NXDN (Next Generation Digital Narrowband) คืออะไร

 NXDN (Next Generation Digital Narrowband)เป็นมาตรฐานการสื่อสารวิทยุดิจิทัลแบบเปิดที่พัฒนาขึ้นร่วมกันโดย Icom (จำหน่ายในชื่อ IDAS) และ Kenwood (จำหน่ายในชื่อ NEXEDGE) ระบบนี้ได้รับการออกแบบมาเป็นหลักสำหรับระบบเชิงพาณิชย์และระบบความปลอดภัยสาธารณะ เพื่อให้มีประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่ที่เหนือกว่า เสียงที่ชัดเจนกว่า และระยะการส่งสัญญาณที่ไกลกว่า เมื่อเทียบกับระบบ FM แบบอนาล็อกดั้งเดิม

พื้นฐานทางเทคนิค

แตกต่างจาก DMR (Digital Mobile Radio) ซึ่งใช้ Time-Division Multiple Access (TDMA) ในการแบ่งช่องสัญญาณมาตรฐาน 12.5 kHz ออกเป็นสองช่วงเวลาสลับกัน NXDN ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่วิทยุให้สูงสุด:

• เทคโนโลยี FDMA: NXDN ใช้เทคโนโลยีการเข้าถึงแบบหลายผู้ใช้โดยแบ่งความถี่ (Frequency-Division Multiple Access หรือ FDMA)
  
  
• แถบความถี่แคบพิเศษ: ทำงานได้บนช่องสัญญาณ 12.5 kHz หรือช่องสัญญาณแคบพิเศษ 6.25 kHzด้วยการรวมกำลังส่งสัญญาณไว้ในย่านความถี่ 6.25 kHz ที่มีความเข้มข้นสูง สัญญาณจะสามารถทะลุผ่านสัญญาณรบกวน RF จากพื้นหลังได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งจะช่วยเพิ่มความไวของตัวรับสัญญาณและสามารถขยายพื้นที่ครอบคลุมได้มากกว่าสัญญาณอนาล็อกที่มีแถบความถี่กว้างกว่า
  
  
• ระบบแปลงเสียงเป็นดิจิทัล (Vocoder): อุปกรณ์นี้ใช้ระบบแปลงเสียงเป็นดิจิทัล AMBE+2 ซึ่งช่วยรักษาระดับความคมชัดของเสียงและลดเสียงรบกวนรอบข้างให้น้อยที่สุด แม้ในบริเวณขอบเขตการครอบคลุมสัญญาณที่จำกัด
  
  

แอปพลิเคชันหลัก

1. ธุรกิจเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม

เนื่องจากความสามารถในการเชื่อมต่อหลายจุดที่แข็งแกร่ง NXDN จึงถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายในสภาพแวดล้อมที่ต้องการการครอบคลุมพื้นที่กว้างโดยไม่หลุดการเชื่อมต่อ เช่น ศูนย์กลางการขนส่ง ศูนย์โลจิสติกส์ระดับภูมิภาค และโรงงานอุตสาหกรรม ระบบนี้รองรับการติดตามด้วย GPS แบบบูรณาการ ข้อมูลทางไกล และการส่งข้อความควบคู่ไปกับการรับส่งข้อมูลเสียง นอกจากนี้ยังรองรับการทำงานแบบผสมผสาน โดยจะตรวจจับโดยอัตโนมัติว่าสัญญาณขาเข้าเป็นแบบอนาล็อกหรือดิจิทัล ซึ่งช่วยให้บริษัทต่างๆ สามารถเปลี่ยนผ่านจากระบบอนาล็อกแบบเดิมได้อย่างราบรื่น

2. ความปลอดภัยและความมั่นคงสาธารณะ สำหรับหน่วยงานที่ไม่ต้องการระบบ APCO P25 ที่มีขนาดใหญ่ (หรือใช้งบประมาณมาก) NXDN นำเสนอทางเลือกที่เชื่อถือได้สูงรองรับการเข้ารหัสระดับทหาร DES และ AES-256 การตั้งโปรแกรมผ่านทางอากาศ และคุณสมบัติการจัดการระยะไกลขั้นสูง เช่น การปิดใช้งาน/หยุดการทำงานจากระยะไกล (เพื่อปิดการใช้งานวิทยุที่สูญหาย) และการแจ้งเตือนฉุกเฉินเมื่อมีคนล้มลง

