הכוח הטמון בתאים קטנים

המגמה העולמית המתמשכת בתחום הטלקומוניקציה היא מגמה של התרחקות משירותים נייחים (קוויים) לטובת תקשורת אלחוטית (תרשים 1). בינתיים, כחלק מתהליך ההתלכדות של הטלקומוניקציה ותקשורת הנתונים, חלה עלייה של סדר גודל בתעבורת הרשת בערך פעם בארבע עד חמש שנים. על פי התחזיות, מגמה זו תימשך לפחות עד לסוף תחום הניבוי הנוכחי, תוך האטה קלה מאוד, אם בכלל (תרשים 2).

נתונים ניידים הם פלח התעבורה הצומח במהירות הגבוהה ביותר, בדרך להשגת CAGR (קצב צמיחה שנתי מורכב, compound annual growth rate) של 57% בין 2014 לסוף 2019. זאת בהשוואה לערכים כוללים של 23% עבור אינטרנט נייח ו-24% עבור תעבורת נתוני צרכנים (סימוכין 1). צמיחה זו בפלח המכשירים הניידים כפתה גידול משמעותי בקיבולות ה-RAN (רשת גישה ברדיו, radio-access network).

ההתפלגות הגאוגרפית של צפיפות תעבורת הנתונים מעולם לא הייתה אחידה. למשל, בסקירה טכנית שפורסמה ע”י איגוד תעשיות התקשורת האלחוטית 4G Americas באוקטובר 2012 דווח כי 20% 80% מהתעבורה הניידת התבצעה דרך תאי המאקרו (סימוכין 2). מגמות השימוש הנוכחיות מגבירות אף יותר את הצפיפות באזורי תעבורה גבוהה, כאשר הצמיחה בשוק מוכתבת על ידי מנויים ניידים בתקשורת פס רחב; העברת תוכן וידאו דרך זרמי נתונים נעשית יותר ויותר נפוצה; והציפייה של משתמשים לקבל בכל מקום גישה לתקשורת פס רחב הולכת וגוברת. לספקי השירות, על כל פנים, אסור לחרוג מהאילוצים של ספקטרום הרדיו המוקצה להם. במחקרים שנעשו בתעשייה התגלה כי תאים קטנים הפועלים באזורים גאוגרפיים המאופיינים בתעבורה גבוהה מגדילים במידה ניכרת את קיבולת הרשת, ומאפשרים לנצל ביעילות את הספקטרום על ידי הקטנת צפיפות הרשת המרחבית של פריסות תאים אינדיבידואליות.

תאי מאקרו, לטווח של עד 30 ק”מ, עדיין מהווים את הליבה של רשתות אלחוטיות. על אף שבפועל נעשה בשוק שימוש לא מדויק במונחים, תאים קטנים כוללים תאי מיקרו לטווחים של עד כ-2 ק”מ, ותאי פיקו ומטרו שפועלים עד לרדיוס של כ-200 מ’. תאי פמטו הם צמתים לטווח קצר באמת, והטווחים האופייניים שלהם הם בסדר גודל של 10 מ’.

רשתות HET-NET הן רשתות הטרוגניות בצורת תאי מאקרו, תאים קטנים ולעתים גם נקודות גישה מסוג WiFi. רשתות אלו יכולות לשפר את קיבולת הרשת פי יותר מעשר, תוך הקטנה משמעותית של ההשקעה וניצול מוגבר של הספקטרום בהשוואה לרשתות הומוגניות המסתמכות רק על תאי מאקרו.

במצב שבו כל החברות המפעילות מתחרות זו בזו בחבילות שירות דומות במהותן, לעתים קרובות ההבדל מבחינת המשתמש מסתכם בסופו של דבר באזור הכיסוי, באמינות הגישה ובמהירות הקישוריות האלחוטית. כל המפעילות מחליפות את מפות כיסוי ה-3G הנומינליות שלהן בשירות 4G/LTE, כאשר כל שלושת המאפיינים המבדילים ביניהן משופרים באמצעות רשתות HET-NET המשלימות את ליבת רשת תאי המאקרו בתאים קטנים הנמצאים במיקומים אסטרטגיים.

