5G verspricht unzählige neue Anwendungen für eine vollständig vernetzte Gesellschaft und führt zu einem exponentiellen Wachstum des Datenvolumens. Gleichzeitig wird die Entwicklung der 5G-NR-Schnittstelle (New Radio), die Milliarden vernetzter Geräte unterstützen muss, einen massiven Anstieg der Basisstationen im globalen Netzwerk nach sich ziehen. Mehr Basisstationen erfordern mehr Energie, ebenso wie mehr Server in Rechenzentren. Gleichzeitig stehen Netz- und Rechenzentrumsbetreiber unter ökologischem und ökonomischem Druck, die Energiekosten zu senken.
Dieser Artikel befasst sich mit diesen Herausforderungen und damit, wie Organisationen wie Flex Betreibern und Rechenzentrumsbesitzern helfen, diese durch innovative Techniken wie DC/DC-Wandlung und hocheffiziente, kompakte Stromversorgungslösungen zu bewältigen.
5G-Übersicht
Aktuelle drahtlose Netzwerke stoßen an ihre Grenzen, um mit dem weltweit wachsenden und unstillbaren Datenhunger Schritt zu halten, der durch Innovationen wie das Internet der Dinge (IoT), autonome Fahrzeuge und virtuelle Realität angetrieben wird. Angesichts dessen veröffentlichte die Internationale Fernmeldeunion (ITU) 2015 die Spezifikation für 5G (Abbildung 1), die eine Reihe anspruchsvoller Anforderungen enthält, darunter Spitzendatenraten von bis zu 20 Gbit/s (10- bis 20-mal schneller als 4G), extrem niedrige Latenzzeiten und Verbindungsdichten von bis zu 1 Million Geräten pro Quadratkilometer.
Abbildung 1: Ausgewählte wichtige Leistungsindikatoren von 5G
(Quelle: ‘5G für vernetzte Industrien und Automatisierung’, 2. Auflage, Whitepaper, 5GACIA, November 2018)
Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, haben die Entwickler von 5G-Netzwerken eine Reihe transformativer Technologien eingesetzt, darunter:
- Massive MIMO mit Beamforming, verwendet im 5G-Funkzugangsnetz (RAN)
- Nutzung der Millimeterwellenfrequenzen bei 30 GHz und darüber, um die von der 5G-Spezifikation geforderten enormen Bandbreiten bereitzustellen.
- Erweiterte Netzwerkmanagementfunktionen, einschließlich Network Slicing, ermöglichen die Anpassung von Diensten an spezifische Anwendungen.
Ökonomie der Internetdaten
Einige Analysten prognostizieren, dass die Datenraten bis Ende 2023 fast 107 Exabyte (EB) pro Monat erreichen werden (jährliche Wachstumsrate: 391 Tsd. 34 Tsd.). Darüber hinaus wurde eine Referenzstudie aus dem Jahr 2011 veröffentlicht.[ich]Er berechnete, dass etwa 5 kWh benötigt werden, um die Nutzung jedes GB Internetdaten zu unterstützen – was zu einigen erstaunlichen Ergebnissen führen würde, wenn der Stromverbrauch linear mit der Datennutzung ansteigen würde.
Der Stromverbrauch von 5G muss daher deutlich sinken, damit die Technologie sowohl ökologisch nachhaltig als auch wirtschaftlich rentabel ist. In den folgenden Abschnitten werden einige der Kostentreiber von 5G sowie mögliche Lösungsansätze zur Reduzierung des Energieverbrauchs untersucht.
Spezielle Herausforderungen für Betreiber und Rechenzentrumseigentümer
Die Einführung von 5G wird sowohl für Netzwerk- als auch für Rechenzentrumsbetreiber eine Reihe von Herausforderungen mit sich bringen.
Innerhalb des Netzwerks werden die enormen Konnektivitätsanforderungen von IoT-Geräten und anderen Anwendungen in Verbindung mit den Ausbreitungseigenschaften von Millimeterwellen einen massiven Anstieg der Basisstationen bewirken. Dank Massive-MIMO-Technologie werden 5G-Basisstationen bis zu 64 Sender besitzen. Ohne Effizienzmaßnahmen würde der Leistungsbedarf einer typischen 4G-RRU mit zwei Sendern von 300 Watt auf 1100 bis 1500 Watt für eine 5G-AAU mit 64 Sendern ansteigen. Da Basisstationen bereits 601 Tsd. 34 Tsd. des gesamten Stromverbrauchs des Netzwerks ausmachen und die Energiekosten der Betreiber auf 151 Tsd. 34 Tsd. (Betriebskosten) geschätzt werden, ist dies nicht tragbar. Innovative Effizienzmaßnahmen müssen daher in die Entwicklung von 5G-Netzen integriert werden.
Der Hochfrequenz-Leistungsverstärker (RFPA) ist eine der teuersten und energieintensivsten Komponenten des 5G-Funknetzes. RFPA-Entwickler wechseln daher zunehmend von LDMOS- zu Galliumnitrid-Transistoren (GaN), zunächst auf Basisstationsebene, da diese eine hohe Durchbruchspannung, hohe Leistungsdichte, große Bandbreite und hohen Wirkungsgrad aufweisen. Gleichzeitig hat sich die Hüllkurvenverfolgung/-wiederherstellung (ET/ER) als wichtige RFPA-Designtechnik etabliert, die eine effiziente und lineare Verstärkung modulierter Signale mit hohen Spitzen-zu-Durchschnitts-Leistungsverhältnissen (PAPR) ermöglicht. ET/ER benötigt einen hocheffizienten DC/DC-Wandler, um die Breitband-Ausgangsvorspannung des RFPA synchron mit der Amplitudenänderung des modulierten HF-Eingangssignals anzupassen.
