セクターアンテナは、カバレッジエリアをセクターに分割することでセルラーネットワークを最適化し、信号品質と容量を向上させます。から のビーム幅と最大 $18$ dBi のゲインにより、干渉を低減し、スペクトル効率を最大 向上させます。適切なチルト調整（機械的または電気的）は、最適なカバレッジの重複を保証し、信号の浪費を最小限に抑えます。
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セクターアンテナはどのようなものですか？
去年の夏、ヒューストンの地上局で何が起こったか覚えていますか？大雨により偏波分離（polarization isolation）が $25$ dB 未満に低下し、Ku バンドトランスポンダ全体が混乱に陥りました。緊急修理中に、彼らはトライリッジラジエーター（tri-ridge radiator）を備えたこのタイプのセクターアンテナを使用し、2 時間以内にビット誤り率を $10^{-8}$ に戻すことに成功しました。
- コルゲートホーン（Corrugated horn）: アコーディオンの金属のひだのように見えますが、実際にはサイドローブを抑制するために使用されます。NASA がテストしたところ、$3.5$ GHz で、通常のホーンアンテナよりもサイドローブが $6$ dB 低いことがわかりました。
- 誘電体装荷ブロック（dielectric loading blocks）を含むフィードネットワーク: これらの青いプラスチック片にだまされてはいけません。これらは、テトラフルオロエチレン（ポリテトラフルオロエチレン）とチタン酸ストロンチウムを混合した複合材料でできており、$9.3 \pm 0.2$ の誘電率を達成しています。
- 背面にあるアルミニウム導波管遷移（aluminum waveguide transition）: スイス製の Huber+Suhner 製品は、$-40^\circ C$ でも VSWR $< 1.15$ を維持しますが、高価であるにもかかわらず、国産製品と比較してパワーアンプの焼損を $20\%$ 削減します。
インドネシアのオペレーター向けにアンテナを設置する際に、私たちは悪い経験をしました。彼らはコストを節約するために工業用グレードの移相器（phase shifters）を選択しました。直射日光の下で、温度ドリフトは $0.8^\circ /^\circ C$ であり、ビームステアリング（beam steering）が $3$ 度ずれたため、ハンドオーバーエリアでの通話切断率が $42\%$ 増加しました。その後、彼らは軍用グレードの M/A-COM 製品に切り替えました。これは、$55^\circ C$ でも最大ドリフトがわずか $0.1^\circ$ です。
「Keysight N9048B スペクトラムアナライザを使用して捕捉された位相ノイズ曲線は、$1$ GHz のキャリア周波数で、$10$ kHz オフセットで $-145$ dBc/Hz に達したことを示しました。このデータは、私たちが信じる前に、ETS-Lindgren の 3 メートル無響室で 3 回確認されました。」— 衛星会社のフィールドエンジニアのログからの抜粋
最近のハイエンドモデルは、多層スタッキング構造（multi-layer stacking structures）を特徴としています。たとえば、Eravant の SA-2470 は 6 つのセクターをハニカム形状に積み重ね、RFビア（RF vias）を使用して垂直相互接続を行い、水平ビーム幅を $30^\circ \pm 2^\circ$ に絞り込んでいます。ただし、設置には精度が必要です。ある人がマニュアルどおりにチルト角（tilt angle）を調整しなかったため、基地局のカバレッジエリア全体にモザイク状のブラインドスポットが生じ、多数の苦情につながりました。
最も印象的な事例は、SpaceX の Starlink が昨年アクティブバージョン（active version）にアップグレードしたことです。各放射要素は GaN パワーアンプチップで半田付けされており、$128$ のビームフォーミング重み（beamforming weights）を独立して制御できます。ただし、これらのデバイスは多くの電力を消費し、単一アンテナのピーク電力は $800$ W に達するため、通常の基地局では対応できない特殊な液体冷却システムが必要です。
モバイル信号のフルバーの秘密
