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Vertiv 5G 技術指南

5G 是第五代行動電信網路,提供更高頻寬和更快的速度,從高解析度影片串流、極低延遲遊戲體驗、進階遠端醫療,甚至是更先進的應用功能,都能隨著此技術成熟並遍佈全球後得以實現。

5G 簡介

5G 是第五代行動電信網路,提供更高頻寬和更快的速度,從高解析度影片串流、極低延遲遊戲體驗、進階遠端醫療,甚至是更先進的應用功能,都能隨著此技術成熟並遍佈全球後得以實現。

預計到 2024 年,全球約 40% 人口能夠使用 5G,到 2035 年,5G 的銷售額預計達到 13.1 兆美元。全球 5G 資本支出 (CapEx) 和研發 (R&D) 比同期增長 10.8%,預計未來 15 年將達到每年 2650 億美元。

5G 競賽是一場淘金狂潮,電信業者在衝刺爭先的過程中,同時將可用性和安全性放在優先考量。這可以理解,但管理無法避免的耗能增長,是一項迫在眉睫的難題。

5G:發展沿革

從 2G、3G、到 4G 的變化是線性的,並且是透過漸進式轉變,而非技術變革來實現。3G 讓現代智慧型手機成為可能,並提供基本的數據與網路功能。4G 改進了這些網路並提升速度,讓行動影音變得可行。請透過這份 451 Research 的研究報告,詳細瞭解 5G 與前幾代行動裝置有何不同,「5G 入門:這和先前幾代的「G」差別在哪?

5G 是下一代的演進,但這不足以描述 5G 代表的巨變程度。5G 大幅提高了網路頻寬,並以倍數成長方式提升網路速度,進而實現以前達不到的應用功能。5G 網路最終將實現自動駕駛汽車、即時進階分析和人工智慧,這些都將在所有產業和各行各業掀起變革。

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「5G 代表電信產業有史以來最具影響力和困難程度的網路升級。」

Brian Partridge,研究副總裁,451 Research

5G 架構建立在現有的網路基礎上,並加入額外的 IT 系統,達成從核心到邊緣的快速、強大運算功能。這是 5G 的能耐-能在每個站點和微型站點處理資料和執行運算的能力,為終端使用者提供極低延遲應用功能。

對 IT 日漸增加的依賴產生全新挑戰,進而需要對整個網路進行根本性的變革。IT 設備無法無縫融入傳統電信站點,隨著營運商在過去十年將中央交換局轉型為網路核心的資料中心後,無疑證明瞭這點。5G 基礎設施將是傳統電信和 IT 基礎設施模式的混合體,需要所有系統在任何時刻都能無縫接軌。

瞭解 5G 架構

5G 網路的密集度將比現有的 3G 和 4G 網路更高,以體現頻寬增加和延遲降低的雙重承諾。這代表整個網路最後將有更多網路站點,且每個站點將配備更多 IT 設備。這些都是顯而易見的差異。營運商不僅在增加現有網路;更在這些 3G 和 4G 架構上建構新網路。

這些差異被以各種方式來呈現。在整個網路中添加 IT 設備,需要更注意這些敏感電子設備的環境保護。這表示需要強化的機櫃和外殼,以及專用的冷卻系統與濕度控制。在傳統電信網路中,除了最極端的環境外,通常不需要精密的冷卻系統,因為這些網路(包含 3G 和 4G 疊代)在存取點內幾乎不需要 IT 設備。而 5G 並非如此。

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IT 系統在網路業界的廣泛運用,產生其他的複雜性。IT 設備需要更大量的電力才能運轉,因此通常以交流電供電,而現有電信網路與設備皆採用直流電。另外,許多國家會使用替代性能源支援網路供電,這些來源也是產生直流電。只要找對合作夥伴,這個問題即可迎刃而解。Vertiv在IT電信領域擁有深厚獨特的專業知識,能幫助不熟悉供電架構的營運商妥善規劃。

