Hogyan válasszunk energiatakarékos teljesítménymodulokat BTS-hez?

Értsük meg a BTS teljesítménymodulok követelményeit a 5G hálózatokban

Miért igényelnek a bázisátviteli állomások munkaterhelései dinamikus teljesítményhatékonyságot

A 5G bázisállomások terhelése jelentősen változhat: amikor éppen semmit sem csinálnak, körülbelül 300 watt körül mozog, de forgalmas időszakokban akár 1500 watt fölé is emelkedhet. Ennek közvetlen hatása van az állomások üzemeltetési költségeire és környezeti lábnyomára. A régebbi hálózati felépítések eltérő módon osztják el az energiaigényüket a 5G-technológiához képest, amely erősen támaszkodik a milliméterhullámú jelekre és az úgynevezett Massive MIMO-nak (nagyméretű több-bemenetű-több-kimenetű) nevezett nagy antenna-tömbökre. Ezek az újabb technológiák az energiafogyasztás túlnyomó részét specifikus egységekbe – az úgynevezett rádiófrekvenciás egységekbe (RF egységek) vagy rövidítve AAU-kba – koncentrálják, és ezek az alkatrészek egy-egy helyszínen az összes felhasznált elektromos energiának több mint felét fogyasztják. Amikor ezek az áramellátó rendszerek nem teljes kapacitással működnek, szintén jelentős energiaveszteséget okoznak – például optimális üzemmód hiányában akár az energia 40%-a is elveszhet. Ezért a mai teljesítménymoduloknak képesnek kell lenniük arra, hogy valamilyen valós idejű figyelőrendszer segítségével az aktuális körülményekhez igazítsák a hatásfokukat. Csendes időszakokban csökkenteniük kell az energiafelhasználást, ugyanakkor készen kell állniuk arra, hogy azonnal maximális teljesítményre kapcsoljanak, ha váratlanul megnő a hálózati kapacitás iránti igény.

Hőmérsékleti korlátozások és megbízhatóság: Hogyan befolyásolja a csomóponti hőmérséklet a teljesítménymodul élettartamát

A csatlakozási hőmérséklet döntő szerepet játszik a teljesítménymodulok élettartamának meghatározásában. A félvezetők esetében minden 10 °C-os hőmérséklet-emelkedés a 100 °C felett a várható élettartamot felére csökkenti. A kompakt 5G bázisállomások különösen nagy kihívást jelentenek a GaN- és SiC-alkotóelemek számára, mivel jelentős hőterhelést okoznak. A magas frekvenciás jelfeldolgozás és az hatékonytalan feszültségátalakítás együttesen problémákat eredményez, különösen akkor, amikor a passzív hűtési módszerek elérnek határukhoz. Ez a helyzet gyorsítja az elektromigrációs problémákat, és gyorsabb anyagkopást eredményez. Térbeli adatok szerint a 125 °C-nál melegebb üzemelő teljesítménymodulok éves meghibásodási aránya körülbelül 35 százalékkal magasabb, mint azoké, amelyek biztonságos hőmérsékleti tartományban működnek. Amikor a vállalatok intelligens hőkezelési stratégiákat vezetnek be – például jobb hőelvezető tervekkel és kényszerített levegőhűtéses rendszerekkel –, általában a forró pontok hőmérsékletét átlagosan körülbelül 22 °C-kal csökkentik. Ezek a javulások nemcsak a komponensek védelmét szolgálják, hanem évente körülbelül 18 százalékkal csökkentik a hűtéshez szükséges energiát is. A teljesítmény és a hőmérséklet-szabályozás közötti megfelelő egyensúly megtalálása továbbra is döntő fontosságú, ha ezeket a rendszereket hosszú távon megbízhatóan, túlzott karbantartási költségek nélkül szeretnénk működtetni.

