Un nuevo espectro llamado onda milimétrica (mmWave) se introduce en la quinta generación de tecnología inalámbrica. mmWave puede transmitir datos a velocidades de hasta 20 gigabits por segundo, que es 100 veces más rápido que las redes celulares actuales. Las estaciones base 5G deben estar muy juntas para brindar cobertura total en un área limitada. Esto genera varios desafíos en el diseño de la gestión térmica, que se analizarán a continuación.
¿Qué es 5G?
El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) definió por primera vez la quinta generación de tecnología inalámbrica en 2016. En 2018, el Sector de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R) aprobó un conjunto de requisitos para nuevos estándares globales. Entre ellos se encuentran velocidades de datos más altas, menor latencia, ahorro de energía, ahorro de costos y mayor capacidad del sistema. El UIT-R estima que las velocidades máximas de datos alcanzarán los 20 gigabits por segundo (Gbps).
5G es una actualización masiva de la cuarta generación de tecnología inalámbrica, que transmite datos a velocidades de hasta 100 megabits por segundo (Mbps). Esta tecnología se utiliza en computadoras portátiles, teléfonos inteligentes y otros dispositivos. La quinta generación de tecnología inalámbrica transmitirá datos a velocidades de hasta 20 Gbps, 100 veces más rápido que las redes celulares actuales. El mundo se está volviendo loco con esta nueva tecnología.
Introducción a las estaciones base 5G:
Las estaciones base 5G son redes de acceso de radio de células pequeñas (RAN). Son más pequeñas que las macroestaciones base tradicionales y tienen una cobertura limitada. Esto requiere la necesidad de que muchas estaciones base proporcionen una cobertura completa.
Las altas velocidades de datos y la baja latencia de la tecnología inalámbrica 5G requieren un nuevo tipo de estación base. La macroestación base tradicional no puede proporcionar el nivel de servicio requerido. Además, el número de macroestaciones base necesarias para cubrir un área determinada sería prohibitivamente caro.
La estación base de celda pequeña es un componente vital de la infraestructura inalámbrica de quinta generación. Son menos costosas de implementar y requieren menos energía que las macroestaciones base tradicionales. Sin embargo, tienen algunas limitaciones. El área de cobertura es más pequeña y las velocidades de datos son más bajas que las que se pueden lograr con una estación base macro.
Las estaciones base 5G vienen en dos tipos:
Estaciones base macro:
Estos son los fundamentos de la red. Están ubicados en zonas con alta demanda de servicios inalámbricos, como centros urbanos céntricos y centros comerciales. Las macroestaciones base brindan cobertura a un área de varios kilómetros cuadrados. Estas estaciones brindan cobertura en áreas no cubiertas por la red de células pequeñas. La macroestación base se implementa de forma centralizada y está conectada a otros componentes de la infraestructura celular mediante un cable de fibra óptica.
Microestaciones base:
Las microestaciones base están ubicadas en áreas con menos demanda de servicios inalámbricos, como ubicaciones rurales o suburbanas. Las microestaciones base cubren varios metros cuadrados y utilizan un espectro dedicado que no se comparte con otros usuarios.
La microestación base se implementa de forma distribuida y está conectada a otros componentes de la infraestructura celular mediante enlaces inalámbricos. Es importante tener en cuenta que la microestación base no reemplaza a la macroestación base. En cambio, proporciona cobertura en áreas donde una macroestación base no sería económicamente viable.
Equipo líder de estación base 5G AAU y BBU
El equipo líder para una estación base inalámbrica 5G es la unidad de acceso de radio (AAU) y la unidad de banda base (BBU). La AAU es responsable de transmitir y recibir señales de datos. La BBU es responsable de procesar y gestionar el tráfico en la red.
La AAU consta de algunos componentes, que incluyen:
Radio:
La radio transmite y recibe señales de datos. Convierte la información digital en una señal analógica transmitida por ondas de radio.
Antena:
La antena transmite y recibe señales de RF de los dispositivos del usuario. Debe estar ubicado en un lugar con clara línea de visión para los usuarios.
Módem:
El módem se encarga de modular y demodular las señales de RF. Las señales analógicas se transmiten por ondas a partir de datos digitales. También convierte la señal analógica recibida nuevamente a un formato digital para ser procesada por otros componentes de la estación base.
Procesador:
El procesador es responsable del procesamiento de los datos digitales. Debe ser lo suficientemente potente como para manejar el importante tráfico que pasa diariamente por una estación base.
Transceptor:
El transceptor recibe y transmite señales de RF desde los dispositivos del usuario. Al transmitir por ondas de radio, convierte datos digitales en una señal analógica.
La BBU consta de los siguientes componentes:
Controlador:
El controlador es responsable de gestionar el tráfico en la red. Asigna ancho de banda y garantiza que todos los usuarios accedan a los recursos necesarios.
Memoria:
Las estaciones base almacenan en la memoria los datos a procesar. Debe tener una gran capacidad para manejar todo el tráfico que pasa diariamente por una estación base.
Interfaz:
La interfaz permite que la estación base se conecte a otros componentes de la infraestructura celular. Debe tener una alta velocidad de datos para manejar todo el tráfico que pasa diariamente por una estación base.
Fuente de alimentación:
La fuente de alimentación proporciona electricidad a todos los componentes de la BBU. Las estaciones base requieren mucha energía, por lo que el dispositivo debe poder manejarla.
