5G基站供電系統需求及供電技術探討

魏 瑾

（山西機電職業技術學院 信息工程系，山西 長治 046011）

1 5G背景及發展概述

第五代移動通信技術（5th generation mobile networks，5G），是2G、3G以及4G的繼承和發展。作為目前最為先進的蜂窩通信技術，其與4G網絡技術相比，傳輸速率達到了10 Gb/s，提升了10倍，流量密度為10 Tbs/km2，提升了100倍，其無與倫比的高速率、低延時、少能耗以及微成本備受人們推崇。2G、3G、4G以及5G的速率比較如表1所示。

表1 2G、3G、4G以及5G的速率比較

2 5G關鍵技術及基站介紹

5G基于蜂窩通信網絡，將信號覆蓋范圍劃分為若干蜂窩式的網絡區域，將終端設備中數字化的數據信號，如聲音、視頻以及圖像等以比特流數據的方式通過無線電磁波信號與收發設備進行通信傳輸。5G通信系統綜合運用了超密集異構網絡、Massive MIMO、CDN、D2D通信以及新型信息編碼等關鍵技術，解決了傳統通信網絡數據傳輸速率低、網絡延時高、數據容量窄以及異構網絡管理問題，符合移動通信發展大趨勢[1]。

5G基站作為整個通信網絡的核心，提供信號覆蓋和數據傳輸的功能。為保障通信質量的穩定性、高可靠性、可拓展性以及管理的便捷性，5G基站通常以混合式的分層模式進行建設。5G基站運用了Massive MIMO技術，通過增多天線的措施充分利用空間資源，對提升通信網絡的穩定性和頻譜效率都有積極意義。除此之外，由于5G應用大量無線設備，因此需要通過電磁監測和定期檢查等手段及時排除干擾，保障基站正常運行。

3 5G基站供電系統需求現狀分析

3.1 基站結構的變化

5G基站接入層架構較4G基站有所變化，由BBU和RRU的2層結構進一步細化為CU、DU以及AAU的3層架構。其中，CU是從原BBU中非實時部分分割出來的，負責處理非實時協議和服務；DU是BBU剩余功能的重新定義，負責實時處理協議和服務；AAU是有源天線單元BBU的部分物理層處理功能與原RRU及天線的合并。如此分層主要是為了滿足5G應用場景的需求。5G具有切片功能，所謂切片主要是將一張物理網絡根據不同業務劃分為多個邏輯網絡，從而滿足不同應用場景。按照5G標準，可以靈活組合CU、DU以及AUU，共有4種組合狀態。第1種為CU-DU共硬件部署，與傳統4G宏基站類似；第2種為CU集中部署，DU部署在4G BUU機房；第3種為DU集中部署，CU集中部署在更高網絡層；第4種為CU和DU集中部署，類似于4G的C-RAN。

如此設計為今后資源化和智能化管理CU及DU提供了技術基礎，也是未來5G深度發展的有益條件。目前，國內仍以1個BBU+3個AAU這樣設置方式為主，本文認為這主要是從成本及技術成熟度兩個方面考慮的。基礎結構的變化必然導致供電需求的變化，為應對5G基站發展需求需要改造或重建原有供電系統，這是不得不面對的問題[2]。

3.2 5G基站功耗變化

5G基站功耗的變化主要體現在兩個方面。一方面是單個基站功耗的變化，5G基站因AAU采用Massive MIMO技術，使得天線由2/4/8個增加到了64/128/256個，引起設備功率大幅度增大。通常認為現在單個5G基站功率約為傳統單個4G基站的3～4倍，因此原有供電系統設計需根據現在5G基站用電需求變化進行必要的改造升級甚至重建，以滿足基站功耗的需求。另一方面是5G基站密度的大幅度提升，根據現行5G技術標準，5G技術應用頻段遠遠高于傳統2G、3G以及4G網絡。根據信號衰減特性，頻率越高，信號衰減越明顯，因此5G基站密度要遠遠超過傳統2G、3G以及4G基站。據相關數據顯示，5G基站單位面積數量至少達到4G基站的2～3倍，甚至6倍。因此，對供電需求是極大的，現有電網遠不能滿足5G基站的需求。