Teljesítménymodul-hatékonyság értékelése a valós világbeli BTS üzemállapotokban

Dinamikus teljesítményprofilok mérése: alvó, részterheléses és csúcsterheléses üzemmód 3GPP TR 36.814 szabványok szerint

Ahhoz, hogy valóban megállapítsuk, működik-e jól egy teljesítménymodul, három fő BTS üzemállapotban kell tesztelnünk, amelyeket az iparág elismert: amikor éppen csak ott ül, és semmit nem csinál (alvó üzemmód), közepes terhelésen működik, 40–70%-os kapacitás között (részterhelés), illetve maximális, teljes 100%-os felhasználói kapacitáson (csúcs terhelés). Létezik egy 3GPP TR 36.814 szabvány, amely jó alapértékeket biztosít a valószerű 5G forgalmi forgatókönyvek létrehozásához. És tudják, mi? Az energiafogyasztás különbsége ezen üzemmódok között több mint 60%-ot is elérhet, ami elég jelentős. Amikor a rendszer alvó üzemmódban van, az hatékony modulok fenntartják az alapvető vezérlési funkciókat, de nem vonnak le túl sok áramot, így csökkentik az álló helyzetben pazarlott energiát. A részterhelés alatti tesztelés azt mutatja meg, mennyire képes a feszültségszabályozás kezelni a kisebb teljesítménycsúcsokat anélkül, hogy túl sok kapcsolási veszteség keletkezne. A csúcs terhelésnél olyan problémákat keressünk, mint a hőmérsékletvezérelt teljesítménycsökkenés (thermal throttling) és a feszültségátalakítási problémák, mivel rossz tervezésű modulok akár óránként 300 watt fölötti energiát is pazarolhatnak pusztán álló helyzetben. Speciális Hardver-a-hurokban (Hardware-in-the-Loop) szimulációk segítenek ellenőrizni a stabilitást hirtelen változások esetén, megakadályozva a feszültség túllendüléseket (overshoots), amelyek zavarják a rádió teljesítményét. Mindezek az üzemmódok átvizsgálása biztosítja, hogy a modulok hatékonyan működjenek a valós hálózatokban – ez közvetlenül befolyásolja az üzemeltetési költségeket, és megakadályozza a berendezések túlmelegedését.

A BTS teljesítménymodulok hardver szintű energiagazdálkodási funkcióinak értékelése

A modern bázisállomás-adóvevő (BTS) teljesítménymodulok célzottan kifejlesztett hardverfunkciókat integrálnak a 5G dinamikus teljesítményigényeinek kielégítésére – az üzemkészség, a hatékonyság és a hőmérsékleti ellenállás egyensúlyának biztosításával.

Alvó üzemmód teljesítménye: késleltetés vs. energia-megtakarítás GaN-alapú teljesítménymodulokban

A gallium-nitrid (GaN) technológia lehetővé teszi a gyors kapcsolást az aktív és az alacsony fogyasztású alvó állapotok között, ami csökkenti az energiaveszteséget, amikor az alapállomások nem aktívan továbbítanak jeleket. Van azonban egy buktató. Amikor a rendszerek mélyalvó üzemmódba lépnek, körülbelül 70%-os energiamegtakarítást érhetnek el, de ekkor kb. 5–8 milliszekundumnyi időre van szükségük, hogy újra felébredjenek. Másrészről az enyhe alvó üzemmód fenntartása majdnem azonnali válaszidőt biztosít (egy milliszekundumnál rövidebbet), de kevesebb energiát takarít meg. Ezek a folyamatos állapotváltások valójában emelik a komponensek hőmérsékletét a fűtési és hűtési ciklusok miatt, ami hosszú távon szintén kedvezőtlen a megbízhatóságra nézve. A hálózatüzemeltetőknek dönteniük kell arról, hogyan állítsák be ezeket az alvási paramétereket, attól függően, mi a legfontosabb számukra adott helyzetükben. Egyesek például szupergyors válaszidőt igényelhetnek a küldetés-kritikus, extrém megbízható, alacsony késleltetésű kommunikációs szolgáltatásokhoz, míg mások – akik nagy lefedettségi területet ellátó tornyokat üzemeltetnek – valószínűleg inkább a maximálisan elérhető energiamegtakarításra törekednek, még ha ez kissé lassabb indítási időt is jelent.