在中央交換局增添 IT 設備與交流電供電已行之有年,且持續至今。接取點是 5G 的最新熱門話題,透過大幅變更或升級行動網路基地台以支援 5G 及這些新的 IT 資源。這些站點歷經多次週期性的架構變動,從 RAN、D-RAN、到 C-RAN,最後成為 雲端-RAN,或本質上是一個虛擬行動網路,在各站點和地區間無縫轉移負載。

這些架構已演變成支援網路需求,根據頻寬和延遲要求,將設備從地面移動至通訊塔,從基站移轉到集中式中心。

具有無線電存取網路 (RAN) 架構的早期大型基地台,由行動通訊基地台和天線組成,基地台底部的所有相關設備皆透過同軸電纜連接到天線。這些類型站點需要多個防護殼,有時需要更大的掩體來容納所有所需設備。

分散式的無線電存取網路 (D-RAN) 將遠端無線電磁頭 (RRH) 從基地移到天線旁的塔頂,並用光纖取代同軸電纜。其餘設備則留在基地。D-RAN 透過減少天線和無線電的距離(減少失去訊號)來減少所需供電,並增加網路容量。在塔上使用 RRH 也表示在基地台底部的設備所佔面積更小。

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在近期,移向集中式廣播接取網路 (C-RAN) 的趨勢變得更加混亂。C-RAN 架構原先是用來支援 4G,利用訊號塔基底設備,在他處集中管理以支援多點服務。此舉減少了通訊塔的佔地面積,帶來與設備監控服務相關的其他優點。許多現有 4G 站點採用 C-RAN 架構,但如果要邁向 5G,需要對網路站點設計進行重新評估。

再次強調,5G 的能力是基於營運商能將運算能力配置離消費者多近而定,由他們可存取的地點算起,也就是網路通訊塔站點。C-RAN 一直在將運算設備移出這些站點。集中式的 C-RAN 將在 5G 佈局中扮演一角,因此,我們不會立刻看到立即性的改變,但我們將看見這些通訊塔站點重新裝載更多 IT 設備、開放式廣播接取網路 (O-RAN) 的推出、以及一系列全新的部署挑戰。

5G 核心部署

人們傾向認為 5G 技術可套用在現有行動通訊基地台站點內,這絕對是持續全球部署的活動之一。而實際上,5G 部署正在中央交換局、新建網路站點和網路邊緣的 IT 部署中進行。5G 網路比前幾代網路更密集和複雜,這完全透露出部署作業會有多麼困難。

在中央交換局,這代表要改造現有設施,藉此支援 5G 流量所需的 IT 伺服器。傳統的中央交換局是完全使用直流電運行的交換中心,熱負荷為 2-3 kW,無須注意冷卻狀態。5G 正在改變一切。這些銅製纜線和線路開關已被淘汰,取而代之的是伺服器機櫃、額外的直流電系統和/或交流電不斷電系統,以及用於管理應對熱負荷的精密冷卻裝置。

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數十年來,這些一直是電信和 IT 架構之間的根本差別。電信公司透過直流電供給網路設備,幾乎不需要冷卻系統。資料中心與 IT 設施使用交流電來運轉伺服器,這些伺服器內的電子元件對溫度更敏感,需要更加細膩的冷卻系統才能正常運轉。

5G,界線並不是那麼清楚。傳統電信環境引入了更多 IT 設備,並徹底改變了這些設施內的供電與冷卻配置。在多數情況下,並不像是分成直流電/交流電那麼簡單。這些設施已演進成兩者兼具,且需要特別的專業知識,才能安全裝設並有效管理。Vertiv 具備數十年來在電信與資料中心基礎架構協助領域的專業知識,不論是交流電或直流電環境皆能提供解決方案,可同等運用不同架構。

有 20 年以上的時間,資料中心產業持續在設施中,研究使用高壓直流電做為替代電源架構的方法。道理很簡單:減少供電轉換後,效率自然更高。縱使有獨立的資料中心和許多使用高壓直流架構的試驗計畫,但這項實驗始終維持在理論階段。歸根究底來說,不熟悉直流電、且大多數伺服器仍由交流電供應的情況下,讓這個做法難以被廣泛接納。

