ ๑.๙ กิโลบิตต่อวินาที เพราะฉะนั้นระบบโทรศัพท์เคลื่อนยุคที่ ๑ นั้นสามารถรับส่งข้อมูลดิจิตอลที่ต้องการความเร็ว ของการส่งข้อมูลดิจิตอลต่ำเช่น ข้อมูลจากเครื่องตรวจวัดสภาพแวดล้อม ข้อมูลดิจิตอลในคอมพิวเตอร์ เป็นต้น

๒. สื่อสารเสียงแล้วระบบโทรศัพท์เคลื่อนยุคที่ ๒

ยังให้บริการส่งข้อความสั้น (Short Message Server: SMS) และ บริการการสื่อสารข้อมูลดิจิตอล ซึ่งสามารถส่งข้อมูลดิจิตอลหลายประเภทเช่น ข้อมูลดิจิตอลจากคอมพิวเตอร์ ข้อมูลภาพนิ่ง เป็นต้น

ตัวอย่างโครงสร้างของเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ตามมาตรฐานจีเอสเอ็มแสดงดังรูปที่ ๒ ซึ่งประกอบด้วย  ๓ ส่วนหลักคือ โทรศัพท์เคลื่อนที่ หรือสถานีเคลื่อนที่ (mobile station)  ระบบย่อยสถานีฐาน (Base Station Subsystem) และ  ระบบย่อยเครือข่าย (network subsystem)  โทรศัพท์เคลื่อนที่และ ระบบสถานีย่อยถูกเรียกรวมว่า GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) ระบบย่อย

          สถานีฐานทำหน้าที่ในการควบคุมการใช้งานระบบสื่อสารวิทยุของโทรศัพท์เคลื่อนที่  ระบบย่อยเครือข่ายนั้นประกอบด้วยเอ็มเอสซี (Mobile service Switching Center: MSC) ซึ่งทำหน้าที่ในการเชื่อมต่อการสื่อสารระหว่างโทรศัพท์เคลื่อนที่และโทรศัพท์พื้นฐาน รวมถึงการจัดการที่เกี่ยวข้องกับการย้ายข้ามเซลล์ของโทรศัพท์เคลื่อนที่ (Horizontal Hanover) การพิสูจน์ตัวจริง (Authentication) การเชื่อมต่อเครือข่ายต่างผู้ให้บริการ (Roaming) เป็นต้น
เทคโนโลยีโทรศัพท์เคลื่อนที่ได้พัฒนาต่อจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๒ คือ GPRS(General Packet Radio Service) และ EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution)  ซึ่งเป็นการพัฒนาต่อจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ตามมาตรฐาน GSM  มาตรฐาน GPRS จะเป็นการพัฒนาส่วนของเครือข่ายเพื่อให้เครือข่าย GSM สามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายที่การสวิชต์แบบแพ็คเกตตัวอย่างเช่น เครือข่ายอินเตอร์เน็ต จากรูปที่ ๒ เครือข่าย GPRS ได้พัฒนาส่วนของ SGSN(Gateway Support Node) และ GGSN (GPRS Support Node) เพื่อใช้ในการเชื่อมต่อเครือข่ายอินเตอร์เน็ต  ส่วนเทคโนโลยี EDGE เป็นการพัฒนาส่วนของการส่งออกอากาศของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ GSM ให้มีความเร็วสูงขึ้น การให้บริการของระบบ GPRS และ EDGE ที่เพิ่มเติมจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ GSM คือ การให้บริการโปรแกรมประยุกต์บนเครือข่ายอินเตอร์เน็ต เช่น โปรแกรมประยุกต์ WWW (World Wide Web)  โปรแกรมประยุกต์ FTP (File Transfer Protocol)  โปรแกรมประยุกต์ Email เป็นต้นนอกจากเทคโนโลยีดังกล่าวแล้วยังมีเทคโนโลยีอื่น ๆ เช่น  เทคโนโลยี

CDMA2000 1xRTT พัฒนาจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ CDMAone เทคโนโลยี HDR (High Data Rate)
พัฒนาจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ CDMAone เทคโนโลยี UWC-136 พัฒนาจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ IS-136 เป็นต้น

๓. ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ (3G)

