सेक्टरल एंटेना सेल्युलर नेटवर्क को कैसे अनुकूलित करते हैं

सेक्टर एंटेना (Sector antennas) कवरेज क्षेत्रों को सेक्टरों में विभाजित करके सेलुलर नेटवर्क (cellular networks) को अनुकूलित करते हैं, जिससे सिग्नल की गुणवत्ता और क्षमता में सुधार होता है। 60°–120° की बीम चौड़ाई (beamwidths) और 18 dBi तक के लाभ (gains) के साथ, वे हस्तक्षेप (interference) को कम करते हैं और वर्णक्रमीय दक्षता (spectral efficiency) को 30% तक बढ़ाते हैं। उचित झुकाव समायोजन (tilt adjustment) (यांत्रिक या विद्युत) इष्टतम कवरेज ओवरलैप सुनिश्चित करता है और सिग्नल की बर्बादी को कम करता है।

सेक्टर एंटेना कैसे दिखते हैं?

याद है पिछले गर्मियों में ह्यूस्टन ग्राउंड स्टेशन (Houston ground station) में क्या हुआ था? भारी बारिश के कारण ध्रुवीकरण अलगाव (polarization isolation) 25dB से नीचे गिर गया, जिससे पूरा केयू-बैंड ट्रांसपोंडर (Ku-band transponder) गड़बड़ हो गया। आपातकालीन मरम्मत के दौरान, उन्होंने त्रि-रिज रेडिएटर (tri-ridge radiator) के साथ इस प्रकार के सेक्टर एंटीना का उपयोग किया, जिससे दो घंटे के भीतर बिट त्रुटि दर (bit error rate) को $10^{-8}$ पर वापस लाने में कामयाबी मिली।

• नालीदार हॉर्न (Corrugated horn): यह एक समझौते के धातु के फोल्ड जैसा दिखता है, जिसका उपयोग वास्तव में साइडलोब (sidelobes) को दबाने के लिए किया जाता है। नासा ने इसका परीक्षण किया और पाया कि $3.5\{GHz}$ पर, इसमें साधारण हॉर्न एंटेना की तुलना में $6\{dB}$ कम साइडलोब होते हैं।
• ढांकता हुआ लोडिंग ब्लॉक (dielectric loading blocks) युक्त फ़ीड नेटवर्क (feed network): उन नीले प्लास्टिक के टुकड़ों से मूर्ख मत बनो; वे स्ट्रोंटियम टाइटेनेट (strontium titanate) के साथ मिश्रित पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (polytetrafluoroethylene) से बने समग्र सामग्री (composite materials) हैं, जो $9.3\pm0.2$ के ढांकता हुआ स्थिरांक (dielectric constant) को प्राप्त करते हैं।
• पीछे की तरफ एल्यूमीनियम वेवगाइड संक्रमण (aluminum waveguide transition): स्विस-निर्मित ह्यूबर्स+सुहनेर (Huber+Suhner) उत्पाद $-40^{\circ}\{C}$ पर भी वीएसडब्ल्यूआर $<1.15$ (VSWR$<1.15$) बनाए रखते हैं, हालांकि महंगे हैं, वे घरेलू उत्पादों की तुलना में 20% कम पावर एम्पलीफायर जलाते हैं।

इंडोनेशियाई ऑपरेटर (Indonesian operator) के लिए एंटेना स्थापित करने का हमारा एक बुरा अनुभव था। पैसे बचाने के लिए उन्होंने औद्योगिक-ग्रेड फेज शिफ्टर्स (phase shifters) का विकल्प चुना। सीधी धूप में, तापमान बहाव (temperature drift) $0.8^{\circ}/^{\circ}\{C}$ था, जिससे बीम स्टीयरिंग (beam steering) 3 डिग्री से विचलित हो गया, जिसके परिणामस्वरूप स्विचिंग क्षेत्रों (switching areas) में छूटी हुई कॉल (dropped calls) में 42% की वृद्धि हुई। बाद में, उन्होंने सैन्य-ग्रेड एम/ए-कॉम (M/A-COM) उत्पादों पर स्विच किया, जिसमें $55^{\circ}\{C}$ पर भी अधिकतम बहाव केवल $0.1^{\circ}$ होता है।

“कीसाइट एन9048बी स्पेक्ट्रम एनालाइज़र (Keysight N9048B spectrum analyzer) का उपयोग करके कैप्चर किए गए चरण शोर वक्र (phase noise curve) से पता चला कि $1\{GHz}$ वाहक आवृत्ति पर, यह $10\{kHz}$ ऑफसेट पर $-145\{dBc/Hz}$ तक पहुंच गया। हमने इस पर विश्वास करने से पहले ईटीएस-लिंडग्रेन (ETS-Lindgren) के 3-मीटर एनकोइक चैंबर (anechoic chamber) में इस डेटा की तीन बार पुष्टि की थी।” — एक सैटेलाइट कंपनी के फील्ड इंजीनियर के लॉग से अंश

