أشار غاو هونغدا، الباحث البارز في معهد أبحاث الطاقة التابع لشبكة الدولة، مؤخرًا خلال مؤتمر صناعة الاتصالات لعام 2020 والمؤتمر السنوي الخامس عشر لتكنولوجيا الاتصالات، إلى أنه عند اكتمال ترقية شبكات الجيل الرابع إلى الجيل الخامس في عام 2026، سيبلغ استهلاك الطاقة من محطات الجيل الخامس 2.1% من إجمالي استهلاك الكهرباء في المجتمع. وفي الوقت نفسه، فإن مساحة تغطية محطات الجيل الخامس أقل بكثير من مساحة تغطية محطات الجيل الرابع، مما يعني أن عدد المحطات اللازمة لنشر تقنية الجيل الخامس على نطاق واسع يفوق بكثير عدد محطات الجيل الرابع، أي ما يقارب ثلاثة أضعاف.
يستهلك نظام الجيل الخامس (5G) طاقة عالية في محطات البث المستقلة ، كما أن كثافة التوزيع عالية أيضًا. وبناءً على الحسابات السابقة، تصل التكلفة الإجمالية للكهرباء في محطات البث من الجيل الخامس إلى حوالي عشرة أضعاف تكلفة محطات الجيل الرابع. علاوة على ذلك، من المعروف أن الجيل الخامس يستهلك طاقة كبيرة ويولد حرارة عالية، ولذا يجب أن تعمل غرفة الحواسيب عند درجة حرارة محددة (18-28 درجة مئوية) لضمان الأداء الأمثل. ويتم تحقيق ذلك بشكل أساسي من خلال التكييف، وتشير البيانات إلى أن تكلفة الكهرباء لتكييف كل محطة بث تمثل في المتوسط حوالي 54% من إجمالي تكلفة الكهرباء للمحطة.
ومن المتوقع أن تقوم الصين ببناء 8 ملايين محطة أساسية لشبكات الجيل الخامس بحلول عام 5. فكم ستكلف هذه المحطة من الكهرباء؟
وفقًا لتقديرات خبراء الصناعة، يتطلب إنشاء 100000 محطة أساسية لشبكات الجيل الخامس فواتير كهرباء لا تقل عن ملياري يوان سنويًا، أي ما يعادل 5 مليار يوان سنويًا لثمانية ملايين محطة أساسية لشبكات الجيل الخامس. ما المقصود بهذا المفهوم؟ بلغ إجمالي أرباح شركات الاتصالات الثلاث الكبرى حوالي 2 مليار يوان في عام 8، مما يعني أنها قد تضطر إلى استخدام جميع أرباحها لدفع فواتير الكهرباء.
لماذا تستهلك المحطة الأساسية الكهرباء؟
فيما يلي نتائج الاختبارات الاحترافية، مع استهلاك الطاقة لمحطات هواوي وZTE الأساسية للجيل الخامس (5G) الموضحة في الرسم البياني. بصفتهما الشركتين الرائدتين في بناء محطات الجيل الخامس في الصين، أصدرت هواوي وZTE سابقًا بيانات استهلاك الطاقة لمعدات الجيل الخامس. يبلغ استهلاك الطاقة لمحطات هواوي وZTE الأساسية للجيل الخامس عند التحميل الكامل 5 واط و5 واط على التوالي، بينما يبلغ استهلاك الطاقة لمحطة ZTE الأساسية للجيل الرابع 5 واط فقط عند التحميل الكامل، مما يشير إلى أن استهلاك الطاقة لمحطات الجيل الخامس يتجاوز ثلاثة أضعاف استهلاكها لمحطات الجيل الرابع.
