จะเลือกโมดูลพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับ BTS ได้อย่างไร?

ทำความเข้าใจข้อกำหนดของโมดูลจ่ายพลังงานสำหรับสถานีฐานในเครือข่าย 5G

เหตุใดภาระงานของสถานีฐานจึงต้องการประสิทธิภาพด้านพลังงานแบบไดนามิก

ภาระงานของสถานีฐาน 5G นั้นมีความผันแปรค่อนข้างมาก โดยมีการใช้พลังงานประมาณ 300 วัตต์เมื่อสถานีไม่ได้ให้บริการใดๆ เลย แต่อาจสูงกว่า 1,500 วัตต์ในช่วงเวลาที่มีปริมาณการใช้งานหนาแน่น ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนในการดำเนินงานสถานีเหล่านี้ รวมทั้งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย โครงสร้างเครือข่ายรุ่นเก่ากระจายความต้องการพลังงานแตกต่างออกไป เมื่อเทียบกับเทคโนโลยี 5G ซึ่งพึ่งพาสัญญาณคลื่นมิลลิเมตร (millimeter wave) และอาร์เรย์เสาอากาศขนาดใหญ่ที่เรียกว่า Massive MIMO อย่างมาก เทคโนโลยีใหม่เหล่านี้ทำให้ส่วนใหญ่ของการใช้พลังงานกระจุกตัวอยู่ที่ส่วนประกอบเฉพาะที่เรียกว่า หน่วยความถี่วิทยุ (radio frequency units) หรือเรียกย่อว่า AAUs ซึ่งส่วนประกอบเหล่านี้ใช้ไฟฟ้ามากกว่าครึ่งหนึ่งของปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในแต่ละสถานที่ เมื่อแหล่งจ่ายไฟเหล่านี้ไม่ได้ทำงานที่กำลังการผลิตเต็มที่ ก็มักจะสูญเสียพลังงานเป็นจำนวนมากเช่นกัน อาจสูญเสียพลังงานไปได้มากถึง 40% เมื่อระบบไม่ได้ทำงานภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุด นี่จึงเป็นเหตุผลที่โมดูลจ่ายไฟในปัจจุบันจำเป็นต้องสามารถปรับระดับประสิทธิภาพการใช้พลังงานให้สอดคล้องกับสภาพแวดล้อมจริงในขณะนั้น ผ่านระบบตรวจสอบแบบเรียลไทม์บางประเภท ทั้งนี้ โมดูลควรลดการใช้พลังงานลงในช่วงเวลาที่มีปริมาณการใช้งานต่ำ แต่ยังคงพร้อมที่จะเพิ่มกำลังการผลิตอย่างรวดเร็วทันทีที่มีความต้องการใช้ความสามารถของเครือข่ายเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน

ข้อจำกัดด้านความร้อนและความน่าเชื่อถือ: อุณหภูมิที่ขั้วต่อส่งผลต่ออายุการใช้งานของโมดูลกำลังอย่างไร

อุณหภูมิที่จุดต่อ (junction temperature) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่ออายุการใช้งานของโมดูลพลังงาน โดยสำหรับสารกึ่งตัวนำ ทุกๆ การเพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียสจากอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส จะทำให้อายุการใช้งานลดลงครึ่งหนึ่ง สถานีฐาน 5G แบบคอมแพ็กต์สร้างความท้าทายเป็นพิเศษต่อชิ้นส่วนที่ผลิตจากวัสดุ GaN และ SiC เนื่องจากก่อให้เกิดความเครียดทางความร้อนอย่างมาก การประมวลผลสัญญาณความถี่สูงร่วมกับการแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีประสิทธิภาพก่อให้เกิดปัญหา โดยเฉพาะเมื่อวิธีการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ (passive cooling) ถึงขีดจำกัดของตนเอง สถานการณ์เช่นนี้เร่งให้เกิดปัญหาการเคลื่อนย้ายของอิเล็กตรอน (electromigration) และทำให้วัสดุสึกกร่อนเร็วกว่าปกติ ตามข้อมูลจากการใช้งานจริง โมดูลพลังงานที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า 125 องศาเซลเซียส จะมีอัตราความล้มเหลวเพิ่มขึ้นประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์ต่อปี เมื่อเทียบกับโมดูลที่ควบคุมอุณหภูมิไว้ภายในช่วงปลอดภัย บริษัทที่นำกลยุทธ์การจัดการความร้อนอย่างชาญฉลาดมาใช้ เช่น การออกแบบฮีตซิงค์ที่ดีขึ้นและระบบระบายความร้อนด้วยอากาศที่ถูกบังคับ (forced air cooling systems) มักสามารถลดอุณหภูมิบริเวณจุดร้อน (hotspot temperatures) ได้เฉลี่ยประมาณ 22 องศาเซลเซียส การปรับปรุงเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยปกป้องชิ้นส่วนเท่านั้น แต่ยังลดความต้องการพลังงานสำหรับระบบระบายความร้อนลงได้ประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์ต่อปีอีกด้วย การหาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างประสิทธิภาพการทำงานกับการควบคุมอุณหภูมิยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่ง หากเราต้องการให้ระบบทั้งหลายนี้สามารถปฏิบัติงานได้อย่างเชื่อถือได้ในระยะเวลานานโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาอย่างเกินเหตุ

