5G基站電源技術(shù)存在的問題及改進(jìn)措施研究

張文重

（北京誠公管理咨詢有限公司，北京 100000）

0 引 言

5G是第五代蜂窩移動通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速度是4G的100倍，網(wǎng)絡(luò)延遲低于1 ms，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)物互聯(lián)。5G基站可以實(shí)現(xiàn)無線信號的傳輸，是5G網(wǎng)絡(luò)順暢使用的基本保障。5G基站需要滿足龐大的5G網(wǎng)絡(luò)需求，充足的電源供應(yīng)是當(dāng)下需要解決的難題。

5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電能消耗較大，需要增加相應(yīng)的供電設(shè)施[1]。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，5G比之前的2G、3G、4G的覆蓋率等有很大的提升。無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑如表1所示。載波頻率越高則電磁波衰減越大，這就意味著蜂窩系統(tǒng)覆蓋半徑越來越小。當(dāng)然，影響覆蓋半徑的除了載波頻率外，還有用戶密度和自然環(huán)境。

表1 無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑

基站電源系統(tǒng)主要由直流供電系統(tǒng)、交流供電系統(tǒng)以及接地系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。直流供電系統(tǒng)包括傳輸設(shè)備、蓄電池組和開關(guān)電源等；交流電源系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、交流配電箱和保護(hù)器等。

圖1 基站供電系統(tǒng)

1 5G基站的基礎(chǔ)建設(shè)需求

早期的5G網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)是在基站的一側(cè)建立基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）+有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）單元，其中BBU安裝在室外機(jī)柜或者機(jī)房，AAU和集成遙控射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）則安裝在室外[2]。5G基站的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，5G機(jī)房的電源參數(shù)如表2所示。

表2 5G機(jī)房電源參數(shù)

圖2 5G基站結(jié)構(gòu)連線圖

2 5G基站電源技術(shù)存在的問題

5G網(wǎng)絡(luò)的普及意味著需要快速建立更多5G網(wǎng)絡(luò)基站，但是5G基站的建設(shè)一般是采用能夠?qū)崿F(xiàn)幾代單元集中放置的分布式基站形式。目前，新建一個(gè)5G基站的投資是4G基站的3～4倍。每個(gè)5G基站必須要配備電源柜、室外機(jī)柜、天線等，再加上蓄電池和鐵塔的成本，一個(gè)5G的宏基站硬件設(shè)施建設(shè)需要高昂的費(fèi)用，而這還不包括相應(yīng)的人工費(fèi)用和場地費(fèi)用[3]。

除此之外，原來狹小的基站不能滿足5G網(wǎng)絡(luò)的需求，若是進(jìn)行改造，則需要非常大的改造成本。有些可以容納足夠數(shù)量的BBU設(shè)備，但是會大幅度增加備用電的功耗。要想滿足用電需求，就要提高設(shè)備的供電能力或增加電源設(shè)備[4]。一旦基站機(jī)房空間不足，就會影響通信設(shè)備的安裝，并且限制供電設(shè)備的投入使用。如果強(qiáng)行加入大量電源設(shè)備，就會導(dǎo)致設(shè)備無法正常散熱引發(fā)事故。5G的應(yīng)用范圍較為廣泛，包括移動支付，VR/AR、遠(yuǎn)程醫(yī)療、人工智能以及無人駕駛等。根據(jù)以往通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的數(shù)據(jù)研究，傳輸設(shè)備一半以上的網(wǎng)絡(luò)中斷都是由于缺少相應(yīng)的后備能源供應(yīng)。由于中斷網(wǎng)絡(luò)信號可能會造成很大的安全隱患，因此可靠的基站備用電源是基站建設(shè)時(shí)必須要考慮的問題，持續(xù)供電能保證網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延遲、高穩(wěn)定[5]。

3 5G基站電源的改進(jìn)措施

3.1 站點(diǎn)疊光

由于5G基站能耗較大，基站交流引入改造難度很高且費(fèi)用昂貴，因此可以在基站中應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用太陽能發(fā)電，如圖3所示，降低部署成本并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高基站的供電容量。站點(diǎn)疊光是通過新型的電源開關(guān)智能調(diào)度太陽能、市電和蓄電池的使用。優(yōu)先使用太陽能供電，從而降低市電輸入，節(jié)約電費(fèi)成本。以蓄電池作為后備電源，既保證了電能的持續(xù)供應(yīng)，也降低了蓄電池的損耗。