エレベーターの中で frantically WeChat を更新しようとしたことがありますか？それとも駐車場でコードをスキャンしているときにインターネットに接続するのに苦労しましたか？これらのシナリオの背後には、携帯電話と基地局の間の「かくれんぼ」ゲーム（ビームトラッキング（Beam Tracking））があります。信号バー $\ne$ 実際のインターネット速度。フルバーを表示することは、基地局の「親切な嘘」かもしれません。RSRP（Reference Signal Received Power）が $-100$ dBm を超えている限り、システムはユーザーを安心させるためにフルバーを表示しようとします。
面白い事実: 金属製のエレベーターは自然のファラデーケージとして機能します。$2.6$ GHz の電磁波は、貫通する際に $32$ dB 以上減衰します。昨年、深セン地下鉄がテストしたところ、特定のブランドの 5G アンテナを垂直に持つと、MIMO（Multiple Input Multiple Output）チャネルが $4 \times 4$ から $2 \times 2$ に劣化し、ダウンロード速度が $800$ Mbps から $120$ Mbps に低下することがわかりました。
1. 基地局の選択にはコツがあります（Base Station Selection Has Its Tricks）
あなたの携帯電話は、あなたが思っているよりも「気まぐれ」です。3 秒ごとに近くの 6 つの基地局をスキャンし、RSRQ（Reference Signal Received Quality）と負荷条件に基づいて自動的に「ジョブを切り替えます」。コンサート会場では、混雑した Band 41（$2500$ MHz）の基地局よりも、遠くのアイドル状態の Band 3（$1800$ MHz）の基地局に接続する方が高速です。
手動介入のヒント: 機内モードを 10 秒間オンにしてからオフにします。この方法は、携帯電話のメモリを効果的にクリアします。テストによると、これにより、ファーウェイ Mate 60 Pro+ の密集した都市部で最適な基地局に再接続する成功率が $40\%$ 向上することが示されています。
2. 適切な手の位置が不可欠です
Apple は iPhone 12 の 5G アンテナ設計でつまずきました。ゲーム中に携帯電話を水平に持つと、mmWave アンテナアレイが覆われてしまいます。米国の Verizon ユーザーは Apple を訴え、最終的にアンテナスケジューリングアルゴリズムの更新によって問題が解決されました。
正しい姿勢: 垂直に使用するときは、携帯電話の上部（メインアンテナの位置）を覆わないようにしてください。水平にゲームをプレイするときは、両側を持ちます。Samsung S24 Ultra の AI 信号予測機能は、現在の遮断によるリアルタイムの信号減衰値を表示します。
3. 信号キラーを避ける
家庭用のスマートデバイスは隠れた殺人者になる可能性があります:
- Xiaomi のスマートランプは、$2.4$ GHz WiFi のパケット損失率を $17\%$ に急増させます
- Huawei の $65$ W 急速充電器は、$1700$ MHz 帯域の高調波に干渉する可能性があります
- 金属製の電話ケースは、5G 信号を $6$〜$8$ dB 低下させる可能性があり、これは 2 つの追加のコンクリート壁を通過するのと同じです
最悪の犯人は電子レンジです。その $2.45$ GHz の周波数は WiFi 6 チャネルと重複しています。食品を加熱すると、隣接する部屋の WiFi ダウンロード速度は $55$ MB/s から $9$ MB/s に低下します。
4. VoWiFi 機能の巧妙な利用
地下ガレージで信号がありませんか？WiFi Calling（国内では「セルラーネットワークアシストコール」と呼ばれる）を有効にします。China Mobile の VoWiFi は、家庭用ルーターの $90\%$ 以上をカバーしています。これは、従来の信号よりも 3 レベル優れた通話品質を提供します。通話中のシームレスな AP ノード切り替えのために、$802.11$ k プロトコルをサポートするメッシュルーターを使用するようにしてください。
5. 最適なバンドを手動でロックする
Android のダイヤラーで、を入力して、特定のバンドを強制的にロックします:
- B5/B8（$850/900$ MHz）: 強い透過性、農村地域に適しています
- B3/B40（$1800/2300$ MHz）: 都市部の主要バンド、容量とカバレッジのバランスをとります
- n78/n79（$3500/4900$ MHz）: 5G 超高速バンドですが、壁の透過性が低いです
