Estratégias de gestão térmica 5G: Manter as redes frescas e eficientes

Porque é que a gestão térmica é fundamental para o sucesso do 5G

A introdução das redes de quinta geração (5G) fez uma mudança no sector das telecomunicações, proporcionando grandes velocidades de dados, baixa latência e grande conetividade. Embora a tecnologia 5G avance os níveis de desempenho como nunca antes, coloca novos desafios, especialmente na gestão térmica. As estações base 5G consomem 2-3 vezes mais energia do que as antenas MIMO 4G (64-128 transceptores vs. 8-12) e funcionam em gamas de frequência que utilizam processamento de ondas milimétricas. Esta densidade de potência gera um fluxo de calor de 300-800W/m² que é - comparável ao dos centros de dados - mas que está agora a ser compactado em caixas exteriores. Sem uma gestão térmica adequada, as temperaturas ultrapassam os 85°, o que torna impossível a instalação de estações de base no interior.

Degradação de hardware: As taxas de avaria dos semicondutores duplicam por cada aumento de 10°C, o que, de acordo com o modelo de Arrhenius, significa que a degradação do hardware se traduz em períodos de vida de 10 anos que se transformam em menos de uma década.
Picos de latência: Os componentes de RF, como os amplificadores de potência, perdem 0,15dB de eficiência por cada °C acima dos 70°C, o que se traduz num aumento da latência da Internet de 8-12ms.

Um relatório da GSMA indica que o número de ligações 5G deverá exceder 1,8 mil milhões até 2025, o que representaria mais de 20% de ligações móveis em todo o mundo. Tendo em conta estas previsões, os operadores de rede teriam de controlar o sobreaquecimento para manter um desempenho ótimo. É necessário dar prioridade a esta gestão térmica devido à enorme procura de serviços 5G.

O que torna os rádios 5G mais susceptíveis ao sobreaquecimento? Principais desafios na dissipação de calor 5G

Dilema da densidade: mais antenas, mais calor

Uma das principais funcionalidades comerciais do sistema 5G é a adoção generalizada da arquitetura MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) maciça, que incorpora numerosas antenas para melhorar a capacidade e a cobertura da rede. Infelizmente, o maior número de clusters MIMO numa estação de base 5G resulta numa geração de calor muito maior. Por exemplo, um conjunto padrão de 64 antenas produz mais de 500 watts de calor, como um pequeno aquecedor de ambiente. Sem um arrefecimento ativo adequado, garantir uma dissipação de calor eficiente torna-se um desafio crítico.

Eficiência energética Paradoxo

A gestão térmica das unidades 5G baseadas em MIMO é exacerbada pela promessa de incorporar muitas caraterísticas avançadas que não faziam parte das gerações anteriores, por exemplo, o modo de espera e a distribuição dinâmica de energia. Infelizmente, as taxas de dados mais elevadas e o aumento do consumo de energia de certas unidades irão provocar uma taxa térmica se não forem devidamente tidos em conta.

Factores de variabilidade ambiental

Os ambientes de implantação das estações de base 5G são muitos e variam de períodos urbanos densos a zonas rurais. A diversidade do ambiente operacional, como a temperatura e a humidade, pode influenciar muito as caraterísticas térmicas do equipamento 5G. Para alcançar uma produtividade adequada, as soluções de gestão térmica devem responder adequadamente a estas alterações.

Fator de gestão térmica	Impacto	Taxa/Dados
Consumo de energia da estação de base	Consome 2-3 vezes mais do que 4G	Potência da estação de base: fluxo de calor de 300-800W/m²
Envelhecimento de semicondutores	A taxa de avarias duplica por cada aumento de 10°C	Tempo médio de vida reduzido para menos de 10 anos
Latência	Perda de eficiência de 0,15 dB por aumento de °C	Aumenta a latência em 8-12 ms
Ligações 5G projectadas	Prevê-se que ultrapasse os 1,8 mil milhões até 2025	Representa mais de 20% das ligações móveis a nível mundial
Contagem de antenas MIMO	Cada conjunto de 64 antenas gera mais de 500 watts de calor	Comparável a um pequeno aquecedor de ambiente

