When 5G MIMO Scaling Breaks: Toward 6G Upper-Mid-Band Extreme MIMO

कल्पना कीजिए कि इंटरनेट एक विशाल, अदृश्य राजमार्ग प्रणाली है जो आपके वीडियो, गेम और संदेशों को ले जाती है। वर्षों से, हम इस राजमार्ग पर चौड़ी लेन बनाने के लिए रेडियो तरंगों के एक स्पेक्ट्रम का उपयोग कर रहे हैं जिसे "मिड-बैंड्स" कहा जाता है—जो कि उन भरोसेमंद, सर्व-मौसम सड़कों की तरह हैं जो अधिकांश लोगों तक डेटा पहुँचाती हैं। लेकिन जैसे-जैसे हमारी गति की भूख बढ़ती जा रही है—हम चाहते हैं कि फिल्में मिनटों के बजाय सेकंडों में डाउनलोड हों—हम एक ट्रैफिक जाम का सामना कर रहे हैं। पुरानी सड़कें बहुत संकरी हैं, और नई, सुपर-फास्ट "उच्च-आवृत्ति" वाली सड़कें (जैसे मिलीमीटर वेव्स) इतनी ऊबड़-खाबड़ और कम दूरी वाली हैं कि वे हर गली के कोने पर एक टावर बनाए बिना पूरे शहर को कवर नहीं कर सकतीं।

यहाँ प्रवेश होता है "अपर-मिड बैंड" का, जो रेडियो स्पेक्ट्रम में एक 'स्वीट स्पॉट' (उपयुक्त स्थान) है जो पुरानी भरोसेमंद सड़कों और नई ऊबड़-खाबड़ सड़कों के बीच स्थित है। इसे एक नए, चौड़े राजमार्ग के रूप में सोचें जिसे अभी बिछाया जा रहा है। 6G द्वारा वादा किए गए भारी मात्रा में डेटा को ले जाने के लिए, इंजीनियर एक ही पैनल पर सैकड़ों छोटे एंटीना पैक करना चाहते हैं, जिससे एक सुपर-शक्तिशाली सिग्नल बीम बन सके। इसे "एक्सट्रीम MIMO" कहा जाता है। यह एक मानक टॉर्च लेने और उसके एकल बल्ब को एक हजार छोटे एलईडी (LED) से बदलने जैसा है, जो एक लेजर-ब्राइट डेटा बीम चमकाने के लिए मिलकर काम करते हैं। बड़ा सवाल यह है: क्या हम बस अपने वर्तमान 5G नेटवर्क के डिज़ाइन को ले सकते हैं, एंटीना की संख्या को दस गुना बढ़ा सकते हैं, और उम्मीद कर सकते हैं कि यह पूरी तरह से काम करेगा?

शोधकर्ताओं की एक टीम द्वारा लिखा गया यह शोध पत्र कहता है: "बिल्कुल नहीं।" वे तर्क देते हैं कि वर्तमान 5G डिज़ाइन को केवल स्केल अप करना (बड़ा करना) एक फॉर्मूला 1 कार में दस और इंजन जोड़ने जैसा है; यह एक सेकंड के लिए तेज़ तो जा सकती है, लेकिन चेसिस टूट जाएगा, ईंधन खत्म हो जाएगा, और ड्राइवर उसे मोड़ नहीं पाएगा। लेखक विश्लेषण और सिमुलेशन करते हैं कि जब हम आज के 5G द्वारा उपयोग किए जाने वाले स्थान में सैकड़ों एंटीना को सिकोड़ने की कोशिश करते हैं तो क्या होता है। वे पाते हैं कि हालांकि इस नए बैंड का उपयोग करने का विचार सैद्धांतिक रूप से काम करता है, लेकिन वास्तविकता बहुत जटिल है। यह पत्र चार विशिष्ट स्थानों की पहचान करता है जहाँ "बस और जोड़ दो" वाली रणनीति विफल हो जाती है: सिग्नल आपके फोन तक पहुँचने के रास्ते में खो जाता है, हार्डवेयर बहुत गर्म और बिजली का भूखा हो जाता है, सिस्टम इतना महंगा हो जाता है कि उसे बिजली देना मुश्किल होता है, और नेटवर्क इतना भ्रमित हो जाता है कि उसे पता नहीं चलता कि डेटा कहाँ भेजना है। एक साधारण अपग्रेड के बजाय, वे सुझाव देते हैं कि हमें इस बारे में सोचने के एक पूरी तरह से नए तरीके की आवश्यकता है कि ये एंटीना एक-दूसरे से कैसे बात करते हैं, जिसमें स्मार्ट सॉफ़्टवेयर, वितरित नेटवर्क और यहाँ तक कि आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का उपयोग किया जाए ताकि सिस्टम बिजली ग्रिड को जलाए बिना काम कर सके।

