5G站點電源面臨的挑戰及解決方案研究

于利輝

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

5G站點的電源連接技術在中國研究的時間較晚。在技術研發、網絡建設和應用創新方面，5G技術已經獲得了一些進展。但是，在電源站點和網絡的可持續性發展方面，站點發展存在滯后性。5G需要實現超高速率、超低時延、海量信息連接等一系列演變，但是這些新的供電需求增加前，站點建設需要考慮電源建設是否能滿足其網絡信息建設和能量補充的需求。

1 5G站點電源的發展變化

5G時代，基站設備AAU單扇區輸出功率有望從4G時期的40～80 W增加至200 W甚至更高。運算量的上升將推動BBU功率進一步提升，5G單站的供電功率預計將達到約4 000 W甚至更高。因此，基站電源存在極大的擴容需求。基站設備供電主要采用-48 V直流拉遠方案，5G時代BBU集中部署導致部分拉遠AAU和機房的空間距離可能進一步增加，有望推動HVDC直流拉遠和DPS分布式供電方案的出現。視現網不同場景，假設以上3種方案的建設比例為1:1:1，按照國內約450萬宏基站規模測算，預計5G基站電源市場空間有望達到約315億元，相較4G時期大幅提升。5G站點的移動電源必須要由初期的8T8R形式逐漸演變發展為3D MIMO發展模式。雖然目前的電源供給已經為原來電源供給量的3倍左右，但是實際上用電功耗和用電容量對于5G所要求的基站電源電量系統的強度來說還是遠遠不足。

2 5G站點電源改造面臨的困境

5G移動基站往往采用分布式基站形式。在完成基帶單元和射頻單元分離后，為了實現基帶單元的集中放置，電源被要求能夠實現容納量BBU50個以上。5G基站站點的容納量越來越多，總功耗一般會達到100 kW以上[1]。然而，目前由于基站內的機房空間比較狹小，散熱功能較差，供電和備電能力受到了極大限制，改造壓力較大。現有大部分分布式基站，BBU機柜占地面積9 m2左右，蓄電池組占地面積24 m2左右，大部分機房的空間容納力嚴重不足。配備的鋁酸電池較大，質量很重，機房改造成本高，機房的承重能力也受到了極大威脅。5G站點對于數據流量的穩定性和可靠性的要求更高，備用電源成為必須的首選。在實際的網絡服務過程中可以發現，很多基站出現一些錯誤服務或者中斷服務的原因，在于服務和傳輸的過程中沒有備用電源。經數據研究統計，大概55%以上的網絡中斷現象都與數據電源的能源持續供給不足有關。傳統的通信業務主要以語音業務為主，小范圍網絡中斷影響不大，且傳輸的主設備占據總體電源使用量的40%左右。現代5G網絡對于連接的考驗不是一個小范圍問題，而是能夠針對于移動支付、智慧城市、虛擬社區智能家庭無人駕駛、虛擬技術以及人工智能等更大范圍的連接，因此斷網將使得某些連接難以承受甚至出現安全隱患，通信電源的保障面臨著更大壓力。

3 5G移動通信站點電源優化應對策略

3.1 直流系統升壓供電

直流升壓是將電池提供的較低直流電壓提升到需要的電壓值，基本的工作過程：高頻振蕩產生低壓脈沖——脈沖變壓器升壓到預定電壓值——脈沖整流獲得高壓直流電，因此直流升壓電路屬于DC/DC電路的一種類型。在使用電池供電的便攜設備中，通過直流升壓電路獲得電路中需要的高電壓。這些設備包括手機、傳呼機等無線通信設備，以及照相機中的閃光燈、便攜式視頻顯示裝置、電蚊拍等電擊設備等[2]。此外，有大功率直流升壓需要，如光伏電站、UPS等。當前的直流供電系統將直流系統電壓不斷向上提升，可以支持5G要求的大功率大速率建設需求。這種系統升壓供電的方法基本不需要增加成本，可以很好地滿足運營商的使用需求，尤其是對某些機房空間的建設來說，可實現大范圍的機房能源供應效果。

3.2 站點疊光架構配置

“節流”即在現有輸入條件下，提高站點能源的使用效率，使站點PUE無限接近1。主設備更新換代的速度較快，現代網絡的實際效率已經觸及天花板。電源的效率隨著華為公司推出98%的目前業界最高效整流模塊而達到新高。對溫控而言，以高溫電池管理為核心的高溫站點解決方案，能使室內空調溫度調高10～20 ℃，節省站點溫控的巨大能耗[3]。5G使用總體功耗大，因此采用網絡基站引流的方法交互使用，可以避免交流電改造失誤，實現供電的統一監控，智能調度太陽能，既可以節約電力資源，又可以降低電費的支出。同時，采用這種基于傳統太陽能供電基礎上的新型智能開關電源系統，可以在不同供電手法上智能切換，一定程度上減少了應急發電的次數，降低成本的同時又可以有備無患。目前，站點疊光的方式已經在一定范圍內開始試點。小范圍的試點表明，采用該方法改造后，每個基站需要2萬元左右的系統花費，但是后期用電費用和發電投資費用每年可以節約3.8萬元，效益顯著，有效供電提升量約30%，具有強操作性。實際應用中，站點電源疊光主要需解決三大問題——如何降低部署成本、太陽能發電更加高效以及統一管理界面。當前，疊光技術已經發展得比較成熟，站點疊光能夠帶來切實持續的效益。

3.3 鐵鯉電池備用電源的使用

鐵鋰電池是鋰電池家族中的一類電池，正極材料主要為磷酸鐵鋰材料。與傳統的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池在工作電壓、能量密度以及循環壽命等方面都具有顯著優勢。鐵鯉電池可以循環放電，它的能量、體積以及工作溫度被實驗證明優于傳統的蓄電池。在同樣體積情況之下，它的備電能力是傳統鉛酸電池的2倍以上，可以有效節省空間，解決5G基站要求規模不大、傳輸能量卻更高、電源要求承載量更高的問題。目前，鐵鯉電池在一定范圍內推廣使用的過程中，價格偏高制約了其使用。如果能夠適當降低其制作成本，那么該電池可以在部分機房承重能力受限的情況下開始過渡性使用。具體使用過程中，既可以使用該電池組進行單獨的備電（適用于各種苛刻的環境），也可以采用多電池組的階梯式電源應用備電，篩選出可以用的電池單體，根據實際需求對電池進行配對，重新重組成電池組。電池組的維護需要與信息化技術相結合。在運行維護過程中，能夠隨時監控容量的衰減。目前，最受業界歡迎的是可循環的、壽命長的、耐高溫、性能好且可以控制其容量變化的電池組[4]。智能化的電池組遠遠優于傳統的單體電池組，且在備用電子體重方面基本上可以做到98%不出錯。

4 結 論

5G需要大規模建立超密集立體化異構網絡，而對基站電源等基礎設施配置和設計的挑戰，將是對通信電源新技術和新設備應用的創新性延伸。因此，在5G電源使用和部署過程中，必須要強有力地支撐未來5G的快速部署需求，因此備電功能需要考慮電池組的高強度應用。為了能夠使用5G網絡，為家用、商用、大規模的公共設施應用和工程運營等移動通信需求提供良好的連接支持，取得更顯著的經濟效益和社會效益，必須創新5G的電源應用方法，使其能夠適應更高容量的提供需求，并且能夠適應24 h惡劣的自然條件。