كيف تختار وحدات الطاقة الموفرة للطاقة لمحطات قواعد الإرسال والاستقبال (BTS)؟

فهم متطلبات وحدات الطاقة في محطات قواعد الاتصالات ضمن شبكات 5G

لماذا تتطلب أحمال عمل محطات الإرسال والاستقبال الأساسية كفاءة ديناميكية في استهلاك الطاقة

تتفاوت حمولة محطات قواعد الاتصالات من الجيل الخامس (5G) بشكلٍ كبير فعليًّا، إذ تتراوح بين نحو ٣٠٠ واط عندما تكون المحطات في وضع الاستعداد التام دون أداء أي مهمة، وأكثر من ١٥٠٠ واط أحيانًا أثناء فترات الذروة. ويؤثِّر هذا تأثيرًا مباشرًا على تكلفة تشغيل هذه المحطات وعلى الأثر البيئي الناجم عنها. أما أنظمة الشبكات الأقدم فقد وزَّعت احتياجاتها من الطاقة بطريقة مختلفة مقارنة بتقنية الجيل الخامس التي تعتمد اعتمادًا كبيرًا على إشارات الموجات المليمترية والمجموعات الضخمة من الهوائيات المعروفة باسم «MIMO الضخمة». وتتركِّز استهلاكات الطاقة في هذه التقنيات الأحدث في مكوِّنات محددة تُعرف بوحدات التردد اللاسلكي أو «AAUs» اختصارًا، وهذه المكوِّنات تستهلك أكثر من نصف إجمالي الكهرباء المستخدمة في كل موقع. وعندما لا تعمل مصادر الطاقة هذه بكفاءة قصوى، فإنها تُهدِر كمية كبيرة من الطاقة أيضًا؛ فقد تصل نسبة الفاقد إلى ٤٠٪ تقريبًا عند عدم التشغيل الأمثل. ولذلك، يجب أن تتكيف وحدات الطاقة الحديثة مع مستويات كفاءتها وفق الظروف الحالية عبر نظام رصدٍ فعَّالٍ في الوقت الفعلي. كما ينبغي أن تقلِّل من استهلاك الطاقة خلال الفترات الهادئة، لكن مع البقاء جاهزةً للانتقال فورًا إلى أقصى أداء لها عند حدوث طفرة مفاجئة في الطلب على سعة الشبكة.

القيود الحرارية والموثوقية: كيف تؤثر درجة حرارة الوصلة على عمر وحدة الطاقة الافتراضي

تلعب درجة حرارة الوصلة دورًا رئيسيًّا في تحديد المدة الزمنية التي تدومها وحدات الطاقة. فبالنسبة لأشباه الموصلات، يؤدي كل ارتفاعٍ بمقدار ١٠ درجات مئوية فوق عتبة الـ ١٠٠ درجة مئوية إلى تقليص عمرها الافتراضي إلى النصف. وتُشكِّل محطات قواعد الجيل الخامس (5G) المدمَّجة تحدياتٍ خاصةً لمكونات نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC)، لأنها تولِّد إجهادًا حراريًّا كبيرًا. كما أن معالجة الإشارات ذات التردد العالي جنبًا إلى جنب مع كفاءة منخفضة في تحويل الجهد تُسبِّب مشكلاتٍ، لا سيما عندما تبلغ طرق التبريد السلبي حدودها القصوى. ويؤدّي هذا الوضع إلى تسريع ظاهرة الهجرة الكهربائية (Electromigration) وانهيار المواد بوتيرة أسرع. ووفقًا للبيانات الميدانية، فإن وحدات الطاقة التي تعمل عند درجات حرارة تفوق ١٢٥ درجة مئوية تشهد زيادةً في حالات الفشل بنسبة تقارب ٣٥٪ سنويًّا مقارنةً بتلك التي تُحافظ على درجات حرارة ضمن النطاقات الآمنة. وعندما تتبنّى الشركات استراتيجيات ذكية لإدارة الحرارة — مثل تحسين تصاميم مشتِّتات الحرارة وأنظمة التبريد بالهواء القسري — فإنها تقلِّل عادةً درجات حرارة النقاط الساخنة بمتوسط يبلغ نحو ٢٢ درجة مئوية. وهذه التحسينات لا تحمي المكونات فحسب، بل تقلِّل أيضًا متطلبات طاقة التبريد بنسبة تقارب ١٨٪ سنويًّا. وبقي أن تحقيق هذا التوازن الأمثل بين الأداء والتحكم في درجة الحرارة يظل أمرًا حاسمًا إذا أردنا أن تعمل هذه الأنظمة بموثوقية عالية على مدى فترات زمنية طويلة دون تكاليف صيانة مفرطة.

