تم تقديم طيف جديد يسمى الموجة المليمترية (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 البعض لتوفير تغطية كاملة لمنطقة محدودة. وهذا يؤدي إلى العديد من التحديات في تصميم الإدارة الحرارية، والتي سيتم مناقشتها أدناه.
ما هي 5G؟
قام معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) بتعريف الجيل الخامس من التكنولوجيا اللاسلكية لأول مرة في عام 2016. وفي عام 2018، وافق قطاع الاتصالات الراديوية (ITU-R) التابع للاتحاد الدولي للاتصالات على مجموعة من المتطلبات للمعايير العالمية الجديدة. ومن بين هذه المعدلات الأعلى للبيانات، وزمن الوصول المنخفض، وتوفير الطاقة، وتوفير التكاليف، وزيادة سعة النظام. ويقدر قطاع الاتصالات الراديوية أن تصل معدلات الذروة للبيانات إلى 20 جيجابت في الثانية (Gbps).
تعد شبكة 5G ترقية هائلة من الجيل الرابع من التكنولوجيا اللاسلكية، حيث تنقل البيانات بمعدلات تصل إلى 100 ميجابت في الثانية (Mbps). 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 أسرع 100 مرة من الشبكات الخلوية الحالية. لقد أصبح العالم مجنونًا بهذه التكنولوجيا الجديدة.
مقدمة إلى محطات 5G الأساسية:
محطات 5G الأساسية هي شبكات وصول راديوية صغيرة (RAN). وهي أصغر من المحطات الأساسية الكلية التقليدية ولها تغطية محدودة. وهذا يستلزم الحاجة إلى العديد من المحطات الأساسية لتوفير التغطية الكاملة.
تتطلب معدلات البيانات المرتفعة والكمون المنخفض للتكنولوجيا اللاسلكية 5G نوعًا جديدًا من المحطات الأساسية. لا تستطيع محطة قاعدة الماكرو التقليدية توفير مستوى الخدمة المطلوبة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن عدد المحطات القاعدية الكلية اللازمة لتغطية منطقة معينة سيكون مكلفاً للغاية.
تعد المحطة الأساسية للخلية الصغيرة مكونًا حيويًا للبنية التحتية اللاسلكية من الجيل الخامس. وهي أقل تكلفة في النشر وتتطلب طاقة أقل من المحطات الأساسية 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 قاعدة ماكرو:
هذه هي أساسيات الشبكة. وهي تقع في مناطق ذات طلب مرتفع على الخدمات اللاسلكية، مثل المراكز الحضرية في وسط المدينة ومراكز التسوق. توفر محطات قاعدة الماكرو تغطية لمساحة عدة كيلومترات مربعة. توفر هذه المحطات التغطية في المناطق التي لا تغطيها شبكة الخلايا الصغيرة. يتم نشر المحطة الأساسية الكلية بطريقة مركزية ويتم توصيلها بمكونات البنية التحتية الخلوية الأخرى عبر كابل الألياف الضوئية.
محطات القاعدة الصغيرة:
تقع المحطات القاعدية الصغيرة في المناطق التي يقل فيها الطلب على الخدمات اللاسلكية، مثل المواقع الريفية أو الضواحي. تغطي المحطات الأساسية الصغيرة عدة أمتار مربعة وتستخدم نطاقًا مخصصًا غير مشترك مع مستخدمين آخرين.
يتم نشر المحطة الأساسية الصغيرة بطريقة موزعة ويتم توصيلها بمكونات البنية التحتية الخلوية الأخرى عبر وصلات لاسلكية. من المهم ملاحظة أن المحطة الأساسية الصغيرة ليست بديلاً للمحطة الأساسية الكلية. وبدلاً من ذلك، فهو يوفر التغطية في المناطق التي لن تكون فيها المحطة الأساسية الكلية مجدية اقتصاديًا.