आजकल, हाई-एंड मॉडल में बहु-परत स्टैकिंग संरचनाएं (multi-layer stacking structures) होती हैं। उदाहरण के लिए, एरावेंट (Eravant) का एसए-2470 (SA-2470) छह सेक्टरों को एक मधुकोश (honeycomb) के आकार में ढेर करता है, ऊर्ध्वाधर इंटरकनेक्शन (vertical interconnection) के लिए आरएफ विएस (RF vias) का उपयोग करता है, जिससे क्षैतिज बीम चौड़ाई (horizontal beamwidth) $30^{\circ}\pm2^{\circ}$ तक सिकुड़ जाती है। हालांकि, स्थापना के लिए सटीकता की आवश्यकता होती है; एक बार किसी ने मैनुअल के अनुसार झुकाव कोण (tilt angle) को समायोजित नहीं किया, जिसके परिणामस्वरूप बेस स्टेशन कवरेज क्षेत्र में मोज़ेक अंधे धब्बे (mosaic blind spots) हो गए, जिससे कई शिकायतें हुईं।

सबसे प्रभावशाली मामला पिछले साल स्पेसएक्स (SpaceX) का स्टारलिंक (Starlink) का एक सक्रिय संस्करण (active version) में अपग्रेड है। प्रत्येक विकिरण तत्व (radiating element) को गैलियम नाइट्राइड पावर एम्पलीफायर चिप्स (GaN power amplifier chips) के साथ सोल्डर किया जाता है, जो स्वतंत्र रूप से 128 बीमफॉर्मिंग भार (beamforming weights) को नियंत्रित करने में सक्षम होते हैं। हालांकि, ये उपकरण बहुत अधिक बिजली की खपत करते हैं, एकल एंटीना शिखर शक्ति $800\{W}$ तक पहुंचती है, जिसके लिए विशेष तरल शीतलन प्रणाली (liquid cooling systems) की आवश्यकता होती है जिसे नियमित बेस स्टेशन संभाल नहीं सकते।

पूर्ण मोबाइल सिग्नल बार का रहस्य

क्या आपने कभी लिफ्ट में घबराकर वीचैट (WeChat) को रीफ्रेश करने की कोशिश की है? या पार्किंग में कोड स्कैन करते समय इंटरनेट से कनेक्ट होने के लिए संघर्ष किया है? इन परिदृश्यों के पीछे आपके फोन और बेस स्टेशन (बीम ट्रैकिंग (Beam Tracking)) के बीच “लुका-छिपी” का खेल है। सिग्नल बार $\neq$ वास्तविक इंटरनेट गति; पूर्ण बार दिखाना बेस स्टेशन का “दयालु झूठ” हो सकता है — जब तक आरएसआरपी (RSRP) (Reference Signal Received Power) $-100\{dBm}$ से ऊपर है, सिस्टम उपयोगकर्ताओं को आश्वस्त करने के लिए पूर्ण बार प्रदर्शित करने का प्रयास करता है।

मजेदार तथ्य: धातु की लिफ्टें प्राकृतिक फैराडे पिंजरों (Faraday cages) के रूप में कार्य करती हैं; $2.6\{GHz}$ पर विद्युत चुम्बकीय तरंगें (electromagnetic waves) घुसने पर $32\{dB}$ से अधिक क्षीण हो जाती हैं। पिछले साल, शेन्ज़ेन मेट्रो (Shenzhen Metro) ने परीक्षण किया और पाया कि एक निश्चित ब्रांड के 5G एंटीना को लंबवत रखने से एमआईएमओ (MIMO) (Multiple Input Multiple Output) चैनल $4\times4$ से $2\times2$ तक खराब हो जाएंगे, जिससे डाउनलोड गति $800\{Mbps}$ से $120\{Mbps}$ तक कम हो जाएगी।

1. बेस स्टेशन चयन के अपने ट्रिक्स हैं

आपका फ़ोन जितना आप सोचते हैं उससे कहीं अधिक “चंचल” है। यह हर 3 सेकंड में छह आस-पास के बेस स्टेशनों को स्कैन करता है, आरएसआरक्यू (RSRQ) (Reference Signal Received Quality) और लोड स्थितियों के आधार पर स्वचालित रूप से “नौकरी स्विच” करता है। कॉन्सर्ट स्थलों पर, दूर के निष्क्रिय बैंड 3 ($1800\{MHz}$) बेस स्टेशनों से कनेक्ट करना भीड़भाड़ वाले बैंड 41 ($2500\{MHz}$) वालों की तुलना में तेज़ होता है।

मैनुअल हस्तक्षेप टिप: हवाई जहाज मोड (airplane mode) को 10 सेकंड के लिए चालू करें फिर इसे बंद कर दें। यह विधि फोन की मेमोरी को प्रभावी ढंग से साफ़ करती है। परीक्षण से पता चलता है कि यह घनी शहरी क्षेत्रों में हुआवेई मेट 60 प्रो+ (Huawei Mate 60 Pro+) के लिए इष्टतम बेस स्टेशन से फिर से कनेक्ट होने की सफलता दर को 40% तक बढ़ा सकता है।

