5G基础建设电源供应设计考量（第二章）

第一章中，我们探讨了应用於5G 网路存取与回传部分（「边陲」）的电源供应设计。瞭解了可用於行动终端、小型基地台、天线、聚合路由器与核心路由器的解决方案，也发现5G带来全新电源供应挑战，产品的精细化与改良不可或缺。

 

本文中，我们将提到基础建设核心与云端部分的电源供应设计考量因素。

 

行动核心控制使用者装置并从其分配5G 资料，扮演网路「心臟」或「大脑」的角色。其功能包括终端使用者流量、对话管理、验证与安全性的聚合，因此需要可靠的电源供应器。故障可能导致网路停机，造成数千（或可能数百万）客户无法进行通讯。

 

与前一代4G核心相比，5G核心在架构上有重要的改变，包括：

• 可适应迁徙至毫米波的核心。
• 针对紧急服务或其他优先应用，改善网路切片功能。
• 将行动管理任务与对话管理功能隔离。
• 将封包闸道控制与使用者平面功能脱鉤。
• 改善交付物，如追踪物联网装置的功能。

 

与前一代解决方案相比，5G网路行动核心也需要支援更為增加的吞吐量。

 

直到5G铺设完成前，4G与5G核心将并存多年，因此电源供应器需要同时满足5G核心（5GC）与演进式数据封包核心（EPC）功能，也必须适应迈向「虚拟核心」的浪潮。过去，核心需要实体路由器与交换器才能在网路使用者间传输资料。而虚拟核心的出现则代表了现在这项活动大部分在云端完成，改变了实体电源供应器需求。

因此在5G中，核心与云端都正在崛起。也就是无线电存取网路（RAN），仅负责将资料流量从使用者传输至核心。从另一方面来说，核心是将网路差别化的元件，并提供如上面简短提到的网路切片等进阶服务。在极大程度上，「核心」变得更依赖软体。实体5G天线仅将使用者所收到的资料传送至核心（通常為某些区域节点），再透过与云端相连的伺服器连接至网路其他部分。

 

这项改变為电源供应器带来某些有趣的涵义。许多网路希望让核心功能在实体上更接近使用者，藉以降低延迟，例如业者改变伺服器位置，让玩家在边走边玩快速切换射击游戏时减少延迟。也让自驾车可即时互相通讯，而这是4G基础建设无法实现的。因此随着核心变得更為分散，电源供应设计也会产生变革。

 

根据此探讨，以下列出部分行动核心／云端基础建设业者必须深思的电源供应考量因素。

 

效率考量

评估结果显示，目前行动业者网路营运支出高於营收，部分原因在於建置5G基础建设的资金成本，另外还有伺服器功率需求增加的因素。  

起初，设计者预期透过降低整体能耗，减少5G营运成本。但现在行动网路业者认為需要更多的本地伺服器，以提供客户低延迟VR、AR、物联网及自动化功能，而使得整体能源支出增加。

网路基础建设的「核心」云端原生部分必须搭载能够提供下列元件充分电力的电源供应器：

1. 将AC 转换成可用DC 的整流器
2. 维持伺服器微晶片冷却的空调设备
3. 备援电池系统

电源供应解决方案目前可提供足够功率让4G 核心节点持续运作，但这对5G 来说或许稍嫌不足。

举例来说，资料显示大量採用MIMO 天线，将导致每区块能源供应需求增加1000W 。此外，行动网路业者可能必须设置更大量的伺服器，以符合更大的流量负载。两种因素都显示了既有系统需要升级。

有哪些解决方案呢？

 

智慧削峰

為5G运作环境提供基础建设的业者正在电网内部署更大规模的智慧削峰，此处的概念是透过利用现场能源储存，空出电网容量并绕过AC功率限制，以支援尖峰能源用量。

机器台、伺服器机房与行动核心一整天所需的能源量各有不同。标準负载可能為5kW ，但网路用量达到最高峰时可能超过10kW 。

从电网取得额外电力满足此需求并非随时可行，尤其是因為受限於设备而有AC限制时。此外，电力用量超出原先同意限额时，电力业者也可能收取费用。

削峰透过使用现场电池电力填补差额的方式运作。通常能源尖峰会迅速度过，意味着代表电池不太会耗尽电量。接着电站便可在功率下降至AC 限制内时，使用额外容量将电池充电。

此解决方案具有高成本效益，因為许多既有4G基地台本来就需要升级电池备援系统，而且也不牵涉任何电网变更或搭配新型昂贵整流器。

 

单机柜系统

随着5G变得更為碎片化，电源供应器也必须更為密集。有个方法是将可与所有其他元件搭配的单元（如鋰电池、冷却系统与整流器）建置在单一机柜中，目标是减少机柜数量，进而降低安装与维护成本。

 