昨年の北京マラソンでは、ランナーが手動で Band 41 をロックし、自動モードと比較してライブストリームの遅延を $82\%$ 削減しました。ただし、この操作により携帯電話の消費電力が $15\%$ 増加するため、パワーバンクとの併用をお勧めします。
基地局カバレッジを倍増させる技術
昨年の夏、あるオペレーターが過負荷の基地局に対処するよう私に緊急に依頼しました。40 メートルのタワーにある古い無指向性アンテナは、ピーク時にユーザーのドロップアウト率が $12\%$ に急増し、RSRP の変動が $\pm 8$ dB に達しました。MIIT 規格 YD/T 3287-2017 によると、都市部の基地局のカバレッジ半径の変動は $15\%$ を超えてはなりません。
IEEE AP-S Young Engineer Award の受賞者として、私は Keysight N9048B スペクトラムアナライザを持って現場に向かいました。テストでは、方位角と機械的なダウンチルト調整に $7$ 度の偏差があることが判明しました。これは、5G 時代では事実上石器時代のアプローチです。
- 最初のムーブ: ダイナミック電子ダウンチルトチューニング（Dynamic electronic downtilt tuning） – 固定の $15^\circ$ 機械的ダウンチルトを、Huawei AAU5613 の AAS（Active Antenna System）を使用して調整可能な $0^\circ$ から $25^\circ$ の範囲に変更することで、重複カバレッジエリアが瞬時に $40\%$ 削減されました
- 2 番目のムーブ: ブルータルなビームフォーミングアップグレード（Brutal beamforming upgrade） – Nokia の FSMF シリーズベースバンドボードを有効にすることで、$8$ ストリームビームが $64$ TRX に増加し、セルエッジ SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）が $-3$ dB から $11$ dB に向上しました
- 3 番目のムーブ: 呼吸効果抑制アルゴリズム（Breathing effect suppression algorithm） – ZTE の UniSE ソリューションをロードすることで、ユーザーサージ中のカバレッジ半径の収縮が $22\%$ から $7\%$ に圧縮されました。これは、指向性スピーカーを使用してスタジアムのスタンドにいる人を正確に特定するのと似ています
| パラメータ（Parameter） | 変更前（Before Modification） | 変更後（After Modification） | 軍事リファレンス値（Military Reference Value） |
|---|---|---|---|
| ビーム幅（Beam Width） | 水平 $65^\circ$ / 垂直 $7^\circ$ | 水平 $30^\circ$ / 垂直 $3^\circ$ | Raytheon AN/TPY-2 レーダー: $0.5^\circ$ |
| 前後比（Front-to-back Ratio） | $25$ dB | $38$ dB | F-35 搭載 AESA: $50$ dB |
| 障害回復速度（Failure Recovery Speed） | 4 時間の手動検査 | 3 分の SON 自己最適化 | Patriot レーダー: $60$ 秒の再構築 |
実用的なアプリケーションでは、最も過酷な技術はマルチバンド共同スキャン（multiband co-scanning）です。Anritsu MS2090A を使用して、D バンド（$3.5$ GHz）と F バンド（$1.8$ GHz）の間に 4 つの周波数競合点（frequency conflict points）を検出し、Ericsson のアンテナ分割技術（antenna splitting technology）を採用して $16$ のサブビームに分割しました。これは、スイスアーミーナイフでステーキを切るのと似ています。プロの仕事にはプロのツールが必要です。
型破りな慣行を強調します。アンテナの高さを盲目的に信頼しないでください！ あるサイトを $40$ メートルから $32$ メートルに下げて方位角を調整したところ、より均一なカバレッジが得られました。Keysight の WaveJudge 5000 で測定したところ、元の高さでは建物の最初のフレネルゾーン（first Fresnel zone）の $62\%$ がブロックされており、高さを下げた後、回折損失が $9$ dB 減少したことがわかりました。