تقييم كفاءة وحدة الطاقة عبر حالات تشغيل محطات قواعد الترددات (BTS) في العالم الحقيقي

قياس ملفات استهلاك الطاقة الديناميكية: الحالة الخاملة، والحمل الجزئي، والحمل الأقصى باستخدام معايير 3GPP TR 36.814

لكي نعرف حقًّا ما إذا كانت وحدة الطاقة تعمل بكفاءة، فإننا نحتاج إلى اختبارها عبر ثلاث حالات تشغيل رئيسية لمحطات القواعد (BTS) التي يعترف بها القطاع: الحالة الأولى عندما تكون الوحدة في وضع السكون التام دون أداء أي وظيفة (الوضع الخامل)، والحالة الثانية عند التشغيل عند مستويات متوسطة تتراوح بين ٤٠٪ و٧٠٪ من السعة القصوى (الحمل الجزئي)، والحالة الثالثة عند أقصى سعة تشغيلية للمستخدم وهي ١٠٠٪ بالكامل (الحمل الأقصى). وهناك معيارٌ يُسمَّى «3GPP TR 36.814» يوفِّر لنا مقاييس أداء جيدة لإنشاء سيناريوهات حركة مرور واقعية لشبكات الجيل الخامس (5G). وهل تعلمون ماذا؟ إن فروق استهلاك الطاقة بين هذه الحالات قد تتجاوز ٦٠٪، وهي نسبة كبيرة جدًّا. فعندما يكون النظام في الوضع الخامل، تحتفظ الوحدات الفعَّالة بوظائف التحكُّم الأساسية قيد التشغيل دون سحب تيار كهربائي كبير، مما يقلِّل من الهدر الطاقي أثناء السكون. أما الاختبار تحت ظروف الحمل الجزئي فيبيِّن لنا مدى كفاءة تنظيم الجهد في التعامل مع تلك الارتفاعات المفاجئة الصغيرة في استهلاك الطاقة دون التسبُّب في خسائر تبديلية كبيرة. وفي حالة الأحمال القصوى، نبحث عن مشكلات مثل التباطؤ الحراري (Thermal Throttling) وأعطال التحويل، لأن التصاميم الرديئة قد تؤدي إلى هدر أكثر من ٣٠٠ واط كل ساعة حتى أثناء السكون. وتُساعد عمليات المحاكاة الخاصة المُعتمدة على الأجهزة الفعلية ضمن الحلقة (Hardware-in-the-Loop) في التحقُّق من استقرار النظام عند حدوث تغيُّرات مفاجئة، ومنع ارتفاعات الجهد الزائدة (Voltage Overshoots) التي تُخلُّ بأداء الإرسال اللاسلكي. وبمرور الوحدات عبر جميع هذه الحالات التشغيلية المختلفة، نضمن أن تعمل بكفاءة في الشبكات الواقعية، وهو ما يؤثِّر مباشرةً على تكاليف التشغيل ويمنع ارتفاع درجة حرارة المعدات.

تقييم ميزات إدارة الطاقة على مستوى الأجهزة في وحدات طاقة محطات الإرسال الأساسية

تدمج وحدات طاقة محطات الإرسال الأساسية الحديثة ميزات أجهزة مُصمَّمة خصيصًا لتلبية متطلبات الطاقة الديناميكية لشبكات الجيل الخامس (5G)، مع تحقيق توازن بين الاستجابة والكفاءة والمرونة الحرارية.

أداء وضع النوم: زمن الوصول مقابل توفير الطاقة في وحدات الطاقة المستندة إلى نيتريد الغاليوم (GaN)

تتيح تقنية نيتريد الغاليوم التبديل السريع بين الحالات النشطة وحالات السكون منخفضة الطاقة، مما يساعد في تقليل الهدر في الطاقة عندما لا تقوم محطات الإرسال الأساسية بنقل الإشارات بشكل فعّال. ومع ذلك، هناك عيبٌ في هذا الأسلوب: فعندما تدخل الأنظمة وضع السكون العميق، يمكنها توفير ما يقارب 70% من الطاقة، لكنها تحتاج حينها إلى نحو 5–8 ملي ثانية للاستيقاظ مجددًا. أما من ناحية أخرى، فإن الاحتفاظ بالأنظمة في وضع السكون الخفيف يحافظ على أوقات استجابة شبه فورية تقل عن ملي ثانية واحدة، لكنه لا يوفّر قدرًا كبيرًا من الطاقة. وبالفعل، فإن هذه التبديلات المستمرة بين الحالات ترفع درجة حرارة المكوّنات بسبب دورات التسخين والتبريد المتكررة، وهو ما لا يخدم الموثوقية طويلة الأمد للنظام. ولذلك، يجب على مشغّلي الشبكات اتخاذ قرارٍ بشأن كيفية ضبط معاملات وضع السكون هذه استنادًا إلى العوامل الأهم في سياقهم الخاص: فقد يفضّل البعض استجابات فائقة السرعة لتلك الخدمات الاتصالية الحرجة جدًّا والموثوقة للغاية ومنخفضة زمن الاستجابة، بينما قد يولّي آخرون، الذين يديرون أبراج تغطية واسعة النطاق، اهتمامًا أكبر لأقصى قدر ممكن من توفير الطاقة، حتى لو كان ذلك يعني أوقات بدء تشغيل أبطأ قليلًا.

