淺談5G時(shí)代通信局（站）面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

楊珽 四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司

1 前言

2020年2月初以來，我國政府多次開會(huì)提及到要大力發(fā)展“新基建”，對(duì)新基建的重視程度顯著提升，而5G技術(shù)是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的“關(guān)鍵”新型基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是加快建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、助力疫情防控、穩(wěn)投資、促消費(fèi)以及贏得未來國際競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)的緊迫要求。

現(xiàn)有通信局（站）的電源配套設(shè)施與原有LTE網(wǎng)絡(luò)相匹配/平衡，而5G的快速部署，將使得現(xiàn)有通信局（站）的電源配套設(shè)施迎受巨大挑戰(zhàn)，如何建立一個(gè)新的平衡點(diǎn)，需要相關(guān)研究院、設(shè)備廠商以及電源專業(yè)多加思索。因此，本文想跟讀者研討下當(dāng)前5G建設(shè)初期所面臨的困境和解決思路的一點(diǎn)猜想，旨在對(duì)未來5G通信機(jī)房的建設(shè)提供一點(diǎn)參考。

2 5G通信局（站）電源演進(jìn)趨勢(shì)

2.1 設(shè)備功耗的變化

某運(yùn)營(yíng)商為驗(yàn)證5G基站的功耗情況，分別在廣州、深圳測(cè)試不同廠家的基站設(shè)備后所得出的功耗測(cè)試結(jié)論：

（a）BBU功耗與所插板卡相關(guān)，受業(yè)務(wù)負(fù)荷影響不大，S111配置情況下，功耗在293-330W；

（b）AAU功耗與業(yè)務(wù)負(fù)荷相關(guān)：100%業(yè)務(wù)負(fù)荷下，AAU功耗在1127-1200W，50%業(yè)務(wù)負(fù)荷下，AAU平均功耗在892-956W。

4/5 G整站功耗對(duì)比

表1 不同廠家設(shè)備在4G/5G下的能耗對(duì)比表

（a）在當(dāng)前設(shè)備下，5G單站功耗約是4G單站的2.5～3.5倍，AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因。

（b）目前單站滿負(fù)載功率近3700W，需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)電源、配套進(jìn)行提前擴(kuò)容。

2.2 整流轉(zhuǎn)換技術(shù)的變化

當(dāng)前高頻開關(guān)電源整流器的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98%，輸出功率與開關(guān)電源的總功率幾乎一致，極大提高了省電率。也正因如此高效的轉(zhuǎn)換率，從技術(shù)層面進(jìn)行優(yōu)化已難以做到了。在5G時(shí)代，應(yīng)將關(guān)注重點(diǎn)從電源單部件轉(zhuǎn)換效率到全鏈路的效率提升，以實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)能耗最低。

3 機(jī)房供電、備電、機(jī)房空間、溫控、能源運(yùn)維所面臨的挑戰(zhàn)

3.1 通信電源系統(tǒng)方面

3.1.1 -48V直流電源

(1）熔絲端子不足：根據(jù)無線專業(yè)BBU機(jī)柜對(duì)電源端子的需求，1架BBU機(jī)柜需占用一主一備各125A/160A熔絲端子，若BBU機(jī)柜較多，還需配置1架500A雙路電源列頭柜，需占用2個(gè)500A熔絲端子。

(2）開關(guān)電源容量不足：①依據(jù)N+1冗余原則，對(duì)整流模塊進(jìn)行擴(kuò)容，擴(kuò)容模塊須與原有型號(hào)完全一致；②若滿配容量較小而無法擴(kuò)容，則考慮替換或新增開關(guān)電源；③若現(xiàn)有電源整流模塊停產(chǎn)無法擴(kuò)容，可考慮替換或新增。

3.1.2 蓄電池容量不足

蓄電池組一般配置為2組，屬于后備電源，當(dāng)市電因故障而中斷，機(jī)房未配置油機(jī)或油機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，作為臨時(shí)保障業(yè)務(wù)不中斷的一種防護(hù)裝置。而后備時(shí)間也會(huì)因運(yùn)營(yíng)商的要求、機(jī)房等級(jí)、機(jī)房所處地理位置的不同而存在著差別，一般保障時(shí)間為2至3小時(shí)。蓄電池容量需結(jié)合機(jī)房原有負(fù)載與5G設(shè)備功耗情況和運(yùn)營(yíng)商要求的后備時(shí)長(zhǎng)等因素綜合確定。

