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Vertiv-Leitfaden zur 5G-Technologie

5G ist die fünfte Generation des Mobilfunknetzes und bietet eine höhere Bandbreite und schnellere Geschwindigkeiten, die alles von hochauflösenden Videos bis hin zu Spielen mit extrem niedriger Latenz und fortschrittlicher Telemedizin ermöglichen, und verspricht noch mehr fortschrittliche Anwendungen, wenn die Technologie ausgereift ist und sich weltweit verbreitet.

5G ist die fünfte Generation des Mobilfunknetzes und bietet eine höhere Bandbreite und schnellere Geschwindigkeiten, die alles von hochauflösenden Videos bis hin zu Spielen mit extrem niedriger Latenz und fortschrittlicher Telemedizin ermöglichen, und verspricht noch mehr fortschrittliche Anwendungen, wenn die Technologie ausgereift ist und sich weltweit verbreitet.

Einführung in 5G

5G ist die fünfte Generation des Mobilfunknetzes und bietet eine höhere Bandbreite und schnellere Geschwindigkeiten, die alles von hochauflösenden Videos bis hin zu Spielen mit extrem niedriger Latenz und fortschrittlicher Telemedizin ermöglichen, und verspricht noch mehr fortschrittliche Anwendungen, wenn die Technologie ausgereift ist und sich weltweit verbreitet.

Bis 2024 sollen etwa 40 % der Weltbevölkerung Zugang zu 5G haben und bis 2035 soll 5G einen Umsatz von 13,1 Billionen US-Dollar ermöglichen. Die globalen 5G-Investitionen (CapEx) sowie Forschung und Entwicklung (F&E) sind im Jahresvergleich um 10,8 % gestiegen und werden in den nächsten 15 Jahren voraussichtlich 265 Milliarden US-Dollar pro Jahr erreichen.

Das Rennen um 5G ist ein Goldrausch und die Telekommunikationsbetreiber sprinten voran und priorisieren Verfügbarkeit und Sicherheit im Rennen um den ersten Platz. Das ist verständlich, aber die Bewältigung des unvermeidlichen Anstiegs des Energieverbrauchs ist eine drohende Herausforderung.

5G: Wie wir hierhergelangt sind

Der Übergang von 2G zu 3G zu 4G war ziemlich linear und wurde durch etwas mehr als nur durch schrittweisen Wandel, aber weniger durch eine technologische Revolution erreicht. 3G machte das moderne Smartphone möglich und lieferte grundlegende Daten- und Internetfähigkeiten. 4G verfeinerte diese Netzwerke und erhöhte ihre Geschwindigkeit, um mobiles Video zu ermöglichen. Wie sich 5G von früheren Mobilfunkgenerationen unterscheidet, können Sie in diesem Bericht von 451 Research lesen: „5G Primer:Was unterscheidet es von den vorherigen „Gs“?

5G ist die nächste Entwicklung, aber das unterschätzt den tiefgreifenden Wandel, den die 5G-Implementierung darstellt. 5G erhöht die Netzwerkbandbreite dramatisch und die Netzwerkgeschwindigkeit exponentiell, wodurch Anwendungen ermöglicht werden, die zuvor einfach nicht möglich waren. 5G-Netzwerke werden schließlich autonome Fahrzeuge, fortschrittliche Echtzeitanalysen und künstliche Intelligenz ermöglichen, die alle Branchen und Lebensbereiche umgestalten werden.

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„5G stellt das wirkungsvollste und schwierigste Netzwerk-Upgrade dar, mit dem die Telekommunikationsbranche je konfrontiert war.“

Brian Partridge, Research VP, 451 Research

Die 5G-Architektur baut auf bestehenden Netzwerken auf, führt jedoch zusätzliche IT-Systeme ein, die schnelle, leistungsstarke Datenverarbeitung vom Core bis zum Edge ermöglichen. Das ist das Versprechen von 5G: die Fähigkeit, Daten an jedem Standort und jeder Microsite zu verarbeiten und zu rechnen, um Anwendungen mit extrem niedriger Latenz für den Endbenutzer zu ermöglichen.

Diese zunehmende Abhängigkeit von der IT stellt neue Herausforderungen dar und erfordert einige grundlegende Veränderungen im gesamten Netzwerk. IT-Netzwerkgeräte passen nicht nahtlos in traditionelle Telekommunikationsstandorte. Betreiber wissen das zweifellos, nachdem sie im letzten Jahrzehnt ihre Zentralen in Rechenzentren im Core ihrer Netzwerke umgewandelt haben. Die 5G-Infrastruktur wird eine Mischung aus traditionellen Telekommunikations- und IT-Infrastrukturmodellen sein, die jederzeit nahtlose Übergänge zwischen allen Systemen erfordert.

5G-Architektur verstehen

5G-Netzwerke werden weitaus dichter als bestehende 3G- und 4G-Netze sein, um das doppelte Versprechen von erhöhter Bandbreite und geringerer Latenz zu erfüllen. Das bedeutet, dass es weit mehr Mobilfunkstandorte im gesamten Netzwerk geben wird und jeder Standort über mehr IT-Netzwerkgeräte verfügt. Das sind erhebliche Unterschiede. Betreiber ergänzen nicht nur ihre bestehenden Netzwerke; sie bauen neue Netzwerke auf diesen 3G- und 4G-Architekturen auf.

