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A Preliminary Assessment of Midhaul Links at 140 GHz using Ray-Tracing

यह शोध पत्र एक शहरी वातावरण में सेंट्रल और डिस्ट्रीब्यूटेड यूनिट्स के बीच 5G मिडहॉल ट्रांसपोर्ट के लिए 140 GHz वायरलेस लिंक्स के उपयोग की व्यवहार्यता का मूल्यांकन करता है, और रे-ट्रेसिंग सिमुलेशन के माध्यम से यह निष्कर्ष निकालता है कि यह तकनीक मल्टी-जीबीपीएस ट्रैफिक आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए आशाजनक है।

मूल लेखक: Sravan Reddy Chintareddy, Marco Mezzavilla, Sundeep Rangan, Morteza Hashemi

प्रकाशित 2026-05-28

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Sravan Reddy Chintareddy, Marco Mezzavilla, Sundeep Rangan, Morteza Hashemi

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि इंटरनेट एक विशाल, हलचल भरा शहर है। इस शहर में, सेंट्रल यूनिट्स (CUs) शहर के केंद्र में स्थित विशाल, शक्तिशाली डेटा केंद्रों (नेटवर्क के "मस्तिष्क") की तरह हैं। डिस्ट्रिब्यूटेड यूनिट्स (DUs) सड़क के कोनों या छतों पर स्थित छोटे सेल टावरों की तरह हैं जो वास्तव में आपके फोन से बात करते हैं (नेटवर्क के "हाथ")।

अतीत में, ये दोनों भाग मोटे, महंगे फाइबर-ऑप्टिक केबलों द्वारा जुड़े हुए थे जो जमीन के नीचे चलते थे। लेकिन जैसे-जैसे हमारी डेटा ज़रूरतें बढ़ रही हैं (सोचिए 5G और उससे आगे), हर जगह नए केबल बिछाना बहुत धीमा और महंगा हो जाता है। इस शोध पत्र के शोधकर्ताओं ने पूछा: "क्या होगा यदि हम इन डेटा केंद्रों को सेल टावरों से अदृश, सुपर-फास्ट वायरलेस बीम का उपयोग करके जोड़ सकें?"

उन्होंने इस विचार का परीक्षण करने के लिए 140 GHz नामक एक बहुत उच्च आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) का उपयोग किया (जो टेराहर्ट्ज़ रेंज का हिस्सा है)। इस फ्रीक्वेंसी को एक "सुपर-हाईवे" के रूप में सोचें जो एक बार में भारी मात्रा में ट्रैफिक ले जा सकता है, लेकिन इसे नेविगेट करना कठिन है क्योंकि इसके सिग्नल इमारतों द्वारा आसानी से बाधित हो सकते हैं।

उन्होंने इस समस्या को हल करने के लिए निम्नलिखित सरल उपमाओं का उपयोग किया:

1. चुनौती: बिंदुओं को जोड़ना

शोधकर्ता यह पता लगाना चाहते थे कि इन टावरों को जोड़ने का सबसे कुशल तरीका क्या है। उनके पास एक शहर के क्षेत्र (रॉसलीन, VA) का नक्शा था जिसमें 8 संभावित डेटा केंद्र (CUs) और 36 सेल टावर (DUs) थे।

लक्ष्य: सभी सेल टावरों की सेवा करने के लिए कम से कम संख्या में डेटा केंद्रों का उपयोग करना, जबकि यह सुनिश्चित करना कि हर कनेक्शन भारी डेटा लोड को संभालने के लिए पर्याप्त तेज़ हो।
समस्या: यदि आप बहुत कम डेटा केंद्रों का उपयोग करते हैं, तो "वायरलेस हाईवे" जाम हो जाएगा और गति गिर जाएगी। यदि आप बहुत अधिक का उपयोग करते हैं, तो आप अनावश्यक केंद्र बनाने में पैसा बर्बाद करते हैं।

2. उपकरण: एक डिजिटल क्रिस्टल बॉल (रे-ट्रेसिंग)

