Jak wybrać energooszczędne moduły zasilania dla stacji bazowych (BTS)?

Zrozumienie wymagań dotyczących modułów zasilania stacji bazowych w sieciach 5G

Dlaczego obciążenia stacji bazowych wymagają dynamicznej wydajności energetycznej

Obciążenie stacji bazowych sieci 5G w rzeczywistości znacznie się waha — od około 300 watów, gdy stacje pozostają bezczynne, po ponad 1500 watów w godzinach szczytu ruchu. Ma to bezpośredni wpływ na koszty eksploatacji tych stacji oraz na ich wpływ na środowisko. Starsze konfiguracje sieci rozkładają zapotrzebowanie na energię inaczej niż technologia 5G, która opiera się w dużej mierze na sygnałach fal milimetrowych oraz dużych układach antenowych zwanych Massive MIMO. Nowsze technologie koncentrują większość zużycia energii w określonych elementach, znanych jako jednostki częstotliwości radiowej (RFU) lub – w skrócie – jednostki AAU, które zużywają ponad połowę całej energii elektrycznej zużywanej w każdej lokalizacji stacji. Gdy zasilacze te nie pracują w pełni wydajnie, również tracą dużo energii — przy nieoptymalnej pracy straty mogą sięgać nawet 40%. Dlatego współczesne moduły zasilania muszą dostosowywać swój poziom sprawności do aktualnych warunków za pośrednictwem systemu monitoringu w czasie rzeczywistym. Powinny one ograniczać zużycie energii w okresach niskiego ruchu, ale nadal być gotowe do natychmiastowego przełączenia się na pełną moc w przypadku nagłego wzrostu zapotrzebowania na przepustowość sieci.

Ograniczenia termiczne i niezawodność: wpływ temperatury złącza na czas życia modułu mocy

Temperatura węzła odgrywa kluczową rolę przy określaniu czasu trwałości modułów mocy. W przypadku półprzewodników każde podwyższenie temperatury o 10 °C powyżej 100 °C skraca ich przewidywaną żywotność o połowę. Kompaktowe stacje bazowe 5G stwarzają szczególne wyzwania dla komponentów z azotku galu (GaN) i węglika krzemu (SiC), ponieważ generują one znaczne obciążenie termiczne. Przetwarzanie sygnałów wysokiej częstotliwości w połączeniu z nieefektywną konwersją napięcia powoduje problemy, zwłaszcza gdy metody chłodzenia pasywnego osiągają swoje granice. Sytuacja ta przyspiesza zjawisko elektromigracji oraz szybsze zużycie materiałów. Dane z eksploatacji wskazują, że moduły mocy pracujące w temperaturach przekraczających 125 °C wykazują około 35-procentowy wzrost liczby awarii rocznie w porównaniu do tych, które są utrzymywane w bezpiecznym zakresie temperatur. Gdy firmy wprowadzają inteligentne strategie zarządzania ciepłem, takie jak ulepszone konstrukcje radiatorów i systemy chłodzenia wymuszanego przepływu powietrza, średnio obniżają temperaturę obszarów gorących o około 22 °C. Takie ulepszenia nie tylko chronią komponenty, ale także zmniejszają zapotrzebowanie na energię chłodzącą o około 18% rocznie. Znalezienie odpowiedniej równowagi między wydajnością a kontrolą temperatury pozostaje kluczowe, jeśli chcemy, aby te systemy działały niezawodnie przez dłuższy czas bez nadmiernych kosztów konserwacji.

Ocenianie wydajności modułu zasilania w rzeczywistych stanach pracy stacji bazowych BTS

Pomiar dynamicznych charakterystyk mocy: stan bezczynności, częściowe obciążenie i maksymalne obciążenie przy użyciu standardów 3GPP TR 36.814

Aby rzeczywiście ocenić, czy moduł zasilania działa dobrze, należy przetestować go w trzech głównych stanach pracy systemów BTS uznawanych przez branżę: gdy po prostu czeka i nic nie robi (stan bezczynności), gdy działa na średnim poziomie mocy, tj. w zakresie od 40 do 70% swojej zdolności (częściowy obciążenie), oraz gdy pracuje na pełnej, 100% zdolności użytkownika (szczytowe obciążenie). Istnieje standard 3GPP TR 36.814, który dostarcza nam wiarygodnych punktów odniesienia do tworzenia realistycznych scenariuszy ruchu 5G. A co ciekawe? Różnice w zużyciu energii pomiędzy tymi trybami mogą przekraczać 60%, co jest dość istotne. W stanie bezczynności wydajne moduły zapewniają działanie niezbędnych funkcji sterujących, ale nie pobierają nadmiernego prądu, dzięki czemu ograniczają marnowanie energii w czasie postoju. Testy przy częściowym obciążeniu pozwalają ocenić, jak dobrze regulacja napięcia radzi sobie z niewielkimi skokami mocy, nie powodując przy tym nadmiernych strat przełączaniowych. W przypadku szczytowego obciążenia skupiamy się na problemach takich jak ograniczanie mocy z powodu przegrzania (thermal throttling) oraz problemy z konwersją energii, ponieważ słabe projekty mogą marnować ponad 300 watogodzin co godzinę już w stanie postoju. Specjalne symulacje typu Hardware-in-the-Loop (HiL) pozwalają sprawdzić stabilność układu przy nagłych zmianach warunków pracy, zapobiegając przekroczeniom napięcia, które negatywnie wpływają na wydajność radiową. Przeprowadzenie testów we wszystkich tych różnych stanach zapewnia, że moduły działają wydajnie w rzeczywistych sieciach, co ma bezpośredni wpływ na koszty eksploatacji oraz zapobiega przegrzewaniu sprzętu.

