5G站點電源面臨的挑戰(zhàn)及解決方案研究

李 杰

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足新業(yè)務(wù)飛速發(fā)展的需求，技術(shù)更加先進的新一代移動通信網(wǎng)——5G網(wǎng)絡(luò)成為了關(guān)注焦點。5G網(wǎng)絡(luò)以可持續(xù)發(fā)展的方式，解決超千倍移動數(shù)據(jù)的增長需求，提供超高速率、超低時延以及海量連接等多場景的一致性體驗，最終實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的愿景。

我國是世界上較早開展5G技術(shù)研究的國家之一，在技術(shù)研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與應(yīng)用創(chuàng)新方面皆取得階段性成果，具備大規(guī)模部署的基礎(chǔ)和條件。構(gòu)建高速率、廣普及、全覆蓋與智能化的下一代移動通信網(wǎng)，是加快網(wǎng)絡(luò)強國建設(shè)、加速國家信息化進程、助力經(jīng)濟社會發(fā)展以及贏得未來國際競爭新優(yōu)勢的緊迫要求。

1 5G站點電源演進趨勢

5G站點建設(shè)采用高低頻搭配與宏微協(xié)同的超密集立體異構(gòu)網(wǎng)模式，微小基站在運行過程中普遍具有覆蓋范圍偏小的缺點，然而其能耗效率較高，網(wǎng)絡(luò)信號極強。微站發(fā)射功率一般為1～5 W或是百毫瓦級，覆蓋范圍較為有限。相比于宏站，微站的體積和重量大約只有一半，使用靈活，安裝便利，可與宏站相結(jié)合，作為宏站建設(shè)方式的一種有利補充，有效提升立體覆蓋效果。從5G的技術(shù)特點與發(fā)展趨勢來看，5G的頻譜資源需求寬，需要用到3 GHz以上的頻率，同時基站站距變短，5G網(wǎng)絡(luò)基站的數(shù)量將遠遠大于4G網(wǎng)絡(luò)[1]。未來5年，預(yù)計新增邏輯站超過1 000萬。考慮三家運營商共享情況，至2020年站點最大典型功耗將達到30 kW以上，站點平均功耗達到20 kW，到2022年相對于2018年站點功耗將翻倍。5G站點功耗統(tǒng)計及預(yù)測情況如圖1所示。

圖1 5G站點功耗統(tǒng)計與預(yù)測

2 5G站點電源面臨的挑戰(zhàn)

2.1 5G新頻供電需求增加，站點建設(shè)需提前考慮

隨著三家運營商5G新頻段的引入，供電服務(wù)需求增加，三家共享站點總功耗需求達30 kW以上。5G設(shè)備由初期的8T8R發(fā)展到3D MIMO，容量是原來的2.5～3倍，用電功耗將是原來的功耗1.1倍左右。因此，對基站電源系統(tǒng)而言，需要做以下考慮：（1）交流空開保留足夠裕度；（2）大功率電源（600 A）預(yù)留足夠容量；（3）備電預(yù)留足夠余量。

2.2 5G站點要求更高的可靠性，備電成為必需

基站退服原因統(tǒng)計如圖2所示，經(jīng)分析，在基站退服原因中，傳輸及主設(shè)備原因占40%左右，而50%以上網(wǎng)絡(luò)中斷是與能源相關(guān)的。對2G、3G以語音業(yè)務(wù)為主的網(wǎng)絡(luò)來說，小范圍的網(wǎng)絡(luò)中斷影響面相對較小，4G網(wǎng)絡(luò)小范圍中斷影響也還在可控范圍內(nèi)，而5G網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于移動支付、智慧城市、虛擬社會、VR/AR、無人駕駛、人工智能以及4K等“萬物互聯(lián)”業(yè)務(wù)，斷網(wǎng)影響難以承受，通信保障壓力空前。因此，可靠的基站后備電源是基站建設(shè)中必需要考慮的事項。

