BTS के लिए ऊर्जा-दक्ष शक्ति मॉड्यूल कैसे चुनें?

5G नेटवर्क में BTS शक्ति मॉड्यूल की आवश्यकताओं को समझें

आधार ट्रांसीवर स्टेशन के कार्यभार क्यों गतिशील शक्ति दक्षता की मांग करते हैं

5जी बेस स्टेशनों पर कार्यभार वास्तव में काफी अधिक भिन्नता दर्शाता है—यह लगभग 300 वाट तक हो सकता है जब वे कुछ नहीं कर रहे होते हैं, और व्यस्त समय के दौरान कभी-कभी 1500 वाट से अधिक भी हो जाता है। इसका प्रत्यक्ष प्रभाव इन स्टेशनों के संचालन की लागत और उनके पर्यावरणीय प्रभाव पर पड़ता है। पुराने नेटवर्क सेटअप अपनी शक्ति आवश्यकताओं को 5जी प्रौद्योगिकी की तुलना में अलग तरीके से फैलाते हैं, जो मिलीमीटर वेव संकेतों और विशाल एंटीना ऐरे (जिन्हें मैसिव मिमो कहा जाता है) पर भारी निर्भरता रखती है। ये नवीनतर प्रौद्योगिकियाँ अधिकांश शक्ति खपत को विशिष्ट घटकों—जिन्हें रेडियो फ्रीक्वेंसी यूनिट्स या संक्षेप में एएयू (AAUs) कहा जाता है—में संकेंद्रित कर देती हैं, और ये घटक प्रत्येक स्थान पर उपयोग की जाने वाली कुल विद्युत का 50% से अधिक भाग खर्च कर देते हैं। जब ये शक्ति आपूर्ति पूर्ण क्षमता पर काम नहीं कर रही होती हैं, तो वे भी बहुत अधिक ऊर्जा का अपव्यय करती हैं—शायद जब चीजें इष्टतम रूप से नहीं चल रही होती हैं, तो लगभग 40% ऊर्जा नष्ट हो जाती है। इसीलिए आज के शक्ति मॉड्यूलों को वर्तमान परिस्थितियों के आधार पर अपनी दक्षता स्तरों को समायोजित करने की आवश्यकता होती है, जिसके लिए कोई न कोई वास्तविक समय निगरानी प्रणाली का उपयोग किया जाना चाहिए। उन्हें शामिल समय के दौरान ऊर्जा उपयोग को कम करना चाहिए, लेकिन साथ ही नेटवर्क क्षमता के लिए आकस्मिक मांग के उछाल के समय तुरंत उच्च गियर में चलने के लिए तैयार भी रहना चाहिए।

तापीय प्रतिबंध और विश्वसनीयता: संधि तापमान कैसे शक्ति मॉड्यूल के जीवनकाल को प्रभावित करता है

जंक्शन तापमान शक्ति मॉड्यूल्स के जीवनकाल को निर्धारित करने में प्रमुख भूमिका निभाता है। अर्धचालकों के लिए, 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर प्रत्येक 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि उनके आयु अपेक्षित समय को आधा कर देती है। संकुचित 5G बेस स्टेशन गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) घटकों के लिए विशेष चुनौतियाँ उत्पन्न करते हैं, क्योंकि वे उल्लेखनीय तापीय तनाव उत्पन्न करते हैं। उच्च आवृत्ति सिग्नल प्रोसेसिंग के साथ-साथ अक्षम वोल्टेज परिवर्तन समस्याएँ उत्पन्न करते हैं, विशेष रूप से जब निष्क्रिय शीतलन विधियाँ अपनी सीमाओं तक पहुँच जाती हैं। यह स्थिति इलेक्ट्रोमाइग्रेशन संबंधित समस्याओं को तेज कर देती है और सामग्रियों के तेजी से क्षरण का कारण बनती है। क्षेत्र डेटा के अनुसार, 125 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर संचालित होने वाले शक्ति मॉड्यूल्स की वार्षिक विफलता दर सुरक्षित तापमान सीमा के भीतर रखे गए मॉड्यूल्स की तुलना में लगभग 35 प्रतिशत अधिक होती है। जब कंपनियाँ बेहतर हीट सिंक डिज़ाइन और बल प्रवाहित वायु शीतलन प्रणालियों जैसी बुद्धिमान तापीय प्रबंधन रणनीतियों को लागू करती हैं, तो वे आमतौर पर हॉटस्पॉट तापमान को औसतन लगभग 22 डिग्री सेल्सियस तक कम कर देती हैं। ये सुधार घटकों की रक्षा के साथ-साथ प्रति वर्ष शीतलन ऊर्जा की आवश्यकता को लगभग 18% तक कम करते हैं। प्रदर्शन और तापमान नियंत्रण के बीच यह सही संतुलन खोजना अत्यंत महत्वपूर्ण बना हुआ है, यदि हम चाहते हैं कि ये प्रणालियाँ अत्यधिक रखरोट लागत के बिना लंबे समय तक विश्वसनीय रूप से कार्य करें।