Diese Unterschiede manifestieren sich auf verschiedene Weise. Das Hinzufügen von IT-Netzwerkgeräten im gesamten Netzwerk erfordert eine größere Aufmerksamkeit für den Umgebungsschutz dieser empfindlichen Elektronik. Das bedeutet gehärtete Schränke und Gehäuse sowie eine dedizierte Kühlung und Feuchtigkeitskontrolle. Eine Präzisionskühlung war in herkömmlichen Telekommunikationsnetzwerken normalerweise in allen außer den extremsten Klimazonen unnötig, da diese Netzwerke – einschließlich 3G- und 4G-Iterationen – nur minimale IT-Netzwerkgeräte im Zugangsbereich erforderten. Bei 5G ist das nicht der Fall.

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Die weit verbreitete Einführung von IT-Systemen im gesamten Netzwerk bringt eine weitere Komplikation mit sich. IT-Netzwerkgeräte benötigen zum Betrieb viel mehr Energie und werden daher normalerweise mit Wechselstrom betrieben, während bestehende Telekommunikationsnetze und -geräte auf Gleichstrom angewiesen sind. Darüber hinaus werden in vielen Teilen der Welt alternative Energiequellen zur Ergänzung des Netzstroms verwendet, die Gleichstrom produzieren. Diese Kluft kann überbrückt werden, erfordert aber den richtigen Partner. Vertiv verfügt über umfassendes, einzigartiges Know-how sowohl im IT- als auch im Telekommunikationsbereich, das Betreibern dabei helfen kann, durch möglicherweise unbekannte Energiearchitekturen zu navigieren.

Diese Erweiterung der IT und die Einführung von Wechselstrom findet in den Zentralen seit mehreren Jahren statt und dauert bis heute an. Der Zugangsbereich ist die neue Grenze von 5G mit Mobilfunkmasten, die erheblichen Änderungen oder Upgrades unterzogen werden, um 5G und diese neuen IT-Ressourcen zu unterstützen. Diese Standorte haben mehrere Architekturen durchlaufen, von RAN über D-RAN zu C-RAN bis hin zu dem, was letztendlich Cloud-RAN sein wird, oder im Grunde ein virtualisiertes Mobilfunknetz, das Lasten nahtlos zwischen Standorten und Regionen verlagert.

Diese Architekturen wurden weiterentwickelt, um die Anforderungen des Netzwerks zu erfüllen, indem sie Netzwerkgeräte vom Boden zum Sendemast und von der Basis des Sendemastes zu den zentralisierten Hubs basierend auf Bandbreiten- und Latenzanforderungen verlagern.

Die frühe Makro-Basisstation mit Radio Access Network (RAN)-Architektur bestand aus einem Mobilfunkmast und einer Antenne mit allen dazugehörigen Netzwerkgeräten am Fuß des Sendemastes, die über Koaxialkabel mit der Antenne verbunden waren. Diese Arten von Standorten erforderten mehrere Gehäuse oder manchmal größere Unterstände, in denen die gesamte erforderliche Ausrüstung untergebracht war.

Das Distributed Radio Access Network (D-RAN) verlegte die Remote Radio Heads (RRHs) vom Fuß des Sendemastes an dessen Spitze neben der Antenne und ersetzte das Koaxialkabel durch Glasfaser. Die restlichen Netzwerkgeräte blieben an der Basis. D-RAN reduzierte die erforderliche Leistung und erhöhte die Netzwerkkapazität, indem es den Abstand zwischen der Antenne und dem Funkgerät verringerte (Verringerung des Signalverlusts). Die Verwendung von RRHs am Sendemast bedeutete auch einen geringeren Platzbedarf der Netzwerkgeräte am Fuß des Sendemastes.

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Der jüngste Wechsel zu einem zentralisierten Funkzugangsnetz (C-RAN) hat sich als noch disruptiver erwiesen. C-RAN-Architekturen entstanden, um 4G zu unterstützen, und nahmen Netzwerkgeräte vom Sockel des Sendemastes und zentralisierten sie an anderer Stelle, um mehrere Standorte zu bedienen. Das reduzierte den Platzbedarf am Sendemast und bot weitere Vorteile in Bezug auf die Geräteüberwachung und den Service. Viele aktuelle 4G-Standorte verwenden C-RAN-Architekturen, aber der Wechsel zu 5G erfordert eine weitere Neubewertung des Mobilfunkstandortdesigns.

