5G基地局の熱的課題

ミリ波 (mmWave) と呼ばれる新しいスペクトルが、第 5 世代のワイヤレス テクノロジーで導入されました。ミリ波は、最大 20 ギガビット/秒の速度でデータを送信できます。これは、現在のセルラー ネットワークの 100 倍です。限られたエリアを完全にカバーするには、5G 基地局を互いに近づける必要があります。これは、以下で説明する熱管理設計におけるいくつかの課題につながります。

5Gとは何ですか?

電気電子学会 (IEEE) は、2016 年に第 5 世代無線技術を初めて定義しました。2018 年に、国際電気通信連合無線通信部門 (ITU-R) は、新しい世界標準の一連の要件を承認しました。高速データレート、低遅延、エネルギー節約、コスト削減、システム容量の拡大などが挙げられます。ITU-R は、ピーク データ レートが 20 ギガビット/秒 (Gbps) に達すると推定しています。

5G は第 4 世代の無線テクノロジーからの大規模なアップグレードであり、最大 100 メガビット/秒 (Mbps) の速度でデータを送信します。このテクノロジーはラップトップ、スマートフォン、その他のデバイスで使用されています。第 5 世代のワイヤレス技術は、現在のセルラー ネットワークの 100 倍である最大 20 Gbps の速度でデータを送信します。世界はこの新しいテクノロジーに熱狂しています。

5G 基地局の概要:

5G 基地局は、スモールセル無線アクセス ネットワーク (RAN) です。これらは従来のマクロ基地局よりも小さく、カバー範囲が限られています。このため、完全なカバレッジを提供するには多数の基地局が必要になります。

5G ワイヤレス テクノロジーの高いデータ レートと低い遅延には、新しいタイプの基地局が必要です。従来のマクロ基地局では、必要なレベルのサービスを提供できません。さらに、特定のエリアをカバーするために必要なマクロ基地局の数は法外に高価になります。

スモールセル基地局は、第 5 世代無線インフラストラクチャの重要なコンポーネントです。従来のマクロ基地局よりも導入コストが低く、必要な電力も少なくなります。ただし、いくつかの制限があります。カバーエリアは狭く、データレートはマクロ基地局で達成できるものよりも低くなります。

5G 基地局には 2 つのタイプがあります。

マクロ基地局:

これらはネットワークの基本です。これらは、ダウンタウンの都市中心部やショッピング モールなど、無線サービスの需要が高いエリアに設置されています。マクロ基地局は、数平方キロメートルのエリアをカバーします。これらのステーションは、スモールセル ネットワークがカバーしていないエリアでもサービスを提供します。マクロ基地局は集中型で展開され、光ファイバー ケーブルを介して他のセルラー インフラストラクチャ コンポーネントに接続されます。

マイクロ基地局:

マイクロ基地局は、田舎や郊外など、無線サービスの需要が少ない地域に設置されます。マイクロ基地局は数平方メートルをカバーし、他のユーザーと共有されない専用のスペクトルを使用します。

マイクロ基地局は分散方式で展開され、無線リンクを介して他のセルラー インフラストラクチャ コンポーネントに接続されます。マイクロ基地局はマクロ基地局の代替品ではないことに注意することが重要です。その代わりに、マクロ基地局が経済的に実現不可能なエリアでもカバレッジを提供します。

5G基地局先行装置AAUとBBU

5G 無線基地局の主要な装置は、無線アクセス ユニット (AAU) とベースバンド ユニット (BBU) です。AAU はデータ信号の送受信を担当します。BBU は、ネットワーク上のトラフィックの処理と管理を担当します。

AAU は、次のようないくつかのコンポーネントで構成されます。

無線：

無線機はデータ信号を送受信します。デジタル情報を電波で送信されるアナログ信号に変換します。

アンテナ：

アンテナはユーザー デバイスから RF 信号を送受信します。ユーザーから見通しの良い場所に設置する必要があります。

モデム：

モデムは、RF 信号の変調と復調を担当します。アナログ信号はデジタル データから放送波を介して送信されます。また、受信したアナログ信号をデジタル形式に変換して戻し、他の基地局コンポーネントで処理できるようにします。

プロセッサ:

プロセッサはデジタル データの処理を担当します。毎日基地局を通過する大量のトラフィックを処理するのに十分な能力が必要です。

トランシーバー:

トランシーバーは、ユーザー デバイスから RF 信号を送受信します。放送波を介して送信すると、デジタル データがアナログ信号に変換されます。

BBU は次のコンポーネントで構成されます。

コントローラ：

コントローラーはネットワーク上のトラフィックの管理を担当します。帯域幅を割り当て、すべてのユーザーが必要なリソースに確実にアクセスできるようにします。

メモリー：

基地局は処理対象のデータをメモリに保存します。毎日基地局を通過するすべてのトラフィックを処理できる大容量が必要です。

インターフェース：

このインターフェイスにより、基地局は他のセルラー インフラストラクチャ コンポーネントに接続できます。毎日基地局を通過するすべてのトラフィックを処理するには、高いデータ レートが必要です。