चूंकि एक शहर में वास्तविक 140 GHz नेटवर्क बनाना अविश्वसनीय रूप से महंगा है और इसके लिए ऐसे हार्डवेयर की आवश्यकता है जो अभी अस्तित्व में भी नहीं आया है, इसलिए शोधकर्ताओं ने रे-ट्रेसिंग (Ray-Tracing) नामक एक कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया।

उपमा: एक अंधेरे कमरे में फर्नीचर से भरे कमरे में टॉर्च जलाने की कल्पना करें। प्रकाश दीवारों, मेजों और कुर्सियों से टकराकर वापस आता है। रे-ट्रेसिंग एक सुपर-स्मार्ट कंप्यूटर प्रोग्राम की तरह है जो सिम्युलेट करता है कि ये "प्रकाश किरणें" (रेडियो तरंगें) 3D सिटी मॉडल में इमारतों से कैसे टकराती हैं, उछलती हैं और फिर से उछलती हैं। यह उन्हें सटीक रूप से बताता है कि कौन से रास्ते साफ हैं और कौन से बाधित हैं।

3. रणनीति: द "ग्रीडी" मैचमेकर

यह पता लगाने के लिए कि कौन किससे जुड़ता है, उन्होंने एक चरण-दर-चरण विधि का उपयोग किया जिसे वे "ग्रीडी एल्गोरिदम" कहते हैं।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक मैचमेकर (जोड़ी बनाने वाले) हैं जो 36 अकेले नर्तकों (DUs) को कुछ डांस पार्टनर्स (CUs) के साथ जोड़ने की कोशिश कर रहे हैं।
1. आप सभी संभावित पार्टनर्स को देखते हैं और उस पार्टनर को चुनते हैं जो सबसे अधिक नर्तकों को स्पष्ट रूप से देख सकता है (Line of Sight)।
2. आप उस पार्टनर को उन नर्तकों के साथ जोड़ते हैं जिन्हें वह सबसे अच्छी तरह देख सकता है।
3. आप उन नर्तकों को सूची से हटा देते हैं।
4. आप शेष नर्तकों के साथ इस प्रक्रिया को तब तक दोहराते हैं जब तक कि हर किसी का एक पार्टनर न मिल जाए।
  इस विधि से यह सुनिश्चित होता है कि वे किसी ऐसे पार्टनर को जोड़ने में समय बर्बाद न करें जो उन्हें देख ही नहीं सकता।

4. गुप्त हथियार: विशाल एंटीना एरेज़

इन हाई-स्पीड कनेक्शनों को काम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने माना कि डेटा केंद्र और सेल टावर विशाल एंटीना एरेज़ (16x16 ग्रिड) का उपयोग करेंगे।

उपमा: एक सामान्य वाई-फाई राउटर को एक बल्ब के रूप में सोचें जो सभी दिशाओं में प्रकाश फैलाता है। इस अध्ययन में एंटीना एक लेजर पॉइंटर या स्पॉटलाइट की तरह हैं। वे सिग्नल को एक केंद्रित, शक्तिशाली बीम में केंद्रित कर सकते हैं।
क्योंकि सिग्नल इतने केंद्रित होते हैं, वे शहर के "शोर" को चीर सकते हैं और अविश्वसनीय गति से डेटा ले जा सकते हैं। शोधकर्ताओं ने MU-MIMO तकनीक का उपयोग किया, जो एक कंडक्टर की तरह है जो एक लेजर बीम को एक साथ कई लक्ष्यों पर हिट करने के लिए निर्देशित करता है ताकि बीम आपस में न टकराएं।

5. परिणाम: यह काम करता है!

