BTS үшін энергиялық тиімді қуат модульдерін қалай таңдау керек?

5G желілеріндегі BTS қуатты модульдерінің талаптарын түсіну

Неге базалық таратқыш-қабылдағыш станциясының жұмыс көлемі динамикалық қуат тиімділігін талап етеді

5G базалық станцияларындағы жұмыс көлемі әртүрлі болады: олар ештеңе істемей тұрған кезде шамамен 300 Вт-тан бастап, кейде жоғары жүктеме кезінде 1500 Вт-тан асады. Бұл станциялардың жұмыс істеу құны мен олардың қоршаған ортаға тигізетін әсеріне тікелей әсер етеді. Ескі желілердің қуат тұтынуы 5G технологиясымен салыстырғанда басқаша таратылады; 5G технологиясы миллиметрлік толқындарға және «Massive MIMO» деп аталатын үлкен антенналық массивтерге негізделген. Бұл жаңа технологиялар қуат тұтынуын негізінен радиожиіліктік құрылғылар (RF құрылғылары) немесе қысқартылған атауымен — ААУ (активті антенналық құрылғылар) деп аталатын нақты бөліктерге шоғырландырады, және осы компоненттер әрбір объектідегі электр энергиясының жартысынан астамын тұтырады. Қуат көздері толық қуатта жұмыс істемейтін кезде олар да көп энергия шығындарына әкеледі — мысалы, оптималды жағдайларда жұмыс істемеген кезде шамамен 40% энергия жоғалады. Сондықтан қазіргі заманғы қуат модульдері қазіргі жағдайларға сәйкес өз тиімділік деңгейлерін қандай да бір нақты уақытта бақылау жүйесі арқылы реттеуі қажет. Олар тыныш кезеңдерде энергия тұтынуын азайтуы керек, бірақ желі қуатына қатты қажеттілік пайда болған кезде тез әрекетке көшуге дайын болуы керек.

Жылулық шектеулер мен сенімділік: Тұйықталу температурасы қуатты модульдің қызмет ету мерзіміне қалай әсер етеді

Тоқтық модульдарының қанша уақыт жұмыс істеуін анықтауда қосылу температурасы негізгі рөл атқарады. Жартылай өткізгіштер үшін 100 °C-тан асатын әрбір 10 °C температура көтерілуі олардың күтілетін қызмет ету мерзімін екі есе қысқартады. Компактты 5G базалық станциялары GaN және SiC компоненттері үшін ерекше қиындықтар туғызады, себебі олар қатты жылулық кернеу туғызады. Жоғары жиілікті сигналды өңдеу мен тиімсіз кернеу түрлендіруі проблемаларға әкеледі, әсіресе пассивті салқындату әдістері өз шектеріне жеткен кезде. Бұл жағдай электромиграция мәселелерін жеделдетеді және материалдардың тезірек тозуына әкеледі. Сала бойынша деректерге сүйенсек, 125 °C-тан жоғары температурада жұмыс істейтін тоқтық модульдар қауіпсіз температура ауқымында ұсталатын модульдарға қарағанда жылына шамамен 35 пайызға көп ақауларға ұшырайды. Компаниялар жақсартылған жылулық басқару стратегияларын (мысалы, жақсартылған жылу шашуыштарының конструкциясы мен мәжбүрлі ауа салқындату жүйелері) енгізген кезде олар әдетте орташа шамамен 22 °C-қа дейін горячие точки температурасын төмендетеді. Бұл жақсартулар компоненттерді қорғаумен қатар салқындату үшін қажетті энергияны жылына шамамен 18 пайызға азайтады. Осы жүйелерді ұзақ мерзімге сенімді түрде, артық қолданыс шығындарынсыз жұмыс істету үшін өнімділік пен температураны бақылау арасындағы дұрыс тепе-теңдікті табу әлі де маңызды болып қала береді.