Auch hier basiert das Versprechen von 5G auf der Fähigkeit der Betreiber, Computer so nah wie möglich beim Verbraucher zu platzieren – und zwar dort, wo sie bereits Zugang zu Immobilien haben: an den Standorten von Mobilfunkmasten. C-RAN hat Computerausrüstung von diesen Standorten entfernt. Wir werden keine sofortige Umkehr sehen, denn diese zentralisierten C-RAN-Standorte werden eine Rolle bei 5G spielen. Wir werden jedoch sehen, dass mehr IT-Geräte an diese Sendemast-Standorte zurückkehren, ein offenes Funkzugangsnetz (O-RAN) eingeführt wird und eine brandneue Reihe von Bereitstellungen uns vor Herausforderungen stellt.

5G-Bereitstellung am Core

Es gibt eine Tendenz, über 5G in Verbindung mit bestehenden Mobilfunkmasten nachzudenken, und das ist sicherlich eine Möglichkeit in der laufenden globalen Einführungskampagne. In der Realität findet die 5G-Einführung jedoch in zentralen Büros, an neuen Mobilfunkstandorten und bei IT-Einführungen am Netzwerkrand statt. 5G-Netze sind wesentlich dichter und komplexer als frühere Generationen, und die Bereitstellung ist eine echte Herausforderung.

In der Zentrale bedeutet dies, dass bestehende Einrichtungen für die Unterstützung der für den 5G-Verkehr erforderlichen IT-Server umgerüstet werden müssen. Herkömmliche Zentralen waren ausschließlich mit Gleichstrom betriebene Vermittlungsstellen mit einer Wärmelast von 2–3 kW, die der Kühlung wenig abforderten. 5G verändert alles. Die Kupferkabel und Switches sind verschwunden und wurden durch Serverracks, zusätzliche Gleichstrom- und/oder Wechselstrom-USV-Systeme sowie Präzisionskühlgeräte zur Bewältigung der entsprechenden Wärmelast ersetzt.

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Dies sind seit Jahrzehnten die grundlegenden Unterschiede zwischen Telekommunikations- und IT-Architekturen. Die Telekommunikationsunternehmen sind für den Betrieb des Netzwerks auf Gleichstrom angewiesen und benötigen nur minimale Kühlung. Rechenzentren und IT-Einrichtungen verwenden Wechselstrom, um Server zu betreiben. Die Elektronik in diesen Servern reagiert empfindlicher auf Hitze und erfordert eine ausgefeiltere Kühlung, um richtig zu funktionieren.

Mit 5G verschwimmen diese Grenzen. In traditionellen Telekommunikationsumgebungen werden immer mehr IT-Geräte eingeführt, wodurch die Strom- und Kühlprofile für diese Einrichtungen sich vollständig verändern. In den meisten Fällen ist es nicht so einfach wie Wechsel- oder Gleichstrom. Diese Einrichtungen entwickeln sich weiter, um beides zu umfassen, und das erfordert besonderes Know-how, um Ausrüstung sicher zu installieren und effektiv zu verwalten. Vertiv verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Telekommunikations- und Rechenzentrumsinfrastrukturen, bietet Lösungen für Wechsel- und Gleichstromumgebungen und ist mit beiden Architekturen gleichermaßen vertraut.

Seit mindestens 20 Jahren untersucht die Rechenzentrumsindustrie die Verwendung von Hochspannungs-Gleichstrom als alternative Energiearchitektur in diesen Einrichtungen. Das Argument ist einfach: Er reduziert eine Leistungsumwandlung und macht sie effizienter. Das Experiment ist weitgehend theoretisch geblieben, obwohl es isolierte Rechenzentren und zahlreiche Pilotprojekte gab, die Hochspannungs-Gleichstrom-Architekturen verwendet haben. Letztendlich haben die Unvertrautheit mit Gleichstrom und die Tatsache, dass die meisten Server mit Wechselstrom betrieben werden, eine breite Akzeptanz verhindert.

Dieser Ansatz gehört zu denjenigen, die in diesen neuen IT-lastigen 5G-Telekommunikationszentralen an Bedeutung gewinnen. Das sind Einrichtungen, die bereits für Gleichstrom ausgestattet sind und von Entscheidungsträgern betrieben werden, die sich mit Gleichstrom vertraut machen. Die im Rechenzentrum vorhandene Trägheit für den Status Quo fehlt in der Telekommunikation.

Andere Betreiber stellen mehr oder weniger vollständig auf eine rechenzentrumsähnliche Wechselstrom-Architektur um und geben den bisher verwendeten Gleichstrom in ihren Zentralen so gut wie auf. In diesen Fällen werden diese Einrichtungen vollständig klimatisiert, wobei die meisten Netzwerkgeräte aus der alten Zentrale entfernt und häufig durch vollständig integrierte, oft vorgefertigte, modulare IT-Lösungen wie Vertiv SmartRow oder SmartAisle ersetzt werden.

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Der gängigste Ansatz ist eine Mischung, bei der immer noch Gleichstromsysteme für einige Elemente der Anlage genutzt werden, während USV-Wechselstromsysteme zur Notstromversorgung der Server hinzugefügt werden. Ein Trend zeichnet sich in allen Fällen ab: die Einführung der Präzisionskühlung. Das ist notwendig, um die IT-Geräte zu kühlen, aber es fügt der Stromlast zusätzliche Geräte hinzu. Das ist einer der Gründe, warum 5G zwar pro Gigabyte effizienter als 4G ist, aber der Gesamtenergieverbrauch mit 5G viel höher sein wird.

