5G: os desafios para o fornecimento de energia para small cells

Como obter energia para um grande número de módulos de maneira rentável e que possa ser replicada para implantações rápidas e eficientes

*Por César Franco Calderón

As implementações em larga escala do 5G ainda podem estar distantes, mas essa tecnologia já mostra que provocará grandes mudanças. Na preparação de suas redes para atender às grandes demandas por mais largura de banda, novos aplicativos, menor latência e cobertura onipresente, as operadoras de redes móveis iniciaram o processo de densificação de células em suas redes 4G atuais. O resultado é um aumento significativo nas instalações de small cells.

Os recursos avançados das small cells atuais para a rede 5G envolvem maior consumo energia. O aumento do tráfego de dados requer maior poder computacional. Embora o uso de MIMO massivo possa ajudar a melhorar a eficiência espectral, a eficiência de energia é geralmente menor, e uma típica small cell de três setores poderá necessitar de 200 a 1.000 watts de potência. O desafio é como obter energia para um grande número de small cells economicamente rentáveis e que possam ser aplicadas em implementações rápidas e eficientes.

O modelo tradicional para alimentar os sites de macro cells não se aplica a small cells. As operadoras de redes móveis estão acostumadas com o processo que está definido e planejado na permissão, construção e fornecimento dos locais de suas macro cells. Cada localização da torre é cuidadosamente planejada e especificada para evitar problemas após o início da construção.

A densificação de células requer uma grande mudança nessa mentalidade. O grande número de small cells exige que as operadoras e provedores acelerem a implantação usando processos padronizados. Ao mesmo tempo, eles devem estar equipados e serem ágeis o suficiente para ajustarem rapidamente as suas soluções de localização de backhaul e energia durante a instalação. Também existem desafios específicos de energia que as operadoras devem levar em conta. Quando se trata de abordar as várias questões relacionadas ao fornecimento de small cells existem apenas algumas opções disponíveis e cada uma tem seus benefícios e obstáculos.

Energia da rede
Obter energia AC da rede elétrica é a solução recomendada para alimentar redes sem fio há muito tempo. A solução é a mais familiar para aqueles que trabalham em campo. No entanto, o processo requer planejamento e gerenciamento acurado dos projetos. Esse método se torna menos atraente à medida que as operadoras de redes móveis deixam de usar sites de macro cells em número menor, mas com maior capacidade, e começam a adotar milhares de small cells de menor capacidade. Os desafios incluem o custo e o tempo envolvidos na queda de energia (medida ou não) para cada nó individual. Além disso, os engenheiros de rede devem resolver a questão de fornecer em cada localidade um backup com baterias em locais urbanos com restrições de espaço e atender aos regulamentos estéticos mais rigorosos.

Redes (HFC – Cabo coaxial e Fibra Óptica)
As redes HFC são hoje a base do setor de televisão por cabo. Utilizando a capacidade de transporte de energia do cabo coaxial integrado, elas também fornecem uma solução alternativa para o desafio de energia para as small cells. Estima-se que 80% das instalações de HFC tenham disponibilidade de energia de rede. Isso inclui partes das instalações da fibra onde o cabo coaxial pode funcionar em paralelo, como a realimentação de um nó óptico, para disponibilizar energia. Na maioria dos casos, a disponibilidade de energia é mais que suficiente para pontos de acesso Wi-Fi ou small cells. Os desafios das redes HFC são que elas ainda não são onipresentes e, quando as operadoras não possuem suas próprias redes de backhaul, elas precisam alugar de outros provedores.

Cabo de par trançado
Outra possibilidade envolve o uso da capacidade de transporte de energia das redes telefônicas de cobre já instaladas, também conhecidas como circuito de telecomunicações de alimentação remota (RFT, da sigla em inglês). A principal vantagem da solução RFT é a capacidade de reutilizar a planta de cobre existente. No entanto, os pares de cobre de pequeno diâmetro fornecem energia limitada se considerarmos o padrão atual e apresentam altas perdas de potência em longas distâncias. Em um trecho de 3.000 metros, os 100 watts de potência injetada caem para cerca de 60 watts de potência efetiva. Além disso, há uma falta geral de documentação sobre os fios de cobre disponíveis na rede telefônica pública comutada. Desta forma, o desafio aqui é identificar os pontos certos de injeção de energia.

Power over Ethernet (PoE)
Desde que o sistema Power over Ethernet foi introduzido, no início dos anos 2000, os fabricantes, as organizações do setor e os órgãos de padronização fizeram um bom progresso na expansão de seus recursos e aplicações. O mais recente padrão Power over Ethernet, o IEEE P802.3bt (PoE++), deve ser finalizado em 2018 e suportará até 71,3 watts (dc) por porta de um dispositivo. Por isso, seu uso em um ambiente de small cells será limitado a pontos de acesso Wi-Fi de baixa potência.

Além das restrições de energia, o sistema Power over Ethernet também tem limitação de área – a distância máxima para o PoE++ é de 100 metros. Algumas soluções permitem que as operadoras usem PoE em longas distâncias. Mas os requisitos de velocidade e latência para backhaul de small cells determinam o uso de fibra, o que enfraquece ainda mais o uso de PoE.

Conectividade de energia distribuída
Uma nova abordagem que está sendo desenvolvida pela CommScope utiliza o cabo de fibra híbrida para fornecer energia e conectividade de uma localidade central para um conjunto de small cells vizinhas. Essa localidade centralizada pode estar em qualquer lugar que tenha acesso à rede de energia e a rede óptica, como um gabinete de distribuição externo, gabinete de telecomunicações ou uma estação rádio base.

Essa abordagem aproveita a evolução do cabo de fibra híbrida e os avanços na distribuição de alimentação DC. Essas melhorias aumentaram a eficiência da conversão DC/DC para mais de 95%, permitindo o uso de níveis mais altos de tensão para transportar mais energia em longas distâncias de maneira mais eficiente.

Além disso, o uso do cabo de fibra híbrida permite que as operadoras combinem os condutores de energia e os cabos de fibra na rede de acesso. Por exemplo, é possível alimentar e conectar dezenas de locais de small cells – separados por 200 metros – a partir de uma localidade com energia da rede de uma concessionária e espaço para backup de energia.

Ao eliminar o tempo e os custos excessivos necessários para a distribuição de energia a cada nó, as operadoras de redes móveis podem fornecer energia às suas small cells de maneira mais rápida e menos dispendiosa em locais nos quais a energia não está disponível com facilidade. Essa solução também permite que geradores ou backups de bateria no local centralizado ofereçam suporte a small cells ocupadas ou de uso fundamental.

Portanto, a solução ideal é aquela que fornece conectividade de energia e dados como parte de uma implementação nova, na qual vários novos locais podem ser agrupados em torno de apenas um ponto de conexão à rede de energia. Ao reduzir o número de variáveis não controladas – atrasos no agendamento, disponibilidade de eletricistas, medidores adicionais – a abordagem de conectividade de energia distribuída fornece às operadoras controle total sobre como, quando e onde adicionar cobertura de small cells. Isso permite que as operadoras de redes móveis respondam rapidamente às novas oportunidades de mercado e aumentem a velocidade da receita, que são pontos essenciais em um mercado cada vez mais competitivo.

*César Franco Calderón, engenheiro de aplicações da CommScope para as regiões da América Latina e Caribe