5G基站機(jī)房電源傳輸改造研究

李家乾，丁 遠(yuǎn)

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司，廣東 廣州 510623；2.中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引 言

隨著工信部為三家運(yùn)營商商用組網(wǎng)劃分了頻譜，2019年國內(nèi)3大運(yùn)營商開始在部分大城市開展5G試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)。其中,中國聯(lián)通和中國電信5G使用了3.5 GHz高頻段組網(wǎng)，必然需要新增大量基站，而共享中國移動(dòng)基站將有效提高站址利用率，節(jié)省投資，減少選址困難，縮短建設(shè)周期[1]。但在提高共享率的同時(shí)，必然會(huì)給原有機(jī)房帶來了一系列問題，如外電容量不足、整流模塊不足、機(jī)房空間不足等。因此,鐵塔部門必須對原有機(jī)房開展改造，包括機(jī)房空間、機(jī)房電源及機(jī)房傳輸?shù)母脑臁?/p>

1 機(jī)房空間改造

5G-BBU與LTE-BBU尺寸一致，均為19英寸寬、2U高的標(biāo)準(zhǔn)插框，支持2G、3G、4G、5G和NB系統(tǒng)。圖1為華為BBU5900。因此，5G-BBU安裝方式與LTE-BBU安裝方式一致。

圖1 BBU5900實(shí)務(wù)和模擬圖

1.1 空間現(xiàn)狀

目前，機(jī)房中多系統(tǒng)、多運(yùn)營商共存，GNF900、GNF1800、LTE-D、LTE-F頻、BBU+微小拉遠(yuǎn)BBU+室分拉遠(yuǎn)BBU等BBU主設(shè)備較多。對于寬敞的機(jī)房，增加5G BBU無困難，對于空間狹小的機(jī)房和一體化柜站點(diǎn)，增加BBU困難。此外5G需新增或改造交流電源、直流電源、蓄電池和傳輸設(shè)備等，需更大的操作空間。

1.2 改造方案

在空間充裕的條件下，BBU可安裝于落地主設(shè)備機(jī)架、掛墻安裝、傳輸機(jī)柜或一體化柜；在空間有限情況下，將多系統(tǒng)整合，如LTE-D頻和F頻整合成一個(gè)BBU、GNF和LTE整合成一個(gè)BBU，但割接時(shí)應(yīng)注意風(fēng)險(xiǎn)。

2 機(jī)房電源改造

由于聯(lián)通電信采用3.5 GHz頻段開展5G建設(shè)，需要建設(shè)比4G更多的基站，必將優(yōu)先共享中國移動(dòng)機(jī)房，這將給機(jī)房供電帶來新的挑戰(zhàn)。以中國聯(lián)通和中國電信共享中國移動(dòng)機(jī)房為例，若原機(jī)房共有2套系統(tǒng)，現(xiàn)需新增3套5G-NR系統(tǒng)，華為和中興設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)功耗情況，如表1所示。

5G承載容量增至原有LTE的10倍，因此BBU運(yùn)行功耗增加了3倍，AAU功耗對應(yīng)原有LTE-RRU也增加了3倍[2]。因此，需重新核對原有機(jī)房的交流端子容量、直流空開端子、直流整流模塊數(shù)量主線芯截面積是否滿足新增NR的需求。

電纜截流量表如表2所示，其中左則為交流電載流量表，右側(cè)為直流電載流量表。

2.1 外電計(jì)算

外電采用三相電為例，為[3]：

表1 機(jī)房設(shè)備功耗表

表2 電纜截流量表

其中，α為安全系數(shù)，一般取值為1.25；γ為冗余損耗，一般為0.8；P為設(shè)備總功率，這里取值為22 300 W。于是，有I=1.25×22 300÷0.8÷380÷1.73=53 A，即外電交流空開端子必須大于53 A。經(jīng)查表2，電纜主線芯截面需大于16 mm。

此外，由于機(jī)房一路外電為20 kW，而新增3套5G系統(tǒng)后，華為設(shè)備總功耗達(dá)到22.3 kW，中興設(shè)備總功耗達(dá)到30.1 kW，因此必須委托鐵塔新增一路外電。

2.2 直流整流模塊數(shù)量計(jì)算

直流設(shè)備總電流[4]：

其中，P為直流設(shè)備總功耗，W為蓄電池總?cè)萘俊４霐?shù)值，即Q=(18 300/48+2×500/10)=481.25 A。

若每個(gè)整流模板50 A，增加1個(gè)冗余保護(hù)情況下，共需整流模塊數(shù)n=481.25 A/50 A+1=11個(gè)。

目前，大部分機(jī)房無法達(dá)到此要求，必須委托鐵塔新增整流模塊或新增DC整流柜。

2.3 5G空開端子容量計(jì)算

由于I=1.25（安全系數(shù)）×設(shè)備功率÷48 V，即I=1.25×（1 200×3+1 000）÷48=119 A，即 5G空開端子必須大于119 A，工程上一般選用160 A的空開端子。經(jīng)查表2，即電纜主線芯截面大于25 mm。

2.4 BBU-AAU線纜直徑計(jì)算

工程上，常用固定壓降分配法，計(jì)算公式為：

其中，ΔU為壓降；γ為銅的電導(dǎo)率，取值57；I為電流值；L為線長。

下面以表1的華為設(shè)備功耗為例，說明機(jī)房電源設(shè)備的需求計(jì)算過程。

（1）對于華為AAU，根據(jù)I=1.25（安全系數(shù)）×設(shè)備功率÷48 V，有I=1.25×1 200÷48=32 A。查表2，線徑大于4 mm，不可行，此線徑無法滿足壓降要求。