2. उचित हाथ की स्थिति आवश्यक है

ऐप्पल (Apple) आईफोन 12 (iPhone 12) के 5G एंटीना डिज़ाइन के साथ ठोकर खाई — गेमिंग के दौरान फोन को क्षैतिज रूप से पकड़ने से एमएमवेव एंटीना सरणी (mmWave antenna array) कवर हो जाती है। अमेरिका में वेरिज़ोन (Verizon) उपयोगकर्ताओं ने ऐप्पल पर मुकदमा दायर किया, जिसने अंततः एंटीना शेड्यूलिंग एल्गोरिथम (antenna scheduling algorithm) अपडेट के माध्यम से समस्या का समाधान किया।

सही मुद्रा: फोन को लंबवत उपयोग करते समय फोन के शीर्ष (मुख्य एंटीना स्थान) को कवर करने से बचें; क्षैतिज रूप से गेम खेलते समय दोनों तरफ से पकड़ें। सैमसंग एस24 अल्ट्रा (Samsung S24 Ultra) का एआई सिग्नल भविष्यवाणी फ़ंक्शन (AI signal prediction function) वर्तमान रुकावट के कारण वास्तविक समय सिग्नल क्षीणन मान (real-time signal attenuation values) प्रदर्शित करता है।

3. सिग्नल किलर्स से बचें

घर के स्मार्ट उपकरण छिपे हुए हत्यारे हो सकते हैं:
• ज़ियाओमी (Xiaomi) स्मार्ट लैंप $2.4\{GHz}$ वाईफाई पैकेट हानि दर (packet loss rates) को 17% तक बढ़ा देते हैं
• हुआवेई $65\{W}$ फास्ट चार्जर $1700\{MHz}$ बैंड हार्मोनिक्स (harmonics) के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं
• धातु के फोन केस 5G सिग्नल को $6-8\{dB}$ तक कम कर सकते हैं, जो दो अतिरिक्त कंक्रीट की दीवारों से गुजरने के बराबर है

सबसे बुरा अपराधी माइक्रोवेव ओवन है — इसकी $2.45\{GHz}$ आवृत्ति वाईफाई 6 चैनलों के साथ ओवरलैप होती है। भोजन को गर्म करते समय, आसन्न कमरों में वाईफाई डाउनलोड गति $55\{MB/s}$ से $9\{MB/s}$ तक गिर जाती है।

4. VoWiFi फ़ंक्शन का चतुर उपयोग

बेसमेंट गैरेज में कोई सिग्नल नहीं? वाईफाई कॉलिंग (WiFi Calling) (घरेलू स्तर पर ‘सेलुलर नेटवर्क असिस्टेड कॉल’ कहा जाता है) सक्षम करें। चाइना मोबाइल (China Mobile) का VoWiFi 90% से अधिक घरेलू राउटर को कवर करता है, जो पारंपरिक सिग्नल की तुलना में तीन स्तर बेहतर कॉल गुणवत्ता प्रदान करता है। कॉल के दौरान निर्बाध एपी नोड स्विचिंग (seamless AP node switching) के लिए 802.11k प्रोटोकॉल (protocol) का समर्थन करने वाले मेश राउटर (Mesh routers) का उपयोग सुनिश्चित करें।

5. मैन्युअल रूप से इष्टतम बैंड लॉक करें

एंड्रॉइड डायलर (Android dialer) में, विशिष्ट बैंड को मजबूर-लॉक करने के लिए $* \#* \#4636\#* \#*$ इनपुट करें:
• बी5/बी8 ($850/900\{MHz}$): मजबूत पैठ, ग्रामीण क्षेत्रों के लिए उपयुक्त
• बी3/बी40 ($1800/2300\{MHz}$): शहरी प्राथमिक बैंड, क्षमता और कवरेज को संतुलित करना
• n78/n79 ($3500/4900\{MHz}$): 5G अल्ट्रा-स्पीड बैंड लेकिन खराब दीवार पैठ

पिछले साल के बीजिंग मैराथन (Beijing Marathon) के दौरान, धावकों ने मैन्युअल रूप से बैंड 41 को लॉक कर दिया, जिससे स्वचालित मोड की तुलना में लाइव स्ट्रीम लैग (live stream lag) में 82% की कमी आई। हालांकि, यह ऑपरेशन फोन की बिजली की खपत (power consumption) को 15% तक बढ़ा देता है, जो पावर बैंक (power bank) के साथ उपयोग का सुझाव देता है।

