Schwerpunkte

Mehr Akzeptanz für 5G vor Ort

Gutes Wärmemanagement ist die Voraussetzung

14. Juni 2021, 07:38 Uhr   |  Rob van de Ven, Sales Manager FMBG – Thermal Management Business Group, Delta EMEA

Gutes Wärmemanagement ist die Voraussetzung
© Delta/Shutterstock

Das Kühlsystem ist ein komplexer und wichtiger Aspekt beim Design von kleinen 5G-Zellen – und vor allem für deren Akzeptanz in Städten ausschlaggebend.

Der Ausbau von 5G-Netzen geht voran, jedoch direkt vor Ort stellt er ganz besondere Anforderungen. Denn: Städte wollen zwar die 5G-Technologie, aber sie wollen nicht, dass der Ausbau das Stadtbild und die Geräuschkulisse verändert.

Die Vorteile von 5G bestehen vor allem in schnelleren Netzen mit höherer Bandbreite. Low-Band- und Mid-Band-Spektren sind allerdings nicht mehr in ausreichendem Maße vorhanden, um die gewünschte Netzwerkleistung für diese neue Mobilfunkgeneration bereitzustellen. Mithilfe von Millimeterwellen-Technologie sendet 5G-Equipment daher über noch verfügbare Frequenzen im Bereich von 26 Gigahertz und darüber. Damit lässt sich das Problem der geringen Verfügbarkeit von Bandbreite lösen, es entsteht jedoch ein neues: Millimeterwellen haben eine geringe Reichweite. Und: physische Gegenstände wie Wände oder Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Nebel können das Signal erheblich abschwächen.

Beamforming und die MIMO-Technologie – Multiple Input, Multiple Output – in Verbindung mit einer hohen Dichte an Small Cells sind die Lösung, die der 5G-Standard vorsieht. Aber auch hier gibt es einen Haken: diese Technologien erfordern deutlich höhere Rechenleistung, was zu einer thermischen Belastung im Inneren der Basisstation, in der sich die 5G-Prozessoren befinden, führt. Gleichzeitig müssen Small Cells aus ästhetischen Gründen so kompakt wie möglich gebaut werden. Mit höheren Temperaturen in kleineren Geräten wird Wärmemanagement zu einer bedeutenden Herausforderung.

»Not in my backyard« – der Wunsch nach unsichtbarer Hardware

In vielen Region ist der 5G-Ausbau ins Stocken geraten, weil einzelne Städte und Gemeinden Vorbehalte gegenüber 5G-Equipment im Stadtraum haben. Denn für eine optimale Netzabdeckung werden kleine Funkzellen, sogenannte Small Cells, häufig an Straßenlaternen, Bushaltestellen und Ampelmasten montiert. In manchen Ländern sorgen zudem Bürgerproteste und Vandalismus für Verzögerungen beim Ausbau. Nicht selten ist der Grund für den Widerstand ästhetischer Natur – viele Small Cells werden als unschöner Kasten mit herausstehenden Kabeln wahrgenommen. Und das, obwohl Städte und Gemeinden auf der anderen Seite natürlich von flächendeckendem und blitzschnellem mobilen Internet profitieren wollten.

Betrachtet man diese Aspekte und die geringe Höhe, in der Small Cell-Basisstationen montiert werden, sind laute Nebengeräusche durch Ventilatoren keine Option. Clevere Lösungen sind gefragt, die zu einer höheren Akzeptanz von 5G-Small Cells führen.

Warum 5G-Chipsätze so viel Wärme erzeugen

Aufgrund der hohen atmosphärischen Dämpfung reduziert sich die Reichweite der Millimeterwellen auf ein Zehntel im Vergleich zur Low-Band-Übertragung. Um dem entgegenzuwirken, erzeugt das sogenannte Beamforming auf einzelne Kunden ausgerichtete, gebündelte Strahlen von Radiowellen. Das reduziert Dämpfungsverluste und minimiert Störungen des Signals durch andere Quellen.