2.3 機房空間、散熱、供電和備電能力受限，改造壓力大

分布式基站（BBU+RRU）完成了基帶單元和射頻單元的分離，有利于實現(xiàn)基帶單元的集中放置。集中放置優(yōu)點在于降低機房的新建和租賃需求，降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度[2]。考慮3家運營商共享的情況，5G網(wǎng)絡(luò)集中放置站點容納BBU數(shù)量將在50個以上。此時，站點總功耗可能達到100 kW以上，且依照移動公司備電7小時的要求，需配置容量高于18 kAh的蓄電池，2個BBU機柜綜合占地面積達9 m2以上，蓄電池組占地面積維持在24 m2左右。現(xiàn)有大部分機房的空間、供電和散熱能力均不足，需進行機房改造，改造成本高昂。同時，由于BBU堆疊放置備電要求較高，鉛酸電池體積大、質(zhì)量重，機房承重嚴重受限。

圖2 基站退服原因統(tǒng)計

3 應(yīng)對方案

3.1 站點疊光

5G站點設(shè)備用電總功耗龐大，現(xiàn)網(wǎng)基站交流引入改造難度大且費用高，為避免交流市電引入的改造，可通過在具備條件的基站中疊加光伏發(fā)電系統(tǒng)，提升基站整體供電容量。同時，做到利用自然能源，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

站點疊光是在傳統(tǒng)太陽能供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用新型智能開關(guān)電源系統(tǒng)，實現(xiàn)供電統(tǒng)一監(jiān)控，智能調(diào)度太陽能、市電和蓄電池的使用，實現(xiàn)太陽能優(yōu)先供電。在正常情況下，通過使用太陽能，降低市電輸入，節(jié)約電費支出；而在斷電時，優(yōu)先使用太陽能，蓄電池作為備用，有效降低蓄電池損耗，并在一定程度上減少應(yīng)急上站發(fā)電次數(shù)，降低成本。

從前期的試點情況來看，經(jīng)疊光改造后，雖然系統(tǒng)建造成本需花費2萬元左右，但后期用電電費及油機發(fā)電投資每年可節(jié)省3.76萬元，效益可觀。站點疊光的ROI分析如圖3所示。

3.2 直流系統(tǒng)升壓

當(dāng)前，常用直流供電系統(tǒng)電壓為-48 V，可將直流系統(tǒng)電壓升至57 V輸出，支持5G大功率模塊，降低線纜成本。同時，在系統(tǒng)電壓升高后，相同的負載功耗情況下，電力電纜中通過的電流減小，從而減小所需電力電纜的截面積，實現(xiàn)降低線纜采購成本的目的。升壓操作只需設(shè)定直流供電系統(tǒng)的電壓值即可，無需新增供電設(shè)備，也不必增加任何額外成本，不影響用電設(shè)備的正常工作。不同電壓情況下拉遠距離對比如表1所示。

圖3 站點疊光ROI分析

表1 不同電壓拉遠距離對比（單位：m）

3.3 鐵鋰電池備電

鐵鋰電池在循環(huán)放電次數(shù)、能量體積比與工作溫度范圍方面均優(yōu)于鉛酸蓄電池。在體積相同情況下，鐵鋰電池的備電能力是鉛酸電池的兩倍，可有效解決機房承重不足的問題。由于新鐵鋰電池的采購價格較高，一定程度上限制了鐵鋰電池的大范圍推廣使用。鐵鋰電池在通信基站使用的常見模式如下。

（1）鐵鋰電池單獨備電。在部分機房樓板承重能力或機房空間受限的基站，如租用民房等樓板荷載能力較低機房情況下，可使用鐵鋰電池代替鉛酸蓄電池。憑借鐵鋰電池的高能量、小體積特性，降低對安裝空間與機房樓板承重的要求。同時，由于鐵鋰電池的工作溫度范圍較寬，可將機房內(nèi)空調(diào)的設(shè)置溫度升高，降低空調(diào)運行能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

（2）鉛酸鐵鋰電混搭。一般情況下，不同廠家、不同時期、不同容量乃至不同型號的蓄電池不能混用。可通過電池合路器，實現(xiàn)鉛酸蓄電池與鐵鋰電池的混搭使用，提高基站備電能力，實現(xiàn)對現(xiàn)網(wǎng)基站蓄電池資源的優(yōu)化，降低通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運營維護成本。

