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维谛技术 (Vertiv) 5G 技术指南

5G 是第五代蜂窝电信网络,可提供更高的带宽和更快的速度,实现从高清视频到超低延迟游戏和高级远程医疗应用,随着该技术在全球的成熟和扩展,其甚至有望用于更先进的应用。

5G 介绍

5G 是第五代蜂窝电信网络,可提供更高的带宽和更快的速度,实现从高清视频到超低延迟游戏和高级远程医疗应用,随着该技术在全球的成熟和扩展,其甚至有望用于更先进的应用。

预计到 2024 年,全球约 40% 的人口将可以使用 5G,预计到 2035 年,5G 将促成 13.1 万亿美元销售额。全球 5G 资本支出 (CapEx) 和研发 (R&D) 同比增长 10.8%,预计未来 15 年每年将达到 2,650 亿美元。

5G 竞赛是一场淘金赛,电信运营商正在向前冲刺,在比赛中首先会优先考虑可用性和安全性。这可以理解,但应对不可避免的能耗增加是一项迫在眉睫的挑战。

5G:发展历程

从 2G 到 3G 再到 4G 的转变是相当线性化的,实现这种转变依靠的举措超越了渐进式变革的水平,但也没有达到技术革命的水平。3G 使现代智能手机成为可能,并提供基本数据和互联网功能。4G 完善了这些网络,提高了其速度,让移动视频得以实现。阅读这份来自 451 Research 的报告,进一步了解 5G 与前几代移动技术的区别所在:《5G 入门:5G 与之前几“G”的不同之处》(5G primer: What makes it different from the previous ‘Gs’?)

5G 是下一次演进,但这没有完全体现出 5G 落地带来的深刻变化。5G 可大幅提高网络带宽,并大幅提高网络速度,实现从前不可能实现的应用。5G 网络最终将助力实现自动驾驶车辆、实时高级分析和人工智能,这些功能在所有行业和各个生活领域均具有变革性意义。

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“5G 可谓是电信业史上最具影响力和最困难的网络升级。”

451 Research 研究副总裁 Brian Partridge

5G 架构建立在现有网络之上,但它引入了额外的 IT 系统,可实现从核心到边缘的快速、强大计算。这是 5G 的承诺:能够在每个基站和微型基站处理数据和进行计算,为最终用户实现超低延迟应用。

这增加了对 IT 的依赖,带来了新的挑战,且需要在整个网络中进行一些根本性变更。IT 设备无法无缝融入传统的电信基站,运营商在过去十年间将中心机房转变为实际的网络核心数据中心后,无疑已理解这一点。5G 基础设施将是传统电信和 IT 基础设施的混合模式设施,需要始终在所有系统之间无缝过渡。

三相电源图 1a

来源
techblog.comsoc.org

三相电源图 1b

了解 5G 架构

5G 网络的基站密度将远高于现有的 3G 和 4G 网络,以便实现双重承诺:带宽增加和延迟降低。这意味着整个网络中将有更多的蜂窝基站,且每个基站将有更多的 IT 设备。这些都是与 3G 和 4G 网络的显著差异。运营商不仅仅是在现有的网络基础上进行扩建,他们还正在 3G 和 4G 架构基础之上构建新的网络。

这些差异体现在各个方面。在整个网络中增加 IT 设备要求人们对这些敏感电子设备在环境保护方面给予更多的关注。这意味着要采用坚固的机柜和机壳,以及专门的冷却和湿度控制。在传统电信网络中,除了最极端的气候条件外,通常不需要做到精确冷却,因为这些网络(包括 3G 和 4G 迭代)在接入空间中只需要很少的 IT 设备。但 5G 并非如此。

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在整个网络中广泛引入 IT 系统又带来了另一层复杂性。IT 设备运行需要更多的能源,因此通常会使用交流电源,而现有的电信网络和设备则依赖直流电源。此外,在世界许多地区,都采用替代能源用于补充网络电力,而这些能源也产生直流电力。这种差异可以弥合,但需要合适的合作伙伴。维谛技术 (Vertiv) 在 IT电信领域拥有深厚、独特的专业知识,可帮助运营商了解不熟悉的电源架构。

