Làm thế nào để chọn các mô-đun nguồn tiết kiệm năng lượng cho BTS?

Hiểu rõ yêu cầu đối với mô-đun nguồn của trạm gốc trong mạng 5G

Tại sao khối lượng công việc của trạm gốc phát thu đòi hỏi hiệu suất nguồn động

Tải công suất trên các trạm gốc 5G thực tế dao động khá lớn, từ khoảng 300 watt khi chúng chỉ ở trạng thái chờ, không xử lý bất kỳ tác vụ nào, lên tới hơn 1500 watt trong những giờ cao điểm. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành các trạm này cũng như mức độ tác động môi trường mà chúng gây ra. Các cấu hình mạng cũ phân bổ nhu cầu điện năng theo cách khác biệt so với công nghệ 5G — vốn phụ thuộc mạnh vào tín hiệu sóng milimet và các mảng ăng-ten cỡ lớn được gọi là Massive MIMO. Những công nghệ mới này tập trung phần lớn mức tiêu thụ điện năng vào các thành phần cụ thể, được biết đến với tên gọi đơn vị tần số vô tuyến (RFU) hoặc đơn vị ăng-ten tích hợp (AAU), và các thành phần này chiếm hơn một nửa tổng lượng điện năng tiêu thụ tại mỗi địa điểm lắp đặt. Khi các nguồn cấp điện này không hoạt động ở công suất tối đa, chúng thường tiêu hao rất nhiều năng lượng lãng phí — có thể lên tới 40% năng lượng bị thất thoát khi hệ thống không vận hành ở trạng thái tối ưu. Vì vậy, các mô-đun nguồn hiện đại cần điều chỉnh mức hiệu suất của mình dựa trên điều kiện thực tế thông qua một hệ thống giám sát thời gian thực. Chúng nên giảm mức tiêu thụ năng lượng trong các giai đoạn ít lưu lượng, nhưng vẫn sẵn sàng tăng tốc ngay lập tức mỗi khi xuất hiện đợt tăng đột biến về nhu cầu dung lượng mạng.

Hạn chế Nhiệt và Độ Tin cậy: Cách Nhiệt độ Mặt ghép Ảnh hưởng đến Tuổi thọ của Mô-đun Công suất

Nhiệt độ điểm nối đóng vai trò chủ chốt trong việc xác định tuổi thọ của các mô-đun điện năng. Đối với các linh kiện bán dẫn, mỗi lần tăng nhiệt độ thêm 10 độ C vượt quá 100 độ C sẽ làm giảm một nửa tuổi thọ dự kiến của chúng. Các trạm gốc 5G cỡ nhỏ đặt ra những thách thức đặc biệt đối với các linh kiện GaN và SiC do chúng tạo ra mức ứng suất nhiệt đáng kể. Xử lý tín hiệu tần số cao kết hợp với chuyển đổi điện áp kém hiệu quả gây ra nhiều vấn đề, nhất là khi các phương pháp làm mát thụ động đạt đến giới hạn khả năng của chúng. Tình trạng này làm gia tốc các hiện tượng di chuyển điện tử (electromigration) và khiến vật liệu hao mòn nhanh hơn. Theo số liệu thực tế từ hiện trường, các mô-đun điện năng vận hành ở nhiệt độ trên 125 độ C gặp khoảng 35% sự cố nhiều hơn mỗi năm so với các mô-đun được duy trì trong dải nhiệt độ an toàn. Khi các công ty triển khai các chiến lược quản lý nhiệt thông minh—chẳng hạn như thiết kế bộ tản nhiệt cải tiến và hệ thống làm mát bằng khí cưỡng bức—nhiệt độ tại các điểm nóng trung bình thường giảm khoảng 22 độ. Những cải tiến này không chỉ bảo vệ linh kiện mà còn giảm nhu cầu năng lượng làm mát khoảng 18% mỗi năm. Việc tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa hiệu năng và kiểm soát nhiệt độ vẫn luôn mang tính then chốt nếu chúng ta muốn các hệ thống này vận hành ổn định trong thời gian dài mà không phát sinh chi phí bảo trì quá cao.

