5G室分系統(tǒng)場(chǎng)景下的電源配置應(yīng)用

王 昊

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

自2019年以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)正式進(jìn)入5G時(shí)代。5G技術(shù)本身?yè)碛懈叩臄?shù)據(jù)流量、更好的用戶體驗(yàn)速度與更海量的終端連接，且時(shí)延低、安全可靠性高，能夠?yàn)橛脩魩?lái)更佳的通信體驗(yàn)。目前，5G通信技術(shù)已經(jīng)逐漸深入到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)物互聯(lián)，改變了當(dāng)前人們的工作生活學(xué)習(xí)方式。由此看來(lái)，5G技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)科技社會(huì)中各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的大勢(shì)所趨，而室內(nèi)場(chǎng)景將作為未來(lái)5G業(yè)務(wù)應(yīng)用的主要場(chǎng)景陣地。基于室內(nèi)場(chǎng)景的5G室分系統(tǒng)致力于做好室內(nèi)覆蓋，解決室內(nèi)容量問(wèn)題，是構(gòu)建5G建設(shè)技術(shù)體系的關(guān)鍵。

1 5G室分系統(tǒng)建設(shè)的必要性與部署

1.1 5G室分系統(tǒng)建設(shè)的必要性

5G室分系統(tǒng)是基于4G技術(shù)建立的，室內(nèi)區(qū)域移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)流量達(dá)到90%以上，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量也會(huì)超過(guò)90%，繼續(xù)保持室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)高流量、高負(fù)荷狀態(tài)。可見(jiàn)，5G時(shí)代的到來(lái)為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的快速增長(zhǎng)。特別是在頻譜資源需求滿足方面渴望實(shí)現(xiàn)升級(jí)，保證新建網(wǎng)絡(luò)資源被智能高效化利用。考慮到5G使用頻段較高，當(dāng)頻段達(dá)到一定高度時(shí)，空中傳播與建筑物穿透損耗會(huì)隨之增大，需結(jié)合室外宏基站覆蓋室內(nèi)，避免室內(nèi)產(chǎn)生大量弱覆蓋區(qū)域。因此，室內(nèi)業(yè)務(wù)需要通過(guò)室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)承載來(lái)完成，體現(xiàn)了5G室分系統(tǒng)建設(shè)的必要性[1]。

1.2 5G室分系統(tǒng)的部署分析

傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建室分析系統(tǒng)（DAS）可滿足語(yǔ)音與低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求，重點(diǎn)保證覆蓋要求。而5G時(shí)代則希望基于高速率、高容量、高安全可靠性以及低時(shí)延提高帶寬，實(shí)現(xiàn)多路傳輸與頻分復(fù)用，同時(shí)深度考量LTE的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，保證在5G網(wǎng)絡(luò)部署過(guò)程中語(yǔ)音業(yè)務(wù)應(yīng)用有效到位，并通過(guò)VoLTE平臺(tái)承載語(yǔ)音數(shù)據(jù)信息，直接滿足5G室分系統(tǒng)建設(shè)剛性需求。該過(guò)程主要基于5G獨(dú)特應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，需充分考量5G場(chǎng)景需求轉(zhuǎn)化，確保LTE部署有的放矢，以求獲得最佳投資回報(bào)率。基于成熟5G技術(shù)建立LTE網(wǎng)絡(luò)，可保證LTE網(wǎng)絡(luò)頻率優(yōu)勢(shì)全面凸顯。因此，從4G到5G，室分系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)DAS逐漸演進(jìn)成為新型有源化、數(shù)字化室分系統(tǒng)。

1.3 5G室分系統(tǒng)的基本建設(shè)目標(biāo)

面向5G的室分系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)應(yīng)該包含以下方面：建立室內(nèi)LET網(wǎng)絡(luò)，加速5G化發(fā)展；做好LTE底層網(wǎng)部署，強(qiáng)調(diào)LTE室內(nèi)系統(tǒng)為未來(lái)室分系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)性能保障，為5G中頻部署做好準(zhǔn)備；利用LTE配合中頻5G成功部署室分系統(tǒng)，同時(shí)做好室內(nèi)業(yè)務(wù)保障，在室內(nèi)建立供電裝置配電系統(tǒng)，保證做好室分系統(tǒng)5G負(fù)荷系統(tǒng)分流[2]。

2 5G室分系統(tǒng)中供電系統(tǒng)配電裝置的建設(shè)分析

2.1 5G室分系統(tǒng)中供電系統(tǒng)配電裝置的基本架構(gòu)與形態(tài)分析

5G室分系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)4G，采用的是5G RAN架構(gòu)，主要從4G/LTE中的BBU、RRU兩大級(jí)別結(jié)構(gòu)進(jìn)行演進(jìn)設(shè)計(jì)，包括CU、DU、AAU三級(jí)結(jié)構(gòu)，并基于實(shí)時(shí)性較低的無(wú)線協(xié)議棧初步建立5G室分系統(tǒng)。該系統(tǒng)中包括了AAU有源天線與CU、DU兩個(gè)分開(kāi)部署單元，希望做好合并部署，同時(shí)優(yōu)化部署技術(shù)內(nèi)容。例如，將5G室分系統(tǒng)中的CU、DU進(jìn)行合并部署，建立多種部署方式，保證所有供電系統(tǒng)配電裝置能被合理布置于同一個(gè)區(qū)域。它的部署方式會(huì)結(jié)合業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展要求。