העלות היא גורם מכריע בשוק תחרותי זה, הצומח במהירות. לאור השימוש הנלהב שעושה התעשייה ברשתות HET-NET, אנליסטים ב-ARCchart חוזים כי עד שנת 2017 התעשייה תוסיף 1.4 מיליון תאי מאקרו, 5 מיליון תאים קטנים ו-11.5 מיליון נקודות גישה מסוג Wi-Fi מדי שנה (סימוכין 3).

תאים קטנים נפרסו לראשונה במטרה למתן את אפקט ה-urban canyon (קניון אורבני), שבו מבנים גדולים מטילים “צל רדיו” (RF shadow) על האזורים הסמוכים להם ויוצרים שטחים מתים ברשת האלחוטית. נוכחותם של מבנים גדולים גם מגבירה את ההפרעות הרב-נתיביות ומובילה לביצועי ערוץ תקשורת גרועים גם במיקומים שתא מאקרו נתון מסוגל לספק להם שירות. זאת בניגוד לתאים קטנים מקומיים בהספק נמוך, שממוקמים בגובה נמוך יותר.

כיום, תאים קטנים הם הרבה יותר מאשר “פלסטרים בתדר רדיו” למיקום גאוגרפי ספציפי: הם מהווים נדבך מרכזי באסטרטגיות השירות של המפעילות, ומשלבים בין קיבולת רשת, כיסוי גאוגרפי ויעילות ספקטרום משופרים לבין חיסכון בעלויות הרחבה. התלות הגדלה בתאים קטנים – במיוחד באזורים הומי-אדם, כגון צומתי תחבורה מרכזיים, מתחמי בידור וספורט, אזורי מסחר וקניונים – מגבירה את הצורך במערכות לא בולטות שעלותן נמוכה. תאים קטנים גם מנמיכים את רמות הספק הרדיו הנחוצות בציוד הקצה לצורך התקשורת, מה שמשפר את חווית המשתמש על ידי הגדלת זמן פעולת לכל מחזור טעינה.

הדרישות ממערכות ההספק המשניות של תאים קטנים

מספר קטן של יישומים מניע כמויות כמעט זהות של נתונים דרך ערוצי ההלוך והחזור, ויישומים אלו הם נתח קטנטן מהעומס הכולל ברשת. הרוב המכריע של התעבורה הוא בערוץ ההלוך. כתוצאה מכך, רוב זמן הפעולה של הטרנסיברים של התא מוקדש לשידור. במצב פעולה זה, הדרישות ממערכת ההספק המשנית הן הגבוהות ביותר.

השידור מצמתים סלולריים מתבצע בצרורות (bursts). על אף שהאות המשודר יכול להיות קידוד של נתונים דיגיטליים, האות המקודד הוא אנלוגי באופיו: הפרעות מהירות למשרעת בתוך תחום רוחב הפס של מעטפת האות, למשל, יכולות להתבטא בעיוות של האות ולפגוע באיכות של ערוץ השידור. פגיעה מעין זו יכולה להוביל לאובדן נתונים – מה שיגרום בפועל להקטנת התפוקה, ובמקרים חמורים אף יוביל לקצבי נתונים שאינם מספיקים על מנת לתמוך ביישומים מסוימים, כגון זרם וידאו.

לכן, מערכות לשידור במצב “צרור” (burst) דורשות אמינות גבוהה של צורת הגל וצורכות זרמי מעבר גבוהים ממערכות ההספק המשניות. במהלך שלבי מעבר של צורות גל זרם מהירות, מערכת ההספק המשנית נדרשת לצמצם ככל האפשר את ערך ההפרעה במתח המוצא. הפרעות במתח המוצא השיורי יכולות להופיע כווריאציות בעלות רמת ניחות נמוכה ביציאת אות הרדיו.

בנוסף לדרישה של עכבת מוצא דינמית נמוכה על מנת לתמוך בזרמי מעבר גבוהים, מערכות ההספק המשניות של תאים קטנים נדרשות גם לספק צפיפות הספק גבוהה. מכיוון שהמגמות המתמשכות של מזעור תכנון ההתקנים ועיבוד המוליכים למחצה מעניקות יתרון לתחום תדר הרדיו ולרכיבי עיבוד הנתונים והאותות ברוחב הפס הבסיסי, דרישות השוק דוחקות לפתח רכיבי ההספק שייתנו מענה ראוי.