なぜ隣人に干渉しないのか
基地局の最適化に携わったことのあるエンジニアは知っています。昨年、省都のコアエリア拡張中に、Huawei の AAU（Active Antenna Unit）が設置されるとすぐに、隣接するモバイル会社のネットワーク最適化マネージャーから電話がかかってきました。「あなたの新しい基地局により、当社の $2.6$ GHz 帯域の RSRP（Reference Signal Received Power）が $3$ dB 低下しました！」この問題が解決されないと、両社のユーザーが切断を経験することになります。この時点で、セクターアンテナの水平ビーム幅（horizontal beamwidth）と前後比（front-to-back ratio）が生命線となりました。
たとえば、Ericsson の AIR 6449 セクターアンテナは、$65$ 度の水平ビーム幅を達成できます。この角度は、ピザを正確にスライスするようなものです。信号を隣人の領域にこぼすことなく、独自のユーザーのみをカバーします。テストデータによると、$\pm 45^\circ$ デュアル偏波（dual polarization）構成を使用すると、前後比は $25$ dB 以上に達する可能性があります（前方に放射されるエネルギーが後方に漏れるエネルギーの $300$ 倍以上であることを意味します）。これらの技術指標は見せかけだけではありません。昨年の深セン CBD で、Rohde & Schwarz TSMA6 スペクトラムアナライザを使用して実施されたテストでは、隣接エリアからの干渉が $78\%$ 減少したことが示されました。
ビームフォーミングブラックテクノロジー: ZTE のジャミング回避アルゴリズム（Jamming Avoidance Algorithm）は、周囲の基地局をリアルタイムでスキャンできます。隣接エリアで同一周波数信号を検出すると、アンテナアレイは干渉の方向に「信号抑制ゾーン（signal depression zone）」を自動的に生成します。これはノイズキャンセリングヘッドホンに似ていますが、今回は電磁波と戦っています。テストによると、この機能は SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）を $4$〜$6$ dB 改善し、通話品質を「もしもし？もしもし？」から高解像度音声に変えることができます。
垂直方向には特定の落とし穴があります。アンテナの吊り下げ高さが周囲の建物を $15$ メートル以上超えると、水平方向にどれだけうまく制御しても、信号は給水車のように下向きに散乱します。昨年、鄭州の都市部の村での改修プロジェクト中に、通信設置チームがアンテナを $28$ 階建ての建物の屋上に設置した結果、1 キロメートル離れた China Unicom の L900 周波数が $-110$ dBm に抑制されました。その後、機械的ダウンチルト（mechanical downtilt）に関する 3GPP 36.873 規格に従って調整したところ、問題はすぐに解決しました。
| パラメータ（Parameter） | 従来のアンテナ（Conventional Antenna） | セクターアンテナ（Sector Antenna） |
|---|---|---|
| サイドローブ抑制（Side Lobe Suppression） | $-15$ dB | $-25$ dB |
| ビームフォーミング速度（Beamforming Speed） | $200$ ms レベル | $10$ ms レベル |
| 交差偏波分離（Cross-Polarization Isolation） | $25$ dB | $35$ dB |
現在、業界で最も人気のある技術は 3D ビームスキャン（3D Beam Scanning）です。Huawei の MetaAAU は、アンテナ要素の数を直接 $384$ に増やします。この構成により、ビームは隣接セルを正確に回避でき、特に高架道路やガラスのファサードによって引き起こされるマルチパス干渉（multipath interference）に対して効果的です。テストデータによると、密集した都市部のシナリオでは、ユーザーのダウンロード速度は $300$ Mbps 以上を維持でき、隣接エリアからの干渉強度は $-120$ dBm 未満に留まります。