वास्तविक दुनिया की BTS संचालन स्थितियों के आधार पर पावर मॉड्यूल की दक्षता का मूल्यांकन करना

गतिशील पावर प्रोफाइल का मापन: निष्क्रिय, आंशिक भार और अधिकतम भार — 3GPP TR 36.814 बेंचमार्क का उपयोग करके

एक पावर मॉड्यूल के वास्तव में अच्छी तरह से काम करने की पुष्टि करने के लिए, हमें इसका परीक्षण उद्योग द्वारा मान्यता प्राप्त तीन प्रमुख बेस ट्रांसमीटर स्टेशन (BTS) संचालन अवस्थाओं के माध्यम से करना आवश्यक है: जब यह केवल वहाँ बैठा होता है और कुछ भी नहीं कर रहा होता (अल्पकालिक अवस्था / आइडल), 40 से 70% क्षमता के बीच मध्यम स्तर पर संचालित हो रहा होता है (आंशिक भार), और पूर्ण 100% उपयोगकर्ता क्षमता पर अधिकतम स्तर पर संचालित हो रहा होता है (शिखर भार)। 3GPP TR 36.814 मानक नामक एक मानक है, जो वास्तविक 5G ट्रैफ़िक परिदृश्यों के निर्माण के लिए हमें उत्तम बेंचमार्क प्रदान करता है। और क्या सोचा जाए? इन मोड्स के बीच ऊर्जा खपत में अंतर 60% से अधिक तक कूद सकता है, जो काफी महत्वपूर्ण है। जब सिस्टम अल्पकालिक अवस्था में होता है, तो कुशल मॉड्यूल उन आवश्यक नियंत्रण कार्यों को जारी रखते हैं, लेकिन बहुत अधिक धारा नहीं खींचते, जिससे विश्राम की अवस्था में ऊर्जा के अपव्यय को कम किया जाता है। आंशिक भार के तहत परीक्षण हमें यह दिखाता है कि वोल्टेज नियमन कैसे छोटे-छोटे शक्ति शिखरों को संभालता है, बिना अत्यधिक स्विचिंग हानि का कारण बने। शिखर भार के दौरान, हम तापीय धीमापन (थर्मल थ्रॉटलिंग) और रूपांतरण संबंधी समस्याओं की तलाश करते हैं, क्योंकि खराब डिज़ाइन वाले मॉड्यूल प्रत्येक घंटे में केवल वहाँ बैठे रहने के कारण 300 वाट से अधिक ऊर्जा का अपव्यय कर सकते हैं। विशेष हार्डवेयर-इन-द-लूप (Hardware-in-the-Loop) सिमुलेशन तीव्र परिवर्तनों के दौरान स्थिरता की जाँच करने में सहायता करते हैं, जो रेडियो प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले वोल्टेज अतिप्रवाह (ओवरशूट) को रोकते हैं। इन सभी विभिन्न अवस्थाओं से गुज़रने से सुनिश्चित होता है कि मॉड्यूल वास्तविक दुनिया के नेटवर्कों में कुशलतापूर्ण रूप से काम करते हैं, जो सीधे संचालन लागतों को प्रभावित करता है और उपकरणों के अत्यधिक तापन (ओवरहीटिंग) को रोकता है।