3. วิทยุสมัครเล่นและเครือข่ายเสียงดิจิทัล

แม้ว่า NXDN จะได้รับการออกแบบมาสำหรับภาคธุรกิจเชิงพาณิชย์ แต่ก็ได้สร้างกลุ่มเฉพาะที่แข็งแกร่งในชุมชนวิทยุสมัครเล่นนักวิทยุสมัครเล่นมักนำเครื่องรับส่งสัญญาณ Icom IDAS หรือ Kenwood NEXEDGE ที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์มาดัดแปลงเพื่อใช้เป็นงานอดิเรกที่สำคัญที่สุดคือ โปรโตคอลนี้ได้รับการบูรณาการอย่างสมบูรณ์ในระบบ นิเวศ MMDVM (Multi-Mode Digital Voice Modem) แบบโอเพน ซอร์ส ด้วยการใช้อุปกรณ์ฮอตสปอต (เช่น NanoPi หรือ Raspberry Pi ที่ใช้เฟิร์มแวร์ Pi-Star หรือ WPSD) ผู้ใช้งานสามารถเชื่อมต่อสัญญาณ RF ในพื้นที่ของตนผ่านทางอินเทอร์เน็ตไปยังเครือข่ายรีเฟล็กเตอร์ NXDN ทั่วโลก (เช่น NXCore) ทำให้สามารถติดต่อสื่อสารแบบดิจิทัลทั่วโลกได้อย่างราบรื่นควบคู่ไปกับโหมดอื่นๆ เช่น DMR หรือ D-STAR

สถาปัตยกรรม FDMA ของ NXDN เมื่อเทียบกับสถาปัตยกรรม TDMA ของ DMR แล้ว ประสิทธิภาพและการใช้งานจริงเป็นอย่างไรบ้าง?

แม้ว่าทั้ง NXDN และ DMR ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาเดียวกัน นั่นคือการเพิ่มช่องทางการสื่อสารให้มากขึ้นในคลื่นความถี่วิทยุที่มีจำกัด แต่ทั้งสองระบบใช้วิธีการทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ความแตกต่างพื้นฐานอยู่ที่วิธีการแบ่งคลื่นความถี่: NXDN แบ่งความถี่ออกเป็นส่วนๆ ในขณะที่ DMR แบ่งเวลาออกเป็นส่วนๆ

FDMA (การแบ่งความถี่) เทียบกับ TDMA (การแบ่งเวลา) ที่มา: ResearchGate

สถาปัตยกรรมหลัก

NXDN: FDMA (Frequency-Division Multiple Access) NXDN เพิ่มประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่โดยการลดแบนด์วิดท์ลง โดยแบ่งช่องสัญญาณมาตรฐาน 12.5 kHz ออกเป็นสองช่องสัญญาณต่อเนื่องขนาด6.25 kHzเมื่อวิทยุส่งสัญญาณบน NXDN จะส่งกระแสข้อมูลต่อเนื่องบนความถี่ที่แคบมากนั้นตลอดระยะเวลาการส่งสัญญาณ

DMR: TDMA (Time-Division Multiple Access) ระบบ DMR ยังคงใช้ช่องสัญญาณที่กว้างกว่าคือ 12.5 kHzแต่แบ่งช่องสัญญาณนั้นออกเป็นช่วงเวลา 30 มิลลิวินาที สลับกัน (ช่วงเวลาที่ 1 และช่วงเวลาที่ 2) เมื่อวิทยุส่งสัญญาณในระบบ DMR มันจะเปิดและปิดตัวส่งสัญญาณอย่างรวดเร็ว โดยส่งข้อมูลเฉพาะในช่วงเวลาที่กำหนดไว้เท่านั้น

ช่องเวลา DMR TDMA แหล่งที่มา: Hytera US

การเปรียบเทียบโดยตรง

โปร	NXDN (FDMA)	ดีเอ็มอาร์ (ทีดีเอ็มเอ)
การเข้าถึงช่องทาง	ความถี่ต่อเนื่องเฉพาะ 6.25 kHz	ช่องเวลาสลับกัน 12.5 kHz ที่ใช้ร่วมกัน
ความจุรีพีเตอร์	1 ตัวทวนสัญญาณ = 1 เส้นทางการสื่อสาร	1 ตัวขยายสัญญาณ = 2 เส้นทางสนทนาพร้อมกัน
การแพร่เชื้อ	ต่อเนื่อง (รอบการทำงาน 100%)	แบบพัลส์ (รอบการทำงาน 50%)
อายุการใช้งานแบตเตอรี่	มาตรฐาน	ช่วงพัก (ตัวส่งสัญญาณพักระหว่างพัลส์)
พารามิเตอร์ข้อมูล	ความถี่, RAN (หมายเลขการเข้าถึงวิทยุ)	ความถี่, รหัสสี, ช่วงเวลา