2.2 5G室分系統(tǒng)中供電系統(tǒng)配電裝置的功耗變化分析

當(dāng)前建立的5G室分系統(tǒng)功能豐富多元，其中的供電系統(tǒng)配電裝置復(fù)雜，需要深入研究其功耗變化才能合理配置配電裝置。考慮到當(dāng)前基站中室分系統(tǒng)用電功耗增長(zhǎng)迅猛，因此5G基站升級(jí)了天線陣列，采用更先進(jìn)的64T/64R天線陣列，大幅增加了通道數(shù)量。然而，AAU整體電功耗也大幅增加了基站系統(tǒng)總體功耗（可達(dá)到4G基站系統(tǒng)功耗的4～5倍）[3]。

2.3 5G室分系統(tǒng)中供電系統(tǒng)配電裝置設(shè)計(jì)問(wèn)題研究

5G室分系統(tǒng)AAU功耗較大，會(huì)導(dǎo)致供電電纜電流大幅增加，可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源輸出端到AAU之間出現(xiàn)電壓大幅度下降或大幅度增加的特殊狀況。因此，在設(shè)置配電裝置過(guò)程中必須要合理限制其拉遠(yuǎn)距離，保證蓄電池下電電壓到位，同時(shí)優(yōu)化室分系統(tǒng)中主要設(shè)備的低電壓保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)然，考慮到供電距離有所增加，還必須在配電裝置設(shè)置過(guò)程中分析電池放電容量，保證5G制式下其供電距離控制在60～70 m。這是考慮到供電系統(tǒng)距離如果縮小可能會(huì)限制影響供電天線部署而對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響[4]。

3 5G室分系統(tǒng)中供電系統(tǒng)配電裝置的設(shè)計(jì)方案

5G室分系統(tǒng)本身相當(dāng)復(fù)雜，其供電系統(tǒng)配電裝置的設(shè)計(jì)方案需要結(jié)合多個(gè)方面展開(kāi)，確保設(shè)計(jì)方案能夠切實(shí)解決配電裝置供電需求問(wèn)題。

3.1 供電系統(tǒng)效率的有效提升

有效提高5G室分系統(tǒng)供電系統(tǒng)效率，就要提高其基站開(kāi)關(guān)的電源轉(zhuǎn)換效率，如圖1所示。

圖1 5G室分系統(tǒng)高效整流模塊100%負(fù)載效率下的效率示例圖

如圖1所示，就電源轉(zhuǎn)換效率分析而言，需要在建設(shè)5G室分系統(tǒng)過(guò)程中調(diào)整提高供電供能效率點(diǎn)（提高1%～2%），但這樣會(huì)增加電源整體的采購(gòu)成本。該過(guò)程中需要結(jié)合基站供電系統(tǒng)效率展開(kāi)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)單一電源轉(zhuǎn)換效率的有效轉(zhuǎn)換，確保整個(gè)供電鏈路供電效率都能有所提升，同時(shí)嘗試減少供電系統(tǒng)中不同部分環(huán)節(jié)的功率損耗。

3.2 遠(yuǎn)程供電電壓系統(tǒng)的有效提升

在5G室分系統(tǒng)中，利用AAU拉遠(yuǎn)供電建設(shè)遠(yuǎn)成供電電壓場(chǎng)景。設(shè)計(jì)中主要采用48 V電壓制式實(shí)現(xiàn)對(duì)供電距離的優(yōu)化調(diào)整，從而有效提升供電電壓。或者可采用高電壓如240 V、360 V高壓直流電源式遠(yuǎn)供電電源供電，并對(duì)高壓電源進(jìn)行大量部署優(yōu)化調(diào)整，但如此操作可能存在電擊安全問(wèn)題。還可以采用小幅度提升直流電壓方法優(yōu)化供電方式，設(shè)計(jì)中主要利用48 V開(kāi)關(guān)電源建立電源輸出端，并同時(shí)增加一級(jí)DC-DC電源，以保證供電系統(tǒng)升壓至少60 V，此時(shí)5G制式供電距離應(yīng)該從原有的60 m延長(zhǎng)到200 m左右。

另外，在配電裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該基于電壓電流小幅度提升強(qiáng)化拉遠(yuǎn)供電距離，以有效規(guī)避高壓電擊問(wèn)題。該方案采用蓄電池配合主設(shè)備的方式，目的在于有效增加5G室分系統(tǒng)的DC-DC電源配置，同時(shí)引入單一故障點(diǎn)，避免供電系統(tǒng)出現(xiàn)可靠性降低的問(wèn)題[5]。