Қуаттық модулінің тиімділігін нақты әлемдегі BTS жұмыс күйлері бойынша бағалау

Динамикалық қуаттық профильдерді өлшеу: 3GPP TR 36.814 бағдарламалық үлгілерін пайдаланып, тыныштық, жартылай жүктеме және ең жоғары жүктеме кезіндегі қуат

Қуат модулінің жақсы жұмыс істейтінін нақты білу үшін оны өнеркәсіпте мойындалған үш негізгі BTS жұмыс күйі арқылы сынауымыз керек: ол әдетте ештеңе істемей тұрған кезде (тіршілік әрекеті жоқ күй), 40–70% қуат қабілеті аралығында орта деңгейде жұмыс істеген кезде (бөлшекті жүктеме) және толық 100% пайдаланушы қабілетінде максималды жұмыс істеген кезде (шыңдық жүктеме). Бұл қатарда 5G трафигінің нақты сценарийлерін құру үшін жақсы бағдарламалық негіздер беретін 3GPP TR 36.814 стандарты бар. Ал қандай ғажап? Осы режімдер арасындағы энергия тұтынуы айырмашылығы 60%-дан асады, бұл өте маңызды көрсеткіш. Жүйе тіршілік әрекеті жоқ күйде болғанда, тиімді модульдар қажетті басқару функцияларын қамтамасыз етеді, бірақ токты көп тартпайды, сондықтан тыныштық кезіндегі энергия шығынын азайтады. Бөлшекті жүктеме кезіндегі сынау модульдің кіші қуат шығындарымен қалай тасымалданатынын, сонымен қатар артық қосу-өшіру шығындарын тудырмай, кернеу реттеуінің қалай жұмыс істейтінін көрсетеді. Шыңдық жүктеме кезінде біз жылулық тежелу мен трансформациялық ақауларды іздейміз, себебі нашар жобаланған модульдер әр сағат сайын 300 Вт-тан астам қуатты тек тұрып қана жоғалтуы мүмкін. Арнайы Hardware-in-the-Loop (құрылғы-цикл ішіндегі) имитациялары жанама өзгерістер кезінде тұрақтылықты тексеруге көмектеседі және радио жұмысын бұзатын кернеу артысуын тоқтатады. Барлық осы әртүрлі жағдайлар арқылы өтудің нәтижесінде модульдер нақты желілерде тиімді жұмыс істейді, бұл тікелей операциялық шығындарға әсер етеді және жабдықтың қызуын болдырмауға көмектеседі.

BTS қуаттылық модульдеріндегі аппараттық деңгейдегі қуат басқару мүмкіндіктерін бағалау

Қазіргі заманғы базалық таратқыш-қабылдағыш станциясының қуат модульдері 5G-тің динамикалық қуат талаптарын қанағаттандыру үшін арнайы жасалған аппараттық мүмкіндіктерді интеграциялайды — жауап беру қабілеті, пайдалы әсер коэффициенті және жылуға төзімділік арасында тепе-теңдік орнатады.

Ұйықтау режимінің өнімділігі: GaN негізіндегі қуат модульдерінде кешігу уақыты мен энергия үнемдеу арасындағы қатынас

Галлий нитридінің технологиясы базалық тарату станциялары сигналдарды белсенді түрде таратпайтын кезде шығындалатын энергияны азайтуға көмектесетін белсенді және төмен қуатты ұйқы режимдері арасында жылдам ауысуға мүмкіндік береді. Бірақ бұған бір шарт бар. Жүйелер терең ұйқы режиміне кірген кезде олар шамамен 70% энергия үнемдей алады, бірақ қайта оянуға 5–8 миллисекунд уақыт кетеді. Алайда, жүйелерді жеңіл ұйқы режимінде ұстау бір миллисекундтан кем болатын тез реакция уақытын қамтамасыз етеді, бірақ энергия үнемдеу деңгейі төмен болады. Бұл әртүрлі режимдер арасындағы тұрақты ауысу компоненттердің температурасын қызу мен салқындату циклдары салдарынан көтереді, бұл ұзақ мерзімді сенімділік үшін де қолайлы емес. Желі операторлары өзінің нақты жағдайлары үшін маңызды болатын факторларға сүйене отырып, осы ұйқы параметрлерін қалай орнату керектігін шешуі керек. Кейбір операторлар миссиялық маңызы жоғары, өте сенімді және төмен кідірісі бар байланыс қызметтері үшін супер тез реакция қажет етуі мүмкін, ал басқалары – егер бұл сәл баяу іске қосылу уақытын білдірсе де – максималды мүмкін болатын энергия үнемдеуге көбірек назар аударуы мүмкін, әсіресе үлкен аумақты қамтитын тарату мұнараларын басқарған кезде.