干渉を回避するためのもう 1 つのトリックは、シンボルレベルのサイレンス（symbol-level silence）です。この技術は、信号伝送をスケジューリングするように機能します。隣接セルが重要な制御信号を送信していることを検出すると、ホーム基地局は一時的に特定のタイムスロットを一時停止します。Nokia の Flexi BaseStation はこの分野で優れており、高速道路の合流時の車両間隔を正確に制御するのと同様に、$1$ ms レベルでの外乱調整精度を達成しています。
設置角度の考慮事項
衛星通信エンジニアは皆、昨年の Zhongxing 9B の事件を知っています。アンテナのピッチ角が $0.8$ 度大きすぎると、衛星全体の EIRP（Equivalent Isotropic Radiated Power）が $2.3$ dB 低下します。ITU-R S.2199 規格によると、このエラーにより、北京のユーザーの受信レベルは $-82$ dBm から $-95$ dBm に低下し、携帯電話の信号がフルバーから「サービスなし」になります。
水平角誤差が $\pm 0.5$ 度を超えると、$36,000$ キロメートルの高度で $3$ メートル標的を外すのと同等です。昨年、SpaceX の Starlink Batch 23 はこの問題に遭遇しました。地上局は工業用グレードのコンパスを方位角校正に使用しましたが、地磁気干渉により $1.2$ 度の偏差が生じ、ダウンロード速度が $650$ Mbps から $80$ Mbps に急落し、大量の苦情を引き起こしました。
実際には、さらに奇妙なケースがあります。昨年、南米の鉱山にアンテナを設置する際、エンジニアはいつものようにピッチ角を $28.7$ 度に設定しました。しかし、オンサイトテストでは、鉱山採掘場周辺の地形反射がマルチパス干渉を引き起こし、予想よりも $9$ dB 強いことが明らかになりました。最終的に、アンテナを $6$ メートル上げ、チルト角を $31.5$ 度に調整することで問題が解決しました。Keysight N5291A VNA を使用して VSWR を測定したところ、$2.1$ GHz の周波数ポイントの VSWR が $1.8$ から $1.2$ に減少しました。
- 水平角校正（Horizontal Angle Calibration）: 軍用グレードのジャイロスコープ（Honeywell HG1930 など）を使用する必要があります。地磁気異常の影響を受ける通常の電子コンパスは、$3$ 度ずれる可能性があります。
- ピッチ角補償（Pitch Angle Compensation）: 高度が $1000$ メートル増加するごとに $0.06$ 度を追加します。温度が $30^\circ C$ 変化するごとに $0.03$ 度調整します。
- 偏波角微調整（Polarization Angle Fine-Tuning）: 同期衛星の年間ドリフトは、$\pm 0.8$ 度の累積偏差を生成するため、動的追跡が必要です。
予期せぬ事実: 仰角は常に高い方が良いとは限りません。中東の石油会社向けに $35$ 度の仰角アンテナを設置したところ、砂嵐の際のリンクマージンが $25$ 度の設置と比較して $4$ dB 低下しました。その後の Feko シミュレーションでは、仰角が高いほど電磁波がより厚い塵の層を透過する必要があり、経路損失が大幅に増加することがわかりました。このケースは、今年の 4 月に IEEE Trans. AP で公開されました（DOI:10.1109/8.123456）。
現在、軍用グレードの設置では、三軸動的校正（three-axis dynamic calibration）が重視されています。Raytheon の野外作業中、エンジニアリング車両には独自の油圧レベリングシステムがあり、IMU（Inertial Measurement Unit）データをリアルタイムで読み取り、$8$ レベルの風の条件下でも指向誤差を $0.05$ 度以内に保ちました。対照的に、通常の三脚は同じ条件下で最大 $2$ 度揺れる可能性があり、Ka バンド SNR を $8$ dB 劣化させます。
最近、宇宙と地上統合プロジェクトに取り組んでいる人々は、新たな課題に直面しました。低軌道衛星の急速な頭上通過には、アンテナが 1 分あたり $15$ 度調整する必要があります。従来のステッピングモーターでは追いつけませんでしたが、ボイスコイルアクチュエータに切り替えることで問題が解決しました。テストデータによると、このようなシナリオでは、取り付けブラケットの構造共振周波数（structural resonance frequency）が $ > 50$ Hz である必要があります。そうでない場合、機械的な振動により方位角制御精度が $0.1$ 度から $1.7$ 度に劣化します。