3.3 就近取電配電裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用

考慮到5G室分系統(tǒng)取電成本相對(duì)偏低且不會(huì)采用拉遠(yuǎn)供電設(shè)計(jì)，因此采用就近取電配電裝置最經(jīng)濟(jì)有效。5G室分系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)商基站數(shù)量方面相對(duì)龐大，在基站建設(shè)場(chǎng)景方面也相對(duì)復(fù)雜，可考慮聯(lián)合應(yīng)用就近供電與拉遠(yuǎn)供電，結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件合理選擇配電裝置設(shè)計(jì)方案，同時(shí)滿足就近取點(diǎn)與遠(yuǎn)程供電要求。目前的5G設(shè)備供電電纜應(yīng)該按照16 mm2進(jìn)行測(cè)算，當(dāng)其電壓等級(jí)達(dá)到57 V時(shí)，采用5G制式的AAU功率最高能達(dá)到1 500 W，供電距離壓降可最遠(yuǎn)達(dá)到16.8 m。

3.4 基站儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)應(yīng)用

5G室分系統(tǒng)追求對(duì)基站儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)應(yīng)用，主要通過(guò)基站備電電池建立蓄放電系統(tǒng)，增加循環(huán)充放電電池，并利用磷酸鐵鋰電池實(shí)現(xiàn)對(duì)峰谷電價(jià)差的合理利用與優(yōu)化。詳細(xì)來(lái)講，在基站用電峰值方面應(yīng)該結(jié)合儲(chǔ)能電池提供所需電量，最大限度地減少市電擴(kuò)容帶來(lái)的高額資源與資金投入。

相比于傳統(tǒng)基站，5G室分系統(tǒng)基站儲(chǔ)能采用多個(gè)單體電池電池組，且電池組之間并聯(lián)操作，保證電池內(nèi)阻、容量不一，確保電池充放電到位，合理控制偏流。在擴(kuò)容設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)存量電流進(jìn)行整體替換，避免出現(xiàn)資源嚴(yán)重浪費(fèi)狀況。設(shè)計(jì)過(guò)程中，還必須考慮增加電池合路器，追求混搭操作，但需要平衡CAPEX機(jī)制，避免出現(xiàn)故障點(diǎn)增多狀況。在偏流設(shè)計(jì)過(guò)程中需要設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)，確保電池組關(guān)斷供電正常，同時(shí)要增加設(shè)置電池配電裝置規(guī)避過(guò)流問(wèn)題，必要時(shí)增加占地空間。設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要充分考慮安全問(wèn)題，合理化保護(hù)站點(diǎn)儲(chǔ)能系統(tǒng)[6]。

3.5 本地分散供電與集中拉遠(yuǎn)供電方案的設(shè)計(jì)

要基于5G室分系統(tǒng)中的AAU設(shè)備進(jìn)行分散供電與集中拉遠(yuǎn)供電方案的有效設(shè)計(jì)，同時(shí)分析供電方式的利弊狀態(tài)。該過(guò)程需要采用分散供電方案，結(jié)合提高電源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析，保證拉遠(yuǎn)供電方案設(shè)計(jì)靈活，設(shè)備安裝到位，以便后期迅速查找故障點(diǎn)。在引電設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用AAU引電設(shè)計(jì)。5G室分系統(tǒng)的初期設(shè)計(jì)成本一般偏高，維護(hù)技術(shù)難度相對(duì)較大，因此還需要考慮采用集中拉遠(yuǎn)供電方案，保證電源系統(tǒng)統(tǒng)一管理到位，降低引電費(fèi)用。同時(shí)，考慮到線路損耗偏大，需要進(jìn)一步剖析供電安全隱患問(wèn)題。

在拉遠(yuǎn)供電設(shè)計(jì)方面，需要利用RRU設(shè)備總線構(gòu)架構(gòu)建48 V總線升級(jí)系統(tǒng)，直接提高處理直接供電能力，替換傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)高壓輸入，采用零電壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，有效構(gòu)建降壓電路，改善電路缺陷問(wèn)題。例如，它可改善零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS開(kāi)關(guān)）損耗，同時(shí)建立理想的整流開(kāi)關(guān)，縮短二極管的電流傳導(dǎo)時(shí)間。此外，追求高輸入電壓高頻率操作優(yōu)化，在設(shè)計(jì)過(guò)程中允許高帶寬、增益以及相位裕度的有效優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中還要充分考慮輸出電感細(xì)小的問(wèn)題，保證其瞬態(tài)相應(yīng)速度加快，將導(dǎo)通時(shí)間調(diào)整到20 ns左右。同時(shí)，設(shè)計(jì)高效率偏壓系統(tǒng)，保證5G室分系統(tǒng)輕載效率設(shè)計(jì)出色到位[7]。

4 結(jié) 論

綜上所述，5G室分系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化相當(dāng)復(fù)雜，主要圍繞供電系統(tǒng)中的配電裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，希望優(yōu)化調(diào)整基站供電系統(tǒng)，未來(lái)致力于提出一套以5G演進(jìn)為基準(zhǔn)的新型數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)體系方案，從而快速引導(dǎo)室內(nèi)分布系統(tǒng)向5G時(shí)代大跨步邁進(jìn)。