अपने सिमुलेशन चलाने के बाद, उन्होंने कुछ उत्साहजनक परिणाम पाए:

स्वीट स्पॉट (सही संतुलन): उन्होंने पाया कि उन्हें सभी 8 डेटा केंद्रों की आवश्यकता नहीं थी। सभी 36 सेल टावरों की सेवा करने के लिए केवल 3 डेटा केंद्र पर्याप्त थे।
गति: इन 3 केंद्रों के साथ, प्रत्येक कनेक्शन ने 10 गीगाबिट प्रति सेकंड की गति प्राप्त की। आपकी जानकारी के लिए, यह एक हाई-डेफिनिशन मूवी को एक सेकंड के अंश में डाउनलोड करने के लिए पर्याप्त तेज़ है।
शर्त: यह तब सबसे अच्छा काम करता है जब एंटीना बड़े (16x16) हों और सिग्नल सही ढंग से केंद्रित हों।

निचोड़ (The Bottom Line)

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि नेटवर्क के "मस्तिष्क" को नेटवर्क के "हाथों" से जोड़ने के लिए इन सुपर-हाई-स्पीड 140 GHz वायरलेस लिंक का उपयोग करना एक बहुत ही आशाजनक विचार है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में, हमें केबल बिछाने के लिए सड़कों को खोदने की आवश्यकता नहीं होगी; इसके बजाय, हम अपने शहर के डेटा केंद्रों को जोड़ने वाली अदृश्य, सुपर-फास्ट बीम का एक जाल बना सकते हैं, बशर्ते हम सही संख्या में शक्तिशाली एंटीना का उपयोग करें।

उन्होंने क्या दावा नहीं किया:

उन्होंने यह नहीं कहा कि यह तकनीक आज खरीदने के लिए तैयार है (हार्डवेयर अभी भी विकसित हो रहा है)।
उन्होंने यह दावा नहीं किया कि यह कारों में चलते हुए मोबाइल फोन के लिए काम करता है (उन्होंने केवल छतों पर स्थिर सेल टावरों का परीक्षण किया)।
उन्होंने यह सुझाव नहीं दिया कि यह सभी इंटरनेट समस्याओं को हल करता है, केवल डेटा केंद्रों और सेल टावरों के बीच के विशिष्ट "मिडहॉल" कनेक्शन को।

तकनीकी सारांश: रे-ट्रेसिंग का उपयोग करके 140 GHz पर मिडहॉल लिंक्स का एक प्रारंभिक मूल्यांकन

समस्या विवरण
5G न्यू रेडियो (5G-NR) द्वारा संचालित मोबाइल डेटा ट्रैफ़िक में घातीय वृद्धि और 6G नेटवर्क की प्रत्याशित मांगों ने परिवहन नेटवर्क पर अत्यधिक क्षमता संबंधी आवश्यकताएं उत्पन्न कर दी हैं। इसे संबोधित करने के लिए, 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ने कार्यात्मक विभाजन (functional splits) प्रस्तावित किए हैं जो बेस स्टेशन (gNB) को एक सेंट्रल यूनिट (CU), डिस्ट्रीब्यूटेड यूनिट (DU) और रिमोट यूनिट (RU) में अलग करते हैं। जबकि यह आर्किटेक्चर प्रोसेसिंग को केंद्रीकृत करता है, यह CUs और DUs के बीच उच्च-क्षमता वाले मिडहॉल लिंक्स की आवश्यकता भी पैदा करता है। घने शहरी वातावरण में, इन लिंक्स के लिए फाइबर तैनात करना महंगा है। हालांकि टेराहर्ट्ज़ (THz) संचार (विशेष रूप से 100 GHz से ऊपर) मल्टी-जीबीपीएस दरों के लिए आवश्यक बैंडविड्थ और एंटीना घनत्व प्रदान करता है, लेकिन शहरी परिवेश में विशेष रूप से CU-DU मिडहॉल लिंक्स के लिए 140 GHz के उपयोग की व्यवहार्यता का पूरी तरह से अन्वेषण नहीं किया गया है। संबोधित किया गया मुख्य प्रश्न यह निर्धारित करना है कि एक विशिष्ट पीक डेटा रेट (प्रति लिंक) की गारंटी देते हुए, शहरी वातावरण में DUs के एक सेट को सेवा देने के लिए न्यूनतम कितने CUs की आवश्यकता है, जिसमें 140 GHz वायरलेस तकनीक का उपयोग किया गया हो।