ObwohlSmartRow und SmartAisle ursprünglich für Rechenzentrumsumgebungen entwickelt wurden, können sie so konfiguriert werden, dass sie diese gemischten Wechsel- und Gleichstromumgebungen unterstützen, obwohl diese Wechsel- und Gleichstrom-Pods aus Sicherheitsgründen meistens getrennt sind. In Zentralbüros werden SmartRow und SmartAisle typischerweise mit 10–20 Racks bereitgestellt und beinhalten ein Warm- oder Kaltganggehäuse für Energieeffizienz.

5G-Bereitstellung am Edge

Ergänzend zu diesem traditionellen Kern-/Zugangsmodell gibt es einen neu entstehenden Netzwerkrand, der für die Unterstützung von 5G erforderlich ist. Diese Edge-Ressourcen sorgen für zusätzliche Rechenleistung in unmittelbarer Nähe des Endnutzers, was erforderlich ist, um die durch 5G ermöglichten Anwendungen mit geringer Latenz und hoher Bandbreite zu realisieren. Diese Ressourcen können an Sendemast-Standorten oder an anderen Stellen im Zugangsbereich bereitgestellt werden.

Die Verbreitung des Edge findet seit mehreren Jahren im Bereich der Rechenzentren statt. Jetzt setzen Telekommunikationsbetreiber ihre eigenen Edge-Computing-Ressourcen ein und nutzen in einigen Fällen bestehende Edge-Computing-/Cloud-Anbieter, um ihre 5G-Anforderungen zu erfüllen.

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Diese Edge-Rechenzentren sind ausgereift und entscheidend für die Bereitstellung der vollen 5G-Funktionalität. Das Vertiv™ SmartMod™ ist eine modulare Lösung für diesen Bedarf, die typischerweise als 100-kW-Rechenzentrum mit bis zu 10 Racks bei 10 kW pro Rack eingesetzt wird. SmartMod verfügt über separate Räume für IT-Netzwerkgeräte, Stromversorgungssysteme und Batterien und beinhaltet ein Thermalmanagement für alle Systeme.

Wenn es sich so anhört, als ob 5G Fachwissen erfordert, das über das hinausgeht, was in der Vergangenheit von Telekommunikationsunternehmen gefordert wurde, dann liegt das auch tatsächlich daran. Diese 5G-Netzwerke sind eine Mischung aus Telekommunikations- und Rechenzentrumsressourcen, die Wechselstrom- und Gleichstromgeräte und Architekturen auf eine für die meisten Betreiber ungewohnte Weise kombinieren. Expertise in beiden Bereichen ist entscheidend für die Optimierung der 5G-Bereitstellung.

Vertiv ist einzigartig in seinem Wissen und seiner Erfahrung sowohl bei Rechenzentrums- als auch Telekommunikationsausrüstung und -architekturen. Wir unterstützen diese zusammenwachsenden Branchen mit unübertroffenem Know-how und nahtlos integrierten Lösungen und beseitigen diese ungewohnten Hindernisse für Betreiber, die keine Zeit für eine Lernkurve haben.

5G-Bereitstellung im Zugangsbereich

5G erzwingt Veränderungen im Zugangsnetz, die fast so drastisch sind wie die im Hauptverteiler. Die Basisstationen an Mobilfunkmast-Standorten unterstützen eine Last von etwa 5 kW an einem 3G- oder 4G-Standardstandort. Bei 5G betragen diese Lasten 20–40 kW. Diese massive Leistungs- und Rechenleistungssteigerung erfordert erhebliche Upgrades an bestehenden Standorten.

Der Umgang mit dem begrenzten Platz an diesen Standorten ist die erste Überlegung, welches ein Grund für die Verlegung von Funkausrüstung auf die Spitzen von Mobilfunkmasten war, die jetzt Dutzende von Funkgeräten aufnehmen können. In einigen Fällen werden auch Gleichrichter wie die NetSure IPE-Serie an den Sendemasten angebracht, sodass der Betreiber den Sendemast mit Wechselstrom betreiben kann. Das wiederum ermöglicht Kosteneinsparungen, da Kabel für Wechselstrom günstiger als Kabel für Gleichstrom sind.

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All dies führt zu anderen Komplikationen, einschließlich Stromabfällen von den Stromversorgungssystemen an der Basis des Sendemastes zu den Funkgeräten an der Spitze. Spannungsbooster können diese Einbrüche überwinden, indem sie 48 V auf 57 V anheben, damit genügend Leistung die Netzwerkgeräte auf dem Sendemast erreicht. In Nordamerika erreicht Vertiv dies mit einer kreativen Lösung, dem eSure Power Extend Konverter, der in ein vorhandenes Gleichstrom-Verteilerfeld eingesteckt wird, um Platz am Fuß des Sendemastes zu sparen.