المعدات الرائدة لمحطة قاعدة 5G AAU وBBU
المعدات الرائدة لمحطة قاعدة لاسلكية 5G هي وحدة الوصول الراديوي (AAU) ووحدة النطاق الأساسي (BBU). وحدة AAU مسؤولة عن إرسال واستقبال إشارات البيانات. BBU مسؤول عن معالجة وإدارة حركة المرور على الشبكة.
تتكون وحدة AAU من بعض المكونات، بما في ذلك:
راديو:
يقوم الراديو بإرسال واستقبال إشارات البيانات. يقوم بتحويل المعلومات الرقمية إلى إشارة تناظرية تنتقل 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. يتم إرسال الإشارات التناظرية عبر موجات الأثير من البيانات الرقمية. كما أنه يحول الإشارة التناظرية المستلمة مرة أخرى إلى نموذج رقمي لتتم معالجتها 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 المحطة الأساسية يوميًا.
جهاز الإرسال والاستقبال:
يستقبل جهاز الإرسال والاستقبال إشارات التردد اللاسلكي من أجهزة المستخدم. ومن خلال الإرسال عبر موجات الأثير، يقوم بتحويل البيانات الرقمية إلى إشارة تناظرية.
يتكون BBU من المكونات التالية:
المراقب المالي:
وحدة التحكم مسؤولة عن إدارة حركة المرور على الشبكة. فهو يخصص النطاق الترددي ويضمن وصول جميع المستخدمين إلى الموارد المطلوبة.
ذاكرة:
تقوم المحطات الأساسية بتخزين البيانات المراد معالجتها في الذاكرة. ويجب أن تتمتع بسعة كبيرة للتعامل مع كل حركة المرور التي تمر عبر المحطة الأساسية يوميًا.
واجهة:
تسمح الواجهة للمحطة الأساسية بالاتصال بمكونات البنية التحتية الخلوية الأخرى. يجب أن يكون لديه معدل بيانات مرتفع للتعامل مع كل حركة المرور التي تمر عبر المحطة الأساسية يوميًا.
مزود الطاقة:
يوفر مصدر الطاقة الكهرباء لجميع المكونات في BBU. تتطلب المحطات الأساسية قدرًا كبيرًا من الطاقة، لذا يجب أن يكون الجهاز قادرًا على التعامل معها.
يتم توصيل AAU وBBU عبر كابل الألياف الضوئية. تنقل الألياف الضوئية البيانات من مكون إلى آخر بسرعات عالية جدًا. كما أنه يسمح بمسافات طويلة بين المكونات، وهو أمر ضروري لتغطية مساحات واسعة بالخدمات اللاسلكية.
تتكون الألياف الضوئية من ثلاثة أجزاء: النواة، والكسوة، والطلاء. يجب أن يكون كل من AAU وBBU موجودين في مناطق ذات خط رؤية واضح بينهما.
استهلاك طاقة المحطة الأساسية 5G:
لتوفير تغطية لمنطقة كبيرة، تتطلب محطة قاعدة لاسلكية 5G قدرًا كبيرًا من الطاقة. يجب أن يتعامل مزود الطاقة مع متطلبات الطاقة العالية لوحدة AAU وBBU. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون المحطة الأساسية موجودة في منطقة يمكن فيها الوصول إلى مصدر موثوق للكهرباء.
ويبلغ 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 تقديم الخدمة لها.
يمكن تقسيم استهلاك الطاقة إلى ثلاث فئات رئيسية:
استهلاك الطاقة الحسابية:
استهلاك الطاقة الحسابية هو الطاقة اللازمة لمعالجة البيانات. يتطلب توفير تغطية لمنطقة كبيرة قدرًا كبيرًا من قوة المعالجة.
يتضمن ذلك تعديل الإشارة وإزالة تشكيلها، 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 اللازمة لنقل الإشارات من مكون إلى آخر بسرعات عالية جدًا عبر مسافات طويلة عبر كابل ألياف بصرية أو رابط لاسلكي مثل LTE/LTE+.
يعتمد استهلاك طاقة الإرسال على المسافة التي يحتاجها كل مكون لتوفير التغطية للمنطقة المطلوبة.