कार्यप्रणाली
लेखक एक 500 × 500 वर्ग मीटर के शहरी क्षेत्र (रॉसलिन, वर्जीनिया) में 140 GHz मिडहॉल लिंक्स का मूल्यांकन करने के लिए एक सिस्टम मॉडल और अनुकूलन ढांचा (optimization framework) प्रस्तावित करते हैं।

सिस्टम मॉडल: परिदृश्य में $C$ CUs और $D$ DUs शामिल हैं। प्रत्येक CU और DU कई एंटीना तत्वों ( $N$ और $M$ , जहाँ $M \le N$ ) से सुसज्जित है। नोड्स के बीच के पथ प्राप्त शक्ति (received power), प्रस्थान कोण (Angle of Departure - AoD), आगमन कोण (Angle of Arrival - AoA), डिले स्प्रेड और फेज रोटेशन द्वारा लक्षित हैं।
अनुकूलन सूत्रीकरण (Optimization Formulation): उद्देश्य CUs के उपसमुच्चय ( $C'$ ) को कम करना है जो सभी DUs को सेवा दे सके, जबकि यह सुनिश्चित किया जाए कि प्रत्येक CU-DU लिंक एक पीक दर $R$ (लक्ष्य 10 Gbps) का समर्थन करता है। इसे एक बाइनरी ऑप्टिमाइज़ेशन समस्या के रूप में तैयार किया गया है जहाँ चर (variables) क्षमता और एसोसिएशन बाधाओं के अधीन CU चयन और CU-DU जुड़ाव को निर्धारित करते हैं।
एल्गोरिदम दृष्टिकोण: CUs को चुनने और DUs को जोड़ने के लिए एक ग्रीडी एल्गोरिदम (एल्गोरिदम 1) का उपयोग किया जाता है। एल्गोरिदम पुनरावृत्ति (iteratively) के माध्यम से उन CUs का चयन करता है जो बिना जुड़े हुए DUs के लिए लाइन-ऑफ-साइट (LOS) पथों को अधिकतम करते हैं। एक बार CUs का उपसमुच्चय चुने जाने के बाद, उच्चतम प्राप्त सिग्नल स्ट्रेंथ के आधार पर DUs को जोड़ा जाता है।
बीमफॉर्मिंग और चैनल अनुमान:
- बीमफॉर्मिंग: DUs अपने एरे को सबसे मजबूत पथ के साथ संरेखित करते हैं। CUs, जो कई DUs की सेवा करते हैं, जुड़े हुए DUs की दिशाओं के औसत द्वारा अपने बोरोसाइट (boresight) का अनुमान लगाते हैं।
- चैनल मॉडलिंग: चैनल मैट्रिक्स $H$ को रे-ट्रेसिंग डेटा से प्राप्त मल्टीपाथ घटकों के रैखिक संयोजन के रूप में परिकलित किया जाता है।
- क्षमता गणना: सिस्टम स्पेस-डिवीजन मल्टीपल एक्सेस (SDMA) और डाउनलिंक मल्टी-यूजर MIMO (MU-MIMO) का उपयोग करता है। इष्टतम SINR मैक्सिमाइजेशन की जटिलता के बिना हस्तक्षेप को प्रबंधित करने के लिए, लेखक सिग्नल टू लीकेज प्लस नॉइज़ रेशियो (SLNR) प्रीकोडिंग का उपयोग करते हैं। उपलब्ध दर की गणना बैंडविड्थ, SINR, एक लॉस फैक्टर और एक अधिकतम स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी धारणा के आधार पर की जाती है।
सिमुलेशन सेटअप: चैनल मापदंडों (पाथ गेन्स, डिले, कोण) को 3D शहरी वातावरण में कैप्चर करने के लिए X3D प्रोपेगेशन मॉडल के साथ Remcomm Wireless Insite टूल का उपयोग करके रे-ट्रेसिंग सिमुलेशन किए गए थे। इन मापदंडों को MIMO चैनल मैट्रिक्स जनरेशन और क्षमता विश्लेषण के लिए MATLAB में निर्यात किया गया था।