在這些新的 IT 密集型 5G 電信中央交換局中,此理論成為備受關注的方法之一。這些配備直流電的設施,是由熟悉直流電的決策者來運作。資料中心所存在的慣性狀態,在電信業裡是不存在的。

其他營運商正或多或少地全面轉型成類資料中心的交流電架構,僅保留中央交換局的直流電系統。在此情況下,這些設施都經過全面性的調整,從舊的中央交換局裡移除大部分設備,通常以完全整合型、常為預製、模組化的 IT 解決方案來替換,像是 Vertiv SmartRowSmartAisle

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最常見的方法是設施內部分設備採用直流電系統,並為伺服器增添備載交流電 UPS 系統的混合式作法。在所有個案皆湧現一個趨勢,就是精準冷卻技術的應用。這些額外增設設備對冷卻 IT 設備是必須的,但同時也增加了電力負載。即使與 4G 相比,5G 的每 GB 功率更高,但 5G 的整體能耗仍高多了,這就是原因之一。

雖然 SmartRowSmartAisle 原先是為資料中心環境所設計,但可配置成支援直流電/交流電混合型環境,即便這些直流電與交流電的機板通常因安全性考量而分開使用。在中央交換局,SmartRow 與 SmartAisle 通常以 10 至 20 組機架配置,並搭配熱通道或冷通道氣流遏制技術達到節能效果。

5G 邊緣部署

替補這類傳統核心/存取模式的,是支援 5G 所必須的網路新興邊緣站點。這些邊緣資源更靠近終端使用者,可為其增添額外運算能力,這是達成 5G 低延遲、高頻寬應用的必要條件。這些資源可以部署在基地台站點或別處的存取點。

數年來,資料中心的前端一直在延展,現在電信營運商正在部署自己的邊緣運算資源,並在某些情況下利用現有的邊緣運算/雲端供應商來滿足 5G 需求。

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這些邊緣資料中心結構繁雜,是提供完整 5G 功能性的關鍵。Vertiv™ SmartMod™ 是滿足此需求的模組化解決方案,通常以 100 kW 資料中心的形式配置,可容納多達 10 組機架,每機架 10 kW。SmartMod 具備隔間,可供 IT 設備、供電系統、與電池存放,並包含所有系統的熱管理功能。

在過去,5G 似乎需要遠超出電信公司所知的專業知識,事實上確實如此。這些 5G 網路是電信公司與資料中心資源的混合,對多數營運商而言,混用交流電與直流電設備及架構,並不是他們熟悉的方式。要最佳化 5G 的部署,必須在兩個領域都具備專業知識。

Vertiv 同時在資料中心與電信設備及架構方面,具備無人能及的知識與經驗。我們以無人能及的專業知識加上無縫整合的解決方案,為這些融合產業的營運商提供協助,排除來不及熟悉的知識阻礙。

存取點中的 5G 部署

5G 正在迫使接取網路發生變化,幾乎等同於在中央交換局變革的劇烈程度。在標準 3G 或 4G 站點,網路基地台的基站可支援約 5 kW 的負載。如果是 5G,這些負載是 20 至 40 kW。供電和運算的大幅增長,使現有站點必須進行重大升級。

管理這些站點的有限空間是首要考量,這也是將無線電移轉到網路塔頂的原因之一,而這些基地台現在可以容納數十台無線電。在部分案例中,通訊塔上也放了整流器,讓業者得以透過交流電啟動通訊塔以節省成本,因為交流電纜比直流電纜便宜。

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這些阻礙還加上其他複雜變因,包括從通訊塔底的電力系統,在供電至頂部無線電端產生的功率下降問題。升壓器能解決功率下降的問題,將 48V 提升到 57V,確保通訊塔頂的設備獲得充足的電力。Vertiv 則是以更具創意的解決方案完成這項挑戰-只需將 eSure 電力延伸變壓器接上既有的直流配電板,為通訊塔底騰出空間。