圖3 5G基站太陽能供電

改造老舊基站的電源，在原有的電源基礎(chǔ)上升級疊光技術(shù)，在電源供應(yīng)單元（Power Supply Unit，PSU）和半導(dǎo)體存儲單元（Semi-conductor Storage Unit，SSU）兼容混插的熱插板上添加太陽能配電單元，不僅節(jié)約成本、工程量小，還可以減少空間的利用[6]。通過疊光供電方案引入太陽能供電，可以在不同場合下支持疊光演進(jìn)，在智能可靠、節(jié)能減排的前提下降低了5G基站電源技術(shù)投入成本。

3.2 高壓直流遠(yuǎn)供

利用高壓直流遠(yuǎn)供技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程大容量的輸電工程，彌補(bǔ)了基站容納能力不夠的缺點(diǎn)。通信機(jī)房中的電源設(shè)備有兩種類型，分別是半波整流設(shè)備和全波整流設(shè)備。全波整流設(shè)備通過管段和電力二極管將交流電轉(zhuǎn)化成直流電，實(shí)現(xiàn)電路的通暢運(yùn)行。半波整流設(shè)備通過直接將交流電轉(zhuǎn)換為直流電和后備電源為設(shè)備進(jìn)行供電，系統(tǒng)簡單、成本低，滿足5G基站的基本供電需求[7]。

現(xiàn)有的直流供電系統(tǒng)通常采用的系統(tǒng)電壓為-48 V，安全性較高，但是電壓等級低，電源功率小，無法滿足5G基站的設(shè)備消耗和供電需求[8]。應(yīng)用5G基站電源技術(shù)，通過遠(yuǎn)端基站調(diào)壓給設(shè)備供電，高壓直流供電系統(tǒng)的電壓大于-48 V，可以大幅度地提升電源系統(tǒng)的供電功率，減少電纜線徑，節(jié)約成本。在市電不能增容的情況下，高壓直流遠(yuǎn)供可以解決部分站點(diǎn)電力引入困難的問題，根據(jù)遠(yuǎn)供站點(diǎn)的總需求電量配置相應(yīng)容量的蓄電池組。

3.3 蓄電池的改造

隨著5G設(shè)備用電量的大幅增加，后備儲電設(shè)備就變得尤為重要。鋰鐵電池比傳統(tǒng)的鉛酸電池更適用于當(dāng)前的5G基站電源供應(yīng)，可以更好地解決基站承重不足、機(jī)房散熱差和占用空間較大等問題[9]。雖然鋰鐵電池的價(jià)格和傳統(tǒng)的鉛酸電池相比是非常高的，但是它有效解決了5G基站的容量和后備電源問題。鋰鐵電池在實(shí)際應(yīng)用中需要的費(fèi)用很高，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)備電或者和傳統(tǒng)的鉛酸電池配合使用。部分機(jī)房內(nèi)部構(gòu)造非常復(fù)雜并且承重能力小，為了保障用電的穩(wěn)定性和安全性，就需要使用鋰鐵電池，這樣不僅使機(jī)房在安全的溫度范圍內(nèi)降低空調(diào)的使用能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，也降低了對基站機(jī)房的空間壓力。如果基站原本安裝了傳統(tǒng)的鉛酸電池并且使用狀況良好，可以更換部分新型的鋰鐵電池，通過電池合路器實(shí)現(xiàn)兩種電池的配合使用，優(yōu)化蓄電池的使用方式，在提高基站備電能力的前提下降低成本并提高了安全系數(shù)[10]。

4 結(jié) 論

5G技術(shù)的出現(xiàn)改變了人們的生活方式，開創(chuàng)了新一代的萬物互聯(lián)時(shí)代。5G通信網(wǎng)絡(luò)具有速率高、延時(shí)低、大帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但是對基站的整體要求較高，在運(yùn)行中需要有相應(yīng)的配套電源供應(yīng)技術(shù)作為保障。隨著人們多樣化需求的不斷增加和科技的不斷發(fā)展，在建設(shè)5G基站的過程中需要對相應(yīng)的電源技術(shù)不斷更新，同時(shí)采取合理的技術(shù)手段對5G基站建設(shè)中出現(xiàn)的各類問題進(jìn)行解決，不斷優(yōu)化和完善相應(yīng)的技術(shù)體系，讓5G網(wǎng)絡(luò)為人們帶來更多的便利。