टूटे हुए स्केल की कहानी

शोधकर्ता "इक्वल एपर्चर" (समान छिद्र/द्वार) के विचार से शुरुआत करते हैं। कल्पना कीजिए कि आपके पास एक इमारत पर एक बड़ी खिड़की (एंटीना पैनल) है। यदि आप खिड़की को एक ऊंचे फ्लोर (एक उच्च आवृत्ति जैसे 7-8 GHz) पर ले जाते हैं, तो दृश्य थोड़ा धुंधला हो जाता है क्योंकि हवा घनी है। पुराना सिद्धांत कहता है, "कोई समस्या नहीं! बस खिड़की के पन्ने को छोटा करें लेकिन उसी फ्रेम में अधिक कांच पैक करें।" यह "फिक्स्ड-अपर्चर स्केलिंग" है। यदि आप उसी स्थान में 256 या अधिक एंटीना पैक करते हैं, तो आपको एक सुपर-शार्प बीम मिलती है जो धुंधलेपन को चीर देती है, जो सैद्धांतिक रूप से आपको पुराने 5G सिस्टम जैसा ही कवरेज प्रदान करती है।

लेकिन यह पत्र दिखाता है कि यह डेटा चैनल (आपके वीडियो स्ट्रीम) के लिए तो बहुत अच्छा काम करता है, लेकिन कंट्रोल चैनलों के लिए बुरी तरह विफल हो जाता है। कंट्रोल चैनल को एक ऐसे नगर उद्घोषक (town crier) के रूप में सोचें जो पूरे पड़ोस को घोषणाएँ चिल्लाकर सुनाता है। नए 7-8 GHz बैंड में, नगर उद्घोषक की आवाज़ ड्रोन के सिग्नल की तुलना में हवा में बहुत तेज़ी से खो जाती है। पत्र के सिमुलेशन दिखाते हैं कि जबकि डेटा आप तक पहुँच सकता है, लेकिन वे "हेलो" सिग्नल जो आपके फोन को कनेक्ट होने के लिए बताते हैं, या वे "आप कहाँ हैं?" सिग्ले जो नेटवर्क को लक्ष्य साधने में मदद करते हैं, इमारतों के अंदर या कोनों के आसपास तक नहीं पहुँच पाते। नेटवर्क आधे शहर के लिए अंधा हो जाएगा।

हार्डवेयर का पतन

इसके बाद, लेखक स्वयं हार्डवेयर को देखते हैं। कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल ऑर्केस्ट्रा बनाने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ प्रत्येक संगीतकार को अपने स्वयं के एम्पलीफायर की आवश्यकता है। 5G में, हमारे पास शायद 64 संगीतकार हैं। इस नए 6G विजन में, हमें 256 या यहाँ तक कि 1,000 की आवश्यकता है। पत्र बताता है कि इस नए फ्रीक्वेंसी बैंड के लिए आवश्यक एम्पलीफायर (पावर एम्पलीफायर) एक 'गोल्डिलॉक्स' समस्या की तरह हैं: वे कम आवृत्तियों के लिए बहुत कमजोर हैं और उच्च आवृत्तियों के लिए बहुत अक्षम हैं। वे एक ऐसे "तकनीकी अंतराल" में हैं जहाँ वे शक्तिशाली और ऊर्जा-कुशल दोनों होने के लिए संघर्ष करते हैं।

यदि आप एक साथ सभी 1,000 एंटीना चालू कर देते हैं, तो पत्र का सुझाव है कि सिस्टम बिजली खर्च करने में इतना अधिक ऊर्जा लेगा कि नेटवर्क चलाने के बजाय एक नया पावर प्लांट बनाना सस्ता होगा। उत्पन्न होने वाली गर्मी भी एक बुरा सपना होगी। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि हम केवल हर एक एंटीना को "चालू" नहीं कर सकते। हमें उन्हें उपयोग करने के एक स्मार्ट तरीके की आवश्यकता है, शायद उन एंटीनों को बंद करके जिनकी आवश्यकता नहीं है, या नए प्रकार के एंटीना का उपयोग करके जो बिना अत्यधिक बिजली की आवश्यकता के अपना आकार इलेक्ट्रॉनिक रूप से बदल सकें।

"कौन है वहाँ?" की समस्या

तीसरी बड़ी बाधा "चैनल स्टेट इंफॉर्मेशन" (CSI) है। यह नेटवर्क का तरीका है यह जानने का कि आप ठीक कहाँ हैं और आपके फोन और टावर के बीच हवा कैसी है। 5G में, टावर एक "साउंडिंग" सिग्नल भेजता है, और आपका फोन कहता है, "मैंने इसे ज़ोर से सुना, मैंने उसे धीमा सुना।" 256 एंटीना के साथ, टावर को एक स्पष्ट तस्वीर पाने के लिए 256 अलग-अलग सवाल पूछने होंगे। पत्र बताता है कि इसमें बहुत अधिक समय और बहुत अधिक डेटा लगता है। जब तक टावर को पता चलता है कि आप कहाँ हैं, तब तक आप हिल चुके होते हैं, और उत्तर पहले ही पुराना हो चुका होता है।