Estratégias de controlo térmico ativo

Matrizes de ventiladores de velocidade variável

As ventoinhas de arrefecimento são essenciais para a remoção de calor na gestão térmica ativa das unidades de antena ativa 5G (AAUs), unidades de banda base (BBUs) e módulos de alimentação (PSMs). Estas ventoinhas arrefecem especificamente componentes críticos como amplificadores de potência RF e processadores que podem atingir temperaturas de superfície superiores a 70°C. As soluções fixas são menos eficientes do que as matrizes de velocidade variável. As ventoinhas de velocidade variável permitem poupanças de energia de 25 a 40% através de um controlo PID preciso com gamas de velocidade da ventoinha ajustadas para 1.500 - 6.000 RPM.

Vantagem da engenharia da ACDCFAN

A ACDCFAN fabrica ventiladores AC, DC e EC compatíveis com RoHS que se destacam no mercado pela sua flexibilidade inovadora e maior durabilidade personalizada. Os ventiladores da ACDCFAN são fabricados com materiais resistentes, permitindo um desempenho robusto para estações base 5G. Em comparação com ventiladores de nível padrão, os ventiladores da ACDCFAN têm 10% maior resistência à variação de forma e garantem eficiência de custo com 30% desempenho mais estável do ventilador.

Soluções inteligentes de arrefecimento líquido

Os ventiladores arrefecidos por líquido fornecem diretamente um líquido de arrefecimento potente às zonas térmicas activas da infraestrutura 5G, o que melhora a eficiência ao reduzir o consumo de energia para cerca de 30%-50%, por oposição ao arrefecimento através do ar. Estes sistemas são excelentes para temperaturas de implantação de alta densidade em regiões que garantem que a interrupção do sinal é excedida, como os hubs de fibra ótica. Algumas das vantagens são a rápida troca de calor, a integração de monitorização orientada por IA e a saída de sinal inteligente, mas, por outro lado, o custo de instalação e as fugas são alguns dos problemas. Mais adequado para sistemas sensíveis com cargas operacionais extremas.

se estiver interessado na diferença entre refrigeração líquida e refrigeração a ar, descubra-a no nosso blogue anterior aqui!

Arquitecturas de arrefecimento híbridas

Os sistemas híbridos combinam refrigeração por cavidade líquida e por ar, utilizando radiadores como meio de troca de calor, o que proporciona um equilíbrio atrativo entre eficiência energética e custo. Os refrigeradores e arrefecedores são eliminados porque os sistemas utilizam habitualmente água para arrefecer componentes de alta potência, como antenas 5G ou amplificadores de fibra ótica. Os circuitos de líquido tratam de dispositivos potentes, enquanto o arrefecimento a ar gere intervalos de temperatura elevados.

Por outro lado, os sistemas portáteis podem ser utilizados para implantações no exterior, uma vez que podem ser adaptados à energia. Em cenários de densidade ultra-alta, a complexidade da manutenção e as limitações da escalabilidade representam um desafio. Mais adequado para centros de dados periféricos em nós 5G urbanos ou aplicações IoT, a gestão térmica flexível é fornecida por sistemas altamente integrados.

Soluções de arrefecimento passivo para Base Estações

Designs avançados de dissipadores de calor

Os dissipadores de calor são um dos dispositivos mais importantes na gestão térmica das peças da estação de base 5G. Como qualquer outra coisa na engenharia, os projectos de dissipadores de calor que integram câmaras de vapor ou tubos de calor tendem a atingir níveis extremamente elevados de transferência de calor. Estes podem ser melhorados através de simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) que foram concebidas para satisfazer os requisitos de parâmetros específicos relacionados com a otimização do desempenho térmico.

Mudança de fase Materiais (PCMs) Aplicação

A gestão térmica da tecnologia 5G pode recorrer a materiais de mudança de fase (PCM) para armazenar e dissipar energia quando a temperatura varia. Sempre que o equipamento produz calor acima do seu limiar normal, os PCMs actuam como uma esponja para o reter e libertar mais tarde quando a temperatura estiver abaixo do padrão da máquina, mantendo o equipamento dentro do intervalo térmico desejado. A integração de PCMs e massa térmica nos projectos de estações base 5G pode ajudar a aumentar a sua estabilidade térmica, reduzindo simultaneamente dois extremos, o arrefecimento ativo e o sobreaquecimento.