這些站點的額外設備,特別是 5G 應用功能所需的 IT 設備,需要重新思考站點的空間安排、安全性、與環境監控。再次強調,IT 設備比傳統電信設備更加脆弱,在通訊站點必須妥善保管才行。

有不同方式可處理這個情形,從小型機櫃到可以容納伺服器機架和熱管控系統的大型機櫃。選擇將取決於各種因素,包括站點大小、基地所需設備數量和標準環境條件。

如同中央交換局,將交流電引入這些站點可能會導致其他複雜情況。通常需要透過軟體升級或管理交流點,來協助支援 IT 設備增加後的交流負載。此軟體透過關閉整流器和電池,防止交流電站點斷路器在高峰時段跳閘。

Vertiv 採用創新方式應對此挑戰,使用三相平衡來防止斷路器跳閘。這種智慧能源管理至關重要,因為從公共設施引入新型主交流電既費時又昂貴。

世界各地的 5G 發展

雖然 5G 是遍及全球的技術,但世界各地的部署進度與方式並不同調。中國與南韓在 5G 競賽中遙遙領先,同時拉著其他亞太地區國家並進。

此區域的國家在部署新網路與網路設備的速度較快,在有需要時進行站點升級,並積極地因應需求佈局新站點。這些國家對高壓直流電架構的接受度也較高,考量到許多位於此地區的資料中心也採用此技術,就不覺得奇怪了。

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相比起亞洲,美國的策略略為保守,這在 4G 升級到 5G 站點的過程中扮演重要角色。供應商之間存在差異,最大的營運商選擇部署以滿足當前和未來的需求,而較小的營運商則選擇小規模部署,以盡可能減少資本投資。

令人意外的極端值是歐洲,歐洲的 5G 推廣進度比亞洲和美國落後約一年。其中存在許多一直以來的問題,首先是頻譜上分配頻率的持續延誤。

有些值得注意的例外-法國和芬蘭提前行動,並迅速獲得頻譜分配-但在多數國家,頻譜空間的拍賣尚未開始。預計到 2021 年底,約 70-80% 的頻譜分配作業將會展開。

歐洲雖然起步較慢,但絕非毫無作為。先驅業者正在加速前進,就連等待頻譜拍賣的營運商,也在大幅進行站點設立前置作業,以便在時機成熟時迅速行動。

許多歐洲的營運商正將通訊塔售回給生產商,以籌備 5G 投資需要的資金。接下來,他們會轉向通訊塔公司,以租用方式獲得使用權。

因此,這些站點對智慧型電力管理的需求油然而生,讓營運商僅需為實際使用時間付費。Vertiv 擁有適用於多租戶情境的用電計量與管理解決方案。

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歐洲也有與部署基地台數量的相關規定,因此該地區的 5G 網路密度進行方式不同。為了克服沒有基地台的問題,營運商部署了大量交互堆疊的小型基地台。這樣的交疊設計讓業者能部署一些沒有備用電源的站點,讓負載轉移到交疊站點。

在歐洲出乎意料的是:要確保 5G 網路可以支援語音通訊。此地區部分 4G 網路沒有支援語音通話,而是仰賴傳統的 2G 和 3G 網路提供。而在早期,有許多營運商計劃停用這些 3G 站點,同時保留舊有 2G 來進行語音傳輸。

歐洲的 5G 部署進度較慢,讓營運商有餘力考慮網路的能源消耗、排放、和整體環境衝擊。不論能源來源為何,這些問題在歐陸皆為優先考量,但是,當地的電信公司有注意到 5G 固有的問題。

歐洲電信公司使用混合式供電系統已有悠久歷史,並將持續沿用以支援 5G,並盡力減少這些網路架構的碳足跡。

中東與非洲地區的投資與發展集中在較富裕的國家與市中心,這並不令人意外。

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5G 效率和永續發展。

5G 將是這世代最具突破性的通訊科技,帶動的新服務將構成全新產業鏈,包括先進能源管理功能,是解決日漸增加的能源與永續性挑戰中,不可或缺的關鍵技術。但是,電信業者仍因 5G 的能源消耗與排放遽增,而面臨嚴峻挑戰。