लेखक सुझाव देते हैं कि हमें हर एक सवाल पूछना बंद करने की आवश्यकता है। इसके बजाय, हमें "लॉन्ग-टर्म स्टैटिस्टिक्स" (दीर्घकालिक सांख्यिकी) का उपयोग करना चाहिए। कल्पना कीजिए कि यदि नेटवर्क शहर के लेआउट (इमारतें, सड़कें) को सीख लेता है और भविष्यवाणी कर सकता है कि सिग्नल कहाँ टकराएगा, बजाय इसके कि वह हर बार आपके फोन से हर एक उछाल (bounce) को मापने के लिए कहे। वे AI और "रेंडरिंग" तकनीकों (समान रूप से जैसे वीडियो गेम 3D दुनिया उत्पन्न करते हैं) का उपयोग करने का प्रस्ताव देते हैं ताकि स्थान के आधार पर सिग्नल पथ का अनुमान लगाया जा सके, ताकि नेटवर्क को केवल अपने अनुमान की पुष्टि करने के लिए कुछ त्वरित प्रश्न पूछने पड़ें, न कि शून्य में लाखों सवाल चिल्लाने पड़ें।

नया रोडमैप: केवल बड़ा नहीं, बल्कि स्मार्ट

तो, यह पत्र हमें बड़े टावर बनाने के बजाय क्या करने के लिए कहता है?

1. शक्ति का वितरण करें: एक विशाल टावर जिसमें 1,000 एंटीना हैं, के बजाय, पत्र शहर में एंटीना के छोटे समूहों को फैलाने का सुझाव देता है। यह एक पड़ोस में डिलीवरी ड्राइवरों की एक टीम रखने जैसा है, बजाय एक विशाल ट्रक के जो एक ही गोदाम से सब कुछ पहुँचाने की कोशिश कर रहा हो। यह सिग्नल को उपयोगकर्ता के करीब लाता है, जिससे भारी शक्ति की आवश्यकता कम हो जाती है।
2. ट्राय-हाइब्रिड जादू: लेखक "ट्राय-हाइब्रिड" आर्किटेक्चर नामक एक अवधारणा पेश करते हैं। कल्पना कीजिए कि एक रेडियो है जिसमें एक डिजिटल मस्तिष्क, एक एनालॉग मांसपेशी और एक "आकार बदलने वाली" त्वचा है। "त्वचा" (पुनर्गठित एंटीना) सिग्नल पर ध्यान केंद्रित करने के लिए अपने भौतिक गुणों को बदल सकती है, बिना प्रत्येक तत्व के लिए एक नए बिजली-खपत करने वाले एम्पलीफायर की आवश्यकता के। यह सिस्टम को बहुत सारे एंटीना रखने की अनुमति देता है लेकिन केवल कुछ ही सक्रिय पावर चेन (power chains) की आवश्यकता होती है।
3. AI एक कंडक्टर के रूप में: पत्र अराजकता को प्रबंधित करने के लिए आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस के उपयोग पर बहुत जोर देता है। AI शहर के "दृश्य" को सीखेगा, भविष्यवाणी करेगा कि सिग्नल कहाँ जाएगा, और नेटवर्क को बताएगा कि वास्तव में किन एंटीना को जगाना है और किन्हें सुलाना है। यह नेटवर्क को एक कठोर मशीन से बदलकर एक तरल, सोचने वाले सिस्टम में बदल देता है।

निष्कर्ष

पत्र निष्कर्ष निकालता है कि जबकि 7-8 GHz बैंड 6G के लिए एक शानदार उम्मीदवार है, हम केवल 5G डिज़ाइन को कॉपी-पेस्ट करके बेहतर होने की उम्मीद नहीं कर सकते। अधिक एंटीना जोड़ने का "ब्रूट फोर्स" (बलपूर्वक) तरीका कवरेज अंतराल, बिजली की सीमाओं और डेटा प्रबंधन की अत्यधिक कठिनाई के कारण विफल हो जाता है। समाधान अतीत का एक बड़ा संस्करण बनाना नहीं है; यह एक स्मार्ट, अधिक वितरित और AI-संचालित भविष्य बनाना है। लेखक अपने सिमुलेशन में आश्वस्त हैं कि ये नए दृष्टिकोण काम कर सकते हैं, लेकिन वे इस बात पर जोर देते हैं कि इसे वास्तविकता बनाने के लिए हमें नए हार्डवेयर और नए सॉफ्टवेयर प्रोटोकॉल का आविष्कार करने की आवश्यकता है। यह इंजीनियरों के लिए एक आह्वान है कि वे "अधिक" के बारे में सोचना बंद करें और "स्मार्टर" (अधिक समझदार) के बारे में सोचना शुरू करें।