在中心机房中增加 IT 和引入交流电源已有数年时间,且如今仍在持续。接入空间是 5G 的新前沿,蜂窝信号塔基站正经历着重大变化或升级,以支持 5G 和这些新的 IT 资源。这些基站经过了多个架构的循环,从 RAN 到 D-RAN 到 C-RAN,再到最终的 Cloud-RAN,或者说本质上是跨基站和地域无缝迁移负载的虚拟化蜂窝网络。

这些架构已经过发展,可以支持网络的需求,根据带宽和延迟需求将设备从地面转移至塔架、从塔座转移到集中式中心。

带有无线电接入网络 (RAN) 架构的早期大型基站由蜂窝塔和天线组成,通过同轴电缆将塔座所有相关设备连接到天线上。这些类型的基站需要多个箱体,有时需要能容纳所有所需设备的更大围护结构。

分布式无线电接入网络 (D-RAN) 将远程无线电头端 (RRH) 从塔座沿天线移动到塔顶,并采用光纤替代同轴电缆。其余设备仍留在塔座。D-RAN 通过减小天线和无线电设备之间的距离(减少信号损耗)降低所需功率并增加网络容量。在塔上采用 RRH 也意味着塔座设备占用的面积更小。

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最近向集中式无线电接入网络 (C-RAN) 的转变更具颠覆性。C-RAN 架构的出现是为了支持 4G,它将塔座的设备集中到其他地方,为多个基站提供服务。这减少了塔架的占地面积,并带来了与设备监测和服务相关的其他益处。目前很多 4G 基站均采用 C-RAN 架构,但转向 5G 则需再次重新评估蜂窝基站设计。

同样,5G 的承诺基于:从运营商已经能够使用的地方(即蜂窝塔站)开始,是否有能力将计算设备放置在尽可能接近消费者的地方。C-RAN 一直在都是从这些基站移除计算设备。我们不会看到立即的逆转——这些集中式 C-RAN 基站将在 5G 中发挥作用——但我们将看到更多的 IT 设备返回这些塔站、开放无线电接入网络 (O-RAN) 的引入以及一系列全新的部署挑战。

核心 5G 部署

人们往往会思考 5G,因为它适用于现有的蜂窝塔站,这无疑是正在进行的全球部署活动的一个方面。然而,实际上 5G 部署正在中心机房、未开发蜂窝基站和网络边缘的 IT 部署活动中进行。5G 网络的基站密度比前几代网络更高、更复杂,从各方面看,部署都是一项挑战。

在中心机房,这意味着要对现有设施进行改造,以支持 5G 流量所需的 IT 服务器。传统的中心机房是交换中心,只使用直流电源运行,热负荷为 2-3 千瓦,很少需要关注冷却。5G 正在改变一切。这些铜制电缆和线路开关不再适用,其已被服务器机架、附加直流电源系统和/或交流 UPS 系统以及精确冷却装置所取代,以便管理相应的热负荷。

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数十年来,这些都是电信和 IT 架构之间的根本差异。电信行业依赖直流电源来运行网络,对冷却的要求也很低。数据中心和 IT 设施使用交流电源运行服务器,这些服务器中的电子设备对热量更敏感,需要更精密的冷却才能正常工作。

5G 让这些界限变得模糊起来。传统的电信环境中正在引入更多的 IT 设备,这彻底改变了这些设施的电源和冷却配置。在大多数情况下,这并不只是像交流或直流电源那么简单。这些设施正在不断发展,以引入交流和直流电源,这需要具备专门的专业知识,才能实现安全安装和有效管理。维谛技术 (Vertiv) 在电信和数据中心基础设施支持领域拥有数十年经验,可提供适用于交流电和直流电环境的解决方案,并同样精通这两种架构。

至少 20 年来,数据中心行业一直在探索使用高压直流电作为这些设施的替代电源架构。理由很简单:这可减少电力转换消耗,提高效率。尽管已有独立的数据中心和许多使用高压直流架构的试点项目,但这种尝试基本上仍停留在理论层面。归根结底,人们对直流电源的不熟悉以及大多数服务器仍采用交流供电这一现实,阻碍了这种方法的广泛采用。

