Stratégies de gestion thermique de la 5G : Garder les réseaux froids et efficaces

Pourquoi la gestion thermique est essentielle au succès de la 5G

L'introduction des réseaux de cinquième génération (5G) a bouleversé le secteur des télécommunications en offrant des vitesses de données élevées, une faible latence et une grande connectivité. Si la technologie 5G fait progresser les niveaux de performance comme jamais auparavant, elle pose de nouveaux défis, notamment en matière de gestion thermique. Les stations de base 5G consomment 2 à 3 fois plus d'énergie que les antennes MIMO 4G (64 à 128 émetteurs-récepteurs contre 8 à 12) et fonctionnent dans des gammes de fréquences qui utilisent le traitement des ondes millimétriques. Cette densité de puissance génère un flux thermique de 300 à 800 W/m², comparable à celui des centres de données, mais qui est désormais compacté dans des boîtiers extérieurs. Sans une gestion thermique appropriée, les températures dépassent 85°, ce qui rend impossible le déploiement de stations de base à l'intérieur.

Dégradation du matériel : Les taux de défaillance des semi-conducteurs doublent par augmentation de 10°C, ce qui, selon le modèle d'Arrhenius, signifie que la dégradation du matériel se traduit par des durées de vie de 10 ans qui se transforment en moins d'une décennie.
Pointes de latence : Les composants RF tels que les amplificateurs de puissance perdent 0,15 dB d'efficacité par °C au-dessus de 70°C, ce qui se traduit par une augmentation de la latence de l'internet de 8 à 12 ms.

Un rapport de la GSMA indique que le nombre de connexions 5G devrait dépasser 1,8 milliard d'ici 2025, ce qui représenterait plus de 20% de connexions mobiles dans le monde. À la lumière de ces prévisions, les opérateurs de réseaux devront contrôler la surchauffe afin de maintenir des performances optimales. Cette gestion thermique doit être prioritaire en raison de l'immense demande de services 5G.

Les défis de la dissipation thermique en 5G

Pourquoi les radios 5G sont-elles plus sensibles à la surchauffe ? Principaux défis liés à la dissipation de la chaleur dans la 5G

Dilemme de la densité : plus d'antennes, plus de chaleur

L'une des principales fonctionnalités commerciales du système 5G est l'adoption massive de l'architecture MIMO (entrées et sorties multiples), qui intègre de nombreuses antennes pour améliorer la capacité et la couverture du réseau. Malheureusement, le plus grand nombre de grappes MIMO dans une station de base 5G entraîne une génération de chaleur beaucoup plus importante. Par exemple, un réseau standard de 64 antennes produit plus de 500 watts de chaleur, comme un petit radiateur. En l'absence d'un refroidissement actif approprié, assurer une dissipation efficace de la chaleur devient un défi critique.

Efficacité énergétique Paradoxe

La gestion thermique des unités 5G basées sur la technologie MIMO est exacerbée par la promesse d'incorporer de nombreuses caractéristiques de progrès qui ne faisaient pas partie des générations précédentes, par exemple le mode veille et la distribution dynamique de la puissance. Malheureusement, les débits de données plus élevés et l'augmentation de la consommation d'énergie de certaines unités auront un impact thermique s'ils ne sont pas correctement pris en compte.

Facteurs de variabilité environnementale

Les environnements de déploiement des stations de base 5G sont nombreux et varient des zones urbaines denses aux zones rurales. La diversité de l'environnement opérationnel, comme la température et l'humidité, peut grandement influencer les caractéristiques thermiques de l'équipement 5G. Pour atteindre une productivité adéquate, les solutions de gestion thermique doivent répondre de manière appropriée à ces changements.

Facteur de gestion thermique	Impact	Taux/Données
Consommation électrique de la station de base	Consomme 2 à 3 fois plus que la 4G	Puissance de la station de base : 300-800 W/m² de flux thermique
Vieillissement des semi-conducteurs	Le taux de défaillance double pour chaque augmentation de 10°C	Durée de vie moyenne réduite à moins de 10 ans
Temps de latence	Perte d'efficacité de 0,15 dB par °C d'augmentation	Augmente la latence de 8 à 12 ms
Connexions 5G prévues	On s'attend à ce qu'elle dépasse 1,8 milliard d'ici 2025	représente plus de 20% des connexions mobiles mondiales
Nombre d'antennes MIMO	Chaque réseau de 64 antennes génère plus de 500 watts de chaleur.	Comparable à un petit chauffage d'appoint