| نوع الآداة | تحميل حركة المرور | زد تى إي | HUAWEI | ||
| متوسط استهلاك الطاقة AAU/RRU (وات) | متوسط استهلاك الطاقة (واط) | متوسط استهلاك الطاقة (AAU/RRU) (واط) | متوسط استهلاك الطاقة (واط) | ||
| 5G | 100% | 1127.28 | 293.012 | 1175.4 | 325.8 |
| 50% | 892.32 | 293.012 | 956.8 | 325.8 | |
| 30% | 762.43 | 292.537 | 856.9 | 319 | |
| 20% | 733.92 | 293.233 | 797.5 | 319 | |
| 10% | 699.36 | 293.416 | 738.6 | 319 | |
| عدم التحميل | 633 | 293.568 | 663.10 | 330 | |
| 4G | 100% | 289.68 | 175.68 | ||
| 50% | 273.58 | 174.32 | |||
| 30% | 259.1 | 171.92 | |||
| عدم التحميل | 22.59 | 169.44 | 236.7 | 286.26 | |
| تحميل حركة المرور | ZTE 4G(S333) | ZTE 5G(S111) | هواوي 5G(S111) | مقارنة استهلاك الطاقة في ZTE 4/5G | |
| 100% | 1044.72W | 3674.85W | 3852.5W | 5G هو حوالي 3.5 مرة من 4G | |
مع ازدياد حمل الأعمال من مرحلة التحكم إلى مرحلة التحميل الكامل، ازدادت تقنية الجيل الخامس (5G) بنحو ثلاثة أضعاف مقارنةً بتقنية الجيل الرابع (4G). وقد زاد استهلاك الطاقة في محطات الجيل الخامس بشكل ملحوظ، وهذه الزيادة في استهلاك الطاقة هي العامل الرئيسي في زيادة استهلاك الطاقة في هذه المحطات.
تُستخدم وحدة النطاق الأساسي (BBU) لمعالجة الإشارات الرقمية وحساب البيانات، ثم إرسالها إلى وحدة AAU، حيث تُحوّل البيانات إلى إشارات تردد لاسلكي عالية التردد مُعدّلة. بعد ذلك، يُمكن تضخيم الطاقة وإرسالها إلى هواتفنا المحمولة عبر هوائي المحطة الأساسية.
تُعدّ هاتان الوحدتان المكونين الرئيسيين لمحطات الجيل الخامس، ما يعني أن استهلاك الطاقة الخاص بحوسبة الجيل الخامس لا يُمثّل سوى جزء من إجمالي استهلاك الطاقة لمعدات محطات الجيل الخامس. وبالإضافة إلى الوحدات الصغيرة الأخرى التي تستهلك الكهرباء، يبلغ استهلاك الطاقة لمحطة الجيل الخامس الواحدة حوالي 3700 واط، أي ما يُعادل ثلاثة أضعاف استهلاك الجيل الرابع تقريبًا، ولا يشمل ذلك استهلاك الطاقة الخاص بتكييف الهواء. للمزيد من التفاصيل، يُرجى مراجعة المقال : "ما مدى ارتفاع استهلاك الطاقة في محطات الجيل الخامس؟"
استهلاك الطاقة الهائل لتقنية MIMO وهوائيات الجيل الخامس
أولاً، كما ذُكر سابقاً، تُعدّ معالجة وحدة AAU وتحويلها ونقلها لإشارات البيانات عاملاً رئيسياً في استهلاك الطاقة. إضافةً إلى ذلك، تتطلب معالجة كميات كبيرة من البيانات خوارزميات بالغة التعقيد، ما يستلزم استخدام رقائق FPGA عالية الأداء. وأخيراً، هناك المرافق الداعمة لبناء بنية الموقع الإلكتروني. ويعود سبب هذا التباين إلى استخدام ترددات مختلفة تماماً.
تستهلك محطات الجيل الخامس طاقة عالية وتستخدم إشارات ترددات لاسلكية عالية، مما يتطلب معالجة إشارة أكبر للوحدات الرقمية ووحدات النطاق الأساسي، ويُزيد الضغط على وحدات AAU. ولكن في الوقت نفسه، يُمكنها تزويد المستخدمين باستقبال واستجابة أسرع للإشارة. مع ذلك، سيستمر استهلاك الطاقة لأجهزة مستخدمي الهواتف المحمولة في الازدياد عند استخدام إشارات الجيل الخامس، كما سيؤدي استخدام الترددات العالية إلى توليد حرارة شديدة.