（3）梯次電池應(yīng)用。梯次電池理論上是對原應(yīng)用于電動汽車，容量衰減至初始容量80%的“退役”動力鋰電池實施二次使用。動力鋰電池梯次利用的流程主要為：（1）退役動力電池回收；（2）動力電池拆解，獲得電池單體；（3）篩選出可用的電池單體；（4）根據(jù)需求對單體進行配對重組成電池組；（5）系統(tǒng)集成與運行維護。

在三類市電環(huán)境溫度無法保證的高溫場景以及四類市電場景作為備電使用時，傳統(tǒng)鉛酸電池壽命會大幅下降，而梯次利用動力鋰電池循環(huán)壽命長、耐高溫性能好的優(yōu)點能夠在上述場景中實現(xiàn)經(jīng)濟性應(yīng)用。

當(dāng)前，梯次利用動力鋰電池的主要問題是退役動力鋰電池數(shù)量少，退役動力鋰電池梯次處理難以形成規(guī)模化。隨著梯次電池應(yīng)用技術(shù)的日漸成熟，鐵塔公司已在全國范圍內(nèi)大力推廣梯次電池，廣泛應(yīng)用于5G基站備電儲能、削峰填谷和新能源站點等建設(shè)場景。

3.4 直流遠程供電

直流遠程供電系統(tǒng)由局端設(shè)備、遠端設(shè)備和光電混合纜三部分組成。它可以將機房內(nèi)穩(wěn)定的-48 V電源隔離升壓到DC250～DC410 V，并通過光電混合纜或電力電纜以最大效率遠距離輸送至遠端設(shè)備，遠端設(shè)備進而將直流高壓變換成DC48 V、DC280 V或AC220 V電壓為負載（RRU）、微基站以及室外綜合接入機柜等設(shè)備提供24小時穩(wěn)定的、在惡劣條件下免維護的供電。

直流遠供系統(tǒng)可應(yīng)用于如下覆蓋場景：（1）點對點（村通工程、校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋、小容量基站、RRU以及拉遠基站等）；（2）點對多點（室內(nèi)分布式系統(tǒng)覆蓋、商場、超市、寫字樓以及住宅小區(qū)等）；（3）級聯(lián)方式（高速公路、鐵路以及隧道覆蓋等）；（4）WLAN覆蓋（住宅小區(qū)、超市、商務(wù)寫字樓、政府企事業(yè)單位、機場以及火車站等）。

直流遠供系統(tǒng)具備如下優(yōu)點：（1）采用遠程直流供電，發(fā)生市電停電時基站可正常工作；（2）避免與電業(yè)部門、當(dāng)?shù)赜脩艚尤胧须姇r的協(xié)調(diào)工作；（3）節(jié)省交流取電的額外費用；（4）可使選址更為方便，不受市電的影響；（5）可節(jié)省戶外UPS，消除電源長期維護費用；（6）維護成本低，幾乎零維護；（7）線路施工方便，采用復(fù)合光纜，不需專門敷設(shè)傳輸電纜，節(jié)省線路投資；（8）安全可靠，避免傳輸線路因斷路、短路、漏電、強電入侵和雷擊等影響運行，當(dāng)線路發(fā)生故障時，局端立即停止輸出電壓，只輸出≤40 V的線路安全檢測電壓，60 s內(nèi)自動恢復(fù)供電，保證了線路與維護人員的安全。

針對當(dāng)前基站站址獲取難、引電難的特點，可結(jié)合微基站“點、線、面”的建設(shè)方式，采用集中供備電，高壓直流遠供的形式，支持未來5G基站的批量部署，同時，可以降低站點損耗，提高共享率，有效降低基礎(chǔ)配套的建設(shè)成本。

4 結(jié) 論

5G通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模MIMO與超密集立體異構(gòu)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用會給基站電源等基礎(chǔ)配套的設(shè)計和施工帶來巨大挑戰(zhàn)，而通過對通信電源新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用，有力支撐了未來5G網(wǎng)絡(luò)的快速部署，取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。