बेस स्टेशन कवरेज तकनीकों को दोगुना करना

पिछले गर्मियों में, एक ऑपरेटर ने मुझे अतिभारित बेस स्टेशनों को संबोधित करने के लिए तत्काल कहा: 40-मीटर टॉवर पर पुराने सर्वदिशात्मक एंटेना (omnidirectional antennas) में चरम घंटों के दौरान उपयोगकर्ता ड्रॉपआउट दरें 12% तक बढ़ गईं, जिसमें आरएसआरपी (RSRP) उतार-चढ़ाव $\pm8\{dB}$ तक पहुंच गया। एमआईआईटी (MIIT) मानक वाईडी/टी 3287-2017 (YD/T 3287-2017) के अनुसार, शहरी बेस स्टेशन कवरेज त्रिज्या भिन्नता (coverage radius variations) 15% से अधिक नहीं होनी चाहिए।

आईईईई एपी-एस यंग इंजीनियर अवार्ड (IEEE AP-S Young Engineer Award) प्राप्तकर्ता के रूप में, मैं कीसाइट एन9048बी स्पेक्ट्रम एनालाइज़र (Keysight N9048B spectrum analyzer) के साथ साइट पर गया। परीक्षण से पता चला कि दिगंश कोण (azimuth angle) और यांत्रिक डाउनटिल्ट समायोजन (mechanical downtilt adjustment) में 7-डिग्री का विचलन था, जो 5G युग में व्यावहारिक रूप से स्टोन एज दृष्टिकोण (Stone Age Approach) है।

• पहली चाल: गतिशील इलेक्ट्रॉनिक डाउनटिल्ट ट्यूनिंग (Dynamic electronic downtilt tuning) – हुआवेई एएयू5613 (Huawei AAU5613) के एएएस (AAS) (Active Antenna System) का उपयोग करके फिक्स्ड $15^{\circ}$ यांत्रिक डाउनटिल्ट को एक समायोज्य $0-25^{\circ}$ रेंज में बदलने से ओवरलैपिंग कवरेज क्षेत्रों में तुरंत 40% की कमी आई
• दूसरी चाल: क्रूर बीमफॉर्मिंग अपग्रेड (Brutal beamforming upgrade) – नोकिया (Nokia) के एफएसएमएफ (FSMF) श्रृंखला बेस बैंड बोर्ड (baseband boards) को सक्षम करने से 8-स्ट्रीम बीम $64\{TRX}$ तक बढ़ गए, जिससे सेल एज एसआईएनआर (SINR) (Signal to Interference plus Noise Ratio) $-3\{dB}$ से $11\{dB}$ तक बढ़ गया
• तीसरी चाल: श्वास प्रभाव दमन एल्गोरिथम (Breathing effect suppression algorithm) – जेडटीई (ZTE) के यूनिएसई (UniSE) समाधान को लोड करने से उपयोगकर्ता वृद्धि के दौरान कवरेज त्रिज्या संकोचन (coverage radius shrinkage) 22% से 7% तक संपीड़ित हो गया, जो दिशात्मक स्पीकर (directional speakers) का उपयोग करके स्टेडियम स्टैंड में लोगों का सटीक पता लगाने जैसा है

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, सबसे कठोर तकनीक मल्टीबैंड सह-स्कैनिंग (multiband co-scanning) है। एनरिट्सु एमएस2090ए (Anritsu MS2090A) का उपयोग करके, हमने डी-बैंड ($3.5\{GHz}$) और एफ-बैंड ($1.8\{GHz}$) के बीच चार आवृत्ति संघर्ष बिंदुओं (frequency conflict points) का पता लगाया, एरिक्सन (Ericsson) की एंटीना विभाजन तकनीक (antenna splitting technology) का उपयोग करके 16 उप-बीम (sub-beams) को विभाजित किया, जो स्विस आर्मी चाकू (Swiss Army knife) से स्टेक काटने जैसा है — पेशेवर कार्यों के लिए पेशेवर उपकरण।

एक अपरंपरागत अभ्यास को हाइलाइट करें: एंटीना की ऊंचाई पर आँख बंद करके विश्वास न करें! एक साइट को 40 मीटर से 32 मीटर तक कम करने और दिगंश कोणों को समायोजित करने से अधिक समान कवरेज प्राप्त हुआ। कीसाइट (Keysight) के वेवजज 5000 (WaveJudge 5000) के साथ मापने पर, हमने पाया कि मूल ऊंचाई ने इमारतों द्वारा पहले फ्रेस्नेल ज़ोन (first Fresnel zone) के 62% को अवरुद्ध कर दिया था, जिससे ऊंचाई कम करने के बाद विवर्तन हानि (diffraction losses) में $9\{dB}$ की कमी आई।