依據(jù)《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.4公式，蓄電池容量配置計(jì)算公式如下：

其中：

Q—蓄電池容量（Ah）；

K—安全系數(shù)，取1.25；

I—負(fù)荷電流(A)；-48V直流負(fù)荷電流，I=P/44，其中P為設(shè)備功耗（W）；

T—放電小時(shí)數(shù)（h）；

η—蓄電池放電容量系數(shù)；

t—實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度數(shù)值，所在地有采暖設(shè)備時(shí)，按15℃考慮，無采暖設(shè)備時(shí)，按5℃考慮；

α—電池溫度系數(shù)（1/℃），當(dāng)放電小時(shí)率≥10時(shí)，取a=0.006[2]；

當(dāng)1≤放電小時(shí)率＜10時(shí)，取a=0.008[2]；

當(dāng)放電小時(shí)率＜1時(shí)，取a=0.01[2]。

3.2 機(jī)房空間及結(jié)構(gòu)方面

3.2.1 機(jī)房空間/面積不足

BBU堆疊需考慮機(jī)房剩余空間是否滿足需求，如不滿足，則將無法進(jìn)行堆放的BBU下沉至基站，或就近轉(zhuǎn)移至其他機(jī)房，亦或?qū)C(jī)房進(jìn)行擴(kuò)容或重新選址。

3.2.2 機(jī)房結(jié)構(gòu)/承重不夠

大量BBU的堆疊、開關(guān)電源的新建、蓄電池容量的增加等，還需考慮機(jī)房的結(jié)構(gòu)或承重能力是否滿足條件，如不滿足，需新建電力室或重新選址。

荷載取值依據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和YD 5073-2005《電信專用房屋工程施工監(jiān)理規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取定，至少不應(yīng)低于以下取值：電力、電池室：10KN/m2；其他各專業(yè)設(shè)備機(jī)房：6KN/㎡；

3.3 三相油機(jī)/外市電引入方面

由于5G BBU在機(jī)房的大量堆疊，加之功耗翻倍，導(dǎo)致總功耗大幅度增加，機(jī)房市電容量面臨擴(kuò)容。市電擴(kuò)容花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)施難度大、成本較高，嚴(yán)重限制5G部署節(jié)奏。三相油機(jī)作為后備電源設(shè)備，也將因BBU集中部署，而面臨擴(kuò)容的挑戰(zhàn)。油機(jī)擴(kuò)容受到機(jī)房面積/承重、相關(guān)規(guī)定（噪音較大等）、擴(kuò)容成本等因素限制，改造不易。

3.4 通風(fēng)散熱方面

BBU堆疊將使熱量集中，超過原有機(jī)房的散熱能力，急需進(jìn)行空調(diào)改造。

(1）布放大功率空調(diào)雖能解決機(jī)房設(shè)備散熱問題，同時(shí)更對(duì)市電及變壓器容量能力、機(jī)房維護(hù)空間等提出新的要求。

(2）BBU集中部署后剩余空間無法進(jìn)行空調(diào)安裝，使機(jī)房局部溫度升高，動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷告警且無法消除，設(shè)備運(yùn)行噪聲較大，安全穩(wěn)定性降低。

3.5 能源運(yùn)維方面

3.5.1 電費(fèi)大幅增加

當(dāng)前國內(nèi)建設(shè)了500多萬的4G基站，未來5G基站的數(shù)量至少是4G的1.5倍，同時(shí)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)4G、5G模式共存，再加之5G底層設(shè)備功耗翻倍，可想而知，未來運(yùn)營(yíng)商通信設(shè)備總功耗至少是當(dāng)前4G總功耗的4倍。通信網(wǎng)絡(luò)的能耗成本，幾乎占運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本（OPEX）的20%。5G堪稱“電老虎”，在5G時(shí)代下，功耗翻倍也就意味著電費(fèi)翻倍，將大大增加運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)壓力。