ประเมินประสิทธิภาพของโมดูลพลังงานภายใต้สภาวะการดำเนินงานจริงของสถานีฐาน (BTS)

การวัดโพรไฟล์พลังงานแบบไดนามิก: สภาวะไม่ทำงาน (Idle), สภาวะโหลดบางส่วน (Partial Load), และสภาวะโหลดสูงสุด (Peak Load) โดยใช้เกณฑ์อ้างอิงจาก 3GPP TR 36.814

เพื่อให้เข้าใจอย่างแท้จริงว่าโมดูลพลังงานทำงานได้ดีหรือไม่ เราจำเป็นต้องทดสอบมันผ่านสถานะการดำเนินงานหลักสามสถานะของ BTS ซึ่งอุตสาหกรรมยอมรับว่าเป็นมาตรฐาน ได้แก่ สถานะที่โมดูลอยู่นิ่งโดยไม่ทำอะไรเลย (โหมดไม่ใช้งาน), สถานะที่ทำงานที่ระดับปานกลางระหว่าง 40 ถึง 70% ของกำลังการผลิตสูงสุด (โหมดโหลดบางส่วน) และสถานะที่ทำงานเต็มกำลังที่ความจุผู้ใช้สูงสุด 100% (โหมดโหลดสูงสุด) มีมาตรฐานหนึ่งที่เรียกว่า 3GPP TR 36.814 ซึ่งให้เกณฑ์อ้างอิงที่ดีสำหรับการสร้างสถานการณ์การรับส่งข้อมูล 5G ที่สมจริง และรู้ไหมว่า? ความแตกต่างของการใช้พลังงานระหว่างโหมดเหล่านี้อาจสูงกว่า 60% ซึ่งถือว่ามีนัยสำคัญมาก ขณะที่ระบบอยู่ในโหมดไม่ใช้งาน โมดูลที่มีประสิทธิภาพจะยังคงรักษาฟังก์ชันควบคุมพื้นฐานไว้ให้ทำงานต่อไป แต่จะดึงกระแสไฟฟ้าน้อยลง จึงลดการสูญเสียพลังงานขณะอยู่นิ่ง การทดสอบภายใต้โหมดโหลดบางส่วนจะแสดงให้เห็นว่าการควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามารถรับมือกับการกระชากพลังงานเล็กน้อยได้ดีเพียงใด โดยไม่ก่อให้เกิดการสูญเสียจากการสลับสัญญาณ (switching losses) มากเกินไป ส่วนในโหมดโหลดสูงสุด เราจะตรวจสอบหาปัญหา เช่น การลดประสิทธิภาพเนื่องจากความร้อนสูงเกิน (thermal throttling) และปัญหาการแปลงพลังงาน เนื่องจากแบบออกแบบที่ไม่ดีอาจทำให้สูญเสียพลังงานมากกว่า 300 วัตต์ต่อชั่วโมง แม้แต่ขณะอยู่นิ่งก็ตาม การจำลองแบบ Hardware-in-the-Loop พิเศษจะช่วยตรวจสอบความมั่นคงเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน และป้องกันไม่ให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกิน (voltage overshoots) ซึ่งจะรบกวนประสิทธิภาพของระบบวิทยุ การทดสอบผ่านสถานะต่าง ๆ เหล่านี้ทั้งหมดจะทำให้มั่นใจได้ว่าโมดูลจะทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในเครือข่ายจริง ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนในการดำเนินงานและช่วยป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ร้อนจัด