La AAU y la BBU están conectadas mediante un cable de fibra óptica. La fibra óptica transmite datos de un componente a otro a velocidades muy altas. También permite largas distancias entre componentes, lo cual es necesario para cubrir grandes áreas con servicios inalámbricos.
La fibra óptica se compone de tres partes: un núcleo, un revestimiento y un revestimiento. Tanto la AAU como la BBU deben estar ubicadas en áreas con una línea de visión clara entre ellas.
Consumo de energía de la estación base 5G:
Para brindar cobertura a un área grande, una estación base inalámbrica 5g requiere mucha energía. La fuente de alimentación debe soportar los altos requisitos de potencia de la AAU y la BBU. Además, la estación base debe estar ubicada en un área donde tenga acceso a una fuente confiable de electricidad.
El consumo medio de energía de una estación base inalámbrica de quinta generación es de unos 500 vatios. La cantidad de antenas elegidas puede afectar esto, al igual que el tipo de área de cobertura atendida.
El consumo de energía se puede clasificar en tres categorías principales:
Consumo de energía computacional:
El consumo de energía computacional es la energía que se requiere para procesar datos. Para proporcionar cobertura a un área grande se requiere mucha potencia de procesamiento.
Esto incluye modulación y demodulación de señales, detección y corrección de errores, cifrado y descifrado, y otras tareas. La cantidad de consumo de energía computacional depende de cuánto tráfico hay en el área atendida por la estación base.
Consumo de energía de transmisión:
El consumo de energía de transmisión es la energía necesaria para transmitir señales de un componente a otro a velocidades muy altas a través de largas distancias a través de un cable de fibra óptica o un enlace inalámbrico como LTE/LTE+.
El consumo de energía de transmisión depende de qué tan lejos necesita cada componente para brindar cobertura al área deseada.
Consumo de energía adicional:
El consumo de energía adicional es la energía necesaria para alimentar todos los componentes de la BBU. Esto incluye cosas como el controlador, la memoria, la interfaz y la fuente de alimentación. La cantidad de consumo de energía adicional depende de cuántos componentes se incluyen en la BBU y sus requisitos de energía.
Para proporcionar cobertura a un área grande se requiere mucha energía. La fuente de alimentación debe soportar los altos requisitos de potencia tanto de la AAU como de la BBU. Además, la estación base debe estar ubicada en un área donde tenga acceso a una fuente confiable de electricidad.
Desafíos de enfriamiento de estaciones base 5G:
Las estaciones base inalámbricas de quinta generación son cada vez más complejas y, como resultado, generan más calor. Esto presenta muchos desafíos para los diseñadores de estos sistemas.
Un desafío es garantizar que los componentes de la BBU no se sobrecalienten. Esto se puede hacer utilizando placas frías líquidas para enfriar la AAU y la BBU. Una placa fría líquida es un dispositivo que utiliza refrigeración líquida para disipar el calor de los componentes electrónicos.
El líquido se bombea a través de pequeños tubos integrados en la placa fría. El calor se dispersa en el aire circundante conectando los tubos a un radiador.
Otro desafío es garantizar que las placas frías líquidas puedan manejar los altos requisitos de energía tanto de la AAU como de la BBU. Además, deben estar ubicados en un área donde tengan acceso a una fuente confiable de fluido refrigerante líquido, como agua o etilenglicol.
El diseño de la placa fría para líquidos también debe considerar las limitaciones de costo, peso y tamaño. Los tubos de líquido integrados en la placa fría deben ser lo suficientemente flexibles para moverse entre sí sin causar daños ni fugas. Además, no debería añadir demasiado peso adicional a componentes que ya son pesados, como antenas y baterías utilizadas como fuentes de alimentación de respaldo.
Solución de refrigeración líquida de estación base 5G:
Una solución a estos problemas es la refrigeración líquida. La refrigeración líquida utiliza líquido para transferir calor lejos de los componentes electrónicos, generando demasiado calor y disipándolo en otra parte, generalmente en el aire o líquido circundante.
Esto permite mayores densidades de potencia porque no hay necesidad de flujo de aire a través de un disipador de calor, lo que crea resistencia y turbulencia. La refrigeración líquida también permite un funcionamiento más silencioso, ya que el líquido no hace ningún ruido cuando se mueve a través de tubos a altas velocidades, como el aire que soplaría sobre un área con ventiladores u otros dispositivos como turbinas eólicas.
Las soluciones de refrigeración líquida se están volviendo cada vez más populares en la industria de TI porque ofrecen muchas ventajas sobre los métodos tradicionales de refrigeración por aire, como menores niveles de ruido y mayor confiabilidad debido a que el líquido es menos propenso que las corrientes de aire a causar turbulencias que causan desgaste en los componentes con el tiempo.
Además, las placas frías para líquidos permiten un uso más eficiente del espacio, ya que el líquido ocupa mucho menos espacio que el aire cuando se calienta. Esto es importante para entornos restringidos como centros de datos y estaciones base inalámbricas.
Conclusión:
En conclusión, la refrigeración líquida es una solución viable al problema del sobrecalentamiento en las estaciones base inalámbricas 5G. La refrigeración líquida permite mayores densidades de potencia debido a su capacidad para transferir calor de los componentes electrónicos y disiparlo en otros lugares sin crear resistencia o turbulencia que se produciría si se utilizara aire en su lugar. Se deben considerar los desafíos y las soluciones mencionados anteriormente al diseñar una solución de refrigeración líquida para una estación base inalámbrica de quinta generación.