Adaptív feszültség-szabályozás és teljesítmény-kedvezményezési technikák akár 22%-os csúcsfogyasztás-csökkentés érdekében

A dinamikus feszültség-frekvencia-skálázás (rövidítve DVFS) úgy működik, hogy folyamatosan igazítja a processzorokhoz juttatott teljesítményt az alapján, hogy az adott pillanatban pontosan mit végeznek. Ez a rendszer előre is figyeli a terhelési mintákat, így képes felismerni a forgalom csökkentésével járó nyugalmi időszakokat, és biztonságosan lecsökkenteni a feszültségszintet ezekben az időszakokban, ami összességében körülbelül 12–18 százalékos energia-megtakarítást eredményez. Ennek a megoldásnak a „teljesítmény-kedvezményezés” néven ismert eljárással való kombinálása tovább javítja az eredményt. A teljesítmény-kedvezményezés során a processzor rövid, mikroszekundumos szüneteiben apró, átmeneti feszültségcsökkenéseket hajtanak végre. Ezen megoldások együttes alkalmazása egyes esetekben akár 22 százalékkal is csökkentheti a csúcsteljesítmény-felhasználást. A szerverekkel és berendezésekkel telepített városokban ilyen beépített hatékonyságnövelő intézkedések különösen fontosak. A hagyományos hűtési megoldások sok helyzetben már nem elegendők, mivel vagy túl nagy helyet igényelnek, vagy egyszerűen túl költségesek a megfelelő telepítésükhöz.

Az energia-megtakarítási stratégiák összehasonlítása modulszinten a fenntartható BTS-telepítés érdekében

Az energia-megtakarítási megközelítések moduláris egységekre bontása lényegesen „zöldebbé” teszi az alapállomásokat (BTS). Amikor a mérnökök különválasztják például a DC-DC átalakítókat, a digitális vezérlőegységeket és a hőkezelési egységeket, akkor lehetőségük nyílik az egyes részek külön-külön finomhangolására – amire a hagyományos, egységesen integrált rendszerekben nincs lehetőség. Vegyük például a szintezett teljesítménykezelést: a helyi alvezérlők a modulszinten optimalizálják a hatékonyságot, például automatikusan szabályozva, mikor lépnek alvó üzemmódba az egyes modulok. Ugyanakkor egy fővezérlő egység gondoskodik a teljes rendszeren belüli teljesítményelosztásról. A GSMA 2023-as mezővizsgálatai szerint ez a megoldás az üresjárat idején keletkező energiapazarlást körülbelül 19%-kal csökkenti. Az egyes teljesítménymodulok hőtechnikai elkülönítése megakadályozza a hő terjedését az egész berendezésen belül. Ennek következtében kevesebb intenzív hűtésre van szükség, így a hűtési költségek körülbelül 30%-kal csökkennek. A komponensek különálló méretezhetősége további nagy előnyt jelent a hosszú távú tervezés szempontjából. A hálózati üzemeltetőknek nem kell az egész rendszert kicserélniük, ha egyes részek túlterhelés alatt kezdenek problémákat okozni; elegendő csak az érintett részeket – például a csúcsfogyasztásra képes átalakítókat – cserélniük. Tíz év alatt ez egy helyszínen 8–12 tonna elektronikai hulladék megtakarítását eredményezi. Mindezen fejlesztések hosszabb élettartamú hardvert, alacsonyabb szén-lábnyomot és jobb felkészültséget biztosítanak a jövőbeni, az új 5G-technológia fejlődésével együtt megjelenő teljesítményigények kezelésére.