La tecnología 5G promete habilitar innumerables aplicaciones nuevas para una sociedad totalmente conectada, lo que conllevará un crecimiento exponencial en la transmisión de datos. Al mismo tiempo, el diseño de la interfaz 5G NR (nueva radio), con la necesidad de soportar miles de millones de dispositivos conectados, impulsará un enorme aumento de estaciones base en la red global. Un mayor número de estaciones base requerirá más energía, al igual que un mayor número de servidores en el centro de datos; sin embargo, los operadores de redes y centros de datos se enfrentan a presiones ambientales y económicas para reducir los costos energéticos.
Este artículo analiza estos desafíos y cómo organizaciones como Flex están ayudando a los operadores y propietarios de centros de datos a abordarlos mediante técnicas innovadoras como la conversión CC/CC y soluciones de suministro de energía de alta eficiencia y formato pequeño.
Descripción general de 5G
Las redes inalámbricas actuales tienen dificultades para satisfacer la creciente e insaciable demanda mundial de datos, impulsada por innovaciones como el IoT, los coches autónomos y la realidad virtual. En reconocimiento de ello, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) publicó en 2015 la especificación para 5G (Figura 1), que incluye una serie de requisitos exigentes, como velocidades máximas de datos de hasta 20 GB/s (entre 10 y 20 veces más rápidas que las velocidades 4G), latencias ultrabajas y densidades de conexión de hasta 1 millón de dispositivos por kilómetro cuadrado.
Figura 1: Indicadores clave de rendimiento seleccionados de 5G
(Fuente: '5G para industrias conectadas y automatización', 2.ª edición, libro blanco, 5GACIA, noviembre de 2018)
Para satisfacer estos exigentes requisitos, los diseñadores de redes 5G han empleado una serie de tecnologías transformadoras, entre las que se incluyen:
- MIMO masivo con formación de haces, utilizado en la red de acceso de radio (RAN) 5G.
- Utilización de las frecuencias mmWave de 30 GHz y superiores para proporcionar el ancho de banda masivo requerido por la especificación 5G.
- Funciones mejoradas de administración de red, incluida la segmentación de red, que permiten adaptar los servicios a aplicaciones específicas.
Economía de los datos de internet
Algunos analistas predicen que las tasas de datos alcanzarán casi 107 exabytes (EB) por mes para finales de 2023 (39% CAGR). Además, un estudio de referencia de 2011[i]Se calculó que se necesitan aproximadamente 5 kWh para soportar la utilización de cada GB de datos de internet, lo que daría lugar a resultados asombrosos si el consumo de energía aumentara linealmente junto con el uso de datos.
Por lo tanto, el consumo energético de la tecnología 5G deberá disminuir significativamente para que sea sostenible desde el punto de vista medioambiental y económicamente viable. Las siguientes secciones analizan algunos de los factores que influyen en el coste energético de la tecnología 5G, así como algunas posibles soluciones para reducir su consumo.
Desafíos específicos para operadores y propietarios de centros de datos
El despliegue de la tecnología 5G planteará una serie de desafíos tanto para los operadores de redes como para los de centros de datos.
Dentro de la red, las enormes demandas de conectividad de los dispositivos IoT y otras aplicaciones, junto con las características de propagación de ondas milimétricas, impulsarán un aumento considerable en el número de estaciones base. Con la tecnología MIMO masiva, las estaciones base 5G contarán con hasta 64 transmisores. En ausencia de medidas de eficiencia, el consumo de energía de entrada de 300 vatios de una RRU 4G típica de dos transmisores se traducirá en entre 1100 y 1500 vatios para una AAU 5G con 64 transmisores. Dado que las estaciones base ya representan 60% del consumo total de energía de la red, y que los costos energéticos de los operadores se estiman en 15% de gastos operativos, esta situación es insostenible y es necesario incorporar medidas de eficiencia innovadoras en el diseño de las redes 5G.
El amplificador de potencia de radiofrecuencia (RFPA) es uno de los componentes más costosos y de mayor consumo energético de la red de radio 5G. Los diseñadores de RFPA están migrando cada vez más de los transistores LDMOS a los de nitruro de galio (GaN), inicialmente a nivel de estación base, debido a su alto voltaje de ruptura inherente, alta densidad de potencia, gran ancho de banda y alta eficiencia. Al mismo tiempo, el RFPA con seguimiento/restauración de envolvente (ET/ER) se ha consolidado como una técnica clave en el diseño de RFPA, permitiendo una amplificación eficiente y lineal de señales moduladas con altas relaciones de potencia pico a promedio (PAPR). El ET/ER requiere un convertidor CC/CC de alta eficiencia para variar el voltaje de polarización de salida del RFPA de banda ancha en sincronía con la variación de amplitud de la señal de entrada de RF modulada.