In Rechenzentren werden aufgrund der wachsenden Datenmengen mehr Rechenleistung und Speicherkapazität benötigt, was mehr Server, Racks, Strom, Kühlung und Platz erfordert. Da einige Studien jedoch schätzen, dass Rechenzentren 31.340 Tonnen des weltweiten Stromverbrauchs und 21.340 Tonnen Treibhausgasemissionen verursachen, stehen sie unter erheblichem Druck, sowohl ihren Energieverbrauch zu senken als auch den Einsatz erneuerbarer Energien zu erhöhen.
Netzwerk- und Rechenzentrumsbetreiber stehen daher vor der doppelten Herausforderung, mehr Funktionalität auf kleinerem Raum unterzubringen und gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken. Während Energieeffizienztechniken wie schlankes Netzwerkdesign und Virtualisierung in beiden Bereichen Anwendung finden, haben digitales Energiemanagement und DC/DC-Wandlungstechniken das Systemdesign revolutioniert und effizientere und kompaktere Server und andere elektronische Geräte ermöglicht. Digitale Leistungsmodule vereinen die Vorteile digitaler Kommunikation mit hochdichten und hocheffizienten modularen DC/DC-Lösungen und ermöglichen Systementwicklern die Entwicklung kompakterer und effizienterer Produkte mit kleinen Bauformen. Die Markteinführungszeit für neue Produkte verkürzt sich, da Entwickler die Funktionalität der Leistungsmodule sowie eine Reihe von Support-Tools nutzen können. So können sie sich von komplexen Stromversorgungskonzepten befreien und sich auf die Entwicklung wertschöpfender Produktmerkmale konzentrieren.
Abbildung 2: Flex Leistungsmodule der PKJ-Serie Digitaler DC/DC-Wandler
Flex digitale Leistungsdesignlösungen
Durch die kürzliche Übernahme von Ericsson Power Modules verfügt Flex Power Modules über mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Bereitstellung digitaler Stromversorgungslösungen für Telekommunikations- und Rechenzentrumsanwendungen. Mit extrem hohen Wirkungsgraden (derzeit bis zu 97%, bald über 98%), höchster Zuverlässigkeit, Konfigurations- und Steuerungsmöglichkeiten über PMBus sowie kompakten Bauformen bis hin zur Größe eines 16-Bit-Bausteins bieten die DC/DC-Leistungswandler von Flex eine effektive Lösung für die Herausforderungen von 5G.
Das Produktportfolio der Flex-Leistungsmodule umfasst eine breite Palette isolierter DC/DC-Wandler und nicht isolierter Point-of-Load-Wandler (PoL) sowie Leistungsschnittstellenmodule (PIM) für ATCA-Anwendungen wie Prozessor- und Switch-Blades. Beispielsweise wurde das Portfolio speziell für die Herausforderungen von RFPA-Anwendungen entwickelt und umfasst die PKJ-Serie (erhältlich mit Nennausgangsspannungen von 28 V oder 50 V und Wirkungsgraden von bis zu 96,51 TP34T, wodurch eine Leistung von 700 W im Half-Brick-Format erreicht wird); Die PKM-D-Serie (einschließlich eines hochdichten 500-W-Viertel-Brick-DC/DC-Wandlers mit einem typischen Wirkungsgrad von bis zu 95,51 TP34 T bei 48 V Eingangsspannung und halber Last sowie einem breiten Ausgangsspannungseinstellbereich von 14 V bis 35 V), die PKB-D-Serie (mit einem Achtel-Brick-Wandler mit einer Ausgangsspannung von 50 V bei 5 A und einem Eingangsspannungsbereich von 36 V bis 60 V) und andere.
Das umfassende Produktsortiment der Flex-Leistungsmodule wird durch eine Reihe modernster Konstruktionswerkzeuge ergänzt, darunter die Flex Power Designer-Software. Dieses innovative Werkzeug ermöglicht es dem Systementwickler, detaillierte Simulationen einschließlich thermischer Modellierung durchzuführen, wodurch Fehler bei der Auslegung von Stromversorgungssystemen minimiert und die Entwicklungszeit verkürzt werden – und somit die Markteinführungszeit neuer Produkte beschleunigt wird.
Abschluss
Die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit von 5G-Netzen und Rechenzentren hängen zunehmend von fortschrittlichen digitalen Stromversorgungstechniken ab. Flex Power Modules ist weltweit führender Anbieter digitaler Stromversorgungslösungen mit einem umfassenden digitalen Produktportfolio. Dieses beinhaltet PIM-, isolierte Brick- und digitale PoL-Module sowie ein wachsendes Angebot an RFPA-spezifischen Produkten zur Unterstützung von LDMOS- und GAN-basierten Designs. Das breite Portfolio von Flex Power Modules bietet Mehrwert-Stromversorgungslösungen, die es Entwicklern ermöglichen, Entwicklungszyklen zu verkürzen und innovative Netzwerk- und Rechenzentrumsausrüstung schneller auf den Markt zu bringen.
[i] https://www.aceee.org/files/proceedings/2012/data/papers/0193-000409.pdf
Unser Produktsortiment eignet sich für 5G-/RFPA-Anwendungen. kann man sehen HIER
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