5G基礎建設電源供應設計考量(第二章)

2021-05-10

第一章中,我們探討了應用於5G 網路存取與回傳部分(「邊陲」)的電源供應設計。瞭解了可用於行動終端、小型基地台、天線、聚合路由器與核心路由器的解決方案,也發現5G帶來全新電源供應挑戰,產品的精細化與改良不可或缺。

 

本文中,我們將提到基礎建設核心與雲端部分的電源供應設計考量因素。

 

行動核心控制使用者裝置並從其分配5G 資料,扮演網路「心臟」或「大腦」的角色。其功能包括終端使用者流量、對話管理、驗證與安全性的聚合,因此需要可靠的電源供應器。故障可能導致網路停機,造成數千(或可能數百萬)客戶無法進行通訊。

 

與前一代4G核心相比,5G核心在架構上有重要的改變,包括:

 

與前一代解決方案相比,5G網路行動核心也需要支援更為增加的吞吐量。

 

直到5G鋪設完成前,4G與5G核心將並存多年,因此電源供應器需要同時滿足5G核心(5GC)與演進式數據封包核心(EPC)功能,也必須適應邁向「虛擬核心」的浪潮。過去,核心需要實體路由器與交換器才能在網路使用者間傳輸資料。而虛擬核心的出現則代表了現在這項活動大部分在雲端完成,改變了實體電源供應器需求。

因此在5G中,核心與雲端都正在崛起。也就是無線電存取網路(RAN),僅負責將資料流量從使用者傳輸至核心。從另一方面來說,核心是將網路差別化的元件,並提供如上面簡短提到的網路切片等進階服務。在極大程度上,「核心」變得更依賴軟體。實體5G天線僅將使用者所收到的資料傳送至核心(通常為某些區域節點),再透過與雲端相連的伺服器連接至網路其他部分。

 

這項改變為電源供應器帶來某些有趣的涵義。許多網路希望讓核心功能在實體上更接近使用者,藉以降低延遲,例如業者改變伺服器位置,讓玩家在邊走邊玩快速切換射擊遊戲時減少延遲。也讓自駕車可即時互相通訊,而這是4G基礎建設無法實現的。因此隨著核心變得更為分散,電源供應設計也會產生變革。

 

根據此探討,以下列出部分行動核心/雲端基礎建設業者必須深思的電源供應考量因素。

 

效率考量

評估結果顯示,目前行動業者網路營運支出高於營收,部分原因在於建置5G基礎建設的資金成本,另外還有伺服器功率需求增加的因素。  

起初,設計者預期透過降低整體能耗,減少5G營運成本。但現在行動網路業者認為需要更多的本地伺服器,以提供客戶低延遲VR、AR、物聯網及自動化功能,而使得整體能源支出增加。

網路基礎建設的「核心」雲端原生部分必須搭載能夠提供下列元件充分電力的電源供應器:

  1. 將AC 轉換成可用DC 的整流器
  2. 維持伺服器微晶片冷卻的空調設備
  3. 備援電池系統

電源供應解決方案目前可提供足夠功率讓4G 核心節點持續運作,但這對5G 來說或許稍嫌不足。

舉例來說,資料顯示大量採用MIMO 天線,將導致每區塊能源供應需求增加1000W 。此外,行動網路業者可能必須設置更大量的伺服器,以符合更大的流量負載。兩種因素都顯示了既有系統需要升級。

有哪些解決方案呢?

 

智慧削峰

為5G運作環境提供基礎建設的業者正在電網內部署更大規模的智慧削峰,此處的概念是透過利用現場能源儲存,空出電網容量並繞過AC功率限制,以支援尖峰能源用量。

機器台、伺服器機房與行動核心一整天所需的能源量各有不同。標準負載可能為5kW ,但網路用量達到最高峰時可能超過10kW 。

從電網取得額外電力滿足此需求並非隨時可行,尤其是因為受限於設備而有AC限制時。此外,電力用量超出原先同意限額時,電力業者也可能收取費用。

削峰透過使用現場電池電力填補差額的方式運作。通常能源尖峰會迅速度過,意味著代表電池不太會耗盡電量。接著電站便可在功率下降至AC 限制內時,使用額外容量將電池充電。

此解決方案具有高成本效益,因為許多既有4G基地台本來就需要升級電池備援系統,而且也不牽涉任何電網變更或搭配新型昂貴整流器。

 

單機櫃系統

隨著5G變得更為碎片化,電源供應器也必須更為密集。有個方法是將可與所有其他元件搭配的單元(如鋰電池、冷卻系統與整流器)建置在單一機櫃中,目標是減少機櫃數量,進而降低安裝與維護成本。

 