בנוסף, המאפיינים התרמיים של רכיבי ההספק צריכים להיות מצוינים: טמפרטורה גבוהה היא אויבתה של האמינות, והתכנון של תאים קטנים נדרש לעמוד בסביבות הפעלה חיצוניות וסביבות הפעלה פנימיות לא מבוקרות, ללא קירור באוויר מאולץ. לבסוף, מערכות ההספק המשניות של תאים קטנים נדרשות להתאושש במהירות מתנאי מעבר בקווי המתח, להוות עבור מקור מתח ז”ח (AC) עומס בעל מקדם הספק גבוה ולצמצם את ההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI) בהולכה ובקרינה.

שיקולים תכנוניים

היסטורית, התצורה של תאים קטנים הייתה תלויה בספקי מתח ז”ח/ז”י (AC-DC) מסוג silver-box (תיבה כסופה). על כל פנים, גישה זו מובילה לתצורות נוקשות, לעתים קרובות כאלו שמקדמי הצורה וסדרות המאפיינים שלהן אינם מאפשרים למתכנני המערכת לנצל לצורך שיפור צפיפות המערכת את היתרונות שמקנים טופולוגיות ניהול ההספק, ההתקנים או טכנולוגיות המארז. כמו כן, בדרך כלל הממשק התרמי של ספקי התיבה הכסופה אינו ממוטב לקירור בהולכה.

לעומת זאת, התצורה המודולרית הגמישה של מערכות הספק משניות מאפשר ליצרני תאים קטנים לשפר את הקצאת המרחב בדרכים שמשפרות את הביצועים התרמיים והחשמליים כאחת. התצורה המודולרית של מערכות הספק משניות מאפשרת גם לנצל טכנולוגיות מתפתחות, מתודולוגיות תכנון בסיכון נמוך וכלים מתקדמים לתמיכה בתכנון, תוך שמירה על פלטפורמות מוצר אמינות ויציבוֹת. למרבה המזל, הצורך בתכנון של מערכות הספק משניות ליישומי תא קטן עכשוויים ומתפתחים מתיישב היטב עם כמה מההתקדמויות האחרונות שהושגו בתחום של טכנולוגיות רכיבי המרת הספק.

לדוגמה, רק לאחרונה הפכו רכיבי הספק ז”ח/ז”י (AC-DC) קדמיים חדשים לזמינים בטכנולוגיית המארז VIA (ר”ת של Vicor Integrated Adapter), פתרון חדשני ומקצועי מבחינה חשמלית ותרמית, שמאפשר להשיג צפיפות הספק גבוהה. מודול הספק PFM קדמי, במארז VIA שממדיו 111 x‏ 36 x‏ 9.4 מ”מ, הוא בעל פרופיל הנמוך ב-25% ותופס נפח שקטן ב-54% בהשוואה לממירי ז”ח/ז”י הכוללים תיקון מקדם הספק (PFC‏, power-factor correction) במארזי full-brick מקובלים. ה-PFM, שזמין בתצורות להתקנה במסגרת או בלוח, ניתן להכנסה בחלל הנמצא לאורך דופן המסגרת או הקצה האחורי, שאחרת היה מבוזבז. בעזרת המארז המקצועי מבחינה תרמית VIA, סידורים מעין זה מאפשרים לנצל את מסגרת המערכת כחלק מהתכנון התרמי.

כעיקרון, ה-PFM מעניק בידוד, התמרת מתח ובקרה. אבל במודול ההספק קדמי משולבות גם פונקציות עזר חשובות כגון סינון הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), הגנה בתנאי מעבר ו-PFC בשלב המרה בודד. ההוספה של AIM‏ (מודול כניסת ז”ח קדמי, AC Input Front-End Module), שניתן להשגה גם בטכנולוגיית מארז VIA, מעניקה יישור, סינון EMI/RFI, הגנה בתנאי מעבר והגבלת זרם בהתחברות (Inrush limiting). אספקת המתח של רוב פריסות התאים הקטנים מגיעה מרשת החשמל המקומית. ה-PFM מופעל באמצעות כניסות ז”ח אוניברסליות (ערך V_RMS של 85 עד 264), ולכן תצורה אחת של מערכת הספק משנית מתאימה לשימוש בכל העולם.