                                      รูปที่  ๔ แถบคลื่นความถี่ที่จะใช้ให้บริการระบบโทรศัพท์ 3G ในประเทศไทย

ระบบโทรศัพท์เคลื่อนยุคที่ ๓ ได้พัฒนาตามข้อกำหนดของ IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ ให้บริการสื่อสารข้อมูลเสียงโดยการใช้เทคโนโลยีดิจิตอลและได้เพิ่มความเร็วในการส่งข้อมูลดิจิตอลสูงถึง ๒ เมกกะบิตต่อวินาที ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ นี้สามารถให้บริการสื่อสารมัลติมีเดียซึ่งรวมถึงข้อมูลเสียงและภาพเคลื่อนไหวด้วย เทคโนโลยีที่ใช้เป็นระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ ได้แก่ เทคโนโลยี WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) และ เทคโนโลยี CDMA2000 (3xRTT) การพัฒนาการของโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ แสดงดังรูปที่ ๑ และ ๒ ระบบโทรศัพท์เคลื่อนยุคที่ ๓ สามารถทำงานได้ที่คลื่นความถี่ ๘๕๐ เมกกะเฮิร์ซ ๙๐๐ เมกกะเฮิร์ซ ๑๙๐๐ เมกกะเฮิร์ซ และ ๒๑๐๐ เมกกะเฮิร์ซ ในประเทศไทยใช้คลื่นความถี่ที่ ๒๑๐๐ เมกกะเฮิร์ซ ซึ่งเป็นคลื่นความถี่ที่ยังไม่ได้ใช้ในระบบโทรคมนาคม [๓] การแบ่งคลื่นความถี่ของประเทศไทยแสดงดังรูปที่ ๔ ซึ่งประกอบด้วย Uplink ขนาด ๔๕ เมกกะเฮิร์ซ และ Downlink ขนาด ๔๕ เมกกะเฮิร์ซ
ตัวอย่างโครงสร้างของเครือข่ายของระบบ WCDMA แสดงดังรูปที่ ๓ ซึ่งประกอบส่วนของ UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) และเครือข่ายที่เป็นระบบ GSM ส่วนของ UTRAN ประกอบด้วยระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ NodeB และ RAN (Radio Access Network) โทรศัพท์เคลื่อนที่เป็นสิ่งที่ทำหน้าที่ในการเชื่อมต่อเครือข่าย WCDMA เมื่อผู้ใช้ต้องการส่งข้อมูลเสียงและข้อมูลดิจิตอล NodeB ทำหน้าที่เป็นตัวกลางเชื่อมต่อระหว่างโทรศัพท์เคลื่อนที่และ RAN RAN ทำหน้าที่ในการจัดการเชื่อมต่อของโทรศัพท์เคลื่อนที่เพื่อ เชื่อมต่อไปยังเครือข่ายหลัก

ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ ได้ถูกพัฒนาต่อเป็น เทคโนโลยี HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access) เทคโนโลยี HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) เทคโนโลยี HSPA (High-Speed Packet Access) และ เทคโนโลยี HSPA+ ซึ่งเป็นการพัฒนาจากโครงสร้างเดิมของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ ที่เป็น WCDMA ให้สามารถรับส่งข้อมูลได้สูงขึ้น [5] เช่น เทคโนโลยี HSDPA สามารถรับส่งข้อมูลได้สูงสุดถึง ๑๔.๔ เมกกะบิตต่อวินาที (uplink) /๓๘๔ กิโลบิตต่อวินาที (downlink) เทคโนโลยี HSUPA สามารถรับส่งข้อมูลได้สูงสุดถึง ๑๔.๔ เมกกะบิตต่อวินาที (uplink) /๕.๗๖ เมกกะบิตต่อวินาที (downlink) เทคโนโลยี HSPA สามารถรับส่งข้อมูลได้สูงสุดถึง ๑๔.๔เมกกะบิตต่อวินาที (uplink) / ๕.๗๖ เมกกะบิตต่อวินาที (downlink) และ เทคโนโลยี HSPA+ สามารถรับส่งข้อมูลได้สูงสุดถึง ๔๒ เมกกะบิตต่อวินาที (uplink) /๒๒ เมกกะบิตต่อวินาที (downlink)

ส่วนการพัฒนาการของ CDMA2000 นั้นประกอบด้วยเทคโนโลยี CDMA EV-DO Rel.0 และ เทคโนโลยี CDMA EV-DO Rel A ซึ่งสามารถส่งข้อมูลสูงสุดที่ ๒.๔ เมกกะบิตต่อวินาที (uplink) /๑๕๓ เมกิโลบิตต่อวินาที (downlink) และ ๓.๑ เมกกะบิตต่อวินาที (uplink)/ ๑.๘ เมกกะบิตต่อวินาที (downlink) ตามลำดับ

