التحديات الحرارية لمحطات 5G الأساسية

تم تقديم طيف جديد يسمى موجة المليمتر (mmWave) في الجيل الخامس من التكنولوجيا اللاسلكية.يمكن لـ mmWave نقل البيانات بسرعات تصل إلى 20 جيجابت في الثانية ، وهو أسرع 100 مرة من الشبكات الخلوية الحالية.يجب أن تكون محطات 5G الأساسية قريبة من بعضها لتوفير تغطية كاملة لمنطقة محدودة.هذا يؤدي إلى العديد من التحديات في تصميم الإدارة الحرارية ، والتي سيتم مناقشتها أدناه.

ما هو 5G؟

حدد معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) لأول مرة الجيل الخامس من التكنولوجيا اللاسلكية في عام 2016. وفي عام 2018 ، وافق قطاع الاتصالات الراديوية التابع للاتحاد الدولي للاتصالات (ITU-R) على مجموعة من المتطلبات للمعايير العالمية الجديدة.ومن بين هذه المعدلات الأعلى للبيانات ، والكمون المنخفض ، وتوفير الطاقة ، وتوفير التكاليف ، وقدرة النظام الأكبر.يقدر قطاع الاتصالات الراديوية (ITU-R) أن معدلات ذروة البيانات ستصل إلى 20 جيجابت في الثانية (جيجابت في الثانية).

5G هي ترقية هائلة من الجيل الرابع من التكنولوجيا اللاسلكية ، حيث تنقل البيانات بمعدلات تصل إلى 100 ميجابت في الثانية (ميجابت في الثانية).تُستخدم هذه التقنية في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية والأجهزة الأخرى.سينقل الجيل الخامس من التكنولوجيا اللاسلكية البيانات بسرعات تصل إلى 20 جيجابت في الثانية ، أي 100 مرة أسرع من الشبكات الخلوية الحالية.أصبح العالم مجنونًا بشأن هذه التكنولوجيا الجديدة.

مقدمة لمحطات 5G الأساسية:

محطات 5G الأساسية هي شبكات وصول لاسلكية صغيرة (RAN).إنها أصغر من المحطات الأساسية الكبيرة التقليدية ولها تغطية محدودة.وهذا يستدعي الحاجة إلى العديد من المحطات القاعدية لتوفير تغطية كاملة.

تتطلب معدلات البيانات العالية والكمون المنخفض لتقنية 5G اللاسلكية نوعًا جديدًا من المحطات الأساسية.لا تستطيع المحطة الأساسية الكلية التقليدية توفير مستوى الخدمة المطلوبة.بالإضافة إلى ذلك ، فإن عدد المحطات الأساسية الكلية اللازمة لتغطية منطقة معينة سيكون باهظ التكلفة.

تعد المحطة الأساسية للخلية الصغيرة مكونًا حيويًا للبنية التحتية اللاسلكية من الجيل الخامس.وهي أقل تكلفة لنشرها وتتطلب طاقة أقل من محطات القاعدة الكبيرة التقليدية.ومع ذلك ، لديهم بعض القيود.منطقة التغطية أصغر ، ومعدلات البيانات أقل من تلك التي يمكن تحقيقها باستخدام محطة قاعدة ماكرو.

تأتي محطات 5G الأساسية في نوعين:

محطات ماكرو الأساسية:

هذه هي أساسيات الشبكة.تقع في مناطق ذات طلب مرتفع على الخدمات اللاسلكية ، مثل المراكز الحضرية في وسط المدينة ومراكز التسوق.توفر محطات الماكرو الأساسية تغطية لمساحة عدة كيلومترات مربعة.توفر هذه المحطات تغطية في المناطق التي لا تغطيها شبكة الخلايا الصغيرة.يتم نشر المحطة الأساسية الكلية بطريقة مركزية ومتصلة بمكونات البنية التحتية الخلوية الأخرى عبر كابل الألياف البصرية.

محطات قاعدية صغيرة:

تقع المحطات الأساسية الصغيرة في المناطق التي يقل فيها الطلب على الخدمات اللاسلكية ، مثل المواقع الريفية أو الضواحي.تغطي المحطات القاعدية الصغيرة عدة أمتار مربعة وتستخدم طيفًا مخصصًا غير مشترك مع مستخدمين آخرين.

يتم نشر المحطة الأساسية الصغيرة بطريقة موزعة ومتصلة بمكونات البنية التحتية الخلوية الأخرى عبر الارتباطات اللاسلكية.من المهم ملاحظة أن المحطة الأساسية الصغيرة ليست بديلاً عن المحطة الأساسية الكلية.وبدلاً من ذلك ، فإنه يوفر تغطية في المناطق التي لا تكون فيها المحطة الأساسية الكلية مجدية اقتصاديًا.

5G محطة قاعدة المعدات الرائدة AAU و BBU

المعدات الرائدة لمحطة قاعدة لاسلكية 5G هي وحدة الوصول اللاسلكي (AAU) ووحدة النطاق الأساسي (BBU).وحدة AAU مسؤولة عن إرسال واستقبال إشارات البيانات.وحدة BBU هي المسؤولة عن معالجة وإدارة حركة المرور على الشبكة.