Бапталатын кернеу масштабтауы меншікті қуаттың жеңілдетілуі техникасы – шыңдық тұтысуын 22% дейін азайтуға мүмкіндік береді

Динамикалық кернеу-жиілік масштабтау, немесе қысқаша DVFS — бұл процессорларға олар әрбір уақытта нақты не істеп жатқанына қарай қанша қуат берілетінін тұрақты түрде реттеу арқылы жұмыс істейді. Бұл жүйе сонымен қатар жұмыс жүктемелерін алдын ала қарастырады, сондықтан деректер ағынында тыныш кезеңдер болатынын біледі және осы кезде кернеуді қауіпсіз төмендетіп, жалпы энергия шығынын шамамен 12–18 пайызға үнемдейді. Бұған «қуат жеңілдетуі» деп аталатын әдісті қосу нәтижесі тағы да жақсарылады. Қуат жеңілдетуі — бұл процессор қысқа мерзімге (микросекундтар деңгейінде) бос болған кезде кернеуді өте аздап төмендету болып табылады. Бұл екі әдістің үйлесімі кейбір жағдайларда пик қуат тұтынуын 22 пайызға дейін қысқартады. Серверлер мен жабдықтарға толы қалалар үшін мұндай ішкі тиімділік шаралары өте маңызды. Көптеген жағдайларда дәстүрлі суыту шешімдері қазір қолданысқа жарамайды, себебі олар не көп орын алады, не дұрыс орнату үшін өте көп қаржы қажет етеді.

Тұрақты BTS орнату үшін модульдік деңгейде энергияны үнемдеу стратегияларын салыстыру

Энергияны үнемдеу тәсілдерін модульді компоненттерге бөлу базалық тарату станцияларын жалпы алғанда көпке дейін экологиялық таза етеді. Инженерлер тұрақты ток-тұрақты ток түрлендіргіштер, цифрлық басқарушылар және жылу басқару құрылғылары сияқты элементтерді бөлек қарастырған кезде, олар әрбір бөлікті жеке-жеке дәл реттеу мүмкіндігін алады — бұл әдеттегі біртұтас жүйелерде мүмкін емес. Мысалы, деңгейлік қуат басқару жүйесін қарастырайық. Жергілікті ішкі басқарушылар модульдің деңгейінде қуаттың тиімділігін қамтамасыз етеді, мысалы, модульдардың автоматты түрде ұйықтау режиміне көшу уақытын реттеу арқылы. Бір уақытта негізгі басқарушы барлық жүйедегі қуаттың тепе-теңдігін бақылайды. 2023 жылы GSMA өткізген кейбір алаңдық сынақтары бойынша, бұл жүйе қуаттың пайдаланылмаған кезеңдеріндегі энергия шығынын шамамен 19% қысқартады. Әрбір қуат модулін жылулық тұрғыдан бөлек ұстау жылуының құрылғы бойымен таралуын да тоқтатады. Бұл бізге салыстырмалы түрде жеңіл суыту шешімдерін қолдануға мүмкіндік береді, нәтижесінде суыту шығындары шамамен 30% азаяды. Компоненттерді жеке-жеке масштабтау мүмкіндігі — ұзақ мерзімді жоспарлау үшін тағы бір үлкен артықшылық. Желі операторлары белгілі бір бөліктер ауыр жүктемеге төтеп беруге қинала бастаған кезде бүкіл жүйені алмастыруға мәжбүр емес. Олар тек проблемалы аймақтарды, мысалы, пик жүктеме түрлендіргіштерін ғана ауыстырады. Он жыл ішінде бұл әрбір орналасу орнында электрондық қалдықты 8–12 тоннаға азайтады. Барлық осы жақсартулар аппараттық құралдардың қызмет ету мерзімін ұзартады, көміртекті із қалдыруын төмендетеді және 5G технологиясының дамуымен бірге пайда болатын келешектегі қуат талаптарына дайындықты жақсартады.