ประเมินคุณสมบัติการจัดการพลังงานระดับฮาร์ดแวร์ในโมดูลจ่ายไฟของ BTS

โมดูลจ่ายไฟสำหรับสถานีฐานรุ่นใหม่ (BTS) แบบทันสมัยผสานรวมคุณสมบัติฮาร์ดแวร์ที่ออกแบบมาเฉพาะเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานแบบไดนามิกของเทคโนโลยี 5G — โดยรักษาสมดุลระหว่างความเร็วในการตอบสนอง ประสิทธิภาพ และความทนทานต่อความร้อน

ประสิทธิภาพโหมดสลีป: ความล่าช้าเทียบกับการประหยัดพลังงานในโมดูลจ่ายไฟที่ใช้สารกึ่งตัวนำชนิด GaN

เทคโนโลยีแกลเลียมไนไตรด์ช่วยให้สามารถสลับสถานะระหว่างโหมดทำงานกับโหมดพักแบบใช้พลังงานต่ำได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานเมื่อสถานีฐาน (Base Transceiver Stations) ไม่ได้ส่งสัญญาณอยู่จริง อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดอยู่ประการหนึ่ง คือ เมื่อระบบเข้าสู่โหมดพักลึก (Deep Sleep Mode) จะสามารถประหยัดพลังงานได้ประมาณ 70% แต่จะใช้เวลาประมาณ 5 ถึง 8 มิลลิวินาทีในการฟื้นคืนสู่สถานะทำงานอีกครั้ง ตรงข้ามกัน โหมดพักเบา (Light Sleep Mode) จะรักษาเวลาตอบสนองที่เกือบจะทันที (ต่ำกว่าหนึ่งมิลลิวินาที) ไว้ได้ แต่ไม่สามารถประหยัดพลังงานได้มากเท่าโหมดพักลึก ทั้งนี้ การสลับสถานะอย่างต่อเนื่องระหว่างโหมดต่าง ๆ เหล่านี้ ทำให้อุณหภูมิของชิ้นส่วนเพิ่มสูงขึ้นเนื่องจากวงจรความร้อนและการทำความเย็นซ้ำ ๆ ซึ่งส่งผลเสียต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาวด้วย ผู้ให้บริการเครือข่ายจึงจำเป็นต้องตัดสินใจกำหนดพารามิเตอร์โหมดพักเหล่านี้ให้สอดคล้องกับความต้องการหลักของสถานการณ์เฉพาะของตน เช่น บางรายอาจให้ความสำคัญกับเวลาตอบสนองที่รวดเร็วสุดขีดสำหรับบริการสื่อสารที่มีความน่าเชื่อถือสูงและมีความหน่วงต่ำเป็นพิเศษ (Ultra-Reliable Low-Latency Communication: URLLC) ขณะที่ผู้ให้บริการรายอื่นที่ดำเนินการสถานีฐานขนาดใหญ่ครอบคลุมพื้นที่กว้าง อาจให้ความสำคัญกับการประหยัดพลังงานสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แม้ว่าจะหมายถึงเวลาเริ่มต้นใช้งานที่ช้าลงเล็กน้อยก็ตาม

เทคนิคการปรับระดับแรงดันไฟฟ้าแบบปรับตัวได้และการลดกำลังไฟฟ้าเพื่อให้เกิดการลดสูงสุดถึง 22%

การปรับความถี่และแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก หรือที่เรียกกันสั้นๆ ว่า DVFS ทำงานโดยการปรับปรุงปริมาณพลังงานที่จ่ายให้กับโปรเซสเซอร์อย่างต่อเนื่อง ตามภาระงานที่กำลังดำเนินการอยู่ในขณะนั้น โดยระบบดังกล่าวยังสามารถทำนายภาระงานล่วงหน้าได้ จึงรู้ว่าจะมีช่วงเวลาที่ปริมาณข้อมูลไหลผ่านน้อยลง (ช่วงที่มีการใช้งานน้อย) และสามารถลดระดับแรงดันไฟฟ้าลงได้อย่างปลอดภัยในช่วงเวลานั้น ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานโดยรวมได้ประมาณ 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ การจับคู่เทคนิคนี้เข้ากับสิ่งที่เรียกว่า "การลดแรงดันไฟฟ้าเชิงพลังงาน" (power discounting) จะยิ่งเพิ่มประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นไปอีก ซึ่งการลดแรงดันไฟฟ้าเชิงพลังงานนั้นเกี่ยวข้องกับการลดแรงดันลงเล็กน้อยเป็นระยะเวลาเพียงไม่กี่ไมโครวินาที ในช่วงเวลาสั้นๆ ที่โปรเซสเซอร์ไม่ได้ทำงานอยู่ การรวมกันของสองเทคนิคนี้สามารถลดการใช้พลังงานสูงสุด (peak power usage) ลงได้มากถึง 22 เปอร์เซ็นต์ในบางกรณี สำหรับเมืองที่มีศูนย์ข้อมูลและอุปกรณ์จำนวนมาก เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพแบบบูรณาการเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะวิธีการระบายความร้อนแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้อีกต่อไปในหลายสถานการณ์ เนื่องจากอาจใช้พื้นที่มากเกินไป หรือมีค่าใช้จ่ายสูงเกินไปในการติดตั้งอย่างเหมาะสม