Die zusätzlichen Netzwerkgeräte an diesen Standorten, insbesondere die IT-Netzwerkgeräte, um 5G-Anwendungen zu ermöglichen, erfordern ein neues Denken in Bezug auf Speicher, Sicherheit und Umweltkontrolle. Auch hier sind die IT-Netzwerkgeräte empfindlicher als herkömmliche Telekommunikationsausrüstung und müssen entsprechend an den Standorten der Sendemaste gelagert werden.

Das kann auf unterschiedliche Weise gehandhabt werden: von separaten, kleineren Schränken bis hin zu größeren Gehäusen, die Server-Racks und Thermalmanagement-Systeme aufnehmen können. Die Wahl hängt von verschiedenen Faktoren wie der Größe des Standorts, der Menge der am Stützpunkt benötigten Netzwerkgeräte und den Standardumgebungsbedingungen ab.

Wie bei der Zentrale kann die Einführung von Wechselstrom an diesen Standorten zu anderen Komplikationen führen. Häufig muss das Wechselstromnetz aktualisiert oder über Software verwaltet werden, um die erhöhte Wechselstromlast zu unterstützen, die die IT-Netzwerkgeräte unterstützt. Diese Software verhindert, dass der Wechselstrom-Schutzschalter am Standort während der Spitzenzeiten auslöst, indem sie die Gleichrichter und die Batterien ausschaltet.

Vertiv geht diese Herausforderung innovativ an und verwendet dreiphasigen Abgleich, um ein Auslösen des Schutzschalters zu verhindern. Ein solches intelligentes Energiemanagement ist von entscheidender Bedeutung, da das Einziehen eines neuen Wechselstromnetzes vom Energieversorger sowohl zeitintensiv als auch kostspielig sein kann.

5G-Fortschritte auf der ganzen Welt

5G mag eine globale Technologie sein, aber die Bereitstellung erfolgt weltweit nicht im gleichen Tempo oder auf die gleiche Weise. China und Südkorea sprinteten im Rennen um 5G voran und zogen den Rest der asiatisch-pazifischen Region mit sich.

Betreiber in diesem Teil der Welt waren schneller bei der Bereitstellung neuer Netzwerke und Netzwerkausrüstung und führten Standort-Upgrades nach Bedarf sowie als Ergänzung zu einer aggressiven Einführung neuer Standorte durch. Sie waren auch offener für Hochspannungsarchitekturen mit Gleichstrom, was nicht verwunderlich ist, wenn man bedenkt, dass viele der Anwender dieser Technologie im Rechenzentrum in der Region ansässig waren.

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Die Strategie in den USA war etwas konservativer als in Asien, wobei Standort-Upgrades von 4G auf 5G eine wichtige Rolle spielten. Es gab Unterschiede zwischen den Anbietern. Die größten Betreiber entschieden sich für die Bereitstellung, um aktuelle und zukünftige Anforderungen zu erfüllen, und kleinere Betreiber entschieden sich für kleinere Bereitstellungen, um die Kapitalinvestitionen zu minimieren.

Der überraschende Ausreißer ist Europa, wo die 5G-Einführung gegenüber Asien und den USA um etwa ein Jahr zurückliegt. Es gibt eine Reihe von laufenden Problemen, beginnend mit anhaltenden Verzögerungen bei der Zuteilung von Frequenzen im Spektrum.

Es gibt einige bemerkenswerte Ausnahmen - Frankreich und Finnland haben früh gehandelt und schnell Frequenzzuteilungen erhalten -, aber in den meisten Fällen haben noch keine Versteigerungen für Frequenzbereiche stattgefunden. Es wird erwartet, dass bis Ende 2021 etwa 70–80 % dieser Zuteilungen erfolgen könnten.

Der schleppende Start darf nicht mit mangelnder Aktivität in Europa verwechselt werden. Die Pioniere schreiten zügig voran und selbst Betreiber, die noch auf diese Frequenzauktionen warten, sind intensiv mit der Standortvorbereitung beschäftigt, damit sie zu gegebener Zeit schnell handeln können.

Viele europäische Betreiber verkaufen ihre Mobilfunkmasten zurück an Mobilfunkanbieter, um das für 5G-Investitionen benötigte Kapital zu beschaffen. Gleich darauf mieten sie umgehend die Nutzung dieser Sendemasten von den Mastunternehmen.

Dadurch wird an diesen Standorten eine intelligente Energieverwaltung erforderlich, sodass den Betreibern nur die Zeit für die Nutzung eines bestimmten Sendemastes berechnet wird. Für diese Multi-Mandanten-Anordnungen bietet Vertiv Lösungen zur Strommessung und -verwaltung.

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In Europa gibt es auch Bestimmungen zur Anzahl der einsetzbaren Mobilfunkmasten, sodass die Verdichtung des 5G-Netzwerks dort auf unterschiedliche Weise erfolgt. Um den Mangel an Sendemasten zu überwinden, setzen Betreiber viele überlappende kleine Zellen ein. Diese überlappenden Designs ermöglichen es Betreibern, einige Standorte ohne Backup-Strom bereitzustellen und stattdessen Lasten auf einen überlappenden Standort zu verlagern.