מהנדסים המשתמשים במתודולוגיית תכנון רכיבי ההספק – גישה הכוללת מינוף של כלי תכנון ורכיבי הספק גמישים – יכולים ליצור בקלות ובמהירות קווי הספק מודולריים וגמישים בין נקודת החיבור לנקודת העומס (POL). גישה זו מאפשרת להגדיר מחדש בקלות את התצורה לצורך עמידה בדרישות יישום שונות: למשל, תצורות הכוללות גישה למתח ‎48 VDC לא מבוקר או HVDC מתפתח (ערך V_NOM של 380), מודולי מתח גבוה או נמוך מסוג BCM הזמינים באותו מקדם צורה VIA יכולים להחליף PFM על מנת להרחיב עוד את כושר היישום של תצורת הספק תא קטן בודדת (תרשים 3).

דוגמה אחרת ליתרונות של תצורות מודולריות הכוללות שימוש במתודולוגיית תכנון רכיבי הספק היא מתכננים המוסיפים לתצורת תא קטן WiFi ברוחב פס יחיד או כפול. באזורי תעבורת נתונים גבוהה, שבהם המשתמשים נעים לאט או אינם נעים כלל, WiFi מגדילה את קיבולת נשיאת הנתונים ומקטינה את העומס על הרשת הסלולרית. דוגמאות למקומות כאלו הן נמלי תעופה ותחנות רכבת, מרכזי בידור ואתרי כנסים.

במקרים אלו, המתכננים יכולים לאתר את בקרי ה-ZVS buck בכרטיס ה-WiFi כדי להתחבר לאפיק ה-48 או 24 וולט של ה- PFM. תפקוד ה-WiFi הכולל מידפק בהתאם לצורך, ומושלם באמצעות רכיבי ההספק הספציפיים הנחוצים לצורך התמיכה בו. יצרני תאים קטנים גם יכולים להפוך את התפקודיות הזו לזמינה באמצעות שדרוג אזור. כל שנחוץ הוא מחברים מתאימים בלוח המעגל הראשי של התא הקטן הבסיסי.

באופן דומה, דרישות מתח האספקה משתנות עם ההתפתחות של טכנולוגיות מגברי ההספק (PA). המגמה בתכנון מגברי הספק היא להגביר את יעילות ההספק באופן שבו אם יידרש לשנות את מתח ה-POL של המגבר על מנת לתת מענה להתקנים חדשים, קיבולת העברת ההספק הכוללת תישאר יציבה או תקטן. גישה מודולרית לתכנון של מערכות הספק משניות מצמצמת את המאמץ, זמן המחזור והסיכון המזוהים עם יִפּוּעַ (phasing) במגברי ההספק החדשים, וגם מאפשרת ליישם מחדש חלק ניכר מהתכנון התרמי והמכני.

ובתור דוגמה אחרונה, מפעילות תא קטן יכולים לבחור מתוך מגוון טכנולוגיות ערוצי חזור, בין היתר תדר רדיו, סיבים אופטיים ו-Ethernet. גם כאן, המודולריות של תצורת מערכת ההספק המשנית מעניקות למתכנני התאים הקטנים את היכולת להקנות גמישות מרבית לתצורה הבסיסית, באופן שמאפשר ללקוחות לבחור את שיטת ערוץ החזור המתאימה ביותר להתקנה הספציפית, ומאפשר ליצרניות לתת מענה מבלי להתפשר על היתרון לגודל או על יעילות ההספק במסגרת הייצור.

סימוכין:

1. Visual Networking Index:‎ Forecast and Methodology 2014-2019, white paper, Cisco Systems, 2015.
2. Developing and Integrating a High Performance HET-NET, white paper, 4G Americas, 2012.
3. HetNet Market Summary & Forecasts:‎ Macro Cells, Small Cells & Wi-Fi Offload, ArcChart, 2012.