縱使 5G 網路的能源效率比前代 4G 高出 90% 以上,但由於網路密度提升、對 IT 系統的依賴、網路使用量提升、及流量成長加速的關係,其所需用電仍大幅增加。為解決這些問題,營運商必須在其網路採用節能效率最高的最佳作法,才能幫助減緩日漸增加的能源消耗與排放,以及隨之而來的成本提高。

就和其他所有 5G 相關知識一樣,這些最佳作法是新的、陌生的,且與以往任何作法都截然不同。完整運作的 5G 網路在邊緣需要更多站點,且密度比前代 3G 和 4G 要高上許多-為支援 5G 頻率並滿足 5G 應用程式及使用者的頻寬與低延遲需求,需要進行大幅更動。網路站點本身也不同,搭載了更大量的耗能 IT 設備。

從 5G 早期發展至今,業界一直傾向強調 5G 網路的每 GB 能源效率高於 3G 或 4G。雖然這是事實,但由於站點數量暴增,加上這些依賴 IT 設備的站點能耗大量提高,導致整體能源消耗遽增。遽增幅度非常可觀。

到 2025 年,全球行動數據流量將成長近四倍,並因此在 2026 年,網路整體能源消耗將增長 150% 至 170%。有 94% 電信營運商已預期隨著 5G 網路上市,能源消耗將會增加。然而,在 5G 的早期,快速部署是首要任務。現在,隨著這些網路的擴展和普及化,營運商開始將注意力轉向能源使用和其經營成本。

這並不是新的問題,畢竟網路有 92% 的營運成本都用在能源消耗,5G 只是進一步加深此問題。

有許多策略和細節需要考慮,從營運商應已完成執行的合理程式,到更具野心的做法,必須從根本上重新思考站點架構。

5G 網路需要許多新的網路站點來充分提高網路密度,但全球有成千上萬的現存站點正在進行 5G 改造。其中許多站點(或說大部分)都配備了老舊、低效率的設備,在用高效能整流器的新系統取代傳統直流電源系統後,將可提升 5-6% 效率。當然,任何新站點都應該優先考量效率,同時盡可能配置高效能設備。

如今的直流電系統更加智慧化,能夠執行更先進的能源管理,這些功能在傳統網路站點的靜態運作下被大幅忽略。營運商可以藉由這些功能降低成本。例如,電信營運商可以選擇操作模式,以便儲存離峰時段的便宜能源供高峰時段使用,降低公共設施消耗成本。

電池的技術進步也帶來更多提高效率的可能性。鋰離子 (Li-ion) 電池比傳統閥控式鉛酸 (VRLA) 電池擁有更多優點,且價格不斷下降,成為更受歡迎的高投報率產品。

由於鋰離子電池更小,並可在較高溫度下作業,因此他們不需要與 VRLA 相同的冷卻水準,進而減少能源使用及成本。

鋰離子電池的使用壽命比 VRLA 更長,而電池使用壽命更長,代表營運商可減少監控和更換的需求、到府服務及成本,以及與這些活動相關的二氧化碳 (CO2) 排放量。

如今的直流電系統更加智慧化,能夠執行更先進的能源管理,這些功能在傳統網路站點的靜態運作下被大幅忽略。營運商可以藉由這些功能降低成本。例如,電信營運商可以選擇操作模式,以便儲存離峰時段的便宜能源供高峰時段使用,降低公共設施消耗成本。

此外,配備智慧電池管理系統的鋰離子電池,可透過調峰、轉換和允許超出容量的電力系統運行,協助打造全面網路能源策略。

這些都是提升效率的重要且直接的方式。以2019 年來說:66% 的電信公司正在升級它們的電池,81% 的電信公司表示他們會在五年內跟進。

漸進改善固然重要,但不足以應付 5G 的能源挑戰。就本質上來說,5G 擁有能在每個站點和微型站點處理資料和執行運算的能力,為終端使用者提供極低延遲應用功能。要達成這個目標,營運商必須在龐大且持續成長的網路中加入 IT 設備。這是 4G 和 5G 之間最大的差別。