而在这种方法被大量采用于 IT 的新型 5G 电信中心机房后,逐渐受到了些许垂青。这些设施已配备直流电源,并由熟悉直流电源的决策者运营。电信业不存在数据中心中维持现状的惰性。

其他运营商正在或多或少地完全过渡到类似数据中心的交流电源架构,几乎完全放弃了其中心机房的直流电源根基。在这些情况下,这些设施完全有条件从旧的中心机房拆除大部分设备,并且通常可以采用完全集成的、往往是预制化的、模块化的 IT 解决方案如 Vertiv SmartRowSmartAisle)来替换这些设备

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最常见的方法是混合采用,即仍利用直流电源系统给设施中的某些元件供电,同时添加交流 UPS 系统,为服务器提供备用电源。而在所有情况下都会出现一个趋势:引入精确冷却。这是冷却 IT 设备所需的,但它给电源负载增加了额外设备。5G 每千兆字节的效率高于 4G 但总能耗却大大高于 4G 的原因之一也在于此。

尽管 SmartRowSmartAisle 最初专为数据中心环境而设计,但也可对其进行配置,以支持这些混合式交流/直流电环境,虽然为了安全起见,通常会分开设置交流舱体和直流舱体。在中心机房中,SmartRow 和 SmartAisle 通常配备 10-20 个机架,并包含热通道或冷通道控制,以实现能量效率。

资源

边缘 5G 部署

补充这种传统核心/接入模式的是新兴的网络边缘计算,而这对支持 5G 是所必需的。这些边缘计算资源增加了更接近最终用户的额外计算,这是助力 5G 实现低延迟、高带宽应用所必需的。这些资源可以部署在信号塔基站或接入空间的其他地方。

数年来,数据中心前端的边缘计算持续激增,现在电信运营商正在部署自己的边缘计算资源,在某些情况下,利用现有的边缘计算/云提供商来满足他们的 5G 需求。

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这些边缘计算数据中心非常复杂,对于提供完整的 5G 功能至关重要。Vertiv™ SmartMod™ 是一款针对此项需求的模块化解决方案,通常作为 100 千瓦数据中心部署,每个机架 10 千瓦,最多部署 10 个机架。SmartMod 为 IT 设备和电源系统及电池提供独立空间,并包括针对所有系统的热管理。

如果听上去部署 5G 需要的专业知识比过去电信公司需要的要多,那是因为确实需要。这些 5G 网络混合了电信和数据中心资源,以大多数运营商不熟悉的方式混合采用交流和直流设备和架构。这两个领域的专业知识对于优化 5G 部署至关重要。

维谛技术 (Vertiv) 在数据中心、电信设备和架构方面拥有独到的知识和经验。我们正在通过出众的专业知识和无缝集成解决方案支持这些聚合行业,为没有时间学习相关知识的运营商消除这些因不熟悉而产生的障碍。

资源

接入空间中的 5G 部署

5G 正迫使对接入网进行变革,这些变革的猛烈程度几乎与中心机房的变革相当。蜂窝信号塔基站支持的负载在标准 3G 或 4G 基站约 5 千瓦。而在 5G 基站,支持的负载为 20-40 千瓦。这种对电力和计算能力的大幅增加要求对现有基站进行重大升级。

管理这些场所的有限地产是第一考虑因素,而这也正是将无线电设备移到蜂窝信号塔顶部的一个驱动因素,这些蜂窝信号塔现在可以容纳数十台无线电设备。在某些情况下,也会在信号塔上安装整流器,让运营商能够在塔上运行交流电源,这样可以节省成本,因为交流电缆比直流电缆更便宜。

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所有这些都带来了其他麻烦,包括从塔座的电源系统到塔顶的无线电设备的压降问题。升压器可以克服这些压降问题,将 48 伏升至 57 伏,以确保有足够的电力到达塔上的设备。维谛技术 (Vertiv) 为实现这一目标提供了一种创新性解决方案,即 eSure Power Extend Converter,该转换器可插入现有的直流配电板,以节省塔座空间。