تقنيات التحكم التكيفي في الجهد وخصم الطاقة لتحقيق خفض أقصى نسبته ٢٢٪

يُعرف التدرج الديناميكي لجهد التردد باسم DVFS اختصارًا، ويعمل هذا النظام من خلال ضبط كمية الطاقة المُرسلة إلى المعالجات باستمرار استنادًا إلى المهام التي يؤديها في أي لحظة مُعطاة. ويقوم هذا النظام أيضًا بالتنبؤ بالحمولات المستقبلية، بحيث يدرك متى ستكون هناك فترات هدوء في حركة البيانات، فيُمكنه حينها خفض مستويات الجهد بأمان، ما يوفّر ما يقارب ١٢ إلى ١٨٪ من الطاقة إجمالاً. وعند دمج هذه التقنية مع ما يُسمى «تخفيض استهلاك الطاقة»، تزداد الفعالية أكثر فأكثر. ويتألف تخفيض استهلاك الطاقة من خفض طفيف جدًّا في الجهد يستمر لفترة لا تتجاوز الميكروثانية خلال اللحظات القصيرة التي لا يكون فيها المعالج مشغولًا. وتؤدي هذه المجموعة من التقنيات معًا إلى خفض الاستهلاك الأقصى للطاقة بنسبة تصل إلى ٢٢٪ في بعض الحالات. أما بالنسبة للمدن المكتظة بالخوادم والمعدات، فإن مثل هذه الإجراءات المدمجة لتحسين الكفاءة لها أهمية كبيرة جدًّا. فالحلول التقليدية للتبريد لم تعد كافية في كثير من الحالات، لأنها إما تستهلك مساحة كبيرة جدًّا أو تكون تكلفة تركيبها مرتفعة جدًّا.

قارن استراتيجيات ترشيد استهلاك الطاقة على مستوى الوحدة من أجل نشر محطات القواعد المتنقلة (BTS) بشكل مستدام

تقسيم أساليب ترشيد استهلاك الطاقة إلى مكونات وحدوية يجعل محطات الإرسال والاستقبال الأساسية (BTS) أكثر اخضرارًا بشكل عام. وعندما يفصل المهندسون عناصر مثل محولات التيار المستمر-التيار المستمر (DC-DC)، والوحدات الرقمية للتحكم، ووحدات إدارة الحرارة، فإنهم يحصلون على فرصة لضبط كل جزءٍ منها بدقةٍ منفردةٍ — وهي إمكانيةٌ غير متوفرةٍ في الأنظمة التقليدية المدمجة بالكامل. فلنأخذ على سبيل المثال نظام الإدارة الهرمية للطاقة: حيث تتولى وحدات التحكم الفرعية المحلية تحسين الكفاءة على مستوى الوحدة الواحدة باستخدام تقنياتٍ مثل ضبط أوقات الدخول التلقائي للوحدات في وضع السكون. وفي الوقت نفسه، تُدار عملية توزيع الطاقة عبر النظام بأكمله بواسطة وحدة تحكم رئيسية. ووفقًا لبعض الاختبارات الميدانية التي أجرتها رابطة أنظمة الهاتف المحمول العالمية (GSMA) في عام ٢٠٢٣، يقلل هذا الترتيب من الطاقة الضائعة أثناء فترات الخمول بنسبة تقارب ١٩٪. كما أن عزل كل وحدة طاقة حراريًّا يمنع انتقال الحرارة عبر المعدات بأكملها. وهذا يعني أننا نحتاج إلى حلول تبريد أقل كثافةً، ما يؤدي إلى خفض تكاليف التبريد بنسبة تصل إلى ٣٠٪. ومن المزايا الكبيرة الأخرى لهذه البنية قابلية توسيع المكونات بشكل منفصل، وهو أمرٌ بالغ الأهمية للتخطيط طويل الأمد. إذ لا يضطر مشغلو الشبكات إلى استبدال الأنظمة بكاملها عندما تبدأ بعض أجزائها في مواجهة صعوباتٍ تحت الأحمال الثقيلة؛ بل يمكنهم ببساطة استبدال هذه الأجزاء المشكلة للمشكلة فقط، مثل وحدات التحويل الخاصة بالأحمال القصوى. وعلى مدى عشر سنوات، يوفِّر هذا النهج ما بين ٨ و١٢ طنًّا من النفايات الإلكترونية لكل موقع. وكل هذه التحسينات تعني أجهزةً ذات عمر افتراضي أطول، وبصمة كربونية أدنى، واستعدادًا أفضل لأي متطلبات طاقة جديدة قد تفرضها تطورات تقنية الجيل الخامس (5G).