متطلبات التسخين عالي التردد ومشتت الحرارة لمحطة قاعدة الجيل الخامس
قد تؤثر الحالات الشديدة على عمر الجهاز. فمهما بلغت كمية الحرارة التي يولدها الهاتف المحمول، فهي محدودة للغاية. إلا أن الحرارة التي تولدها محطات الجيل الخامس أعلى بكثير من تلك التي تولدها محطات الجيل الرابع، مما يؤدي غالبًا إلى ارتفاع درجة حرارة غلاف الجهاز. ولتبريد أجهزة الجيل الخامس وإطالة عمرها، يُركّب عادةً نظام تكييف هواء متكامل في مكان العمل. وفي أغلب الأحيان، تعمل هذه المكيفات بكامل طاقتها، وسيؤدي استخدامها المكثف إلى استهلاك سريع للكهرباء، خاصةً خلال فصل الصيف عندما يبلغ استهلاك الطاقة ذروته. لذلك، أصبح تحديث المكونات الحرارية السلبية، مثل مشتت حرارة محطة الجيل الخامس، أمرًا بالغ الأهمية لخفض تكاليف الطاقة غير المباشرة.
نطاقات التردد وتحديات النشر
المباني الكبيرة، مثل محطات قاعدة ليك، مُجهزة بغرف حاسوب مُغلقة بالكامل، خاصةً لتبديد حرارة معدات نقل مُسببات الأمراض في المنازل الجديدة خلال فصل الصيف. وللحفاظ على التشغيل الطبيعي في ظروف الحرب الأساسية، يُعدّ التبريد ضروريًا، لذا فإن تبريد تكييف الهواء يتطلب أيضًا استهلاكًا للكهرباء، وهو ليس بالقليل. وبالطبع، فإن استهلاك الطاقة لمحطة قاعدة واحدة لا يُمثل سوى جزء من استهلاك الطاقة لشبكات الجيل الخامس، ولا يزال استهلاك طاقة الجيل الخامس جزءًا من شبكات محطات القاعدة الإقليمية.
في السابق، استخدمت تقنية الجيل الرابع نطاقين تردديين: من 2300 إلى 2370 ميجاهرتز، ومن 2575 إلى 2635 ميجاهرتز. وقد أكدت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الصينية وجود نطاقين تردديين وسيطين مبدئيين لتقنية الجيل الخامس، وهما من 3300 إلى 3600 ميجاهرتز. كما يوجد نطاق آخر من 4800 إلى 5000 ميجاهرتز، ويُعرف هذان النطاقان بنطاقات الترددات دون 6 جيجاهرتز . وهناك نطاق ترددي آخر هو نطاق الموجات المليمترية ، الذي يقع بين 24 و100 جيجاهرتز.
إذا أردنا تحقيق تغطية إشارة لنفس المنطقة، فإن نشر محطات قاعدة 5G يجب أن يتجاوز الزيادة في عدد حالات الطوارئ من المستوى 4، مما يزيد أيضًا من استهلاك الطاقة لشبكات 5G. هناك اتجاهان رئيسيان للقناة يمكن للصين والولايات المتحدة الاختيار من بينهما في أبحاثهما وتطوير نفقات الأسلحة. نطاق التردد المتوسط الأولي المستخدم لـ 5G في بلدنا هو نطاق SUV New. ونطاق تردد آخر هو نطاق الموجة المليمترية لـ F22، والذي يتراوح بين 24 هرتز و205 هرتز. بسبب القيود المختلفة للموجات المليمترية، خسرت الولايات المتحدة تدريجيًا في عصر 5G. إحدى مزايا استخدام محطات قاعدة نشر SUV في المراحل الأولى من بناء شبكة 5G في الصين هي أنه يمكن تثبيت محطات قاعدة 5G مباشرة في ساحة معركة محطات قاعدة 4G، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة شبكات 5G ولا يتطلب استهلاكًا إضافيًا للطاقة.
