5G通信基站電源供電及備電策略探討

高云磊，劉利男，王 超

（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050000；2.中國(guó)鐵塔股份有限公司石家莊分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

5G作為新一代通信技術(shù)，具有快速、低延遲時(shí)間等特點(diǎn)而備受人們青睞，在超清視頻、無(wú)人駕駛汽車、人工智能、遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。5G技術(shù)應(yīng)用對(duì)通信基站的配電及備電要求更高，對(duì)5G通信基站的建設(shè)提出了非常大的挑戰(zhàn)。伴隨著5G相關(guān)新技術(shù)的完善，通信基站配電及備電為5G技術(shù)的推廣與運(yùn)用提供了技術(shù)性保證。

1 5G關(guān)鍵技術(shù)及基站簡(jiǎn)介

5G是當(dāng)今最先進(jìn)的蜂窩通信技術(shù)，與4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，可達(dá)到10 Gb/s，提高10倍以上，在流量10 Tbs/km2范圍內(nèi)，具有極高的速度、低延遲、能源消耗小，微成本等特點(diǎn)。

5G是基于蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，它把信號(hào)的覆蓋范圍分成幾個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，在終端設(shè)備上聲音、短視頻、圖像等以比特流數(shù)據(jù)的方式與收取和發(fā)送機(jī)器設(shè)備開(kāi)展通訊。5G通信系統(tǒng)綜合性運(yùn)用了超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng)式通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸速度低、網(wǎng)絡(luò)延遲高的問(wèn)題，狹小的數(shù)據(jù)信息容積和異構(gòu)體的網(wǎng)絡(luò)安全管理問(wèn)題，符合移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

5G通信基站一般搭建在混合結(jié)構(gòu)的根基上，以確保通訊品質(zhì)的平穩(wěn)、可靠、可擴(kuò)展性和管理便捷。5G通信基站選用MassiveMIMO技術(shù)，靈活運(yùn)用空間資源，提升了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定度和頻帶使用率。

2 5G移動(dòng)通信技術(shù)特點(diǎn)

5G移動(dòng)通信技術(shù)通過(guò)D2D通信(5G網(wǎng)絡(luò)通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù))，新一代編碼調(diào)制短幀設(shè)計(jì)，對(duì)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)低延遲和高可靠性；超聚集組網(wǎng)方案、規(guī)模性無(wú)線天線列陣、新的多址、高頻率通訊、靈便的全雙工/雙工，使網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)覆蓋變成可能；選用新的多載波通信和新的編號(hào)調(diào)配，形成了大連接物聯(lián)網(wǎng)。

從網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)來(lái)看，5G網(wǎng)絡(luò)可達(dá)10 Gb/s ；就大中型設(shè)備通信來(lái)講，5G網(wǎng)絡(luò)的通訊容積為1 000 000/km2；從高靠譜、低延遲視角考慮，5G網(wǎng)絡(luò)平均網(wǎng)絡(luò)延遲可達(dá)1 ms。5G網(wǎng)絡(luò)比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和連接工作能力提升了100倍，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)降低到100倍。由此可見(jiàn)，5G現(xiàn)代通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)重要指標(biāo)之上擁有非常大的提升，而特性的提高將推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展[1]。

3 5G通信基站供電和備電系統(tǒng)的要求和挑戰(zhàn)

3.1 基臺(tái)結(jié)構(gòu)及形態(tài)改變

5G基站部署可分成CU-DU合并部署、CU云化－DU分布式部署和CU云化－DU集中部署3種方法。在CU-DU合并布署方法中，CU和DU這2個(gè)模塊設(shè)定在同一局站內(nèi)，DU根據(jù)拉遠(yuǎn)方法連接AAU。CU云化－DU分布式部署方法，每一個(gè)DU都坐落于局站內(nèi)，各DU根據(jù)拉遠(yuǎn)方法連接AAU，而CU集中化設(shè)在局站內(nèi)。CU云化－DU集中部署方法，DU集中化設(shè)定于一臺(tái)局站，CU集中化設(shè)于一臺(tái)，DU的局站根據(jù)牽引方法連接好幾個(gè)AAU。5G基本建設(shè)的前期，部署將展現(xiàn)出多元化的工作要求，CU-DU合并部署方法廣泛運(yùn)用。

