EN
Porozumění požadavkům na výkonové moduly BTS v sítích 5G
Proč pracovní zátěž základnové přijímačové a vysílací stanice vyžaduje dynamickou výkonovou účinnost
Zatížení 5G základnových stanic se ve skutečnosti značně mění – pohybuje se přibližně od 300 wattů, když stanice jen nečinně čekají, až po více než 1500 wattů v době špičkového provozu. To má přímý dopad na náklady spojené s provozem těchto stanic a na jejich environmentální dopad. Starší síťové uspořádání rozdělovalo své energetické požadavky jinak než technologie 5G, která je silně závislá na milimetrových vlnách a velkých anténních polích označovaných jako Massive MIMO. Tyto novější technologie soustřeďují většinu spotřeby energie do konkrétních částí, známých jako jednotky radiofrekvenčního rozhraní (RF jednotky) nebo zkráceně AAU (Active Antenna Units), a tyto komponenty spotřebují více než polovinu celkové elektrické energie využívané na každé lokalitě. Pokud tyto napájecí zdroje nepodávají plný výkon, mají tendenci zbytečně plýtvat energií – až 40 % energie se může ztratit, pokud systém nefunguje optimálně. Proto dnešní napájecí moduly musí být schopny upravovat svou účinnost podle aktuálních podmínek prostřednictvím nějakého systému reálného monitoringu. Měly by snižovat spotřebu energie v klidných obdobích, ale zároveň zůstat připraveny okamžitě zvýšit výkon v případě neočekávaného nárůstu požadavků na kapacitu sítě.
Tepelné omezení a spolehlivost: Jak teplota přechodu ovlivňuje životnost výkonového modulu
Teplota přechodu hraje klíčovou roli při určování životnosti výkonových modulů. U polovodičů se životnost každým zvýšením teploty o 10 °C nad 100 °C zkrátí na polovinu. Kompaktní základnové stanice 5G představují zvláštní výzvu pro součástky z materiálů GaN a SiC, neboť vyvolávají významný tepelný stress. Zpracování signálů vysoké frekvence v kombinaci s neefektivní konverzí napětí vytváří problémy, zejména tehdy, když pasivní metody chlazení dosáhnou svých mezí. Tato situace urychluje jevy elektromigrace a způsobuje rychlejší opotřebení materiálů. Podle provozních údajů mají výkonové moduly provozované za teploty vyšší než 125 °C přibližně o 35 % více poruch ročně ve srovnání s moduly udržovanými v bezpečném teplotním rozsahu. Pokud firmy zavedou inteligentní strategie tepelného řízení, jako jsou například vylepšené návrhy teplosvodů či systémy chlazení nuceným prouděním vzduchu, průměrně sníží teplotu horkých míst přibližně o 22 °C. Tyto zlepšení nejen chrání součástky, ale také každoročně snižují požadavky na energii potřebnou pro chlazení přibližně o 18 %. Nalezení správné rovnováhy mezi výkonem a řízením teploty zůstává kritickým faktorem, pokud chceme, aby tyto systémy bez nadměrných nákladů na údržbu spolehlivě fungovaly po dlouhou dobu.
Vyhodnocení účinnosti výkonového modulu v reálných provozních stavech BTS
Měření dynamických výkonových profilů: nečinnost, částečné zatížení a maximální zatížení pomocí referenčních testů 3GPP TR 36.814
Abychom skutečně poznali, zda modul napájení funguje dobře, musíme jej otestovat ve třech hlavních provozních stavech BTS, které jsou v odvětví uznávány: když jen tak sedí a nedělá nic (režim nečinnosti), kdy pracuje na střední úrovni mezi 40 až 70 % kapacity (částečné zatížení) a kdy je plně vytížen při maximální uživatelské kapacitě 100 % (maximální zatížení). Existuje norma 3GPP TR 36.814, která nám poskytuje vhodná referenční měřítka pro vytváření realistických scénářů 5G provozu. A víte co? Rozdíly v energetické spotřebě mezi těmito režimy mohou přesáhnout 60 %, což je poměrně významné. V režimu nečinnosti efektivní moduly udržují ty základní řídicí funkce v činnosti, ale neprotahují příliš velký proud, čímž snižují ztrátovou energii v klidovém stavu. Testování za částečného zatížení nám ukazuje, jak dobře regulace napětí zvládá malé výkyvy výkonu, aniž by způsobovala příliš velké spínací ztráty. V případě maximálního zatížení hledáme problémy jako tepelné omezení výkonu (thermal throttling) a problémy s převodem energie, protože špatný návrh může vést k tomu, že modul každou hodinu zbytečně spotřebuje přes 300 wattů i tehdy, když jen „sedí“. Speciální simulace Hardware-in-the-Loop pomáhají ověřit stabilitu při náhlých změnách a zabránit překročení napětí (voltage overshoots), která narušují výkon rádiového zařízení. Procházení všemi těmito různými stavy zajistí, že moduly budou v reálných sítích efektivně fungovat – to má přímý dopad na provozní náklady a brání přehřívání zařízení.