تُعدّ تجربة المستخدم السيئة وارتفاع الأسعار من أخطر المشاكل التي تواجه الترويج لتقنية الجيل الخامس على مستوى البلاد. فكيف يُمكن لتقنية الجيل الخامس أن تُطوّرها لكسب المزيد من رضا المستهلكين؟
مسار التطوير المستقبلي لتقنية الجيل الخامس وكيفية تحسينه
على الرغم من إنشاء محطات الجيل الخامس الأساسية واحدة تلو الأخرى على مستوى البلاد، إلا أن عدد مستخدميها الفعليين قليل. والمشكلة الأخطر هي أن المستخدمين الأساسيين يعتقدون أن ارتفاع سعرها وتجربة استخدامها السيئة ليسا متساويين.
علاوة على ذلك، من أسباب صعوبة الترويج لتقنية الجيل الخامس أن تقنية الجيل الرابع قادرة بالفعل على تلبية احتياجات الترفيه اليومية لمعظم الناس. لذا، فإن الميزات الجديدة التي توفرها تقنية الجيل الخامس مجرد إضافات زخرفية، بدلاً من تقديم مساعدة فورية.
لذا، بالنسبة لتقنية الجيل الخامس المستقبلية، فإنّ أنجع السبل بلا شك هو تطوير التقنيات لتقليل توليد الحرارة واستهلاك الطاقة وتكاليف الاستخدام، بهدف المنافسة في نطاق سعري مماثل لتقنية الجيل الرابع. عندها فقط ستُظهر سرعة الاتصال العالية لتقنية الجيل الخامس مزاياها الحقيقية. ولكسب ثقة المستهلكين وتجنب أن تصبح هذه التقنية ضحية مبكرة لظهور تقنية الجيل السادس، يركز القطاع على ثلاثة مسارات تحسين رئيسية:
تحسين المكونات ووحدة التشغيل التلقائي لسوق محطات الجيل الخامس
من منظور الأجهزة، يُعدّ تقليل فقد الطاقة في الواجهة الأمامية للترددات اللاسلكية أمرًا بالغ الأهمية. وتولي سلسلة توريد الاتصالات اهتمامًا كبيرًا بوحدات ترشيح الهوائيات/وحدات الطاقة المساعدة في سوق محطات الجيل الخامس . ومن خلال اعتماد مرشحات عازلة خزفية عالية التكامل وتحسين المكونات، يستطيع المصنّعون خفض توهين الإشارة وتوليد الحرارة بشكل ملحوظ قبل حتى أن تغادر الإشارة الهوائي.
تطور سوق إمداد الطاقة الاحتياطية لمحطات الاتصالات من الجيل الخامس
نظراً لأن محطة قاعدة الجيل الخامس الواحدة تستهلك عادةً حوالي 3700 واط (أي ما يعادل ثلاثة أضعاف استهلاك الجيل الرابع تقريباً، ولا يشمل ذلك استهلاك الطاقة لأجهزة التكييف)، فإن حلول الطاقة التقليدية تتعرض لضغوط هائلة. ونتيجةً لذلك، يشهد سوق أنظمة الطاقة الاحتياطية لمحطات قاعدة اتصالات الجيل الخامس، وسوق أنظمة الطاقة الاحتياطية لمحطات قاعدة الجيل الخامس بشكل عام، تطوراً سريعاً. ويتجه المشغلون إلى أنظمة تخزين بطاريات الليثيوم الذكية التي تدعم "تقليل ذروة الطلب وتعبئة فترات انخفاضه"، أي شحن أنظمة الطاقة الاحتياطية عندما تكون الكهرباء من الشبكة رخيصة، وتفريغها خلال ساعات ذروة التشغيل لتوفير التكاليف.