เปรียบเทียบกลยุทธ์การประหยัดพลังงานในระดับโมดูลสำหรับการติดตั้งสถานีฐานที่ยั่งยืน

การแยกแนวทางการประหยัดพลังงานออกเป็นส่วนประกอบแบบโมดูลาร์ ทำให้สถานีฐานทรานซีฟเวอร์ (Base Transceiver Stations) มีความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นโดยรวม เมื่อวิศวกรแยกส่วนต่าง ๆ เช่น คอนเวอร์เตอร์แบบ DC-DC ตัวควบคุมดิจิทัล และหน่วยจัดการความร้อนออกจากกัน พวกเขาจะสามารถปรับแต่งประสิทธิภาพของแต่ละส่วนได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ในระบบแบบบูรณาการทั้งหมด (all-in-one systems) แบบดั้งเดิม ยกตัวอย่างเช่น การจัดการพลังงานแบบชั้น (tiered power management) ซึ่งตัวควบคุมย่อยระดับท้องถิ่น (local sub-controllers) จะจัดการประสิทธิภาพที่ระดับโมดูลผ่านเทคนิคต่าง ๆ เช่น การปรับเวลาที่โมดูลเข้าสู่โหมดพัก (sleep mode) โดยอัตโนมัติ ในขณะเดียวกัน ก็มีตัวควบคุมหลัก (main controller) ที่ทำหน้าที่ควบคุมสมดุลการจ่ายพลังงานทั่วทั้งระบบ ตามผลการทดสอบภาคสนามบางรายการจาก GSMA ในปี 2023 การจัดวางระบบนี้ช่วยลดพลังงานสูญเปล่าในช่วงเวลาที่ระบบไม่ทำงาน (idle periods) ลงประมาณ 19% การรักษาให้แต่ละโมดูลจ่ายพลังงานแยกตัวทางความร้อน (thermally isolated) ยังช่วยป้องกันไม่ให้ความร้อนแพร่กระจายไปทั่วอุปกรณ์อีกด้วย ส่งผลให้เราสามารถใช้ระบบระบายความร้อนที่ไม่รุนแรงเท่าเดิม ซึ่งช่วยลดต้นทุนการระบายความร้อนลงประมาณ 30% ความสามารถในการปรับขนาดส่วนประกอบแต่ละส่วนแยกจากกันยังเป็นข้อได้เปรียบสำคัญอีกประการหนึ่งสำหรับการวางแผนระยะยาว ผู้ให้บริการเครือข่ายจึงไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนระบบโดยรวมทั้งหมดเมื่อส่วนใดส่วนหนึ่งเริ่มประสบปัญหาภายใต้ภาระงานหนัก แต่สามารถเปลี่ยนเฉพาะส่วนที่มีปัญหา เช่น คอนเวอร์เตอร์สำหรับโหลดสูงสุด (peak load converters) ได้เท่านั้น ตลอดระยะเวลาสิบปี วิธีนี้ช่วยประหยัดของเสียอิเล็กทรอนิกส์ได้ระหว่าง 8 ถึง 12 ตันต่อสถานที่หนึ่ง ทั้งหมดนี้ส่งผลให้อุปกรณ์มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ลดรอยเท้าคาร์บอน (carbon footprints) ลง และเตรียมความพร้อมได้ดีขึ้นสำหรับความต้องการพลังงานรูปแบบใหม่ที่จะเกิดขึ้นควบคู่ไปกับการพัฒนาเทคโนโลยี 5G