Le prestazioni energetiche sono la “chiave” per il successo delle reti 5G

Pubblicato il 15 dicembre 2016

Lo sviluppo di sistemi avanzati di comunicazioni mobili come ad esempio le reti 5G non significa soltanto velocità di trasferimento dati sempre maggiore e aumento della capacità della rete. Ora più che mai l’efficienza energetica è divenuta un fattore critico. Molte sono le ragioni che sono state addotte per giustificare questa affermazione – dalla riduzione dei costi, sia operativi sia di possesso, al fatto che l’efficienza energetica rappresenta il tramite per ottenere i miglioramenti in termini di prestazioni resi possibili da queste nuove architetture di sistema. Alcune di queste verranno ribadite brevemente in seguito ma alla base dell’affermazione e della diffusione delle reti 5G nei prossimi cinque anni vi è la previsione, da parte di produttori di apparecchiature, di poter disporre in volumi (e da costruttori differenti) i componenti chiave, come ad esempio gli alimentatori.
In passato tutti gli sforzi fatti per ridurre il consumo di energia nel settore delle telecomunicazioni si sono rivelati privi di organicità. Ora è venuto il momento di comprendere la necessità considerare l’intera rete, prendendo in esame tutti gli elementi che compongono l’infrastruttura, come ad esempio stazioni base, server e router. Non si tratta solo di migliorare le prestazioni energetiche di una nuova apparecchiatura che, grazie all’uso di processori, FPGA e circuiti ASIC più recenti, è in grado di garantire una sensibile riduzione dei consumi, ma di considerare anche la totalità delle apparecchiatura installate. In un contesto di questo tipo è possibile utilizzare un software per la gestione “intelligente” dell’energia che sfrutta i dati provenienti dalla mappatura e dall’analisi del traffico per ottimizzare la rete e assicurare la disponibilità e l’operativa di un’apparecchiatura solo quando è richiesto, togliendo l’alimentazione quando non è necessaria.
Il concetto di architettura definita via software, già ampiamente affermato nei data center e nei router, rivestirà un ruolo di primaria importanza nel corso dell’evoluzione delle reti di telecomunicazione. 5G, in qualità di rete mobile della prossima generazione, vedrà un incremento della virtualizzazione dell’hardware di rete e un aumento della capacità del cloud computing. La tecnologia 5G dovrà anche essere in grado di garantire una notevole efficienza energetica della rete, attraverso la riduzione della potenza richiesta per tramettere i dati ottenuta sfruttando un approccio alla progettazione che prevede la trasmissione solamente quando richiesto.
Stante ciò, è bene ricordare che la gestione dell’utilizzo dell’energia attraverso algoritmi software è un metodo valido solamente nel caso in cui sia possibile disporre di alimentatori capaci di adattarsi in modo efficiente e flessibile alle variazioni, spesso brusche e repentine, del carico, un fenomeno questo tipico delle apparecchiature di rete. Ciò implica il ricorso alle cosiddette architetture SDPA (Software Defined Power Architecture) in grado di adattare il profilo di potenza al traffico effettivo. Da qui la necessità di adottare alimentatori digitali, ovvero sistemi in cui il percorso di retroazione dal carico di uscita all’alimentazione di ingresso è di natura digitale. Questi alimentatori garantiscono una risposta più rapida, in tempo reale, al variare delle condizioni della linea e del carico, oltre a un funzionamento particolarmente efficiente.
Tutti i presupposti del concetto della potenza digitale sono stati ampiamente documentati in altre applicazioni. Così come è accaduto per il concetto di potenza distribuita, che prevede la conversione della tensione, attraverso dispositivi PoL, ai valori sempre più ridotti richiesti dai moderni dispositivi elettronici, evitando le perdite di potenza (pari a I2R) che si verificano nel backplane e nei cablaggi delle schede PCB, a tutto vantaggio dell’efficienza del sistema di potenza. Attualmente sono numerosi i produttori che rendono disponibili soluzioni per la potenza digitale ma il vero problema è rappresentato dalla richiesta, da parte dei costruttori di apparecchiature, di poter reperire alimentatori realmente compatibili tra di loro da più produttori.
In passato, l’acquisto di alimentatori analogici da più fornitori non presentava alcun problema, in quanto era richiesta solamente la compatibilità a livello meccanico ed elettrico. Consorzi industriali come POLA e DOSA hanno contribuito alla standardizzazione dei requisiti meccanici per quel che riguarda dimensioni, ingombri (footprint) della scheda e pinout, lasciando agli utenti il solo compito di verificare l’equivalenza elettrica in termini di tensioni e correnti di entrata e di uscita.
La potenza digitale, invece, impone considerazioni ben diverse in termini di compatibilità funzionale. Anche l’adozione di un protocollo di comunicazione basato su uno standard aperto come PMBus non assicura l’interoperabilità poiché i controllori digitali dei diversi produttori non interpretano i comandi necessariamente allo stesso modo. Ciò in parte è dovuto al fatto che PMBus prevede due formati dei dati, Lineare e Diretto, con valori unici degli esponenti. Una volta impostato il valore di Vout, con un controllore si potrebbe avere in uscita il valore previsto di 1,2V, mentre con un altro controllore si potrebbe ottenere in uscita valori pari a 1V o 1,6V, se non addirittura 1,8V.
Poichè 5G arriverà sul mercato nel giro dei prossimi cinque anni, gli architetti di sistema devono affrontare un problema di notevole entità legato alla interoperabilità del software, un problema che si trova sul cammino critico (ovvero l’attività che richiede il maggior tempo di esecuzione). In modo del tutto analogo, i responsabili degli acquisti delle aziende coinvolte nello sviluppo di apparecchiature per le reti 5G devono garantire l’affidabilità della catena di fornitura, un elemento critico per una buona riuscita dell’intero progetto.
Una risposta concreta a queste problematiche è l’iniziativa messa in campo da tre dei maggiori produttori di alimentatori, CUI, Ericsson e Murata, il cui obiettivo è garantire la possibilità di un approvvigionamento da più costruttori. Il consorzio Architects of Modern Power (AMP Group) ha definito standard finalizzati a soddisfare la maggior parte dei requisiti comuni dell’alimentazione digitale, a livello sia di convertitori IBC (Intermediate Bus Converter) sia di convertitori DC/DC di tipo POL (Poin Of Load). L’introduzione, da parte di almeno due dei membri del consorzio, di prodotti capaci di soddisfare ciascuno di questi standard garantisce la sicurezza della catena di fornitura grazie a una compatibilità di tipo plug-and-play. Questa sinergia sia all’interno del gruppo sia con i clienti e i fornitori di componenti comuni è sicuramente un esempio di cooperazione unico nel settore industriale.

Martin Hägerdal - President (Ericsson Power Modules) & Corporate VP (Ericsson AB)



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