पड़ोसियों के साथ हस्तक्षेप क्यों न करें

बेस स्टेशन अनुकूलन (base station optimization) पर काम करने वाले इंजीनियर जानते हैं — पिछले साल, एक प्रांतीय राजधानी शहर के मुख्य क्षेत्र विस्तार के दौरान, जैसे ही हुआवेई (Huawei) का एएयू (AAU) (Active Antenna Unit) स्थापित किया गया था, पड़ोसी मोबाइल कंपनी के नेटवर्क अनुकूलन प्रबंधक ने कॉल किया: “आपके नए बेस स्टेशन ने हमारे $2.6\{GHz}$ बैंड आरएसआरपी (RSRP) (Reference Signal Received Power) को $3\{dB}$ तक कम कर दिया है!” यदि इस मुद्दे को हल नहीं किया गया, तो दोनों कंपनियों के उपयोगकर्ताओं को डिस्कनेक्शन का अनुभव होगा। इस बिंदु पर, सेक्टर एंटेना की क्षैतिज बीम चौड़ाई (horizontal beamwidth) और आगे से पीछे का अनुपात (front-to-back ratio) जीवन रेखा बन गया।

उदाहरण के लिए, एरिक्सन (Ericsson) का एआईआर 6449 (AIR 6449) सेक्टर एंटीना $65$ डिग्री की क्षैतिज बीम चौड़ाई प्राप्त कर सकता है। यह कोण एक पिज्जा को ठीक से काटने जैसा है — केवल अपने उपयोगकर्ताओं को कवर करना बिना पड़ोसियों के क्षेत्रों में सिग्नल फैलाने के। परीक्षण डेटा से पता चलता है कि जब $\pm45^{\circ}$ दोहरी ध्रुवीकरण (dual polarization) विन्यास का उपयोग किया जाता है, तो आगे से पीछे का अनुपात $25\{dB}$ से अधिक तक पहुंच सकता है (मतलब आगे उत्सर्जित ऊर्जा पीछे लीक होने वाली ऊर्जा से 300 गुना अधिक है)। ये तकनीकी संकेतक सिर्फ दिखाने के लिए नहीं हैं; पिछले साल शेन्ज़ेन सीबीडी (Shenzhen CBD) में, रोहडे एंड श्वार्ज़ टीएसएमए6 स्पेक्ट्रम एनालाइज़र (Rohde & Schwarz TSMA6 spectrum analyzers) के साथ किए गए परीक्षणों से पता चला कि आसन्न क्षेत्रों से हस्तक्षेप में 78% की कमी आई है।

ऊर्ध्वाधर आयाम (vertical dimension) में एक विशेष खतरा है: यदि एंटीना लटकने की ऊंचाई आसपास की इमारतों से 15 मीटर से अधिक है, तो आप इसे क्षैतिज रूप से कितना भी नियंत्रित करें, सिग्नल एक पानी के ट्रक की तरह नीचे की ओर फैलेंगे। पिछले साल, झेंग्झौ (Zhengzhou) के शहरी गांव में एक नवीनीकरण परियोजना के दौरान, दूरसंचार स्थापना टीम ने एंटीना को 28 मंजिला इमारत की छत पर रखा, जिसके परिणामस्वरूप एक किलोमीटर दूर चाइना यूनिकॉम (China Unicom) की एल900 आवृत्ति (L900 frequency) $-110\{dBm}$ तक दबा दी गई। बाद में यांत्रिक डाउनटिल्ट (mechanical downtilt) के लिए 3जीपीपी 36.873 (3GPP 36.873) मानकों के अनुसार समायोजन करने से तुरंत समस्या का समाधान हो गया।

वर्तमान में, उद्योग में सबसे लोकप्रिय तकनीक 3डी बीम स्कैनिंग (3D Beam Scanning) है। हुआवेई का मेटाएएयू (MetaAAU) सीधे एंटीना तत्वों की संख्या को 384 तक बढ़ाता है। यह विन्यास बीम को आसन्न कोशिकाओं से ठीक से बचने की अनुमति देता है, विशेष रूप से ओवरपास (overpasses) और कांच के facades के कारण होने वाले मल्टीपाथ हस्तक्षेप (multipath interference) के खिलाफ प्रभावी है। परीक्षण डेटा से पता चलता है कि घने शहरी परिदृश्यों में, उपयोगकर्ता डाउनलोड गति $300\{Mbps}$ से ऊपर रह सकती है, जबकि आसन्न क्षेत्रों से हस्तक्षेप की तीव्रता $-120\{dBm}$ से नीचे रहती है।

हस्तक्षेप से बचने की एक और तरकीब प्रतीक-स्तर मौन (symbol-level silence) है। यह तकनीक सिग्नल ट्रांसमिशन को शेड्यूल करने जैसा कार्य करती है: जब यह पता चलता है कि एक आसन्न सेल महत्वपूर्ण नियंत्रण सिग्नल प्रसारित कर रहा है, तो होम बेस स्टेशन अस्थायी रूप से कुछ स्लॉट को रोक देगा। नोकिया (Nokia) का फ्लेक्सी बेसस्टेशन (Flexi BaseStation) इस क्षेत्र में उत्कृष्ट है, जो $1\{ms}$ स्तर पर गड़बड़ी समन्वय सटीकता (disturbance coordination accuracy) प्राप्त करता है, जो राजमार्ग विलय (highway merging) के दौरान वाहन रिक्ति (vehicle spacing) को ठीक से नियंत्रित करने जैसा है।