（2）對于中興AAU，根據(jù)I=1.25（安全系數(shù)）×設(shè)備功率÷48 V，有I=1.25×1 500÷48=39 A。查表2，線徑大于6 mm，不可行，此線徑無法滿足壓降要求。

若電源線長50 m，按照式（1）計(jì)算，則華為壓降和中興壓降分別為：

由于壓降應(yīng)不大于8 V，因此建議小于50 m內(nèi)的電纜直徑：①華為AAU線徑采用10 mm，ΔU=2×I×L//S=2×32×50/57/10=5.6V；②中興AAU線徑采用10 mm，ΔU=2×I×L//S=2×39×50/57/10=6.8V。若線路過長，無法通過增大線徑來減少壓降時(shí)，可在線路中間點(diǎn)加裝外置升壓設(shè)備來補(bǔ)充壓降。

2.5 節(jié)能措施

雖然5G-BBU和AAU功耗較大，但通過多載頻智能關(guān)斷和射頻通道關(guān)斷技術(shù)措施，可依據(jù)業(yè)務(wù)容量大小靈活開啟或關(guān)閉部分AAU通道電源以節(jié)省用電，緩減用電瓶頸。

經(jīng)測試，射頻通道關(guān)斷的收益為7%，符號判斷收益為15.7%，載載關(guān)斷收益為14%，三個(gè)同時(shí)開啟時(shí)綜合收益為25%[5]。雖然關(guān)閉了部分通道，但對流量KPI無明顯負(fù)增益。

3 機(jī)房傳輸改造

5G將采用切片分組網(wǎng)SPN技術(shù)建設(shè)一張全新的傳輸網(wǎng)絡(luò)來承載5G業(yè)務(wù)。SPN面向PTN演進(jìn)升級、互通，4G與5G業(yè)務(wù)互操作，需前向兼容現(xiàn)網(wǎng)PTN功能；面向大帶寬和靈活轉(zhuǎn)發(fā)需求，需進(jìn)行多層資源協(xié)同，同時(shí)融合L0～L3能力；而針對超低時(shí)延和垂直行業(yè)，需支持軟、硬隔離切片，需融合TDM和分組交換。

前傳纖芯需求：若采用D-RAN方式，則5G采用速率為25 Gb/s光模塊和2芯多模光纖或1根6芯單纖單向光纖。光纖采用eCPRI，解決了大帶寬和光纖部署受限的挑戰(zhàn)。

回傳纖芯需求：采用站點(diǎn)機(jī)房跳接到中心機(jī)房的裸纖，單站需2芯光纖，采用10 Gb/s或50 Gb/s。

5G單小區(qū)頻譜效率峰值為40 bit/Hz，均值10 bit Hz，另10%傳輸封裝開銷、20%Xn流量，1: 3 TDD上下行占比。

單小區(qū)帶寬=頻寬×頻譜效率×（1+封裝開銷）×TDD下行占比，即：

峰值 =100 MHz×40 bit/Hz×1.1×0.75=3.3 G

均值 =100 MHz×10 bit/Hz×1.1×0.75×1.2=0.99 G

DU對接入環(huán)帶寬需求計(jì)算如下：

單小區(qū)峰值：6 Gb/s×1.1×1.2=3.3 Gb/s

單小區(qū)均值：0.7 Gb/s×1.1×1.2=0.9 Gb/s（Xn流量主要用于為兩站交界處覆蓋薄弱區(qū)增強(qiáng)帶寬，只發(fā)生在均值場景中）。

站點(diǎn)峰值=3.3 Gb/s+0.9 Gb/s×（3-1）=5.28 Gb/s站點(diǎn)均值=0.99×3=2.97 G

因此，對于傳輸接入網(wǎng)，5G單基站的峰值需求達(dá)到了5.3 Gb/s，是LTE基站需求的5～10倍。建議gNB回傳接口（NG/F1接口）采用10G以上光模塊（LTE采用1GE光接口，GSM采用FE百兆電口）。為預(yù)防將來容量出現(xiàn)爆炸性增長，實(shí)際工程上將采用25G/50G光模塊。

若集中機(jī)房8個(gè)BBU組成環(huán)，匯聚層6個(gè)節(jié)點(diǎn)成環(huán)，核心層6個(gè)節(jié)點(diǎn)成環(huán)，則傳輸骨干網(wǎng)的帶寬需求如圖2所示。

因此，接入層傳輸設(shè)備將替換升級為25G/50G帶寬需求的光口，如華為PTN960替換升級為PTN970。對于匯聚層（A設(shè)備、B設(shè)備）和核心層（ER設(shè)備），除部分老舊設(shè)備需升級外，大部分設(shè)備近期將保持不動(dòng)，待后期依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求替換升級。

圖2 傳輸骨干網(wǎng)帶寬需求計(jì)算

4 結(jié) 論

隨著技術(shù)的發(fā)展，AAU單元功耗、重量和尺寸將進(jìn)一步減少，有助于提高5G天饋系統(tǒng)的可部署性。實(shí)際部署過程中會(huì)遇到各種物業(yè)阻擾和天面受限的困難，需要物業(yè)協(xié)商單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位以及建設(shè)單位共同努力，通過“1+1”天饋方案最終實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜多樣的天面簡潔化和有序化。