تتكون الوحدة من بعض المكونات ، منها:

مذياع:

يقوم الراديو بإرسال واستقبال إشارات البيانات.يقوم بتحويل المعلومات الرقمية إلى إشارة تناظرية يتم إرسالها عبر موجات الأثير.

هوائي:

يقوم الهوائي بإرسال واستقبال إشارات التردد اللاسلكي من أجهزة المستخدم.يجب أن يكون موجودًا في مكان به خط رؤية واضح للمستخدمين.

مودم:

المودم مسؤول عن تعديل وإزالة تشكيل إشارات التردد اللاسلكي.تنتقل الإشارات التناظرية عبر موجات الأثير من البيانات الرقمية.كما أنه يحول الإشارة التناظرية المستلمة مرة أخرى إلى شكل رقمي لتتم معالجته بواسطة مكونات المحطة الأساسية الأخرى.

المعالج:

المعالج مسؤول عن معالجة البيانات الرقمية.يجب أن تكون قوية بما يكفي للتعامل مع حركة المرور الكبيرة التي تمر عبر محطة أساسية يوميًا.

جهاز الإرسال والاستقبال:

يستقبل جهاز الإرسال والاستقبال إشارات التردد اللاسلكي من أجهزة المستخدم وينقلها.ينقل عبر موجات الهواء ، فإنه يحول البيانات الرقمية إلى إشارة تمثيلية.

يتكون BBU من المكونات التالية:

مراقب:

وحدة التحكم هي المسؤولة عن إدارة حركة المرور على الشبكة.يخصص النطاق الترددي ويضمن وصول جميع المستخدمين إلى الموارد المطلوبة.

ذاكرة:

تقوم المحطات الأساسية بتخزين البيانات المراد معالجتها في الذاكرة.يجب أن تتمتع بسعة كبيرة للتعامل مع كل حركة المرور التي تمر عبر محطة أساسية يوميًا.

واجهه المستخدم:

تسمح الواجهة للمحطة الأساسية بالاتصال بمكونات البنية التحتية الخلوية الأخرى.يجب أن يحتوي على معدل بيانات مرتفع للتعامل مع كل حركة المرور التي تمر عبر محطة أساسية يوميًا.

مزود الطاقة:

يوفر مصدر الطاقة الكهرباء لجميع المكونات في BBU.تتطلب المحطات الأساسية قدرًا كبيرًا من الطاقة ، لذلك يجب أن يكون الجهاز قادرًا على التعامل معها.

يتم توصيل AAU و BBU عبر كابل ألياف بصرية.تنقل الألياف الضوئية البيانات من مكون إلى آخر بسرعات عالية جدًا.كما تتيح مسافات طويلة بين المكونات ، وهو أمر ضروري لتغطية مساحات كبيرة بالخدمات اللاسلكية.

تتكون الألياف الضوئية من ثلاثة أجزاء: اللب ، والكسوة ، والطلاء.يجب أن يكون موقع كل من AAU و BBU في مناطق ذات خط رؤية واضح بينهما.

استهلاك طاقة المحطة الأساسية 5G:

لتوفير تغطية لمساحة كبيرة ، تتطلب المحطة الأساسية اللاسلكية 5g قدرًا كبيرًا من الطاقة.يجب أن يتعامل مزود الطاقة مع متطلبات الطاقة العالية لوحدة AAU و BBU.بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون المحطة الأساسية موجودة في منطقة يمكن فيها الوصول إلى مصدر موثوق للكهرباء.

يبلغ متوسط ​​استهلاك الطاقة لمحطة قاعدة لاسلكية من الجيل الخامس حوالي 500 واط.يمكن أن يؤثر عدد الهوائيات المختارة على ذلك ، وكذلك نوع منطقة التغطية التي يتم تقديمها.

يمكن تصنيف استهلاك الطاقة إلى ثلاث فئات رئيسية:

استهلاك الطاقة الحسابي:

استهلاك الطاقة الحسابية هو الطاقة المطلوبة لمعالجة البيانات.يتطلب توفير تغطية لمساحة كبيرة قدرًا كبيرًا من قوة المعالجة.

وهذا يشمل تعديل الإشارة واستخلاصها ، واكتشاف الأخطاء وتصحيحها ، والتشفير وفك التشفير ، ومهام أخرى.يعتمد مقدار استهلاك الطاقة الحسابية على مقدار حركة المرور الموجودة في المنطقة التي تخدمها المحطة الأساسية.

استهلاك طاقة النقل:

استهلاك طاقة الإرسال هو الطاقة المطلوبة لنقل الإشارات من مكون إلى آخر بسرعات عالية جدًا عبر مسافات طويلة عبر كابل ألياف ضوئية أو ارتباط لاسلكي مثل LTE / LTE +.