3.5.2 維護(hù)更加復(fù)雜

(1）網(wǎng)絡(luò)的頻段和組網(wǎng)越來越復(fù)雜，使維護(hù)難度增加。（2）業(yè)務(wù)多樣性帶來管理的復(fù)雜性。

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 應(yīng)用直流升壓技術(shù)

當(dāng)前通信局房常用設(shè)備主要為直流電供電，標(biāo)準(zhǔn)供電電壓為-48V，若將直流系統(tǒng)升壓至-57V輸出，在等負(fù)載功耗情況下，通過電力電纜的電流將減小，從而使電力電纜的截面積減小，若能大范圍應(yīng)用，電力電纜的采購成本將大幅度下降。

4.2 降低鉛酸蓄電池充電電流

各開關(guān)電源/整流架設(shè)備廠家在設(shè)備出廠前，將蓄電池的充電電流默認(rèn)設(shè)置為0.1C10，即為單體蓄電池容量的10%。若將該值調(diào)整為5%，則可有效降低充電電流，此冗余的電流部分可有效緩解電源系統(tǒng)的壓力、減少對(duì)機(jī)房面積或承重能力的需求。

4.3 5G設(shè)備升級(jí)改造

聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)施廠商應(yīng)用更加先進(jìn)的技術(shù)來促進(jìn)對(duì)5G相關(guān)設(shè)備的成熟，從而降低功耗。如優(yōu)化原有電路板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、熟悉新材料、采用更高工藝制成的芯片等。

4.4 直供電改造及推進(jìn)降電價(jià)政策

積極響應(yīng)相關(guān)政策，組織推進(jìn)具備條件的基站/機(jī)房轉(zhuǎn)供電改造為直供電供電，降低用電成本。對(duì)不滿足改造條件的基站/機(jī)房，與政府及電網(wǎng)公司協(xié)商相關(guān)優(yōu)惠及補(bǔ)貼政策的出臺(tái)，同時(shí)加大對(duì)5G電量模型進(jìn)行研究力度，加強(qiáng)對(duì)電費(fèi)計(jì)量、監(jiān)測(cè)、監(jiān)控的優(yōu)化工作。

4.5 采用新型鋰電池

現(xiàn)有技術(shù)可將鐵鋰電池集成較小體積的機(jī)架式鋰電池包，例如48V/150AH鋰電池包僅占5U機(jī)架空間。在等體積情況下，鋰電池在空間、承重、備電能力方面都明顯優(yōu)于鉛酸電池。由于新技術(shù)研發(fā)難度大、技術(shù)不成熟等諸多因素，導(dǎo)致鋰電池生產(chǎn)成本較高，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。

4.6 建設(shè)集裝箱機(jī)房

考慮到因機(jī)房空間不足、承重能力不夠、租賃不易等現(xiàn)實(shí)因素，可考慮建設(shè)集裝箱室外一體化機(jī)房。因城市限高等原因不宜選擇固定式集裝箱，建議采用可拆可拼接結(jié)構(gòu)來根據(jù)業(yè)務(wù)量大小選擇機(jī)房。

5 結(jié)束語

自2019年5G開始進(jìn)行商業(yè)部署以來，5G通信網(wǎng)絡(luò)的下層結(jié)構(gòu)采用“BBU+AAU”的模式，AAU被部署于基站，而BBU被堆疊在通信局（站）機(jī)房，這給機(jī)房電源等基礎(chǔ)配套的設(shè)計(jì)和施工帶來了較大挑戰(zhàn)。本文就BBU和AAU在4/5G下的功耗演進(jìn)進(jìn)行了分析，5G系統(tǒng)的普遍功耗是現(xiàn)有4G系統(tǒng)的2～4倍。因而對(duì)通信機(jī)房可能在供電、備電、機(jī)房空間、溫控、能源運(yùn)維等方面面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)解決方案也進(jìn)行了一些猜想。

5G的快速部署，打破了LTE網(wǎng)絡(luò)模式下的平衡，如何尋找新的平衡點(diǎn)及最優(yōu)平衡點(diǎn)，是5G建設(shè)初期及中后期的一道難題，需要不同專業(yè)協(xié)同考慮，為5G建設(shè)配套方案標(biāo)準(zhǔn)體系的完善添磚加瓦。