ผลการปฏิบัติงานในโลกแห่งความเป็นจริง

1. ระยะการส่งสัญญาณและคุณภาพเสียง เนื่องจาก NXDN เน้นการส่งกำลังไปที่ความถี่ 6.25 kHz อย่างเข้มข้น จึงช่วยลดระดับสัญญาณรบกวนของตัวรับสัญญาณ ในทางปฏิบัติแล้ว นี่ทำให้ NXDN มีข้อได้เปรียบเล็กน้อยในพื้นที่ครอบคลุมสัญญาณที่จำกัด เสียงจะชัดเจนขึ้นในระยะทางที่ไกลขึ้นเล็กน้อยก่อนที่คุณภาพเสียงจะลดลงอย่างกะทันหัน

ในทางกลับกัน ระบบ DMR อาศัยการซิงโครไนซ์เวลาที่แม่นยำระหว่างวิทยุและเครื่องทวนสัญญาณเป็นอย่างมาก ในระยะไกลมาก การลดทอนสัญญาณเนื่องจากหลายเส้นทางอาจทำให้การซิงโครไนซ์เวลานี้หยุดชะงัก หากวิทยุ DMR พลาดการซิงโครไนซ์เวลาสำหรับช่องเวลาของมัน อัตราความผิดพลาดของบิตจะพุ่งสูงขึ้น และการส่งสัญญาณจะหยุดลงโดยสิ้นเชิง แม้ว่าสัญญาณ RF ดิบจะยังคงมีความแรงเพียงพอที่จะได้ยินในทางทฤษฎีก็ตาม

2. ต้นทุนและประสิทธิภาพด้านโครงสร้างพื้นฐาน DMR คือสุดยอดระบบที่ประหยัดต้นทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานสำหรับเจ้าของธุรกิจและเจ้าของรีพีทเตอร์ เนื่องจากรีพีทเตอร์ DMR ขนาด 12.5 kHz เพียงตัวเดียวรองรับสองช่องสัญญาณเวลา ทำให้ฮาร์ดแวร์เพียงชิ้นเดียวสามารถให้ช่องสัญญาณเสียงอิสระสองช่องพร้อมกันได้

เพื่อให้สามารถใช้งานช่องสัญญาณเสียงสองช่องพร้อมกันได้ด้วยระบบ NXDN คุณต้องติดตั้งตัวทวนสัญญาณแยกกันสองตัว ตัวแยกสัญญาณแบบสองทิศทางสองตัว และอุปกรณ์รวมสัญญาณ ซึ่งจะทำให้ขนาดและต้นทุนของฮาร์ดแวร์ที่สถานีส่งสัญญาณเพิ่มขึ้นอย่างมาก

3. ความซับซ้อนในการตั้งค่าและการเชื่อมต่อโค้ด ในเครือข่ายเสียงดิจิทัลและสภาพแวดล้อมฮอตสปอต MMDVM (Multi-Mode Digital Voice Modem) โดยทั่วไปแล้ว NXDN จะตั้งโปรแกรมได้ง่ายกว่า ในการเชื่อมต่อกับโหนดหรือรีพีเตอร์ คุณเพียงแค่ต้องระบุความถี่และ RAN ที่ถูกต้องเท่านั้น

รหัสการใช้งาน DMR นั้นซับซ้อนอย่างมาก เนื่องจากสถาปัตยกรรม TDMA ผู้ใช้ต้องตั้งค่าความถี่ รหัสสี กลุ่มสนทนาและตรวจสอบให้แน่ใจว่าอยู่ในช่องเวลาที่ถูกต้อง มิฉะนั้นวิทยุจะไม่สามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายได้อย่างถูกต้อง

อุปกรณ์สะท้อนสัญญาณแบบหลายโปรโตคอล เช่น XLX เชื่อมช่องว่างระหว่างเครือข่าย FDMA NXDN และเครือข่าย TDMA DMR ได้อย่างไร?