Stratégies de contrôle thermique actif

Batteries de ventilateurs à vitesse variable

Les ventilateurs de refroidissement sont essentiels pour l'évacuation ciblée de la chaleur dans la gestion thermique active des unités d'antennes actives (AAU), des unités de bande de base (BBU) et des modules d'alimentation (PSM) de la 5G. Ces ventilateurs refroidissent spécifiquement les composants critiques tels que les amplificateurs de puissance RF et les processeurs qui peuvent atteindre des températures de surface supérieures à 70°C. Les solutions fixes sont moins efficaces que les réseaux à vitesse variable. Les ventilateurs à vitesse variable permettent de réaliser des économies d'énergie de 25 à 40% grâce à un contrôle PID précis avec des plages de vitesse de ventilateur réglées entre 1 500 et 6 000 tr/min.

L'avantage de l'ingénierie de l'ACDCFAN

ACDCFAN fabrique des ventilateurs AC, DC et EC conformes à la directive RoHS qui sont reconnus sur le marché pour leur flexibilité innovante et leur durabilité améliorée. Les ventilateurs d'ACDCFAN sont fabriqués à l'aide de matériaux résistants, ce qui permet d'obtenir des performances robustes pour les stations de base 5G. Par rapport aux ventilateurs de niveau standard, les ventilateurs d'ACDCFAN ont une résistance à la variation de forme supérieure de 10% et garantissent une rentabilité avec des performances de ventilateur plus stables de 30%.

Solutions intelligentes de refroidissement par liquide

Les ventilateurs refroidis par liquide fournissent directement un liquide de refroidissement puissant aux zones thermiques actives de l'infrastructure 5G, ce qui améliore l'efficacité en réduisant la consommation d'énergie à environ 30%-50% par rapport au refroidissement par l'air. Ces systèmes sont excellents pour les températures de déploiement à haute densité dans des régions où l'interruption du signal est dépassée, comme les concentrateurs de fibre optique. L'échange rapide de chaleur, l'intégration de la surveillance pilotée par l'IA et la sortie intelligente des signaux sont quelques-uns des avantages de ces systèmes, mais le coût de l'installation et les fuites constituent certains des problèmes. Convient le mieux aux systèmes sensibles soumis à des charges opérationnelles extrêmes.

Si vous êtes intéressé par la différence entre le refroidissement liquide et le refroidissement par air, consultez notre blog précédent. ici!

Architectures de refroidissement hybrides

Les systèmes hybrides combinent le refroidissement par cavité liquide et le refroidissement par air, en utilisant des radiateurs comme moyen d'échange de chaleur, ce qui offre un équilibre intéressant entre l'efficacité énergétique et le coût. Les refroidisseurs sont supprimés car les systèmes utilisent couramment de l'eau pour refroidir des composants de grande puissance tels que les antennes 5G ou les amplificateurs à fibre optique. Les boucles liquides prennent en charge les dispositifs puissants tandis que le refroidissement par air gère les plages de températures élevées.

D'autre part, les systèmes portables peuvent être utilisés pour des déploiements en extérieur car ils sont adaptables en termes d'énergie. Dans les scénarios à très haute densité, la complexité de la maintenance et les limites de l'évolutivité constituent un défi. Mieux adaptée aux centres de données périphériques dans les nœuds 5G urbains ou les applications IoT, la gestion thermique flexible est assurée par des systèmes hautement intégrés.

Solutions de refroidissement passif pour Base Stations

Conception avancée de dissipateurs thermiques

Les dissipateurs de chaleur sont l'un des dispositifs les plus importants dans la gestion thermique des composants des stations de base 5G. Comme toute autre chose en ingénierie, les puits de chaleur qui intègrent des chambres de vapeur ou des caloducs tendent à atteindre des niveaux extrêmement élevés de transfert de chaleur. Ceux-ci peuvent être améliorés grâce à des simulations de dynamique des fluides numérique (CFD) qui ont été conçues pour répondre aux exigences de paramètres spécifiques liés à l'optimisation des performances thermiques.

Changement de phase (PCM) Application

La gestion thermique de la technologie 5G peut utiliser des matériaux à changement de phase (MCP) pour stocker et dissiper l'énergie lorsque la température varie. Lorsque l'équipement produit de la chaleur au-delà de son seuil normal, les MCP agissent comme une éponge pour la retenir et la restituer plus tard lorsque la température est inférieure à la norme de la machine, maintenant ainsi l'équipement dans la plage thermique souhaitée. L'intégration des MCP et de la graisse thermique dans la conception des stations de base 5G peut contribuer à accroître leur stabilité thermique tout en réduisant deux extrêmes, le refroidissement actif et la surchauffe.