Ein überraschendes Problem in Europa ist es, dafür zu sorgen, dass 5G-Netzwerke die Sprachkommunikation unterstützen können. Einige 4G-Netze in der Region sind nicht für die Unterstützung von Sprachanrufen ausgestattet und verlassen sich stattdessen auf ältere 2G- und 3G-Netze. Es deutet bis jetzt jedoch darauf hin, dass viele Betreiber planen, diese 3G-Standorte stillzulegen und das ältere 2G für Sprachübertragungen zu behalten.

Die langsamere Einführung in ganz Europa hat den Betreibern Zeit gegeben, sich mehr auf den Energieverbrauch, die Emissionen und die Umweltauswirkungen ihrer Netze insgesamt zu konzentrieren. Diese Probleme werden auf dem gesamten Kontinent unabhängig von der Energieversorgung priorisiert, aber die dortigen Telekommunikationsunternehmen sind sich der Probleme bewusst, die mit 5G einhergehen.

Europäische Telekommunikationsunternehmen setzen seit langem auf hybride Stromsysteme und werden dies voraussichtlich auch weiterhin tun, um 5G zu unterstützen und den CO2-Fußabdruck dieser Netze zu minimieren.

Wie erwartet konzentrieren sich Investitionen und Fortschritte im Nahen Osten und in Afrika auf wohlhabendere Länder und urbane Zentren.

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5G-Effizienz und Nachhaltigkeit

5G wird die transformativste Kommunikationstechnologie einer Generation sein und ein Universum neuer Dienste ermöglichen. Dazu gehören auch fortschrittliche Energiemanagementfunktionen, die für die Lösung wachsender Energie- und Nachhaltigkeitsherausforderungen von entscheidender Bedeutung sein werden. Es bleiben jedoch praktische Herausforderungen für Telekommunikationsbetreiber, die aufgrund von 5G mit Spitzen bei Energieverbrauch und Emissionen konfrontiert sind.

Obwohl 5G-Netzwerke bis zu 90 % effizienter als ihre 4G-Vorgänger sind, benötigen sie aufgrund der erhöhten Netzwerkdichte, der starken Abhängigkeit von IT-Systemen sowie der erhöhten Netzwerknutzung und des beschleunigten Verkehrswachstums immer noch viel mehr Energie. Betreiber müssen sich diesen Herausforderungen stellen, indem sie energieeffiziente Best Practices in ihren Netzwerken anwenden. Diese können dazu beitragen, den steigenden Energieverbrauch und die Emissionen sowie die damit verbundenen Kosten zu verringern.

Wie bei allem, was mit 5G zu tun hat, sind diese Praktiken neu und ungewohnt und unterscheiden sich grundlegend von allen bisherigen. Ein vollständig realisiertes 5G-Netzwerk erfordert mehr Standorte am Edge und ist weitaus dichter als seine 3G- und 4G-Vorgänger. Massive Änderungen sind daher notwendig, um 5G-Frequenzen zu unterstützen und die Bandbreiten- und Latenzanforderungen von 5G-fähigen Anwendungen und deren Benutzern zu erfüllen. Die Mobilfunkstandorte selbst sind anders und haben weit mehr IT-Netzwerkgeräte, die viel mehr Energie verbrauchen.

In der gesamten Branche – und sicherlich in der frühen Abdeckung von 5G – besteht die Tendenz, sich darauf zu konzentrieren, dass 5G-Netzwerke pro Gigabyte effizienter als 3G oder 4G sein werden. Das ist sicher richtig, aber die massive Zunahme der Anzahl der Standorte und des Energiebedarfs dieser IT-abhängigen Standorte wird zu einem entsprechenden Anstieg des Energieverbrauchs führen. Dieser Anstieg wird signifikant sein.

Der weltweite mobile Datenverkehr wird sich bis 2025 fast vervierfachen, was bis 2026 zu einem Anstieg des Gesamtenergieverbrauchs im Netz um 150–170 % führt. Telekommunikationsbetreiber wissen dies, da 94 % mit der Einführung von 5G-Netzwerken einen Anstieg des Energieverbrauchs erwarten. In den frühen Tagen von 5G war jedoch die schnelle Bereitstellung die Priorität. Jetzt, da diese Netze expandieren und die Akzeptanz immer weiter verbreitet wird, richten die Betreiber ihre Aufmerksamkeit auf den Energieverbrauch und die Kosten für den Betrieb dieser Netze.

Das ist keine neue Überlegung. Immerhin werden 92 % der Netzbetriebskosten für den Energieverbrauch aufgewendet. 5G verstärkt das Problem nur.

Es gibt eine Vielzahl von Strategien und Taktiken, die in Betracht gezogen werden müssen: von bescheidenen Schritten, die Betreiber bereits umsetzen sollten, bis hin zu ehrgeizigeren Ansätzen, die ein grundlegendes Überdenken der Standortarchitekturen erfordern.