बीटीएस शक्ति मॉड्यूल में हार्डवेयर-स्तरीय शक्ति प्रबंधन सुविधाओं का आकलन

आधुनिक बेस ट्रांसीवर स्टेशन शक्ति मॉड्यूल 5जी की गतिशील शक्ति आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए उद्देश्य-निर्मित हार्डवेयर सुविधाओं को एकीकृत करते हैं—प्रतिक्रियाशीलता, दक्षता और तापीय स्थिरता के बीच संतुलन बनाए रखते हुए।

स्लीप मोड प्रदर्शन: गैलियम नाइट्राइड (GaN) आधारित शक्ति मॉड्यूल में विलंबता बनाम ऊर्जा बचत

गैलियम नाइट्राइड प्रौद्योगिकी एक्टिव और कम शक्ति वाली सोने की अवस्थाओं के बीच तीव्र स्विचिंग की अनुमति देती है, जिससे बेस ट्रांसीवर स्टेशनों द्वारा संकेतों के सक्रिय रूप से प्रसारण नहीं करने के समय बेकार होने वाली ऊर्जा को कम करने में सहायता मिलती है। हालाँकि, इसका एक नुकसान भी है। जब सिस्टम गहन सोने की अवस्था (डीप स्लीप मोड) में जाते हैं, तो वे लगभग 70% ऊर्जा बचा सकते हैं, लेकिन फिर से जागने में लगभग 5 से 8 मिलीसेकंड का समय लगता है। दूसरी ओर, हल्की नींद (लाइट स्लीप) में रखने से प्रतिक्रिया समय लगभग एक मिलीसेकंड से कम—यानी तुरंत—बना रहता है, लेकिन इससे उतनी ऊर्जा बचाने की क्षमता नहीं होती। वास्तव में, इन सभी निरंतर अवस्था-परिवर्तनों के कारण घटकों के तापमान में वृद्धि होती है, क्योंकि ये गर्म होने और ठंडे होने के चक्रों के कारण होते हैं, जो दीर्घकालिक विश्वसनीयता के लिए भी अच्छा नहीं है। नेटवर्क ऑपरेटरों को अपनी विशिष्ट परिस्थिति के आधार पर इन नींद संबंधी पैरामीटर्स को सेट करने का निर्णय लेना होगा। कुछ ऑपरेटर उन मिशन-महत्वपूर्ण, अत्यधिक विश्वसनीय और कम विलंबता वाली संचार सेवाओं के लिए अत्यंत तीव्र प्रतिक्रिया समय की आवश्यकता हो सकती है, जबकि दूसरे ऑपरेटर, जो बड़े कवरेज क्षेत्र वाले टावरों का संचालन करते हैं, शायद अधिकतम संभव ऊर्जा बचत को प्राथमिकता देंगे, भले ही इसके लिए थोड़ा धीमा स्टार्टअप समय स्वीकार करना पड़े।

अनुकूलनशील वोल्टेज स्केलिंग और शिखर कमी के लिए शक्ति छूट तकनीकें, जो अधिकतम 22% शिखर कमी तक प्रदान करती हैं