๔. ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๔ (4G) 
ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ นั้นได้นำมาใช้กันหลายประเทศรวมถึงประเทศไทยซึ่งสามารถให้บริการการสื่อสารมัลติมีเดียเช่น ข้อมูลภาพเคลื่อนไหว การให้บริการอินเตอร์เน็ตความเร็วสูง เป็นต้น ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๔ เป็นระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ที่พัฒนาในด้านของความเร็วการส่งข้อมูลและการรวมเชื่อมต่อเครือข่ายด้วยโปรโตคอลไอพีเพื่อให้เป็นเทคโนโลยี แบบหนึ่งเดียว การให้บริการหลักของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๔ จะเป็นการให้บริการโปรแกรมประยุกต์บนเครือข่ายอินเตอร์เน็ตเป็นหลัก ซึ่งสามารถให้บริการข้อมูลมัลติมีเดีย เทคโนโลยีที่จะเป็นทางเลือกสำหรับระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๔ คือ LTE (Lone Term Evolution) และ WiMAX โครงสร้างของเครือข่าย LTE แสดงดังรูปที่ ๒ ซึ่งการพัฒนาจะเป็นการพัฒนาส่วนของ EUTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) ซึ่งประกอบด้วยโทรศัพท์เคลื่อนที่ EnodeB และ MME(Mobility Management Entity)  เครือข่าย ETRAN  นอกจากเชื่อมต่อเครือข่ายไอพีเป็นหลักแล้วยังสามารถเชื่อมต่อกับโทรศัพท์เคลื่อนที่ของระบบ GSM หรือ CDMA2000 เพื่อให้การบริการโทรศัพท์เคลื่อนที่ที่ใช้การสวิชต์วงจร

เทคโนโลยี WiMAX เป็นเทคโนโลยีที่ใช้มาตรฐาน IEEE 802.16 เป็นมาตรฐานสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างโทรศัพท์เคลื่อนที่และ สถานีฐาน เทคโนโลยี WiMAX เป็นเทคโนโลยีที่ใช้เป็นระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๔ ในอเมริกาซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ไม่ได้พัฒนาต่อจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๓ เพราะฉะนั้นการติดตั้งก็จะทำได้ยากเนื่องจากต้องทำการติดตั้งระบบใหม่ทั้งหมด มาตรฐานการพัฒนาของเทคโนโลยี WiMAX แสดงดังรูปที่ ๕ ซึ่งประกอบด้วย มาตรฐาน IEEE 802.16 มาตรฐาน IEEE 802.16a มาตรฐาน IEEE 802.16a และ มาตรฐาน IEEE 802.16e

                                        รูปที่  ๕ การพัฒนาการของโทรศัพท์เคลื่อนยุค 4 ที่ใช้มาตรฐาน IEEE 802.16

๕. สรุป
บทความวิชาการนี้ได้นำเสนอภาพรวมของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ที่มีการใช้งานมาตั้งแต่ยุคที่ ๑ จนถึงยุคที่ ๔ ซึ่งการพัฒนาจะเป็นการพัฒนาส่วนของความเร็วในการส่งข้อมูลดิจิตอลและโครงสร้างของเครือข่ายรวมถึงการให้บริการที่มีความหลากหลาย

เพื่อให้เหมาะสมกับความต้องการของผู้ใช้ ระบบโทรศัพท์เคลื่อนในประเทศไทยในปัจจุบัน (ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๕) ใช้เทคโนโลยี HSPA ซึ่งมีการให้ผู้บริการ ๔ บริษัทคือ บริษัท เรียลมูฟ จำกัด ให้บริการที่คลื่นความถี่ ๘๕๐ เมกกะเฮิร์ซ บริษัท แอดวานซ์ อินโฟร์ เซอร์วิส จำกัด (มหาชน) ให้บริการที่คลื่นความถี่ ๙๐๐ เมกกะเฮิร์ซ บริษัท โทเทิ่ล แอ็คเซ็ส คอมมูนิเคชั่น จำกัด (มหาชน) ให้บริการที่คลื่นความถี่ ๘๕๐ เมกกะเฮิร์ซ และ บริษัท ทีโอที จำกัด (มหาชน) ให้บริการที่คลื่นความถี่ ๒๑๐๐ เมกกะเฮิร์ซ

นอกจากนี้ระบบการรักษาความมั่นคงปลอดภัยของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ไม่ว่า 1G  2G 3G หรือ 4G ที่เป็นการสื่อสารแบบสวิตช์วงจร (Circuit Switching)  นั้นไม่มีการรักษาความมั่นคงปลอดภัยที่กระทำระหว่างโทรศัพท์เคลื่อนที่ (End-to-End) มีเพียงแต่การเข้ารหัสระหว่างการสื่อสารผ่านอากาศ การเข้ารหัสลับระหว่างโทรศัพท์เคลื่อนที่ต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมตัวอย่างเช่นในการวิจัย [2] ส่วนการสื่อสารผ่านเครือข่ายการวางสวิตช์นั้นสามารถใช้ระบบรักษาความมั่นของโปรแกรมประยุกต์ หรือ มาตรฐาน IPsec (Internet Protocol Security) [4]

นอกจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ที่ได้กล่าวแล้วในปัจจุบันนักวิจัยได้เริ่มต้นการพัฒนาต้นแบบระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๕ โดยทำการพัฒนาต่อจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคที่ ๔ ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มนักวิจัยต่าง ๆ เช่น 3GPP WiMax Forum ITU-R เป็นต้น