Posouzení funkcí správy napájení na úrovni hardwaru v napájecích modulech BTS
Moderní napájecí moduly základnových stanic integrují specializované hardwarové funkce pro splnění dynamických požadavků napájení 5G – s vyvážením mezi odezvou, účinností a tepelnou odolností.
Výkon režimu spánku: latence vs. úspory energie v napájecích modulech na bázi GaN
Technologie z nitridu gallia umožňuje rychlé přepínání mezi aktivním režimem a režimem nízké spotřeby (spánku), což pomáhá snížit ztrátovou energii v případě, že základnové přijímače-převaděče nejsou aktivně vysílány signály. Existuje však jedna zádrhel. Když systémy přejdou do hlubokého režimu spánku, mohou ušetřit přibližně 70 % energie, avšak probuzení trvá přibližně 5 až 8 milisekund. Naopak udržování systémů v lehkém režimu spánku zajišťuje téměř okamžitou odezvu pod jednu milisekundu, ale úspora energie je nižší. Tyto neustálé přepínání mezi jednotlivými režimy ve skutečnosti zvyšují teplotu komponent díky opakovaným cyklům zahřívání a ochlazování, což není příznivé ani pro dlouhodobou spolehlivost. Provozovatelé sítí musí rozhodnout, jak nastavit tyto parametry režimu spánku na základě toho, co je pro jejich konkrétní situaci nejdůležitější. Někteří mohou preferovat extrémně rychlé odezvy pro kritické služby s ultra-vysokou spolehlivostí a nízkou latencí, zatímco jiní, kteří provozují vysílací věže s velkým dosahem, pravděpodobně více cení maximální možné úspory energie, i když to znamená mírně delší dobu spuštění.
Adaptivní škálování napětí a techniky snížení výkonu pro až 22% snížení špičkové hodnoty
Dynamické škálování napětí a frekvence, zkráceně DVFS, funguje tak, že neustále upravuje množství energie dodávané procesorům na základě toho, co daný procesor v daném okamžiku skutečně dělá. Tento systém navíc předvídá zatížení, takže dokáže rozpoznat období klidu v datové komunikaci a v těchto chvílích bezpečně snížit úroveň napětí, čímž celkově ušetří přibližně 12 až 18 procent energie. Kombinace této techniky s tzv. slevou na výkon je ještě efektivnější. Sleva na výkon spočívá v mikroskopických, trvajících jen několik mikrosekund poklesech napětí v těch krátkých okamžicích, kdy procesor není zatížen. Tato kombinace může v některých případech snížit špičkový výkon až o 22 procent. Pro města plná serverů a dalšího vybavení mají taková vestavěná opatření ke zvýšení účinnosti zásadní význam. Tradiční řešení chlazení již ve mnoha případech nestačí, protože buď zabírají příliš mnoho místa, nebo jsou příliš nákladná na správnou instalaci.
Porovnejte strategie úspory energie na úrovni modulů pro udržitelné nasazení BTS
Rozdělení přístupů k úsporám energie na modulární komponenty činí základní přijímačové vysílače (BTS) celkově mnohem ekologičtějšími. Když inženýři oddělí jednotlivé prvky, jako jsou například DC-DC měniče, digitální řídicí jednotky a systémy tepelného řízení, mají možnost jemně ladit každou část samostatně – což není možné u tradičních jednotek typu „vše-v-jednom“. Vezměme si například víceúrovňové řízení výkonu: lokální podřídicí jednotky zajišťují efektivitu na úrovni jednotlivých modulů například tím, že automaticky upravují dobu, kdy dané moduly přecházejí do režimu spánku. Současně je k dispozici hlavní řídicí jednotka, která řídí vyvážení výkonu napříč celým systémem. Podle některých terénních testů GSMA z roku 2023 tento přístup snižuje ztráty energie v období nečinnosti přibližně o 19 %. Tepelné izolování jednotlivých výkonových modulů brání šíření tepla po celém zařízení. To znamená, že lze použít mírnější chladicí řešení, čímž se chladicí náklady sníží přibližně o 30 %. Další velkou výhodou pro dlouhodobé plánování je možnost nezávislého škálování jednotlivých komponent. Provozovatelé sítí tak nemusí při zvyšujícím se zatížení nahrazovat celé systémy, ale mohou vyměnit pouze problematické části – například měniče určené pro špičkové zatížení. Během deseti let tímto způsobem u každého umístění ušetříme mezi 8 a 12 tun elektronického odpadu. Všechny tyto vylepšení vedou k delší životnosti hardwaru, nižšímu uhlíkovému stopy a lepší připravenosti na nové požadavky na spotřebu energie, které přináší rozvoj technologie 5G.