En los centros de datos, se necesitará mayor potencia de procesamiento y capacidad de almacenamiento para gestionar el creciente volumen de datos, lo que implica más servidores, racks, energía, refrigeración y espacio. Sin embargo, según algunos estudios, los centros de datos consumen 31 TP34 T de la electricidad mundial y emiten 21 TP34 T de gases de efecto invernadero a nivel global, lo que genera una presión considerable sobre estos centros para reducir el consumo energético e incrementar el uso de energías renovables.
Por lo tanto, los operadores de redes y centros de datos se enfrentan al doble desafío de integrar más funcionalidades en espacios reducidos y disminuir el consumo de energía. Si bien existen técnicas de eficiencia energética, como el diseño de redes ultraligeras y la virtualización, en ambos entornos, la gestión digital de la energía y las técnicas de conversión de CC han transformado el diseño de sistemas, permitiendo servidores y otros equipos electrónicos más eficientes y compactos. Los módulos de potencia digital combinan las ventajas de la comunicación digital con soluciones modulares de CC/CC de alta densidad y eficiencia, lo que permite a los diseñadores de sistemas desarrollar productos más compactos y eficientes con formatos reducidos. El tiempo de comercialización para el desarrollo de nuevos productos se acorta, ya que los diseñadores pueden aprovechar la funcionalidad de los módulos de potencia, además de una gama de herramientas de soporte, liberándose así del complejo diseño de la fuente de alimentación para centrarse en el desarrollo de características de valor añadido.
Figura 2: Módulos de potencia Flex, serie PKJ, convertidor CC-CC digital
Soluciones de diseño de potencia digital Flex
Como resultado de la reciente adquisición de Ericsson Power Modules, Flex Power Modules cuenta con una trayectoria de más de 40 años en el suministro de soluciones de alimentación digital para aplicaciones de telecomunicaciones y centros de datos. Ofreciendo eficiencias ultra altas, actualmente hasta 97% pero que pronto superarán las 98%, una fiabilidad excepcional, capacidades de configuración y control a través de PMBus y formatos compactos de hasta un dieciseisavo de ladrillo, los productos de alimentación CC/CC de Flex proporcionan una solución eficaz para el desafío del 5G.
La cartera de productos de Flex Power Modules incluye una amplia gama de convertidores CC/CC aislados y convertidores de punto de carga (PoL) no aislados, así como módulos de interfaz de potencia (PIM) para aplicaciones ATCA, como procesadores y módulos de conmutación. Por ejemplo, desarrollada teniendo en cuenta los desafíos específicos de las aplicaciones RFPA, la cartera incluye la serie PKJ (disponible con voltajes de salida nominales de 28 V o 50 V y con eficiencias de hasta 96,5% que permiten la entrega de 700 W en un formato de medio ladrillo); la serie PKM-D (que incluye un convertidor CC-CC de un cuarto de ladrillo de alta densidad de 500 W con una eficiencia típica que alcanza un máximo de 95,5% a 48Vin y media carga y un amplio rango de ajuste de salida de 14 V a 35 V), la serie PKB-D (con un convertidor de un octavo de ladrillo con una salida de 50 V a 5 A y un rango de voltaje de entrada de 36 a 60 V), entre otros.
La gama completa de productos de los módulos de potencia Flex se complementa con un conjunto de herramientas de diseño de ingeniería de vanguardia, que incluyen: Software de diseño de energía Flex. Esta innovadora herramienta permite al diseñador del sistema realizar simulaciones detalladas, incluyendo modelado térmico, minimizando los errores de diseño del sistema eléctrico y reduciendo el tiempo de desarrollo, lo que acelera la comercialización de nuevos productos.
Conclusión
La sostenibilidad y la viabilidad económica de las redes 5G y los centros de datos dependen cada vez más de técnicas avanzadas de alimentación digital. Flex Power Modules es el proveedor líder mundial de soluciones de alimentación digital, con una cartera de productos digitales integral que incluye módulos PIM, de tipo "ladrillo aislado" y PoL digital, así como una creciente gama de productos específicos para RFPA que admiten diseños basados en LDMOS y GAN. La amplia cartera de Flex Power Modules proporciona soluciones de alimentación de valor añadido que permiten a los desarrolladores reducir los ciclos de diseño y acelerar la comercialización de equipos innovadores para redes y centros de datos.
[i] https://www.aceee.org/files/proceedings/2012/data/papers/0193-000409.pdf
Nuestra gama de productos es adecuada para aplicaciones 5G / RFPA. se puede ver AQUÍ
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