หัวใจสำคัญของรีเฟล็กเตอร์มัลติโปรโตคอล XLX คือการไม่สนใจเลเยอร์ RF ทางกายภาพโดยสิ้นเชิง เมื่อสัญญาณมาถึงรีเฟล็กเตอร์ ความขัดแย้งระหว่าง FDMA แบบต่อเนื่องของ NXDN และ TDMA แบบพัลส์ของ DMR ก็ได้รับการแก้ไขไปแล้ว

การเชื่อมต่อเกิดขึ้นทั้งหมดในโดเมน IP ผ่านกระบวนการถอดรหัส การแปลงรหัส และการจัดแพ็กเกจใหม่ นี่คือวิธีการแปลงการส่งสัญญาณ DMR เป็นการส่งสัญญาณ NXDN แบบเรียลไทม์อย่างละเอียด:

1. การถอดรหัสสัญญาณที่ขอบเครือข่าย (MMDVM) เมื่อวิทยุ DMR ส่งสัญญาณ ฮอตสปอตหรือรีพีทเตอร์ MMDVM ในพื้นที่รับสัญญาณ RF TDMA 12.5 kHz บอร์ด MMDVM จะแยกคลื่นพาหะ RF และจังหวะเวลาออกไปทั้งหมด เหลือไว้เพียงข้อมูลดิจิทัลดิบ (เฟรมเสียง AMBE+2 และข้อมูลเมตา)

2. การห่อหุ้มข้อมูล IP เฟิร์มแวร์ของฮอตสปอต (เช่น Pi-Star หรือ WPSD) จะห่อหุ้มเฟรมข้อมูลดิบเหล่านั้นลงในแพ็กเก็ต UDP มาตรฐาน และส่งผ่านอินเทอร์เน็ตไปยังเซิร์ฟเวอร์ XLX ในขั้นตอนนี้ มันเป็นเพียงการรับส่งข้อมูลเครือข่ายเท่านั้น

3. กลไกการแปลงรหัส (Core Bridge) เมื่อโฮสต์มัลติเพล็กเซอร์ XLX—โดยทั่วไปบนอินสแตนซ์ Debian—เซิร์ฟเวอร์เองไม่สามารถส่งต่อแพ็กเก็ต DMR ไปยังโหนด NXDN ได้โดยตรง แม้ว่าทั้งสองโปรโตคอลจะใช้ตัวเข้ารหัสเสียง AMBE+2 แต่การแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้า (FEC) และโครงสร้างเฟรมแตกต่างกัน เซิร์ฟเวอร์ XLX จะกำหนดเส้นทางแพ็กเก็ต DMR UDP ที่เข้ามาไปยังตัวแปลงรหัส ที่เชื่อมต่ออยู่ (มักจะเป็นกลุ่มชิปฮาร์ดแวร์ AMBE3000 เช่น ThumbDV หรือซอฟต์แวร์ที่เทียบเท่า) ตัวแปลงรหัสจะดำเนินการสามขั้นตอนอย่างรวดเร็ว:

• แกะกล่องอุปกรณ์ DMR AMBE+2 ออก
  
  
• ถอดรหัสเป็นไฟล์เสียง PCM ดิบที่ไม่มีการบีบอัด
  
  
• แปลงสัญญาณเสียงดิบนั้นให้เป็นข้อมูล AMBE+2 ที่สอดคล้องกับมาตรฐาน NXDN ทันที
  
  

4. การแปลส่วนหัว เซิร์ฟเวอร์ XLX จะรับเฟรมเสียง NXDN ที่สร้างขึ้นใหม่และแนบเมตาเดตาโปรโตคอล NXDN ที่ถูกต้อง โดยจะแปลงแนวคิดการกำหนดเส้นทาง DMR (กลุ่มสนทนา รหัสสี ช่องเวลา) ไปเป็นแนวคิดการกำหนดเส้นทาง NXDN (รหัสปลายทาง รหัส RAN)

5. การส่งและการปรับสัญญาณ RF ใหม่ เซิร์ฟเวอร์ส่งแพ็กเก็ต NXDN UDP ใหม่นี้ไปยังโหนด MMDVM ปลายทาง โหนดรับจะแกะแพ็กเก็ตเครือข่าย ปรับสัญญาณให้เป็นสัญญาณ FDMA ต่อเนื่อง 6.25 kHz และออกอากาศทางอากาศไปยังวิทยุ NXDN ที่รับสัญญาณ

เนื่องจากกระบวนการทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในเวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาที ผู้ใช้งานที่ใช้สถาปัตยกรรมที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงจึงสามารถสื่อสารกันได้อย่างราบรื่น ตัวสะท้อนสัญญาณทำหน้าที่เป็นตัวแปลสากล ทำให้มั่นใจได้ว่าวิทยุทั้งสองเครื่องไม่จำ
เป็นต้อง "พูด" ในรูปแบบคลื่นความถี่วิทยุเฉพาะของอีกฝ่ายเลย