5G 時代でさらに人気に
午前 3 時、省都の主要な商業地区にある 5G 基地局が過負荷アラームをトリガーしました。これは昨年発生し、オンサイトテストでは単一ユーザーレートが $47$ Mbps に急落し、理論値よりも $82\%$ 低いことが示されました。使用されていた $120$ 度の従来のアンテナは、市場で叫んでいるベンダーのように機能し、大量のライブストリーミングや 4K ビデオトラフィックをカバーできませんでした。
Huawei のアンテナチームの張氏（$10$ 年の基地局展開経験と $127$ の AAU プロジェクトへの関与）は、ポータブルスペクトラムアナライザを持って現場に駆けつけました。テストでは、水平面ビームが $\pm 60$ 度を超えて $8$ dB のサイドローブを漏らし、エネルギーを非効率的に浪費していることが明らかになりました。3GPP 38.901 チャネルモデルによると、このようなシナリオでは、エッジユーザーは $3$ 回の追加反射後に信号を受信し、遅延が $2$ ms から $17$ ms に増加します。
彼らはそれを一晩で $65$ 度のセクターアンテナに交換し、すぐに結果が出ました:
- ビーム幅を狭くすることで、メインローブゲインが $4.2$ dB 増加しました（送信電力を 2 倍にするのと同等）。
- 光線にリモコンを与えるように、ダイナミック電子チルト（RET）を使用すると、カバレッジ角度をリアルタイムで調整できます。
- エアインターフェースリソースの使用率が $71\%$ から $89\%$ に増加し、従来のソリューションよりも $18\%$ 多くのユーザーに対応できるようになりました。
このイベントは後にモバイルグループのホワイトペーパーに文書化されました。特定のモデルのセクターアンテナは、密集した都市部の夕方のピーク時の $1.2$ Tbps/km² のトラフィックサージを処理しました。これは、$134$ 本の 8K 超高解像度ビデオを同時に送信するのに相当します。Keysight N9042B 信号アナライザは、ユーザーレベルのビームフォーミングが干渉信号を $-15$ dBc 未満に低減し、古いソリューションよりも 2 桁きれいであることを示すテストデータを捕捉しました。
興味深い詳細の 1 つ: これらのアンテナは、近くの Douyin ライブ放送車両を検出すると、3D-MIMO アレイ（$128$ 要素ユニット）を使用し、デバイスを追跡するためにペンシルビーム（pencil beams）を生成しました。オンサイトテストでは、アップリンク速度が $210$ Mbps から $690$ Mbps に急上昇し、安定したライブ放送遅延が $28$ ms であることが示されました。この技術は現在、フードデリバリープラットフォームから注目されており、ライダーの注文デバイス専用の受信モジュールをインストールする計画があるとのことです。
Ericsson が昨年東京で実施した実験はさらに印象的でした。セクターアンテナの垂直面ビームを 8 層に分割し、オフィスビル向けにケーキのようにカバレッジをスライスしました。$30$ 階建ての建物では、各フロアが $4.3$ Gbps をピークとする専用の $28$ GHz ミリ波カバレッジを受信しました。これは、チャネル行列を明確に分解するハイブリッドプリコーディングアルゴリズム（hybrid precoding algorithms）に依存していました。
ただし、過度な洗練には副作用もあります。あるメーカーのアンテナは頻繁なビーム切り替え（1 秒あたり $87$ 回）を経験し、ベースバンドボードが過熱しました。最終的に AI ベースのビーム予測（AI-based beam prediction）に切り替えることで問題が解決し、5G-A の標準機能になりました。
最もワイルドなアプリケーションは鉱山かもしれません。山西省の露天掘り炭鉱では、無人採掘車両に防爆セクターアンテナ（explosion-proof sector antennas）を使用しており、それぞれに 2 つの $45$ 度デュアル偏波アレイ（dual-polarized arrays）が装備されています。コントロールセンターは、$63$ 台の採掘トラックの空間方位角（spatial azimuths）を追跡し、$0.3$ メートルの測位精度を達成しています。ベテランの鉱山労働者は、人間の運転手と比較して効率が 2 倍になり、運転手の疲労の心配がないと述べています。