3.3 傳統電力供應面臨的實際問題

傳統電力供應在5G基站建設方面主要面臨以下幾個方面挑戰。首先是直供電難度較大，一方面是市電容量有限，另一方面是直供電需對現有市電進行大幅改造，需大量的建設資金，另外實際應用過程中“直供+轉供”的大量存在也5G基站用電費用居高不下的關鍵所在。其次是電池容量不能滿足實際需求，部分基站由于電源容量的限制，需增配電池予以保障，根據實際操作數據顯示每增加一套5G設備，需配備500 Ah電池，電池的增加會導致基站面積緊張。再次是AUU設備供電需求（48 V）特殊，導致供電距離不宜過長，極限距離為70 m左右，供電距離增加，電池放電容量降低，而供電距離不足，又制約AUU部署，因此電池容量也是傳統電力供應面對的巨大挑戰。最后是散熱問題，5G基站功耗的增加會導致出現散熱問題，部分基站所處環境惡劣，不具備安裝和使用空調的物理條件，而且空調需定期進行除塵，維護困難，另外空調噪音會引發擾民問題，因此散熱挑戰也是亟待解決。此外，還面臨桿塔供電不足、遠拉供電以及高壓直流遠供轉化等問題[3]。

4 5G供電技術的探討

4.1 轉供電向直供電轉變

現階段，“轉供電+直供電”模式的選擇是5G產業初期的無奈之舉。轉供電雖容易實現，但后期維護管理相對困難，與業主單位有著直接的關系，另外轉供電用電成本高于直供電，通常超出0.3～0.5元/kW·h，這對基站選址建設的影響較大。從5G基站發展來看，直供電是未來供電的必然選擇，各地政府也意識到5G用電問題，出臺了各類轉供電改直供電的相關政策，切實幫助運營商降低用電成本。另外，直供電有利于實現電費包干，后期管理維護相對容易，利于5G基站發展。

4.2 電池技術供電保障

當前，電池應用存在容量、體積、質量、溫控以及安全等諸多方面的問題。為適應5G技術發展需求，應不斷優化用電結構，盡可能壓縮備電負載，將鉛酸電池改用鋰電池或其他密度大和環境友好的電池。在備電選擇方面，可采取遠近配電相結合的備電策略，在近端配備小型電池，在遠端大型基站或通信機房配置共享型大電池。此外，可通過電源與電池的配合，讓電池代替電源進行調峰供電，減低基站對外市電的需求[4]。

4.3 高壓供電的應用

高壓供電技術的應用主要是為了解決遠程供電（1～2 km）的問題。直接采用5G基站AAU所需的48 V供電時，供電距離短（70 m左右），電路電流較大，可選擇高壓平臺（如240 V）進行有效應對。選擇高壓平臺時，同樣需要解決升壓和降壓的問題，如果直接用高壓供電則不需升壓，否則需額外增加設備。周邊其他設備，如傳輸設備、安防設備、數據設備以及動環監測設備等都需與高壓電壓一致，除此之外，高壓平臺的應用對維護工作和維護能力也提出了更高的要求。

4.4 網線POE供電技術的應用

皮基站μRRU供電選擇時，可采取網線POE供電技術。該技術的供電距離通常在100 m之內，超過需增加設備，供電功率一般為20～50 W，電壓與AAU工作電壓相一致為48 V，網線通常選用超六類網線，根據功率的高低又分為低功率線對（單纜四對八芯）和高功率線對（雙纜八對十六芯）。此外，必要的保護機制應具備兩個方面。一方面是人機保護機制，能夠及時檢查短路、斷路以及過載，保障維護人員和設備的安全；另一方面是線路防雷保護，應達到相應的標準，做到防雷保護[5]。

4.5 池化供電技術的應用

池化供電技術類似于云計算資源池的部署應用，該技術的應用得益于5G基站結構的靈活性。5G基站細化為CU、DU以及AAU核心模塊，按照5G技術標準，可以將CU、DU以及CU-DU進行集中池部署，通過大型基站或通信機房減少CU和DU端的電力損耗，提升供電使用效率，同時也為智能化用電管理和資源化設備應用提供底層設備支撐。此外，現階段“BBU+AAU”的實際部署模式中，BBU同樣可以集中池化部署，減少BBU端電力損耗，是未來5G供電技術發展的大趨勢，是值得推出和深入研究的技術措施。

5 結 論

由于5G基站基本結構的變化、單基站供電需求的大幅提升以及基站密度的增加，再加之現有供電系統存在市電容量不足、直供電程度較低、電池備電能力不足以及散熱問題凸顯等問題，導致5G基站用電需求得不到滿足，一定程度上制約了5G技術的商業化進程。為此，本文給出了常見的供電技術應對策略。相信隨著5G相關技術不斷成熟，未來基站供電問題都能得到較好地解決，為推廣和應用5G技術提供技術保障。