Beamforming allein kann die Bandbreiten, die für den 5G-Standard vorgesehen sind, nicht bereitstellen. Hier kommt massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output) ins Spiel. Diese Technologie nutzt eine hohe Zahl an Antennen, um mehrere Funkverbindungen zu jedem Nutzer aufzubauen und so die Kapazität und Bandbreite zu erhöhen. Das Ergebnis sind massive MIMO Small Cells, die Beamforming im Millimeterwellen-Bereich betreiben. Das klingt beeindruckend, doch auch dabei gibt es Nachteile.

Das Ausrichten von Antennen und mehreren Strahlen gleichzeitig auf unterschiedliche Ziele erfordert komplexe Berechnungen; teilweise wird sogar errechnet, wie Signale von anderen Objekten abprallen müssen, damit sie einen Nutzer erreichen. All das benötigt Rechenleistung, die wiederum Wärme erzeugt. Die Energie, die beim Beamforming im Vergleich zur Übertragung mit konventionellen Rundstrahlantennen eingespart wird, kann teilweise durch die zusätzlichen Berechnungen verbraucht werden. Wenn dann noch massive MIMO hinzukommt mit bis zu 20 Antennen pro Nutzer, ist die benötigte Energie enorm – und das gilt auch für die Wärme, die 5G-Prozessoren produzieren.

Eine schwierige Entscheidung

Ein Temperaturanstieg von 10 Grad Celsius im integrierten Schaltkreis kann die durchschnittliche Lebensdauer eines Chips um 50 Prozent reduzieren. 5G-Chipsätze einfach bei höheren Temperaturen zu betreiben ist keine Option. Vor allem, wenn man bedenkt, dass Netzbetreiber Zehntausende zusätzliche 5G-Basisstationen aufstellen werden. Doch wie lässt sich die Temperatur senken? Eine Möglichkeit ist der Einsatz größerer oder schnellerer Ventilatoren. Einen Ventilator mit hoher Drehzahl in einer Höhe von vier oder fünf Metern zu betreiben und gleichzeitig den Geräuschpegel unter 40 Dezibel zu halten, ist jedoch physikalisch unmöglich. Durch den Einsatz größerer Ventilatoren wird auch das Gehäuse größer – ein unerwünschter Effekt, denn einige Städte werden die Installation von Antennen nur zulassen, wenn diese so klein und unauffällig wie möglich sind.

Eine Alternative zu Ventilatoren ist die passive Kühlung. Je nach Anforderung der Basisstation gibt es hier verschiedene Möglichkeiten – eine Kombination aus passiver und aktiver Kühlung ist meist die beste. Dabei können Kühltechnologien wie Kühlkörper, Wärmetauscher, Dampfkammern (Vapor Chambers), Wärmerohre (Heatpipes) und natürlich verschiedene Ventilatoren zum Einsatz kommen.

Eine ganzheitliche Perspektive

Netzbetreiber designen meist zuerst ihre Basisstationen und Platinen-Layouts und beschäftigen sich dann erst mit dem Wärmemanagement. Traditionell wurden Ventilatoren im Gehäuse unter den Chipsätzen montiert, um den Effekt der Konvektion zu nutzen. Aufgrund der Intensität der Wärmeentwicklung bei 5G-Chips werden Ventilatoren mittlerweile häufig direkt auf dem Kühlkörper montiert. Dadurch lassen sich etwas größere Ventilatoren verbauen und die Distanzen, die die Wärme zurücklegt, verringern. Das Ergebnis sind niedrigere Drehzahlen und geringere Geräuschentwicklung.  

Mit Kühlkörpern, Dampfkammern und Wärmerohren aus Aluminium lassen sich geschlossene Systeme mit passiver Kühlung entwickeln, die keine Ventilatoren-Geräusche erzeugen. Soll viel Wärme in sehr kurzer Zeit abgeleitet werden, kann ein Wärmeverteilblech, das auf dem Ventilator montier ist, die bessere Variante sein. Die optimale Kühllösung richtet sich demnach immer auch nach der Menge an Wärme, die abgeleitet werden muss.

Das Kühlsystem ist ein komplexer und wichtiger Aspekt beim Design von kleinen 5G-Zellen. Unternehmen, die Wärmemanagement von Anfang an als eine wesentliche Aufgabe bei der Entwicklung von Small Cells betrachten, verhindern, dass es später zu einer großen – und lauten – Herausforderung wird.

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