这些基站的附加设备,特别是支持 5G 应用的 IT 设备,要求我们对存储、安全性和环境控制进行新的思考。此外,IT 设备比传统电信设备更敏感,必须在塔站妥善存储。

这可以通过不同的方式加以处理,包括采用从独立、较小的机柜到可容纳服务器机架和热管理系统的更大箱体。选择何种方式取决于各种因素,包括场地大小、基座所需的设备数量以及标准环境条件。

与中心机房一样,在这些地点引入交流电源可能导致其他麻烦。通常,交流电源需要通过软件升级或管理,以支持增加的交流负载,从而支持 IT 设备运行。该软件通过从整流器向电池换接,防止交流电设备断路器在高峰时段跳闸。

维谛技术 (Vertiv) 采用创新方法应对这一挑战,利用三相平衡防止断路器跳闸。这种智能能源管理至关重要,因为从公用电网中引入新的交流电主电源既耗时又昂贵。

资源

5G 全球进展

5G 可能是一项全球性技术,但全球各地的部署速度或方式并不相同。中国和韩国在 5G 竞赛中冲在最前,正与亚太地区的其他国家/地区拉开距离。

中韩运营商部署新网络和网络设备的速度更快,根据需要进行基站升级,作为对积极部署新基站的补充。这些运营商对高压直流电架构的态度也更加开放,考虑到在数据中心中采用该技术的许多用户都位于该地区,这并不意外。

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美国的策略比亚洲的更加保守一点,以基站从 4G 升级到 5G 的形式为主。提供商之间存在差异,最大的运营商选择通过部署满足当前和未来的需求,而较小的运营商则选择更小规模的部署以最大限度地减少资本投资。

令人惊讶的异类是欧洲,欧洲 5G 的推出落后亚洲和美国约一年。以在波谱上分配频率的持续延迟为首,这其中存在许多持续的问题。

也有一些值得注意的例外情况:法国和芬兰提前行动,很快获得了波谱分配,但在大多数情况下,尚未举行波谱频段拍卖。预计这些分配中约有 70-80% 可能在 2021 年底前完成。

不应因欧洲市场缺乏市场活动而误以为开局迟滞。先行者正在快速前进,即便是仍在等待这些波谱拍卖的运营商,也大规模参与了基站准备工作中,以便能够及时快速地行动。

很多欧洲运营商正在把自己的蜂窝塔卖回给塔架公司,以募集投资 5G 所需的资金。然后他们转过头再从塔架公司租赁这些塔架的使用权。

这就导致这些基站需要采用智能功率管理,这样运营商只会根据给定塔架的使用时间得到供电。维谛技术 (Vertiv) 为这些多用户安排提供功率计量和管理解决方案。

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欧洲还规定了可部署的蜂窝信号塔数量,因此该地区 5G 网络的密集化正在以不同方式发生。为了克服信号塔数量不足的问题,运营商部署了大量重叠的小蜂窝信号塔。这些重叠设计让运营商能够在没有备用电源的情况下部署一些基站,选择将负载转移到重叠基站。

在欧洲,一个令人惊讶的问题是:确保 5G 网络能够支持语音通信。该地区的一些 4G 网络不支持语音通话,而是依赖传统的 2G 和 3G 网络提供此功能。然而,早有迹象表明,许多运营商计划停用这些 3G 基站,保留更旧的 2G 用于语音传输。

欧洲各地的部署较为缓慢,这为运营商提供了时间,让他们能够更加专注于能量损耗、排放和网络的整体环境影响。在整个欧洲大陆,无论能源如何,都优先考虑这些问题,但电信公司意识到了 5G 的固有问题。

欧洲电信公司长期以来一直采用混合电源系统,预计将继续这样做,以支持 5G,并将这些网络的碳足迹降至最低。

正如预期,中东和非洲的投资和进展均集中在更富裕的国家和城市中心。

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5G 效率和可持续性

 

5G 将成为当今时代最具变革性的通信技术,其支持海量全新服务,包括先进的能源管理能力,这对解决持续增加的能源和可持续发展挑战至关重要。但是,对于面临 5G 带来的能耗和排放猛增的电信运营商来说,实际挑战依然存在。