Méthode de refroidissement	Coût de la mise en place	Coût opérationnel	Scénario coût-efficacité
Ventilateurs à vitesse variable	Modéré (composants durables, conception modulaire)	Faible (25-40% économies d'énergie par PWM dynamique)	Déploiements urbains à haute densité avec des charges fluctuantes
Refroidissement par liquide	Élevé (tuyauterie personnalisée, infrastructure du liquide de refroidissement)	Modérée (gains d'efficacité énergétique de 30-50%)	Concentrateurs de fibres optiques critiques ou zones à densité de puissance extrême
Systèmes hybrides	Modéré-élevé (complexité de l'intégration)	Faible (réduction de la dépendance à l'égard du refroidisseur)	Nœuds urbains extérieurs nécessitant une fiabilité et une adaptabilité énergétique partielle
Solutions PCM passives	Élevé (optimisation des matériaux et modélisation CFD)	Minimale (pas d'utilisation d'énergie active)	Stations éloignées/rurales avec des pics thermiques intermittents

Solutions de refroidissement avancées d'ACDCFAN pour l'ère 5G

Afin de résoudre les problèmes thermiques posés par les stations de base 5G, l'ACDCFAN s'est concentré sur les approches suivantes :

Massive MIMO Personnalisation

Notre Les fans de DC sont spécialement conçus pour les réseaux d'antennes 64-128 avec des lames rotatives en PBT résistantes à la température et des cadres en aluminium. De plus, ils sont entièrement certifiés IP68. Ils peuvent supporter la poussière, la pluie et les environnements extrêmes. Les lames et les cadres résistent à des températures allant de -40°C à 120°C, ce qui convient à de nombreux appareils. La norme IP68 augmente également leur cycle de vie à environ 70 000 heures (MTBF), ce qui réduit considérablement les intervalles de maintenance et empêche les pièces RF sensibles d'être contaminées, car elles sont protégées par les certifications RoHS, UL, CE et TUV, qui n'émettent pas de substances nocives.

PWM Contrôle de la vitesse

Grâce à une puce intelligente de contrôle de la température, les ventilateurs peuvent varier leur vitesse de 800 tr/min à 6 000 tr/min instantanément. Cela permet d'économiser de l'énergie et de diminuer les interférences électromagnétiques (EMI) à 30 dBμV. Une conception de moteur sans balai atténue la fluctuation du courant par 40%, ce qui maintient directement l'intégrité du signal.

Soutien au déploiement modulaire

Nos ventilateurs supportent également des tensions élevées de 5 à 48 V et sont disponibles dans plus de 20 tailles différentes. Les machines peuvent être fabriquées sur commande et modifiées pour permettre l'intégration des gaines de câbles avec les équipements AAU de Rogers, Nokia, Huawei, etc. La protection IP68 permet une durabilité dans les sites côtiers ou désertiques.

Les produits d'ACDCFAN augmentent le temps de fonctionnement des stations de base de 52% tout en permettant des économies de 10% sur le coût total de possession par rapport à des produits similaires sans refroidissement précis et sans suppression des interférences électromagnétiques, ce qui démontre l'importance accordée par ACDCFAN à la plus grande efficacité.

Conclusion

Alors que les réseaux 5G continuent de s'étendre et d'évoluer, une gestion thermique efficace restera un facteur critique pour assurer leur succès. En adoptant une combinaison de stratégies de refroidissement actives et passives, les opérateurs de réseaux peuvent atténuer les risques associés à la surchauffe et maintenir des performances optimales. Des réseaux de ventilateurs à vitesse variable et du refroidissement liquide intelligent aux conceptions avancées de dissipateurs thermiques et aux matériaux à changement de phase, une large gamme de solutions est disponible pour répondre aux défis thermiques uniques des déploiements 5G.

Alors que la demande de combinés et de services 5G augmente, il est essentiel pour l'industrie de donner la priorité à la gestion thermique et d'investir dans des solutions idéales. Ce faisant, nous pourrons libérer tout le potentiel des réseaux 5G, en offrant une connectivité transparente, une expérience utilisateur améliorée et une croissance durable pour le secteur des télécommunications.