استهلاك الطاقة الإضافية:
استهلاك الطاقة الإضافي هو الطاقة اللازمة لتشغيل جميع المكونات في 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.
لتوفير تغطية لمنطقة كبيرة يتطلب الكثير من الطاقة. يجب أن يتعامل مزود الطاقة مع متطلبات الطاقة العالية لكل من AAU وBBU. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون المحطة الأساسية موجودة في منطقة يمكن فيها الوصول إلى مصدر موثوق للكهرباء.
تحديات تبريد المحطة الأساسية 5G:
أصبحت محطات الجيل الخامس اللاسلكية معقدة بشكل متزايد، ونتيجة لذلك، فإنها تولد المزيد من الحرارة. وهذا يمثل العديد من التحديات لمصممي هذه الأنظمة.
أحد التحديات هو التأكد من أن المكونات في BBU لا ترتفع درجة حرارتها. ويمكن القيام بذلك عن طريق استخدام ألواح التبريد السائلة لتبريد AAU وBBU. اللوحة الباردة السائلة عبارة عن جهاز يستخدم التبريد السائل لتبديد الحرارة من المكونات الإلكترونية.
يتم ضخ السائل من خلال أنابيب صغيرة مدمجة في اللوحة الباردة. يتم تشتيت الحرارة في الهواء المحيط عن طريق توصيل الأنابيب بالمبرد.
التحدي الآخر هو التأكد من أن الألواح الباردة السائلة يمكنها التعامل مع متطلبات الطاقة العالية لكل من AAU وBBU. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكونوا موجودين في منطقة حيث يمكنهم الوصول إلى مصدر موثوق به لسائل التبريد السائل مثل الماء أو جلايكول الإيثيلين.
يجب أن يأخذ تصميم اللوحة الباردة السائلة أيضًا في الاعتبار قيود التكلفة والوزن والحجم. يجب أن تكون الأنابيب السائلة المدمجة في اللوحة الباردة مرنة بدرجة كافية لتتحرك مع بعضها البعض دون التسبب في تلف أو تسرب. كما أنه لا ينبغي أن يضيف الكثير من الوزن الإضافي إلى المكونات الثقيلة بالفعل مثل الهوائيات والبطاريات المستخدمة لإمدادات الطاقة الاحتياطية.
حل التبريد السائل للمحطة الأساسية 5G:
أحد الحلول لهذه المشاكل هو التبريد السائل. يستخدم التبريد السائل السائل لنقل الحرارة بعيدًا عن المكونات الإلكترونية مما يؤدي إلى توليد الكثير من الحرارة وتبديدها في مكان آخر، عادةً في الهواء أو السائل المحيط.
وهذا يسمح بكثافة طاقة أعلى لأنه ليست هناك حاجة لتدفق الهواء عبر المبدد الحراري مما يخلق مقاومة واضطرابًا. يسمح التبريد السائل أيضًا بتشغيل أكثر هدوءًا نظرًا لأن السائل لا يصدر أي ضجيج عندما يتحرك عبر الأنابيب بسرعات عالية مثل الهواء الذي سيتم نفخه فوق منطقة بها مراوح أو أجهزة أخرى مثل توربينات الرياح.
أصبحت حلول التبريد السائل شائعة بشكل متزايد في صناعة تكنولوجيا المعلومات لأنها توفر العديد من المزايا مقارنة بطرق تبريد الهواء التقليدية مثل مستويات الضوضاء المنخفضة والموثوقية العالية نظرًا لكون السائل أقل عرضة للتيارات الهوائية التي تسبب اضطرابًا يؤدي إلى 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. يعد هذا أمرًا مهمًا للبيئات المقيدة مثل مراكز البيانات ومحطات القاعدة اللاسلكية.
خاتمة:
في الختام، يعد التبريد السائل حلاً قابلاً للتطبيق لمشكلة ارتفاع درجة الحرارة في محطات الجيل الخامس اللاسلكية. 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. ينبغي النظر في التحديات والحلول المذكورة أعلاه عند تصميم حل التبريد السائل لمحطة قاعدة لاسلكية من الجيل الخامس.