電源：

電源は、BBU 内のすべてのコンポーネントに電力を供給します。基地局は大量の電力を必要とするため、デバイスは電力を処理できる必要があります。

AAUとBBUは光ファイバーケーブルで接続されています。光ファイバーは、あるコンポーネントから別のコンポーネントに非常に高速でデータを送信します。また、ワイヤレス サービスで広いエリアをカバーするために必要なコンポーネント間の長距離も可能になります。

光ファイバーは、コア、クラッド、コーティングの 3 つの部分で構成されています。AAU と BBU は両方とも、その間に見通しの良い場所に設置する必要があります。

5G基地局の消費電力:

広いエリアをカバーするには、5g 無線基地局は大量の電力を必要とします。電源は、AAU および BBU の高電力要件に対応する必要があります。さらに、基地局は信頼できる電源にアクセスできるエリアに設置する必要があります。

第 5 世代無線基地局の平均消費電力は約 500 ワットです。選択したアンテナの数とサービスを受けるサービスエリアの種類がこれに影響する可能性があります。

消費電力は、次の 3 つの主なカテゴリに分類できます。

計算電力消費量:

計算電力消費量は、データを処理するために必要なエネルギーです。広いエリアをカバーするには、大量の処理能力が必要です。

これには、信号の変調と復調、エラー検出と修正、暗号化と復号化、およびその他のタスクが含まれます。計算電力消費量は、基地局がサービスを提供するエリア内にどれだけのトラフィックがあるかによって異なります。

送信電力消費量:

伝送消費電力は、光ファイバー ケーブルまたは LTE/LTE+ などの無線リンクを介して、あるコンポーネントから別のコンポーネントに長距離にわたって非常に高速で信号を送信するために必要なエネルギーです。

送信電力消費量は、目的のエリアをカバーするために各コンポーネントがどの程度離れている必要があるかによって異なります。

追加の消費電力:

追加の電力消費は、BBU 内のすべてのコンポーネントに電力を供給するために必要なエネルギーです。これには、コントローラー、メモリー、インターフェース、電源などが含まれます。追加の電力消費量は、BBU に含まれるコンポーネントの数とその電力要件によって異なります。

広いエリアをカバーするには大量の電力が必要です。電源は、AAU と BBU の両方の高電力要件に対応する必要があります。さらに、基地局は信頼できる電源にアクセスできるエリアに設置する必要があります。

5G 基地局の冷却の課題:

第 5 世代無線基地局はますます複雑になり、その結果、発熱量も増加しています。これは、これらのシステムの設計者にとって多くの課題を引き起こします。

課題の 1 つは、BBU 内のコンポーネントが過熱しないようにすることです。これは、液体冷却プレートを使用して AAU と BBU を冷却することで実現できます。液体冷却プレートは、液体冷却を使用して電子コンポーネントから熱を放散するデバイスです。

液体は、コールド プレートに埋め込まれた小さなチューブを通してポンプで送られます。チューブをラジエーターに接続すると、熱が周囲の空気に分散されます。

もう 1 つの課題は、液体冷却プレートが AAU と BBU の両方の高電力要件を確実に処理できるようにすることです。さらに、水やエチレングリコールなどの液体冷却流体の信頼できる供給源にアクセスできる場所に設置する必要があります。

液体冷却プレートの設計では、コスト、重量、サイズの制約も考慮する必要があります。コールド プレートに埋め込まれた液体チューブは、損傷や漏れを引き起こすことなく相互に移動できる十分な柔軟性を備えている必要があります。また、バックアップ電源に使用されるアンテナやバッテリーなど、すでに重いコンポーネントに余分な重量を加えないようにする必要があります。

5G 基地局液体冷却ソリューション:

これらの問題に対する解決策の 1 つは液体冷却です。液体冷却では、液体を使用して電子コンポーネントから熱を奪い、過剰な熱を発生させ、その熱を他の場所 (通常は周囲の空気または液体) に放散します。

これにより、抵抗や乱流を生み出すヒートシンクを通る空気の流れが必要なくなるため、より高い電力密度が可能になります。また、液体冷却により、液体がチューブ内を高速で移動するときに、ファンや風力タービンなどの他のデバイスのある領域に空気が吹き付けられるときと同様に騒音が発生しないため、より静かな動作が可能になります。

液体冷却ソリューションは、気流よりも液体が乱流を起こしにくく、時間の経過とともにコンポーネントの摩耗を引き起こすため、従来の空冷方式に比べて騒音レベルが低く、信頼性が高いなど、多くの利点があるため、IT 業界での人気が高まっています。

さらに、液体冷却プレートは、加熱されたときに液体が空気よりもはるかに少ないスペースを占めるため、スペースをより効率的に使用できます。これは、データセンターや無線基地局などの制約のある環境では重要です。

結論：

結論として、液体冷却は、5G 無線基地局の過熱の問題に対する実行可能な解決策です。液体冷却は、代わりに空気を使用した場合に発生する抵抗や乱流を生じさせることなく、電子コンポーネントから熱を伝達し、他の場所に放散できるため、より高い出力密度が可能になります。第 5 世代無線基地局用の液冷ソリューションを設計する際には、上記の課題と解決策を考慮する必要があります。