尽管 5G 网络的效率比上一代 4G 网络高 90%,但由于网络密度增加、对 IT 系统严重依赖、网络使用量增加和流量增长加快,5G 网络仍然需要更多的能源。运营商必须通过在整个网络中采用能量效率最佳实践来应对这些挑战,这些最佳实践可以帮助减少日益增加的能耗和排放以及相关成本。

正如所有与 5G 相关的事情一样,这些实践都是全新的,与之前的任何实践截然不同,也更令人陌生。完全实现的 5G 网络需要在边缘建立更多的基站,其密度远高于前代的 3G 和 4G 网络,我们必须进行大规模改革,以支持 5G 频率,满足支持 5G 的应用及其用户对带宽和低延迟的需求。5G 蜂窝基站本身就有所不同,会配备消耗更多能源的更多 IT 设备。

整个行业都有一种趋势——当然在 5G 的早期覆盖中也有这种趋势,即着重关注 5G 网络每千兆字节的效率将高于 3G 或 4G 这一事实。这当然是事实,但基站数量和依赖 IT 的基站的能源需求大幅增加,将导致相应的能耗增长。增幅将非常显著。

到 2025 年,全球移动数据流量将增长近四倍,到 2026 年,网络能耗将总体增加 150-170%。电信运营商知道这点,94% 的电信运营商预计随着 5G 网络的推出,能耗将有所增加。但在 5G 的早期阶段,快速部署是当务之急。现在,随着这些网络的扩展和对其日益广泛的采用,运营商正在把注意力转向运营这些网络的能源使用情况和成本上。

这并非一个新的考虑因素。毕竟 92% 的网络运营成本用在了能耗上。5G 只是放大了这一问题。

从运营商应已实施的温和步骤,到需要对基站架构进行根本重新思考的更具雄心的方法,需要考虑各种战略和策略。

5G 网络需要许多新的蜂窝基站来充分增加网络密度,但全球已有数十万个现有基站正在进行 5G 改造。即使并非占大多数,但其中许多数基站都配备低效的旧设备,采用具有高效整流器的更新系统取代旧有直流电源系统可以将效率提高 5-6%。当然,任何新基站都应优先考虑效率,并尽可能配置高效设备。

当今的直流电源系统更加智能,能够进行更先进的能源管理,但因为传统蜂窝基站更青睐静态操作,所以这些功能在很大程度上遭到了忽略。运营商可以利用这些功能来降低成本。例如,电信运营商可以选择允许他们存储更便宜的非高峰能源以在高峰时段使用的运行模式,从而减少高峰期的公用电力消耗和成本。

电池的技术进步为提高效率提供了额外机会。锂离子电池 (Li-ion) 与传统阀门调节铅酸 (VRLA) 电池相比,具有诸多优势,其价格更低,可以实现高于可接受水平的投资回报。

由于锂离子电池体积更小,可在更高的温度下运行,因此不需要与 VRLA 相同的冷却水平,从而减少了能源使用和成本。

锂离子电池的使用寿命比 VRLA 更长,通过延长电池的使用寿命,运营商减少了监控和更换需求、上门服务次数和成本,以及与这些活动相关的二氧化碳 (CO2) 排放量。

当今的直流电源系统更加智能,能够进行更先进的能源管理,但因为传统蜂窝基站更青睐静态操作,所以这些功能在很大程度上遭到了忽略。运营商可以利用这些功能来降低成本。例如,电信运营商可以选择允许他们存储更便宜的非高峰能源以在高峰时段使用的运行模式,从而减少高峰期的公用电力消耗和成本。

此外,带有智能电池管理系统的锂离子电池支持高峰调节、提高转换率和实现超容量电源系统操作,从而有助于实现全面的网络能源策略。

这些都是提高效率、眼前就能获得的重要机会。试想 2019 年:66% 的电信公司正在升级电池,81% 的电信公司表示将在五年内升级电池。

虽然渐进式改进很重要,但不足以应对 5G 能源挑战。5G 承诺的核心是能够在每个基站和微型基站处理数据和进行计算,为最终用户实现超低延迟应用。为了实现这一点,运营商必须在其庞大、不断增长的网络中引入 IT 设备。这是 4G 和 5G 之间最显著的差异。