Đánh giá hiệu suất mô-đun nguồn điện trong các trạng thái vận hành thực tế của trạm gốc (BTS)

Đo các hồ sơ công suất động: Chế độ chờ, tải một phần và tải cực đại bằng các tiêu chuẩn tham chiếu 3GPP TR 36.814

Để thực sự đánh giá xem một module nguồn có hoạt động tốt hay không, chúng ta cần kiểm tra nó trong ba trạng thái vận hành BTS chính được ngành công nghiệp công nhận: trạng thái chỉ đơn thuần đứng yên mà không thực hiện bất kỳ tác vụ nào (nhàn rỗi), trạng thái vận hành ở mức trung bình từ 40% đến 70% công suất (tải một phần) và trạng thái đạt công suất người dùng tối đa 100% (tải đỉnh). Có một tiêu chuẩn mang tên 3GPP TR 36.814 cung cấp các mốc chuẩn đáng tin cậy để xây dựng các kịch bản lưu lượng 5G thực tế. Và điều thú vị là sự chênh lệch về mức tiêu thụ năng lượng giữa các chế độ này có thể vượt quá 60%, một con số khá đáng kể. Khi hệ thống ở trạng thái nhàn rỗi, các module hiệu quả vẫn duy trì các chức năng điều khiển thiết yếu nhưng không tiêu thụ dòng điện quá lớn, nhờ đó giảm thiểu lãng phí năng lượng khi nghỉ. Việc kiểm tra ở tải một phần cho thấy khả năng điều chỉnh điện áp xử lý các đợt tăng công suất nhỏ như thế nào, đồng thời hạn chế tổn thất chuyển mạch. Ở tải đỉnh, chúng ta tập trung phát hiện các vấn đề như giảm xung nhịp do nhiệt (thermal throttling) và sự cố chuyển đổi, bởi vì những thiết kế kém có thể gây lãng phí hơn 300 watt mỗi giờ ngay cả khi hệ thống đang ở trạng thái chờ. Các mô phỏng đặc biệt dựa trên phương pháp Hardware-in-the-Loop (HIL) giúp kiểm tra tính ổn định khi các thông số thay đổi đột ngột, ngăn chặn hiện tượng quá áp (voltage overshoot) làm ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ phát sóng vô tuyến. Việc kiểm tra toàn diện qua tất cả các trạng thái khác nhau này đảm bảo rằng các module vận hành hiệu quả trong các mạng thực tế — yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến chi phí vận hành và giúp thiết bị tránh tình trạng quá nhiệt.

Đánh giá các tính năng quản lý nguồn ở cấp độ phần cứng trong mô-đun nguồn BTS

Các mô-đun nguồn trạm thu phát gốc (BTS) hiện đại tích hợp các tính năng phần cứng được thiết kế riêng nhằm đáp ứng nhu cầu nguồn điện động của mạng 5G—cân bằng giữa độ phản hồi, hiệu suất và khả năng chịu nhiệt.

Hiệu suất Chế độ Ngủ: Độ trễ so với Tiết kiệm Năng lượng trong Các Mô-đun Nguồn Dựa trên GaN

Công nghệ Nitrua Gallium cho phép chuyển đổi nhanh giữa các trạng thái hoạt động và trạng thái ngủ tiết kiệm năng lượng thấp, nhờ đó giảm thiểu năng lượng bị lãng phí khi các trạm thu phát gốc (BTS) không đang truyền tín hiệu một cách chủ động. Tuy nhiên, có một điểm hạn chế: khi hệ thống chuyển sang chế độ ngủ sâu, chúng có thể tiết kiệm khoảng 70% năng lượng, nhưng lại cần khoảng 5–8 mili giây để thức dậy trở lại. Ngược lại, việc duy trì hệ thống ở chế độ ngủ nhẹ giúp đảm bảo thời gian phản hồi gần như tức thời (dưới một mili giây), song mức tiết kiệm năng lượng lại không cao bằng. Việc liên tục chuyển đổi giữa các trạng thái này thực tế làm tăng nhiệt độ linh kiện do các chu kỳ gia nhiệt và làm mát lặp đi lặp lại, điều này cũng không tốt cho độ tin cậy lâu dài của thiết bị. Các nhà khai thác mạng cần quyết định cách thiết lập các tham số ngủ dựa trên yếu tố nào là quan trọng nhất trong tình huống cụ thể của họ. Một số có thể ưu tiên phản hồi siêu nhanh dành cho các dịch vụ truyền thông độ trễ thấp và độ tin cậy cực cao mang tính sống còn; trong khi những nhà khai thác khác vận hành các trạm phát sóng có phạm vi phủ sóng rộng hơn thì có thể quan tâm nhiều hơn đến mức tiết kiệm năng lượng tối đa, ngay cả khi điều đó đồng nghĩa với thời gian khởi động chậm hơn một chút.