Ocena funkcji zarządzania energią na poziomie sprzętu w modułach zasilania BTS

Nowoczesne moduły zasilania stacji bazowych integrują dedykowane funkcje sprzętowe, aby spełnić dynamiczne wymagania dotyczące mocy w sieciach 5G — zapewniając równowagę między szybkością reakcji, wydajnością i odpornością termiczną.

Wydajność trybu uśpienia: opóźnienie vs. oszczędności energii w modułach zasilania opartych na azotku galu (GaN)

Technologia azotku galu umożliwia szybkie przełączanie się między aktywnym stanem a trybem uśpienia o niskim poborze mocy, co przyczynia się do ograniczenia marnowania energii, gdy stacje bazowe nie przesyłają aktywnie sygnałów. Istnieje jednak pewien haczyk. Gdy systemy przechodzą w głęboki tryb uśpienia, mogą oszczędzić około 70% energii, ale potrzebują wówczas około 5–8 milisekund na ponowne obudzenie się. Z drugiej strony pozostawanie w lekkim trybie uśpienia zapewnia niemal natychmiastową czasową odpowiedź poniżej jednej milisekundy, ale pozwala zaoszczędzić znacznie mniej energii. Te ciągłe przełączenia między poszczególnymi stanami powodują w rzeczywistości wzrost temperatury komponentów z powodu cykli nagrzewania i ochładzania, co również niekorzystnie wpływa na długoterminową niezawodność urządzeń. Operatorzy sieci muszą zdecydować, jak ustawić parametry uśpienia, kierując się priorytetami wynikającymi ze specyfiki ich konkretnego przypadku użycia. Niektórzy mogą preferować maksymalnie szybką odpowiedź dla krytycznych pod względem bezpieczeństwa usług komunikacji o bardzo niskiej opóźnieniowej i wysokiej niezawodności, podczas gdy inni operatorzy, obsługujący wieże o dużym zasięgu, prawdopodobnie będą bardziej skupieni na maksymalnym możliwym oszczędzaniu energii, nawet jeśli oznacza to nieco dłuższy czas uruchamiania.

Adaptacyjne skalowanie napięcia i techniki obniżania mocy umożliwiające redukcję szczytowej wartości o do 22%

Dynamic Voltage-Frequency Scaling (DVFS), czyli dynamiczne skalowanie napięcia i częstotliwości, działa poprzez ciągłe dostosowywanie ilości energii dostarczanej do procesorów w zależności od ich rzeczywistego obciążenia w danej chwili. System ten również przewiduje obciążenie w przyszłości, dzięki czemu potrafi rozpoznać okresy spadku ruchu danych i bezpiecznie obniżyć wówczas poziom napięcia, oszczędzając w sumie około 12–18 procent energii. Połączenie tej metody z tzw. rabatem mocy daje jeszcze lepsze efekty. Rabat mocy polega na wprowadzaniu bardzo krótkotrwałych, trwających zaledwie mikrosekundy obniżeń napięcia w chwilach, gdy procesor nie jest aktywny. Dzięki temu połączeniu szczytowe zużycie mocy może zostać zmniejszone nawet o 22 procent w niektórych przypadkach. Dla miast pełnych serwerów i sprzętu takie wbudowane mechanizmy zwiększania efektywności mają ogromne znaczenie. Tradycyjne rozwiązania chłodzące już nie spełniają swojej roli w wielu sytuacjach, ponieważ zajmują zbyt dużo miejsca lub po prostu są zbyt kosztowne w prawidłowej instalacji.

Porównanie strategii oszczędzania energii na poziomie modułu w celu zrównoważonego wdrożenia stacji bazowych (BTS)

Rozbicie podejść do oszczędzania energii na modułowe komponenty czyni stacje bazowe znacznie bardziej ekologicznymi w ujęciu ogólnym. Gdy inżynierowie oddzielają od siebie takie elementy jak konwertery DC-DC, sterowniki cyfrowe oraz jednostki zarządzania ciepłem, uzyskują możliwość precyzyjnej optymalizacji każdego z tych komponentów osobno — czego nie można osiągnąć w przypadku tradycyjnych, całofunkcyjnych systemów. Weźmy na przykład wielopoziomowe zarządzanie energią. Lokalne podsterowniki zapewniają efektywność na poziomie poszczególnych modułów, stosując techniki takie jak automatyczne wprowadzanie modułów w stan uśpienia. Jednocześnie główny sterownik odpowiada za równoważenie rozdziału mocy w całym systemie. Zgodnie z niektórymi testami polowymi przeprowadzonymi przez GSMA w 2023 roku, takie rozwiązanie zmniejsza zużycie nadmiarowej energii w okresach postoju o około 19%. Termiczne izolowanie poszczególnych modułów zasilania zapobiega rozprzestrzenianiu się ciepła w obrębie całego sprzętu. Oznacza to, że można stosować mniej intensywne rozwiązania chłodzące, co obniża koszty chłodzenia o około 30%. Możliwość niezależnego skalowania poszczególnych komponentów stanowi kolejną istotną zaletę przy długoterminowym planowaniu. Operatorzy sieci nie muszą wymieniać całych systemów, gdy niektóre ich części zaczynają mieć problemy z radzeniem sobie z dużymi obciążeniami. Wystarczy zastąpić wyłącznie te problematyczne obszary, np. konwertery przeznaczone do obsługi szczytowych obciążeń. W skali dziesięciu lat oszczędza to od 8 do 12 ton odpadów elektronicznych na jedno miejsce instalacji. Wszystkie te usprawnienia przekładają się na dłuższą żywotność sprzętu, mniejszy ślad węglowy oraz lepszą gotowość do spełnienia nowych wymagań energetycznych wynikających z rozwoju technologii 5G.