智慧升压

基础建设建筑师预期智慧升压将省去為5G 设备更新缆线的需求。网路业者目前担忧的是偏远地区基地台的意外电压下降，这可能会导致服务无法使用。

有种解决方案是将老旧缆线换新，提升至单元的功率。但此方法会造成能源浪费，并且增加缆线安装成本。
较理想的选择是结合功率模组与鋰离子电池，提供串联功率，让网路维持定电压。评论人士认為创新可省去重铺缆线的需求，而更高的电压也可减少核心地点的整体能耗。

 

备援系统考量要点

4G行动核心伺服器（与相关系统）需要备援电力供应，以便在发生停电或电网问题时维持运作。行动网路业者在过去会将安装大型铅酸电池作為风险降低策略，提供备援电力，全球部分区域（尤其是开发中国家）因為电源供应品质参差不齐而时常採用这项做法。雷电交加的暴风雨、不良天候、部分停电、停电与电压波动定期发生，让电池解决方案不可或缺。

如以上所探讨，5G负载需求可能会大幅上升。因此行动网路业者必须重新思考其备援系统，增加更多容量。旧式铅酸解决方案可能无法满足，如鋰电池、更可靠的技术将取而代之。

智慧能源储存意指鋰离子电池的混用搭配，概念是结合新旧电池，定期循环提供最佳效能。行动网路业者正在寻找减少新电池支出的方法，同时开发让其可根据不同容量与材质，循环使用电池的系统。随选式电池配置可降低短期资本支出，让资产负债表更健康。

 

本地需求与智慧电源管理考量因素

行动网路伺服器与核心负载一整天的变化相当大。4G网路资料 显示下午的下载速度逐渐变慢，至晚上9点左右最慢，到了夜间又再次变快，因此工业电脑电源供应器必须能够智慧调节变动的5G核心负载需求。

重要的是电源供应器必须调节伺服器内处理器及其他元件所需的突波，且不在过程中损伤其元件。理想情况下，电源供应器应提供其额定功率的150%，调节5G 网路需求中的尖波。此类内建功能有助於避免瞬间网路停机，或意外的高物联网延迟。

 

安装考量因素

行动网路业者（MNO）（与其他负责维护实体硬体的业者）亦须考虑电源供应器安装—电源供应器在伺服器机柜中应如何安装。

一般电脑经常使用的标準ATX安装并不一定适合如行动网路等工业应用，还好有几款其他配置可符合MNO需求。

举例来说，对寻找可用於有限空间（如伺服器或基地台机柜）电源供应器的MNO来说，小型电源供应器是理想的选择。较小型电源供应器原本就适合此类系统使用。

小型的12V电源供应器通常指的是FlexATX与MicroATX。细长的形状使其适合低底座系统，又可保留重要内部元件。冷却风扇可从背面排出热运转设备的工具空气，适合5G 碎片化虚拟核心基础建设使用。

 

热管理考量因素

儘管许多5G核心与伺服器设施使用空调空间让元件保持冷却，仍然需要高热效率解决方案以降低成本。

环境温度在电源管理单元寿命上扮演一定的角色。资料显示小幅降低电源供应器环境温度（10° C或以下）可延长电容使用寿命两倍，随着温度上升，电源供应器也会开始降额（以不到声称规格的效能运作），例如AC/DC电源供应器 在50° C 左右会开始降额，至70° C时额定负载约仅剩一半，因此降低温度可让工程师存取额外容量。

电源供应单元的位置与方向也相当重要。在某些情况下，5G网路基础建设工程师也会安装开架式电源供应。这些解决方案不使用遮罩及风扇，仅安装於其他元件旁进行被动散热。

无遮罩的情况下，其对周遭元件的效果取决於：

• 可用系统冷却机制（无论伺服器是否搭载风扇）
• 单元方向
• 单元在机壳内的安装方向
• 应用负载

儘管在一般伺服器中电源供应单元并非运转时最热的原件，过热仍可能影响单元整体效能，造成低於预期运作参数的结果。可能因而对网路效能造成不良影响，导致延迟与封包延迟。若开放式机壳产生过多热量，则设计者可能需要改用配备风扇的封闭式系统。

 

电磁干扰考量因素

在高电磁干扰（EMI）环境下运作的行动网路电源供应器，通常需要对环境杂讯的充分保护。批发与零售的开架式电源供应器没有可提供充分保护的机壳，因此较适用於云端远距伺服器农场，而非无线电存取网路内的基地台或单元。

电源供应器搭载各种技术，保护其不受电磁干扰，包括：

• 隔离设计
• 输入输出控制线路
• 电源供应器安装在金属上
• 使用U型机壳
• 使用转接器

在有EMI 风险的情况下，部署上述功能可对5G 应用发挥作用。

 

结论

5G铺设為电源供应器设计带来崭新挑战，工程师必须考虑效率、负载、杂讯热管理，以及如何将电源供应器与备援系统整合。他们也必须安装能够适应5G RAN 与核心特质的电源供应器，包括体积更精巧、电压更精準。

 

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