Các kỹ thuật điều chỉnh điện áp thích ứng và giảm công suất để đạt mức giảm đỉnh lên đến 22%

Điều chỉnh động điện áp-tần số, hay DVFS viết tắt của Dynamic Voltage-Frequency Scaling, hoạt động bằng cách liên tục điều chỉnh lượng điện năng cung cấp cho các bộ xử lý dựa trên công việc thực tế mà chúng đang thực hiện tại bất kỳ thời điểm nào. Hệ thống này còn dự báo trước khối lượng công việc, nhờ đó có thể nhận biết các giai đoạn lưu lượng dữ liệu thấp và an toàn giảm mức điện áp trong những khoảng thời gian đó, giúp tiết kiệm tổng cộng khoảng 12–18% năng lượng. Kết hợp giải pháp này với một kỹ thuật gọi là giảm điện áp (power discounting) sẽ mang lại hiệu quả còn tốt hơn nữa. Giảm điện áp bao gồm việc hạ điện áp ở mức rất nhỏ, kéo dài chỉ vài microgiây, trong những khoảnh khắc ngắn ngủi khi bộ xử lý không bận rộn. Sự kết hợp này có thể giảm mức tiêu thụ công suất đỉnh tới 22% trong một số trường hợp. Đối với các thành phố chật kín máy chủ và thiết bị, những biện pháp tiết kiệm năng lượng tích hợp như thế này đóng vai trò rất quan trọng. Các giải pháp làm mát truyền thống giờ đây không còn đáp ứng được yêu cầu trong nhiều tình huống, bởi chúng hoặc chiếm quá nhiều diện tích hoặc chi phí lắp đặt hợp lý quá cao.

So sánh các Chiến lược Tiết kiệm Năng lượng ở Cấp Độ Mô-đun cho Việc Triển khai Trạm Phát sóng Cơ sở Bền vững

Việc chia nhỏ các phương pháp tiết kiệm năng lượng thành các thành phần mô-đun giúp trạm phát thu gốc (base transceiver station) trở nên thân thiện với môi trường hơn đáng kể. Khi các kỹ sư tách riêng các thành phần như bộ chuyển đổi DC-DC, bộ điều khiển số và các đơn vị quản lý nhiệt, họ có cơ hội điều chỉnh tinh vi từng phần một — điều mà các hệ thống tích hợp truyền thống không thể thực hiện được. Chẳng hạn, với việc quản lý điện năng theo cấp bậc (tiered power management): các bộ điều khiển phụ cục bộ đảm nhiệm việc tối ưu hiệu suất ở cấp độ mô-đun thông qua các kỹ thuật như tự động điều chỉnh thời điểm các mô-đun chuyển sang chế độ ngủ; đồng thời, một bộ điều khiển chính giám sát việc cân bằng phân bổ điện năng trên toàn bộ hệ thống. Theo một số thử nghiệm thực địa do GSMA thực hiện năm 2023, cấu hình này giúp giảm khoảng 19% năng lượng bị lãng phí trong các giai đoạn hệ thống ở trạng thái chờ. Việc cách ly nhiệt riêng biệt cho từng mô-đun nguồn cũng ngăn chặn sự lan tỏa nhiệt khắp thiết bị. Điều này giúp giảm nhu cầu về các giải pháp làm mát mạnh mẽ, từ đó cắt giảm chi phí làm mát khoảng 30%. Khả năng mở rộng từng thành phần độc lập là một lợi thế lớn khác đối với kế hoạch dài hạn. Các nhà khai thác mạng không cần thay thế toàn bộ hệ thống khi một số thành phần bắt đầu quá tải dưới áp lực vận hành cao — thay vào đó, họ chỉ cần thay thế những khu vực gặp sự cố, ví dụ như các bộ chuyển đổi chịu tải đỉnh. Trong vòng mười năm, giải pháp này giúp tiết kiệm từ 8 đến 12 tấn chất thải điện tử tại mỗi địa điểm. Tất cả những cải tiến trên đều góp phần kéo dài tuổi thọ phần cứng, giảm dấu chân carbon và nâng cao khả năng sẵn sàng đáp ứng mọi yêu cầu mới về năng lượng đi kèm với sự phát triển của công nghệ 5G.