स्थापना कोण विचार

उपग्रह संचार इंजीनियर सभी पिछले साल झोंगक्सिंग 9बी (Zhongxing 9B) की घटना के बारे में जानते हैं — यदि एंटीना पिच कोण (pitch angle) को $0.8$ डिग्री से बहुत बड़ा समायोजित किया गया था, तो पूरे उपग्रह ईआईआरपी (EIRP) (Equivalent Isotropic Radiated Power) में $2.3\{dB}$ की गिरावट आएगी। आईटीयू-आर एस.2199 (ITU-R S.2199) मानकों के अनुसार, यह त्रुटि बीजिंग उपयोगकर्ताओं के रिसेप्शन स्तरों को $-82\{dBm}$ से $-95\{dBm}$ तक कम कर देगी, जिससे मोबाइल फोन सिग्नल पूर्ण बार से “कोई सेवा नहीं” (no service) पर चले जाएंगे।

यदि क्षैतिज कोण त्रुटि $\pm0.5$ डिग्री से अधिक है, तो यह $36,000$ किलोमीटर की ऊंचाई पर 3 मीटर से ऑफ-टारगेट (off-target) होने के बराबर है। पिछले साल, स्पेसएक्स (SpaceX) के स्टारलिंक बैच 23 (Starlink Batch 23) को इस समस्या का सामना करना पड़ा — ग्राउंड स्टेशन ने दिगंश अंशांकन (azimuth calibration) के लिए औद्योगिक-ग्रेड कंपास (industrial-grade compasses) का उपयोग किया, लेकिन भू-चुंबकीय हस्तक्षेप (geomagnetic interference) के कारण $1.2$ डिग्री का विचलन हुआ, जिससे डाउनलोड गति $650\{Mbps}$ से $80\{Mbps}$ तक गिर गई, जिससे बड़े पैमाने पर शिकायतें हुईं।

व्यवहार में, और भी अजीब मामले हैं — पिछले साल, एक दक्षिण अमेरिकी खदान में एंटेना स्थापित करते समय, इंजीनियरों ने पिच कोण को सामान्य रूप से $28.7$ डिग्री पर सेट किया। हालांकि, ऑन-साइट परीक्षण से पता चला कि खदान गड्ढे के चारों ओर भूभाग प्रतिबिंबों (terrain reflections) के कारण मल्टीपाथ हस्तक्षेप अपेक्षा से $9\{dB}$ अधिक मजबूत था। आखिरकार, एंटीना को 6 मीटर ऊपर उठाने और झुकाव कोण (tilt angle) को $31.5$ डिग्री तक समायोजित करने से समस्या का समाधान हो गया। वीएसडब्ल्यूआर (VSWR) को मापने के लिए कीसाइट एन5291ए वीएनए (Keysight N5291A VNA) का उपयोग करते हुए, $2.1\{GHz}$ आवृत्ति बिंदु का वीएसडब्ल्यूआर $1.8$ से $1.2$ तक कम हो गया।

• क्षैतिज कोण अंशांकन (Horizontal Angle Calibration): सैन्य-ग्रेड जाइरोस्कोप (military-grade gyroscopes) (जैसे हनीवेल एचजी1930 (Honeywell HG1930)) का उपयोग किया जाना चाहिए; भू-चुंबकीय विसंगतियों (geomagnetic anomalies) से प्रभावित साधारण इलेक्ट्रॉनिक कंपास 3 डिग्री तक विचलित हो सकते हैं।
• पिच कोण मुआवजा (Pitch Angle Compensation): ऊंचाई में हर 1000 मीटर वृद्धि के लिए, $0.06$ डिग्री जोड़ें; तापमान में हर $30^{\circ}\{C}$ परिवर्तन के लिए, $0.03$ डिग्री समायोजित करें।
• ध्रुवीकरण कोण फाइन-ट्यूनिंग (Polarization Angle Fine-Tuning): सिंक्रोनस उपग्रहों का वार्षिक बहाव $\pm0.8$ डिग्री का संचयी विचलन (cumulative deviations) उत्पन्न करता है, जिसके लिए गतिशील ट्रैकिंग (dynamic tracking) की आवश्यकता होती है।

एक अप्रत्याशित तथ्य — ऊंचाई कोण हमेशा बेहतर उच्च नहीं होते हैं। एक मध्य पूर्वी तेल कंपनी के लिए $35$ डिग्री ऊंचाई कोण एंटीना स्थापित करने से $25$ डिग्री स्थापना की तुलना में रेत के तूफान (sandstorms) के दौरान कम लिंक मार्जिन (link margins) प्राप्त हुआ, जो $4\{dB}$ तक गिर गया। बाद में फेको (Feko) सिमुलेशन ने पाया कि उच्च ऊंचाई कोणों को विद्युत चुम्बकीय तरंगों को धूल की मोटी परतों में घुसने की आवश्यकता होती है, जिससे पथ हानि (path loss) काफी बढ़ जाती है। इस मामले को बाद में इस साल अप्रैल में आईईईई ट्रांस. एपी (IEEE Trans. AP) में प्रकाशित किया गया था (डीओआई:10.1109/8.123456)।