प्रमुख योगदान

व्यवहार्यता अध्ययन: यह शोध पत्र एक विखंडित (disaggregated) 5G आर्किटेक्चर में CU और DU के बीच 140 GHz वायरलेस मिडहॉल लिंक्स का एक प्रारंभिक मूल्यांकन प्रदान करता है, जो कि एक विशिष्ट उपयोग मामला है जिसे पूर्व साहित्य में पूरी तरह से नहीं खोजा गया है।
अनुकूलन ढांचा: यह एक लक्ष्य डेटा दर की गारंटी देते हुए, एक ग्रीडी चयन नीति और SLNR-आधारित प्रीकोडिंग का उपयोग करते हुए, आवश्यक CUs की संख्या को कम करने की विधि को परिभाषित करता है।
अवधारणाओं का एकीकरण: यह कार्य परिवहन नेटवर्क क्षमता को संबोधित करने के लिए THz संचार को 3GPP कार्यात्मक विभाजनों (विशेष रूप से हाई लेयर स्प्लिट, विकल्प 2) के साथ एकीकृत करता है।
सिमुलेशन परिणाम: यह प्रदर्शित करता है कि उपयुक्त बीमफॉर्मिंग और MU-MIMO तकनीकों के साथ, CUs की एक छोटी संख्या 140 GHz पर DUs के एक घने क्लस्टर को प्रभावी ढंग से सेवा दे सकती है।

परिणाम
500 × 500 वर्ग मीटर के क्षेत्र में 8 संभावित CUs और 36 DUs के साथ एक सिमुलेशन सेटअप का उपयोग करते हुए:

CU संख्या: एक सिंगल CU या दो CUs सभी लिंक्स पर 10 Gbps की पीक रेट आवश्यकता को पूरा करने के लिए अपर्याप्त थे। हालांकि, सक्रिय CUs की संख्या बढ़ाकर 3 करने से सभी 36 DUs को आवश्यक पीक रेट के साथ सेवा दी जा सकी।
प्रदर्शन मेट्रिक्स: 3 CUs और दोनों छोरों पर 16×16 एंटीना एरे के साथ, सभी लिंक्स ने कम से कम 19.5 dB का सिग्नल-टू-इंटरफेरेंस-प्लस-नॉइज़ रेशियो (SINR) प्राप्त किया, जो 10 Gbps की लक्षित दर के अनुरूप है।
एंटीना कॉन्फ़िगरेशन: अध्ययन में देखा गया कि बड़ी एंटीना एरे (16×16) ने छोटी कॉन्फ़िगरेशन (जैसे 8×8) की तुलना में पीक रेट बाधा को पूरा करने वाले लिंक्स की संख्या में उल्लेखनीय वृद्धि की।
पावर एलोकेशन: ये परिणाम जुड़े हुए DUs के बीच समान ट्रांसमिट पावर एलोकेशन मानकर प्राप्त किए गए।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि 140 GHz वायरलेस मिडहॉल लिंक्स, जब 3GPP कार्यात्मक विभाजनों (विशेष रूप से विकल्प 2) के साथ संयोजित होते हैं, तो घने शहरी वातावरण में परिवहन नेटवर्क के लिए एक आशाजनक तकनीक का प्रतिनिधित्व करते हैं। लेखक दावा करते हैं कि उनके परिणाम दर्शाते हैं कि THz आवृत्तियों का उपयोग करके न्यूनतम CUs के साथ कई DUs को सेवा देना संभव है। वे इस कार्य को एक प्रारंभिक मूल्यांकन के रूप में प्रस्तुत करते हैं, यह नोट करते हुए कि हालांकि वर्तमान परिणाम उत्साहजनक हैं, भविष्य के कार्यों में स्पेक्ट्रल दक्षता और डेटा दरों को और बेहतर बनाने के लिए CU चयन और पावर एलोकेशन का संयुक्त अनुकूलन, अधिक उन्नत बीमफॉर्मिंग तकनीक और क्लस्टरिंग एल्गोरिदम का अन्वेषण किया जाएगा। यह पेपर सभी THz परिनियोजन चुनौतियों को हल करने का दावा नहीं करता है, बल्कि विशिष्ट CU-DU मिडहॉल परिदृश्य के लिए एक मौलिक प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट स्थापित करता है।