5G-Netzwerke erfordern viele neue Mobilfunkstandorte, um die Netzdichte angemessen zu erhöhen, aber Hunderttausende von bestehenden Standorten auf der ganzen Welt werden 5G-Nachrüstungen unterzogen. Viele, wenn nicht die meisten dieser Standorte sind mit älteren, ineffizienten Netzwerkgeräten ausgestattet und das Ersetzen älterer Gleichstromsysteme durch neuere Systeme mit hocheffizienten Gleichrichtern kann die Effizienz um 5–6 % verbessern. Natürlich sollte jeder neue Standort die Effizienz priorisieren und nach Möglichkeit mit hocheffizienten Netzwerkgeräten konfiguriert werden.

Heutige Gleichstromsysteme sind intelligenter und in der Lage, ein fortschrittlicheres Energiemanagement zu ermöglichen – Funktionen, die an traditionellen Zellenstandorten zugunsten des statischen Betriebs weitgehend ignoriert wurden. Betreiber können Kosten reduzieren, indem sie diese Fähigkeiten nutzen. So können Telekommunikationsbetreiber beispielsweise Betriebsmodi wählen, die es ihnen ermöglichen, billigere Energie außerhalb der Spitzenlastzeiten zu speichern, um den Verbrauch und die Kosten während der Spitzenlastzeiten zu senken.

Technologische Fortschritte bei Batterien bieten zusätzliche Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung. Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen ventilgeregelten Blei-Säure-Batterien (VRLA) bei einem sinkenden Preis, der die Rentabilität der Investition mehr als akzeptabel macht.

Da Li-Ionen-Batterien kleiner sind und bei höheren Temperaturen betrieben werden können, benötigen sie nicht das gleiche Maß an Kühlung wie VRLA, wodurch der Energieverbrauch und die Kosten gesenkt werden.

Li-Ionen-Batterien halten länger als VRLA und durch die Verlängerung der Batterielebensdauer reduzieren die Betreiber den Überwachungs- und Austauschbedarf sowie die Kosten – zusammen mit den mit diesen Aktivitäten verbundenen Kohlendioxid-(CO2)-Emissionen.

Heutige Gleichstromsysteme sind intelligenter und in der Lage, ein fortschrittlicheres Energiemanagement zu ermöglichen – Funktionen, die an traditionellen Zellenstandorten zugunsten des statischen Betriebs weitgehend ignoriert wurden. Betreiber können Kosten reduzieren, indem sie diese Fähigkeiten nutzen. So können Telekommunikationsbetreiber beispielsweise Betriebsmodi wählen, die es ihnen ermöglichen, billigere Energie außerhalb der Spitzenlastzeiten zu speichern, um den Verbrauch und die Kosten während der Spitzenlastzeiten zu senken.

Darüber hinaus tragen Lithium-Ionen-Batterien mit intelligenten Batteriemanagementsystemen zu einer umfassenden Netzenergiestrategie bei, denn sie ermöglichen Peak-Shaving (Lastspitzenkappung), steigern die Umwandlung und ermöglichen den Betrieb von Stromversorgungssystem über der Kapazität.

Das sind wichtige und unmittelbare Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung. Betrachten wir allein das Jahr 2019: 66 % der Telekommunikationsunternehmen waren dabei, ihre Batterien aufzurüsten, und 81 % sagten, dass sie dies innerhalb von fünf Jahren tun würden.

Schrittweise Verbesserungen sind zwar wichtig, werden aber nicht ausreichen, um die 5G-Energieherausforderung zu bewältigen. Im Kern besteht das Versprechen von 5G in der Fähigkeit, Daten zu verarbeiten und Berechnungen an jedem Standort und Mikrostandort durchzuführen, um Anwendungen mit extrem niedrigen Latenzzeiten für den Endnutzer zu ermöglichen. Dazu müssen Betreiber IT-Netzwerkgeräte in ihren riesigen, wachsenden Netzwerken einsetzen. Das ist der wichtigste Unterschied zwischen 4G und 5G.

Leider sind diese IT-Netzwerkgeräte für sichere, klimatisierte Rechenzentren und nicht für die raue Welt des Telekommunikationszugangsnetzes konzipiert. Wie bereits erwähnt, ist es auch für den Betrieb mit Wechselstrom ausgelegt.

Die Einführung von wechselstrombetriebenen Netzwerkgeräten in diese Telekommunikationsumgebungen fügt einen Stromwandlungsschritt hinzu und jede zusätzliche Wandlung führt zu einem Energieabfall. Das bedeutet, dass Sie mit mehr Leistung beginnen müssen, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Mehr Leistung bedeutet mehr Wärme und IT-Netzwerkgeräte reagieren empfindlicher auf Wärme als herkömmliche Telekommunikationsgeräte, was bedeutet, dass der Kühlung eine höhere Priorität eingeräumt wird. Kühlung verbraucht Energie.

Das Platzieren dieser Netzwerkgeräte in den 12-Meter-Betonunterständen, die an vielen Zellenstandorten üblich sind, bedeutet, dass diese Unterstände gekühlt werden müssen. Die Kühlung dieser großen Betonbauwerke – auch wenn die IT-Systeme an der oberen Grenze ihres thermischen Bereichs betrieben werden – erfordert viel kalte Luft und Energie.