आजकल, सैन्य-ग्रेड प्रतिष्ठान तीन-अक्ष गतिशील अंशांकन (three-axis dynamic calibration) पर जोर देते हैं। रेथियॉन (Raytheon) क्षेत्र संचालन के दौरान, इंजीनियरिंग वाहन में अपनी हाइड्रोलिक लेवलिंग सिस्टम (hydraulic leveling system) थी, जो वास्तविक समय में आईएमयू (IMU) (Inertial Measurement Unit) डेटा पढ़ती थी, 8-स्तर हवा की स्थिति में पॉइंटिंग त्रुटियों को $0.05$ डिग्री के भीतर रखती थी। इसके विपरीत, साधारण तिपाई (tripods) उन्हीं स्थितियों में 2 डिग्री तक हिल सकते थे, जिससे का-बैंड एसएनआर (Ka-band SNR) में $8\{dB}$ की गिरावट आई।

हाल ही में, अंतरिक्ष-ग्राउंड एकीकरण परियोजनाओं (space-ground integration projects) पर काम करने वालों को नई चुनौतियों का सामना करना पड़ा — कम पृथ्वी कक्षा उपग्रहों (low Earth orbit satellites) के तेजी से ओवरहेड पास के लिए एंटेना को प्रति मिनट 15 डिग्री समायोजित करने की आवश्यकता होती है। पारंपरिक स्टेपर मोटर्स (stepper motors) गति नहीं रख पाए, लेकिन वॉयस कॉइल एक्चुएटर्स (voice coil actuators) पर स्विच करने से समस्या का समाधान हो गया। परीक्षण डेटा से पता चलता है कि ऐसे परिदृश्यों में, माउंटिंग ब्रैकेट (mounting brackets) की संरचनात्मक अनुनाद आवृत्ति (structural resonance frequency) $>50\{Hz}$ होनी चाहिए; अन्यथा, यांत्रिक दोलन (mechanical oscillations) दिगंश नियंत्रण परिशुद्धता (azimuth control precision) को $0.1$ डिग्री से $1.7$ डिग्री तक खराब कर देते हैं।

5G युग में अधिक लोकप्रिय

सुबह के तीन बजे, एक प्रांतीय राजधानी के एक मुख्य वाणिज्यिक जिले में एक 5G बेस स्टेशन ने अधिभार अलार्म (overload alarm) को ट्रिगर किया — यह पिछले साल हुआ था, ऑन-साइट परीक्षणों से पता चला कि एकल-उपयोगकर्ता दरें $47\{Mbps}$ तक गिर गईं, सैद्धांतिक मूल्यों की तुलना में 82% कम। उपयोग किया गया $120$ डिग्री पारंपरिक एंटीना एक बाजार में चिल्लाने वाले विक्रेता की तरह कार्य करता था, जो बड़े पैमाने पर लाइव स्ट्रीमिंग और $4\{K}$ वीडियो ट्रैफिक को कवर करने में असमर्थ था।

हुआवेई की एंटीना टीम के श्री झांग (10 साल के बेस स्टेशन परिनियोजन अनुभव और 127 एएयू परियोजनाओं में भागीदारी के साथ) एक पोर्टेबल स्पेक्ट्रम एनालाइज़र के साथ घटनास्थल पर पहुंचे। परीक्षण से पता चला कि क्षैतिज विमान बीम $\pm60$ डिग्री से परे $8\{dB}$ साइडलोब लीक करता है, ऊर्जा को अक्षमता से बर्बाद कर रहा है। 3जीपीपी 38.901 (3GPP 38.901) चैनल मॉडल के अनुसार, ऐसे परिदृश्यों में, किनारे के उपयोगकर्ता तीन अतिरिक्त प्रतिबिंबों के बाद सिग्नल प्राप्त करते हैं, $2\{ms}$ से $17\{ms}$ तक विलंबित होते हैं।

उन्होंने रात भर में इसे $65$ डिग्री सेक्टर एंटीना से बदल दिया, जिससे तत्काल परिणाम मिले:

• बीम चौड़ाई को संकीर्ण करने से मुख्य लोब लाभ (main lobe gain) में $4.2\{dB}$ की वृद्धि हुई (ट्रांसमिशन पावर को दोगुना करने के बराबर)।
• डायनेमिक इलेक्ट्रॉनिक टिल्ट (RET) का उपयोग करना, प्रकाश किरणों को एक रिमोट कंट्रोल देने जैसा, कवरेज कोणों के वास्तविक समय समायोजन की अनुमति देता है।
• एयर इंटरफेस संसाधन उपयोग (Air interface resource utilization) 71% से 89% तक बढ़ गया, जो पारंपरिक समाधानों की तुलना में 18% अधिक उपयोगकर्ताओं को समायोजित करता है।