يعتمد استهلاك طاقة النقل على المسافة التي يحتاجها كل مكون لتوفير تغطية للمنطقة المطلوبة.

استهلاك إضافي للطاقة:

استهلاك الطاقة الإضافي هو الطاقة المطلوبة لتشغيل جميع المكونات في وحدة BBU.يتضمن ذلك أشياء مثل وحدة التحكم والذاكرة والواجهة ومصدر الطاقة.يعتمد مقدار استهلاك الطاقة الإضافي على عدد المكونات المضمنة في BBU ومتطلبات الطاقة الخاصة بها.

يتطلب توفير تغطية لمساحة كبيرة قدرًا كبيرًا من الطاقة.يجب أن يتعامل مزود الطاقة مع متطلبات الطاقة العالية لكل من AAU و BBU.بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون المحطة الأساسية موجودة في منطقة يمكن فيها الوصول إلى مصدر موثوق للكهرباء.

تحديات تبريد محطة قاعدة 5G:

أصبحت محطات القاعدة اللاسلكية من الجيل الخامس معقدة بشكل متزايد ، ونتيجة لذلك ، فإنها تولد المزيد من الحرارة.هذا يمثل العديد من التحديات لمصممي هذه الأنظمة.

يتمثل أحد التحديات في ضمان عدم ارتفاع درجة حرارة المكونات الموجودة في BBU.يمكن القيام بذلك باستخدام ألواح التبريد السائل لتبريد AAU و BBU.اللوح البارد السائل هو جهاز يستخدم التبريد السائل لتبديد الحرارة من المكونات الإلكترونية.

يتم ضخ السائل من خلال أنابيب صغيرة مدمجة في الصفيحة الباردة.تشتت الحرارة في الهواء المحيط عن طريق توصيل الأنابيب بالرادياتير.

التحدي الآخر هو التأكد من أن الألواح الباردة السائلة يمكنها التعامل مع متطلبات الطاقة العالية لكل من AAU و BBU.بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكونوا موجودين في منطقة يمكنهم فيها الوصول إلى مصدر موثوق لسائل التبريد السائل مثل الماء أو جلايكول الإيثيلين.

يجب أن يأخذ تصميم لوح التبريد السائل أيضًا في الاعتبار قيود التكلفة والوزن والحجم.يجب أن تكون الأنابيب السائلة المضمنة في اللوحة الباردة مرنة بما يكفي لتحرك بعضها البعض دون التسبب في تلف أو تسرب.أيضًا ، يجب ألا تضيف الكثير من الوزن الإضافي إلى المكونات الثقيلة بالفعل مثل الهوائيات والبطاريات المستخدمة لإمدادات الطاقة الاحتياطية.

حل التبريد السائل لمحطة 5G الأساسية:

حل واحد لهذه المشاكل هو التبريد السائل.يستخدم التبريد السائل سائلًا لنقل الحرارة بعيدًا عن المكونات الإلكترونية التي تولد الكثير من الحرارة وتبددها في مكان آخر ، عادةً في الهواء أو السائل المحيط.

هذا يسمح لكثافات طاقة أعلى لأنه لا توجد حاجة لتدفق الهواء من خلال المبدد الحراري الذي يخلق مقاومة واضطراب.يسمح التبريد السائل أيضًا بتشغيل أكثر هدوءًا نظرًا لأن السائل لا يصدر أي ضوضاء عندما يتحرك عبر الأنابيب بسرعات عالية مثل الهواء الذي يتم نفخه فوق منطقة بها مراوح أو أجهزة أخرى مثل توربينات الرياح.

أصبحت حلول التبريد بالسوائل شائعة بشكل متزايد في صناعة تكنولوجيا المعلومات لأنها توفر العديد من المزايا على طرق تبريد الهواء التقليدية مثل مستويات الضوضاء المنخفضة والموثوقية العالية نظرًا لأن السائل أقل عرضة من التيارات الهوائية التي تسبب الاضطراب الذي يتسبب في تآكل المكونات بمرور الوقت.

بالإضافة إلى ذلك ، تتيح الألواح الباردة السائلة استخدامًا أكثر كفاءة للمساحة نظرًا لأن السائل يشغل مساحة أقل بكثير من الهواء عند تسخينه.هذا مهم للبيئات المقيدة مثل مراكز البيانات ومحطات القاعدة اللاسلكية.

خاتمة:

في الختام ، يعد التبريد السائل حلاً قابلاً للتطبيق لمشكلة ارتفاع درجة الحرارة في محطات القاعدة اللاسلكية 5G.يسمح التبريد السائل بكثافة طاقة أعلى نظرًا لقدرته على نقل الحرارة بعيدًا عن المكونات الإلكترونية وتبديدها في مكان آخر دون خلق مقاومة أو اضطراب قد يحدث إذا تم استخدام الهواء بدلاً من ذلك.يجب مراعاة التحديات والحلول المذكورة أعلاه عند تصميم حل تبريد سائل لمحطة قاعدة لاسلكية من الجيل الخامس.