遗憾的是,此类 IT 设备专为安全、环境可控的数据中心而设计,并非为混乱的电信接入网络领域而设计。如前所述,此类 IT 设备还被设计成依靠交流电源运行。

将交流供电设备引入这些电信环境,增加了功率转换步骤,每次额外的转换都会导致能量下降。这意味着最初必须采用更大的功率,才能实现相同的结果。功率越大,热量越多,而 IT 设备对热量的敏感度要高于传统的电信设备,这意味着冷却成了重中之重。冷却会消耗能源。

将该设备放置在众多蜂窝基站普遍采用的 40 英尺混凝土围护结构中,就意味着必须冷却这些围护结构。冷却这些大型混凝土结构需要大量的冷空气和能源,即使 IT 系统在其热范围的上限运行也是如此。

更小型的现代机壳专为保护敏感设备免受各种因素的影响而设计,并可以配备不同类型的冷却技术,从外部自然空气到液体冷却技术,以及介于两者之间的一切技术,从而满足位于任何地点的任何基站的独特需求。

智能管理系统使用人工智能 (AI) 和数据分析来持续校准最佳热设置、控制泵和风扇,以实现理想结果。

这些属于单个基站面临的小问题,但这些网络基站的数量可以达到数十万。即使能耗的小幅增加也会迅速提升总量。幸运的是,小幅改进也可以产生大影响。

能耗只是当今电信运营商面临的更大可持续发展挑战的冰山一角。全球对气候变化和减少排放的关注已经影响了行业决策者。

Verizon 和 Vodafone 计划到 2040 年实现净零排放,Telefónica 承诺到 2030 年实现前四大运营市场的净零排放。为此,Verizon 和 Vodafone 的目标是到 2025 年将用电量减少 50%,Telefónica 的目标是到 2030 年将用电量减少 70%。

这些是大胆的承诺,实现这些目标的策略几乎肯定会纳入上述最佳实践。然而,仅凭这些策略是不够的。

解决方案中必须包括可再生能源和混合电源系统。非洲和欧洲部署混合系统已有二十年,世界其他地区也在效仿。美国在很大程度上忽略了电信领域的混合技术,因为能源的成本和供应价格仍然较低,而太阳能电池板和电力的成本高昂。

随着能源成本上升、供应变得越来越不稳定,以及太阳能技术的进步使每千瓦时成本更接近电网价格,美国部分地区的状况正在发生变化。

对于并网部署来说,太阳能附加组件是一种减少对电网依赖的方法,且不必增加基础设施成本来采用更好的电池。可用激励措施因素纳入该组合时,会成为一个可靠的促进因素。随着美国混合系统市场的增长,投资将随之而来,这将刺激创新并降低成本。

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资源

利用维谛技术 (Vertiv) 的专业技术,实现向 5G 的过渡

5G 网络实现了数据传输速度和传输量的指数级增长,将为各行各业无数全新、先进和越来越有价值的应用打开大门。随着人们对这些应用的依赖,网络的可靠性和安全性变得更加重要。

这对当今的电信运营商来说是一个前所未有的挑战,他们必须升级数十万个现有基站,像许多新基站一样建设这些基站,并应对随着网络中 IT 系统激增而来的巨大能耗提升。

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电信领域广泛引入 IT 是为这些 5G 网络供电和提供保护方面的核心问题。在核心、接入和边缘添加 IT 意味着在传统直流供电环境中添加交流电源,这对大多数电信公司来说都是个陌生的概念。这些电信公司在直流电方面的专业知识可追溯到一个多世纪前,但交流电是全新且不同的,并增加了他们无法忽视的复杂性。

新兴模式是混合了传统电信和数据中心架构的方式。维谛技术 (Vertiv) 在两个行业均拥有独特的专业知识,正在与世界各地的运营商合作,部署基础设施解决方案,支持这些有时甚至是对立的事业,并确保他们的 5G 网络可靠、高效地运行。

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