السبات الذكي المدعوم بالبرمجيات: كيف أصبحت تقنية الجيل الخامس أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة؟
أما فيما يتعلق بالبرمجيات، فيتساءل العديد من محللي الصناعة: كيف أصبحت تقنية الجيل الخامس أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة مقارنةً بالتحديثات التكنولوجية الأخيرة؟ يكمن الحل في الخوارزميات الذكية. فمن خلال تعديل استهلاك موارد النظام بناءً على عدد المستخدمين في الوقت الفعلي، يمكن للبرمجيات تفعيل وضع السكون الديناميكي. وهناك نهج تطويري آخر يتمثل في تطوير product الميزات الفريدة لتقنية الجيل الخامس، مثل إنترنت الأشياء (IoT) وتكامل الاتصالات عبر الأقمار الصناعية/ستارلينك، وهي ميزات شائعة حاليًا.
خاتمة
هناك العديد من محطات الجيل الخامس الأساسية قيد الإنشاء، ولكن من الصعب ترويجها على مستوى البلاد نظرًا لارتفاع استهلاك الطاقة، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف وعدم رضا المستهلكين. في المستقبل، سيخضع الجيل الخامس لترقيات وظيفية وتخفيضات في استهلاك الطاقة لتحسين الوضع السوقي الصعب الحالي.
تقنية التبريد المتقدمة: استخدام تقنيات حديثة لخفض درجة حرارة محطات البث. تُولّد محطات البث عالية السرعة كمية كبيرة من الحرارة، ولضمان عدم توقفها بسبب ارتفاع درجة الحرارة، يحتاج نظام التبريد إلى تبريدها باستمرار، الأمر الذي يستهلك كمية كبيرة من الكهرباء. ولحل هذه المشكلة، اعتمد المشغلون تقنيات مثل التبريد السائل لتمكين محطات البث من العمل بكفاءة في درجات حرارة منخفضة، مما يحقق تبريدًا دقيقًا ويقلل من استهلاك الطاقة، وبالتالي يوفر تكاليف الكهرباء بشكل فعال.
دمج الطاقة الخضراء: تنويع النظام الغذائي وزيادة الاعتماد على الطاقة الخضراء. تُعدّ مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، مصادر طاقة مهمة لمحطات الجيل الخامس. يقوم مشغلو الشبكات بإنشاء ونشر محطات منخفضة الكربون لزيادة نسبة الطاقة النظيفة. تُروّج شركة تشاينا موبايل لنموذج "الجيل الخامس + الطاقة الشمسية" في مناطق متعددة، باستخدام الطاقة الشمسية لتشغيل محطاتها. تمتلك شركة بكين موبايل محطة تجريبية موفرة للطاقة الخضراء لشبكة الجيل الخامس، بمتوسط إنتاج سنوي للطاقة يبلغ حوالي 6000 كيلوواط/ساعة، وما يعادل خفضًا سنويًا في الانبعاثات يبلغ حوالي 5.9 طن من ثاني أكسيد الكربون.
الإنشاء المشترك والمشاركة: يساهم الإنشاء المشترك والمشاركة في توفير تكاليف الاستثمار. إن اعتماد نموذج الإنشاء المشترك والمشاركة لشبكات الجيل الخامس لا يُسهم فقط في إنشاء شبكة عالية الجودة تغطي كامل البلاد بسرعة، بل يُقلل أيضًا من ازدواجية الاستثمارات ويُخفض استهلاك الطاقة بشكل فعال. وقد وفرت شركة تشاينا يونيكوم أكثر من 17.5 مليار كيلوواط ساعة من الكهرباء وخفضت انبعاثات الكربون بأكثر من 10 ملايين طن سنويًا من خلال الإنشاء المشترك لشبكات الجيل الرابع والخامس ومشاركتها.
أسئلة وأجوبة:
هل سيتم إيقاف تشغيل 5G في الليل وتشغيله في النهار بسبب استهلاكه العالي للطاقة؟
خلال الليل، لا تُفعّل محطات الجيل الخامس جميع وظائفها يوميًا، بل تعمل فقط عند أدنى حدّ. ورغم أن أجهزة الجيل الخامس في وضع السكون، إلا أنها تضمن الاستخدام الأساسي للمستخدمين، مع تعديل استهلاكها للطاقة بناءً على عدد المستخدمين فقط. ولا تُغلق المحطة الأساسية ليلًا.