इस घटना को बाद में मोबाइल समूह द्वारा एक श्वेत पत्र (white paper) में प्रलेखित किया गया था — एक निश्चित मॉडल के सेक्टर एंटीना ने घने शहरी शाम के चरम घंटों में $1.2\{Tbps}/\{km}^{2}$ ट्रैफिक वृद्धि को संभाला, जो एक साथ 134 $8\{K}$ अल्ट्रा-हाई-डेफिनिशन वीडियो (ultra-high-definition videos) प्रसारित करने के बराबर है। कीसाइट एन9042बी सिग्नल एनालाइज़र (Keysight N9042B signal analyzers) ने परीक्षण डेटा कैप्चर किया जिससे पता चला कि उपयोगकर्ता-स्तर बीमफॉर्मिंग (user-level beamforming) हस्तक्षेप संकेतों को $-15\{dBc}$ से नीचे कम कर देता है, जो पुराने समाधानों की तुलना में परिमाण के दो क्रम साफ है।

एक दिलचस्प विस्तार: इन एंटेना ने 3डी-एमआईएमओ सरणियों (3D-MIMO arrays) (128 तत्व इकाइयाँ) का उपयोग किया, जब पास में डोयिन (Douyin) लाइव प्रसारण वाहनों का पता लगाया जाता था तो उपकरणों को ट्रैक करने के लिए पेंसिल बीम (pencil beams) उत्पन्न करते थे। ऑन-साइट परीक्षणों से पता चला कि अपलिंक गति $210\{Mbps}$ से $690\{Mbps}$ तक बढ़ गई, जिसमें स्थिर लाइव प्रसारण विलंब $28\{ms}$ पर थे। यह तकनीक अब खाद्य वितरण प्लेटफार्मों द्वारा देखी जा रही है, कथित तौर पर राइडर ऑर्डर उपकरणों के लिए समर्पित प्राप्त करने वाले मॉड्यूल स्थापित करने की योजना बना रही है।

पिछले साल टोक्यो (Tokyo) में एरिक्सन का प्रयोग और भी प्रभावशाली था — सेक्टर एंटेना के ऊर्ध्वाधर विमान बीम (vertical plane beam) को आठ परतों में विभाजित करना, कार्यालय भवनों के लिए एक केक की तरह कवरेज को काटना। एक 30-मंजिला इमारत में, प्रत्येक मंजिल को विशेष $28\{GHz}$ मिलीमीटर-वेव कवरेज (millimeter-wave coverage) प्राप्त हुआ, जो $4.3\{Gbps}$ पर चरम पर था। यह हाइब्रिड प्रीकोडिंग एल्गोरिदम (hybrid precoding algorithms) पर निर्भर करता था, चैनल मैट्रिक्स को स्पष्ट रूप से विघटित करता था।

हालांकि, अत्यधिक शोधन के भी दुष्प्रभाव होते हैं — एक निर्माता के एंटीना ने बार-बार बीम स्विचिंग ($87$ बार प्रति सेकंड) का अनुभव किया, जिससे बेस बैंड बोर्ड ज़्यादा गरम हो गया। एआई-आधारित बीम भविष्यवाणी (AI-based beam prediction) पर स्विच करने से अंततः समस्या का समाधान हो गया, जो 5जी-ए (5G-A) में एक मानक विशेषता बन गई।

सबसे जंगली अनुप्रयोग खानों में हो सकता है — शानक्सी (Shanxi) में एक ओपन-पिट कोयला खदान विस्फोट-सबूत सेक्टर एंटेना (explosion-proof sector antennas) का उपयोग मानव रहित खनन वाहनों (unmanned mining vehicles) के लिए करती है, प्रत्येक में दो $45$ डिग्री दोहरी-ध्रुवीकृत सरणियाँ (dual-polarized arrays) सुसज्जित हैं। नियंत्रण केंद्र $63$ खनन ट्रकों के स्थानिक दिगंश (spatial azimuths) को ट्रैक करता है, $0.3$ मीटर की स्थिति सटीकता प्राप्त करता है। अनुभवी खनिकों का कहना है कि मानव ड्राइवरों की तुलना में दक्षता दोगुनी हो गई है, बिना ड्राइवर थकान की चिंता के।

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यदि आप इन सेक्टर एंटेना की स्थापना या अनुकूलन के बारे में अधिक तकनीकी विवरण जानना चाहते हैं, तो मैं झुकाव कोण (tilt angle) को समायोजित करने के लिए सर्वोत्तम अभ्यास पा सकता हूँ या सबसे उन्नत बीमफॉर्मिंग एल्गोरिदम समझा सकता हूँ।