不幸的是,IT 設備是專為安全、控溫的資料中心而設計,不是為了處理困難重重的電信接取網路而生。如前所述,這些設備也是依交流電運作而設計。

將交流電設備引入這些電信環境,會增加一個電力轉換的步驟,每進行一次轉換,都會導致電力下降。這代表您必須以更大功率來啟動,才能實現相同結果。更大的功率代表會產生更多熱能,而 IT 設備比傳統電信設備對熱更敏感,表示冷卻能力必須優先考量。冷卻系統消耗能源。

將此設備放在許多網路站點常見的 40 英尺高混擬土掩體中,代表這些掩體需要冷卻系統。要冷卻這些大型的混擬土結構,需要大量的冷空氣和大量電力,即使 IT 系統未超出溫度上限。

更小的現代外殼是專為保護敏感設備設計,使其不受環境因素影響,並可搭配不同類型的冷卻系統(從自然氣流到液化冷卻技術,及各種其他冷卻技術),藉此來滿足任何站點和任何區域的獨特需求。

智慧管理系統使用人工智慧 (AI) 和資料分析,來持續校準最佳溫度設定、控制幫浦和風扇,以獲得最佳結果。

如果只有一個站點,這些都是小問題,但這些網路站點的數量可達數十萬。即便能耗僅增加一點點,也會迅速累積增大。往好處想,再小的進步也是如此。

能源消耗只是當今電信營運商在永續發展的大型挑戰中,所面臨的其中一個。全球對氣候變遷和減少碳排放的關注已經影響到產業決策者。

Verizon 和 Vodafone 的目標是在 2040 年實現淨零排放,而 Telefónica 已承諾在 2030 年,在其前四大營運市場實現淨零排放。為了達到這個目標,Verizon 和 Vodafone 計劃在 2025 年將用電量減少至 50%,到 2030 年 Telefónica 將減少 70%。

這些都是極為大膽的承諾,但實現這些目標策略幾乎肯定必須結合上述的最佳實踐。然而,單靠這些策略是不夠的。

可再生能源與混合電力系統必須成為解決方法的一部份。非洲和歐洲已經部署 20 年的混合系統,世界其他地區也紛紛效仿。美國在很大程度上輕忽了電信領域的混合技術,因為太陽能板和電力之間的共通性與可用性仍然很低,其成本也高得讓人望之卻步。

隨著能源成本上升、供應更加岌岌可危、加上太陽能技術的進步,使每 kW 小時的成本更接近電網平價後,美國部分地區已經開始改變。

對電網部署而言,添加太陽能是減少對電網依賴的一種方式,且無需增加基礎設施成本以添購更好的電池。再加上獎勵措施的推出,便成為優質的推薦選擇。隨著美國混合動力系統市場增長,隨之而來的投資將會刺激創新並降低成本。

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Vertiv 協助您轉型 5G

5G 網路速度和傳輸量將以倍數增長,為各行各業中無數嶄新、先進、且價值不斷提高的應用程式敞開大門。當我們開始依賴這些應用程式,網路的可靠性和安全性就變得更加重要。

這對當今的電信營運商帶來前所未有的挑戰,他們必須升級數十萬個現有站點,並建構同樣數量的新站點,並管理隨著 IT 系統加入整個網路所造成的耗能遽增。

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在電信領域中大幅加入 IT 設備,成為 5G 網路供電和防護的核心問題。在核心、接取點和邊緣加入 IT 設備,代表要在傳統的直流電環境中加入交流電,而這對多數電信公司而言,是相當陌生的概念。他們在直流電的專業知識累積超過一個世紀,但交流電則是嶄新、全然不同的概念,這為他們帶來不可忽視的複雜變因。

正在興起的模型架構,是傳統電信和資料中心的混合體。Vertiv 在這兩個領域都擁有獨特的專業知識,正與世界各地的營運商合作部署基礎設施解決方案,來輔助時而對立的利益關係,並確保其 5G 網路能可靠並高效率運行。

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