智慧升壓

基礎建設建築師預期智慧升壓將省去為5G 設備更新纜線的需求。網路業者目前擔憂的是偏遠地區基地台的意外電壓下降,這可能會導致服務無法使用。

有種解決方案是將老舊纜線換新,提升至單元的功率。但此方法會造成能源浪費,並且增加纜線安裝成本。
較理想的選擇是結合功率模組與鋰離子電池,提供串聯功率,讓網路維持定電壓。評論人士認為創新可省去重鋪纜線的需求,而更高的電壓也可減少核心地點的整體能耗。

 

備援系統考量要點

4G行動核心伺服器(與相關系統)需要備援電力供應,以便在發生停電或電網問題時維持運作。行動網路業者在過去會將安裝大型鉛酸電池作為風險降低策略,提供備援電力,全球部分區域(尤其是開發中國家)因為電源供應品質參差不齊而時常採用這項做法。雷電交加的暴風雨、不良天候、部分停電、停電與電壓波動定期發生,讓電池解決方案不可或缺。

如以上所探討,5G負載需求可能會大幅上升。因此行動網路業者必須重新思考其備援系統,增加更多容量。舊式鉛酸解決方案可能無法滿足,如鋰電池、更可靠的技術將取而代之。

智慧能源儲存意指鋰離子電池的混用搭配,概念是結合新舊電池,定期循環提供最佳效能。行動網路業者正在尋找減少新電池支出的方法,同時開發讓其可根據不同容量與材質,循環使用電池的系統。隨選式電池配置可降低短期資本支出,讓資產負債表更健康。

 

本地需求與智慧電源管理考量因素

行動網路伺服器與核心負載一整天的變化相當大。4G網路資料 顯示下午的下載速度逐漸變慢,至晚上9點左右最慢,到了夜間又再次變快,因此工業電腦電源供應器必須能夠智慧調節變動的5G核心負載需求

重要的是電源供應器必須調節伺服器內處理器及其他元件所需的突波,且不在過程中損傷其元件。理想情況下,電源供應器應提供其額定功率的150%,調節5G 網路需求中的尖波。此類內建功能有助於避免瞬間網路停機,或意外的高物聯網延遲。

 

安裝考量因素

行動網路業者(MNO)(與其他負責維護實體硬體的業者)亦須考慮電源供應器安裝—電源供應器在伺服器機櫃中應如何安裝。

一般電腦經常使用的標準ATX安裝並不一定適合如行動網路等工業應用,還好有幾款其他配置可符合MNO需求。

舉例來說,對尋找可用於有限空間(如伺服器或基地台機櫃)電源供應器的MNO來說,小型電源供應器是理想的選擇。較小型電源供應器原本就適合此類系統使用。

小型的12V電源供應器通常指的是FlexATX與MicroATX。細長的形狀使其適合低底座系統,又可保留重要內部元件。冷卻風扇可從背面排出熱運轉設備的工具空氣,適合5G 碎片化虛擬核心基礎建設使用。

 

熱管理考量因素

儘管許多5G核心與伺服器設施使用空調空間讓元件保持冷卻,仍然需要高熱效率解決方案以降低成本。

環境溫度在電源管理單元壽命上扮演一定的角色。資料顯示小幅降低電源供應器環境溫度(10° C或以下)可延長電容使用壽命兩倍,隨著溫度上升,電源供應器也會開始降額(以不到聲稱規格的效能運作),例如AC/DC電源供應器 在50° C 左右會開始降額,至70° C時額定負載約僅剩一半,因此降低溫度可讓工程師存取額外容量。

電源供應單元的位置與方向也相當重要。在某些情況下,5G網路基礎建設工程師也會安裝開架式電源供應。這些解決方案不使用遮罩及風扇,僅安裝於其他元件旁進行被動散熱。

無遮罩的情況下,其對周遭元件的效果取決於:

儘管在一般伺服器中電源供應單元並非運轉時最熱的原件,過熱仍可能影響單元整體效能,造成低於預期運作參數的結果。可能因而對網路效能造成不良影響,導致延遲與封包延遲。若開放式機殼產生過多熱量,則設計者可能需要改用配備風扇的封閉式系統。

 

電磁干擾考量因素

在高電磁干擾(EMI)環境下運作的行動網路電源供應器,通常需要對環境雜訊的充分保護。批發與零售的開架式電源供應器沒有可提供充分保護的機殼,因此較適用於雲端遠距伺服器農場,而非無線電存取網路內的基地台或單元。

電源供應器搭載各種技術,保護其不受電磁干擾,包括:

在有EMI 風險的情況下,部署上述功能可對5G 應用發揮作用。

 

結論

5G鋪設為電源供應器設計帶來嶄新挑戰,工程師必須考慮效率、負載、雜訊熱管理,以及如何將電源供應器與備援系統整合。他們也必須安裝能夠適應5G RAN 與核心特質的電源供應器,包括體積更精巧、電壓更精準。

 

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