Kleinere, moderne Gehäuse sollen empfindliche Netzwerkgeräte vor Witterungseinflüssen schützen und können mit verschiedenen Kühlarten ausgestattet werden – von Außenluft bis hin zu Flüssigkeitskühlungstechnologien und allem dazwischen –, um die einzigartigen Anforderungen jedes Standorts an jedem Ort zu erfüllen.

Intelligente Managementsysteme verwenden für das bestmögliche Ergebnis künstliche Intelligenz (KI) und Datenanalytik, um kontinuierlich optimale thermische Einstellungen zu kalibrieren sowie Pumpen und Lüfter zu steuern.

Das sind kleine Probleme für einen einzelnen Standort, aber diese Netzwerkstandorte können in die Hunderttausende gehen. Selbst kleine Erhöhungen des Energieverbrauchs summieren sich schnell. Glücklicherweise tun dies auch kleine Verbesserungen.

Der Energieverbrauch ist nur ein Teil einer größeren Nachhaltigkeitsherausforderung, mit der die Telekommunikationsbetreiber von heute konfrontiert sind. Der globale Fokus auf den Klimawandel und die Reduzierung von Emissionen beeinflusst bereits heute die Entscheidungsträger der Branche.

Verizon und Vodafone streben bis 2040 Netto-Null-Emissionen an und Telefónica hat sich verpflichtet, in seinen vier wichtigsten Märkten bis 2030 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Dazu streben Verizon und Vodafone eine Reduzierung des Stromverbrauchs um 50 % bis 2025 und Telefónica eine Reduzierung um 70 % bis 2030 an.

Das sind kühne Versprechen und die Strategien, um dorthin zu gelangen, werden mit ziemlicher Sicherheit die oben genannten Best Practices beinhalten. Diese Strategien allein werden jedoch nicht ausreichen.

Erneuerbare Energiequellen und hybride Energiesysteme müssen Teil der Lösung sein. Afrika und Europa setzen seit zwei Jahrzehnten Hybridsysteme ein und andere Teile der Welt ziehen nach. Die Vereinigten Staaten haben Hybridtechnologien im Telekommunikationssektor weitgehend ignoriert, da die Kosten und die Verfügbarkeit von Energie niedrig blieben und die Kosten für Sonnenkollektoren und Strom unerschwinglich waren.

Das ändert sich in Teilen der USA, da die Energiekosten steigen, die Verfügbarkeit prekärer wird und Fortschritte in der Solartechnologie die Kosten pro Kilowattstunde näher an die Netzparität bringen.

Für netzgebundene Bereitstellungen ist ein Solar-Add-on eine Möglichkeit, die Abhängigkeit vom Netz zu reduzieren, ohne die Infrastrukturkosten für bessere Batterien erhöhen zu müssen. Wenn verfügbare Anreize in den Mix einfließen, ist das eine solide Empfehlung. Wenn der US-Markt für Hybridsysteme wächst, werden Investitionen folgen, die Innovationen vorantreiben und die Kosten senken.

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Übergang auf 5G mit Vertiv

Durch die exponentielle Steigerung der Geschwindigkeit und des Volumens der Datenübertragung, werden 5G-Netzwerke die Türen zu unzähligen neuen, fortschrittlichen und immer wertvolleren Anwendungen in allen Lebensbereichen öffnen. Je mehr wir uns auf diese Anwendungen verlassen, desto wichtiger wird die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Netzwerks.

Dies stellt die Telekommunikationsbetreiber von heute vor eine beispiellose Herausforderung, da sie Hunderttausende von bestehenden Standorten aufrüsten, ebenso viele Neue bauen und den massiven Anstieg des Energieverbrauchs bewältigen müssen, der mit der Verbreitung von IT-Systemen im gesamten Netzwerk einhergehen wird.

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Diese weit verbreitete Einführung von IT im Telekommunikationsbereich ist das zentrale Thema in Bezug auf die Stromversorgung und den Schutz dieser 5G-Netzwerke. Das Hinzufügen von IT in Core-, Access- und Edge-Umgebungen bedeutet, in traditionell gleichstrombetriebenen Umgebungen Wechselstrom einzubauen – und das ist für die meisten Telekommunikationsunternehmen ein Fremdwort. Ihr Fachwissen im Gleichstrombereich reicht mehr als ein Jahrhundert zurück, aber Wechselstrom ist neu, anders und sorgt für eine Komplikation, die sie nicht ignorieren können.

Das entstehende Modell ist so etwas wie eine Mischung aus traditionellen Telekommunikations- und Rechenzentrumsarchitekturen. Vertiv, mit einzigartiger Expertise in beiden Branchen, arbeitet mit Betreibern auf der ganzen Welt zusammen, um Infrastrukturlösungen bereitzustellen, die diese manchmal gegensätzlichen Interessen unterstützen und dafür sorgen, dass ihre 5G-Netzwerke zuverlässig und effizient funktionieren.

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