Método de arrefecimento	Custo de instalação	Custo operacional	Cenário custo-eficácia
Ventiladores de velocidade variável	Moderado (componentes duradouros, conceção modular)	Baixa (poupança de energia 25-40% através de PWM dinâmico)	Implantações urbanas de alta densidade com cargas flutuantes
Arrefecimento líquido	Elevado (tubagem personalizada, infraestrutura de refrigeração)	Moderado (ganhos de eficiência energética de 30-50%)	Hubs de fibra ótica de missão crítica ou zonas de extrema densidade de potência
Sistemas híbridos	Moderado-Alto (complexidade da integração)	Baixa (Redução da dependência do chiller)	Nós urbanos exteriores que exigem fiabilidade e adaptabilidade energética parcial
Soluções PCM passivas	Elevada (otimização de materiais e modelação CFD)	Mínimo (utilização de energia ativa nula)	Estações remotas/rurais com picos térmicos intermitentes

Soluções de arrefecimento avançadas da ACDCFAN para a era 5G

Para resolver os problemas térmicos colocados pelas estações de base 5G, o ACDCFAN centrou-se nas seguintes abordagens:

Enorme MIMO Personalização

O nosso Fãs da DC são especificamente concebidos para conjuntos de antenas 64-128 com lâminas rotativas PBT resistentes à temperatura e estruturas de alumínio. Para além disso, possuem certificação IP68. Podem suportar poeira, chuva e ambientes extremos. As lâminas e as estruturas têm uma resistência à temperatura de -40°C a 120°C, o que é adequado para muitos dispositivos. O suporte IP68 também aumenta o seu ciclo de vida para aproximadamente 70.000 horas (MTBF), diminuindo consideravelmente os intervalos de manutenção e evitando que as peças RF sensíveis sejam contaminadas, uma vez que estão protegidas pelas certificações RoHS, UL, CE e TUV, que não emitem substâncias nocivas.

PWM Controlo de velocidade

Com um chip de controlo de temperatura inteligente, as ventoinhas podem variar a velocidade de 800 RPM a 6.000 RPM instantaneamente. Isto poupa energia e diminui a interferência de interferência electromagnética (EMI) para 30 dBμV. Um design de motor sem escovas atenua a flutuação de corrente por 40%, o que mantém diretamente a integridade do sinal.

Suporte para implantação modular

Os nossos ventiladores também suportam gamas de alta tensão de 5-48V e estão disponíveis em mais de 20 tamanhos diferentes. As unidades podem ser enviadas em apenas 2-4 semanas para lidar com situações de emergência As máquinas podem ser construídas por encomenda e modificadas para realizar a integração da cobertura do cabo com equipamento AAU da Rogers, Nokia, Huawei, etc. A proteção IP68 permite a durabilidade em locais costeiros ou desérticos.

Os produtos da ACDCFAN aumentam o tempo de funcionamento da estação de base em 52%, permitindo poupanças de 10% no TCO quando comparados com produtos semelhantes sem arrefecimento preciso e supressão de EMI, demonstrando a concentração da ACDCFAN na máxima eficiência.

Conclusão

À medida que as redes 5G continuam a expandir-se e a evoluir, a gestão térmica eficaz continuará a ser um fator crítico para garantir o seu sucesso. Ao adotar uma combinação de estratégias de arrefecimento activas e passivas, os operadores de rede podem mitigar os riscos associados ao sobreaquecimento e manter um desempenho ótimo. Desde conjuntos de ventoinhas de velocidade variável e arrefecimento líquido inteligente a designs avançados de dissipadores de calor e materiais de mudança de fase, está disponível uma vasta gama de soluções para enfrentar os desafios térmicos únicos das implementações 5G.

À medida que a procura de telemóveis e serviços 5G cresce, é essencial que a indústria dê prioridade à gestão térmica e invista em soluções ideais. Ao fazê-lo, podemos desbloquear todo o potencial das redes 5G, proporcionando conetividade perfeita, experiências de utilizador melhoradas e crescimento sustentável para o sector das telecomunicações.