डायनामिक वोल्टेज-फ्रीक्वेंसी स्केलिंग, या संक्षेप में DVFS, प्रोसेसर को किसी भी क्षण वास्तव में क्या कर रहे होते हैं, उसके आधार पर निरंतर ऊर्जा की आपूर्ति को समायोजित करके कार्य करती है। यह प्रणाली कार्यभार की भी पूर्व-दृष्टि रखती है, अतः यह डेटा ट्रैफ़िक में शामिल अवधियों को पहचान सकती है और उन समयों पर वोल्टेज स्तर को सुरक्षित रूप से कम कर सकती है, जिससे कुल मिलाकर लगभग 12 से 18 प्रतिशत ऊर्जा की बचत होती है। इसे 'पावर डिस्काउंटिंग' नामक एक अन्य तकनीक के साथ जोड़ने से परिणाम और भी बेहतर हो जाते हैं। पावर डिस्काउंटिंग में प्रोसेसर के अल्पकालिक अनुपयोग के दौरान कुछ माइक्रोसेकंड के लिए वोल्टेज में सूक्ष्म कमी की जाती है। इस संयोजन से कुछ मामलों में शिखर शक्ति उपयोग में अधिकतम 22 प्रतिशत की कमी आ सकती है। सर्वरों और उपकरणों से भरे शहरों के लिए, ऐसे अंतर्निर्मित दक्षता उपाय बहुत महत्वपूर्ण हैं। पारंपरिक शीतलन समाधान कई स्थितियों में अब पर्याप्त नहीं रह गए हैं, क्योंकि वे या तो अत्यधिक स्थान घेरते हैं या फिर उन्हें उचित रूप से स्थापित करने की लागत बहुत अधिक होती है।

सतत BTS तैनाती के लिए मॉड्यूल स्तर पर ऊर्जा-बचत रणनीतियों की तुलना करें

ऊर्जा बचत के दृष्टिकोणों को मॉड्यूलर घटकों में विभाजित करने से बेस ट्रांसीवर स्टेशन (BTS) को कुल मिलाकर काफी हरित बनाया जा सकता है। जब इंजीनियर डीसी-डीसी कन्वर्टर्स, डिजिटल कंट्रोलर्स और थर्मल प्रबंधन इकाइयों जैसी चीजों को अलग करते हैं, तो वे प्रत्येक भाग को अलग से सटीक रूप से समायोजित करने का अवसर प्राप्त करते हैं—जो कि पारंपरिक ऑल-इन-वन प्रणालियों के साथ संभव नहीं है। उदाहरण के लिए, स्तरीकृत शक्ति प्रबंधन को लें। स्थानीय उप-नियंत्रक मॉड्यूल स्तर पर दक्षता को सुनिश्चित करने के लिए मॉड्यूल्स को स्वतः नींद में जाने के समय को समायोजित करने जैसी तकनीकों का उपयोग करते हैं। इसी बीच, एक मुख्य नियंत्रक पूरी प्रणाली में शक्ति के संतुलन की देखरेख करता है। GSMA द्वारा 2023 में किए गए कुछ क्षेत्र परीक्षणों के अनुसार, यह व्यवस्था निष्क्रिय अवधि के दौरान बर्बाद होने वाली ऊर्जा को लगभग 19% तक कम कर देती है। प्रत्येक शक्ति मॉड्यूल को थर्मल रूप से अलग रखने से गर्मी के संपूर्ण उपकरण में फैलने से रोका जाता है। इसका अर्थ है कि हमें कम आक्रामक शीतलन समाधानों की आवश्यकता होती है, जिससे शीतलन लागत लगभग 30% तक कम हो जाती है। घटकों को अलग-अलग स्केल करने की क्षमता दीर्घकालिक योजना निर्माण के लिए एक और बड़ा लाभ है। जब कुछ विशिष्ट भाग भारी भार के तहत संघर्ष करने लगते हैं, तो नेटवर्क ऑपरेटरों को पूरी प्रणाली को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है। वे केवल उन समस्याग्रस्त क्षेत्रों—जैसे शिखर भार कन्वर्टर्स—को ही बदल सकते हैं। दस वर्षों में, यह प्रत्येक स्थान पर 8 से 12 टन इलेक्ट्रॉनिक कचरे की बचत करता है। ये सभी सुधार हार्डवेयर के लंबे समय तक चलने, कार्बन पदचिह्न को कम करने और उन्नत 5G प्रौद्योगिकी के साथ आने वाली किसी भी नई शक्ति मांग के लिए बेहतर तैयारी सुनिश्चित करने का मार्ग प्रशस्त करते हैं।