3.2 通信基站能耗轉(zhuǎn)變

隨著5G通信技術(shù)性能參數(shù)的顯著提升，通信基站用電量大幅度提升。5G基站AAU相對(duì)于4G通信基站8T/8R無(wú)線天線來(lái)講，應(yīng)用64T/64R天線陣，無(wú)線信道數(shù)額顯著提升，使AAU的整體電能損耗大大增加。每次5G基站系統(tǒng)軟件（通信基站和天線輸出功率之和）是4G通信基站系統(tǒng)軟件功耗的4～5倍，因而通信基站原來(lái)配電及備電系統(tǒng)將帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)[2]。

3.3 基站供電和備電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，基站供電和備電系統(tǒng)主要面對(duì)的是市電量、開(kāi)關(guān)量、后備電量、散熱性和拉遠(yuǎn)供電和備電等方面的挑戰(zhàn)。

3.3.1 基礎(chǔ)設(shè)施變更

與4G不同的是，5G基站的接入層結(jié)構(gòu)也有所改變，從BBU和RRU雙層構(gòu)造進(jìn)一步優(yōu)化到CU、DU、AAU等3層構(gòu)造。該優(yōu)化算法中，CU由原先的BBU中非即時(shí)部分切分而成，用以解決非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù)項(xiàng)目；DU是對(duì)BBU的剩余作用的重新定義，承擔(dān)并行處理協(xié)議和服務(wù)項(xiàng)目；AAU是與初始RRU和無(wú)線天線的mac層處理功能融合。這類層次化主要是為了更好地達(dá)到5G應(yīng)用領(lǐng)域的需要。5G具備分塊作用，所謂分片主要是依據(jù)不同的業(yè)務(wù)流程把一張物理互聯(lián)網(wǎng)分為多個(gè)邏輯性網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到不同的應(yīng)用領(lǐng)域。依據(jù)5G規(guī)范，CU、DU和AUU可以靈活組成，一共有4種情況：第一種是CU-DU共硬件配置部署，類似傳統(tǒng)式的4G宏基站；第二種是CU的集中化部署，DU部署在4GBUU計(jì)算機(jī)房；第三種是DU集中化部署，CU集中化部署在較高的網(wǎng)絡(luò)層上；第四種為CU和DU集中部署，類似于4G的C-RAN。

當(dāng)今，我國(guó)依然是以1BBU+3AAU這樣的設(shè)定方法為主導(dǎo)，這關(guān)鍵是以價(jià)格和技術(shù)成熟度兩層面考慮。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的更改必定會(huì)造成電力工程需要的轉(zhuǎn)變，為了更好地達(dá)到5G通信基站的發(fā)展規(guī)定，需要對(duì)原來(lái)的供配電系統(tǒng)開(kāi)展更新改造或復(fù)建。

3.3.2 5G通信基站功能損耗的轉(zhuǎn)變

5G通信基站功能損耗的轉(zhuǎn)變具體表現(xiàn)在兩個(gè)層面。首先，每臺(tái)功能損耗的轉(zhuǎn)變，5G通信基站因?yàn)锳AU選用MassiveMIMO技術(shù)，使無(wú)線天線由2/4/8個(gè)提升到64/128/256個(gè)，進(jìn)一步提高了機(jī)器設(shè)備的輸出功率。一般而言，現(xiàn)階段5G通信基站的輸出功率大概是傳統(tǒng)式4G通信基站的3～4倍，因而原供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案需要依據(jù)現(xiàn)階段5G通信基站的電力工程要求轉(zhuǎn)變開(kāi)展必要的更新改造，或是重建，以達(dá)到通信基站功能損耗的轉(zhuǎn)變。此外，5G通信基站相對(duì)密度大幅度提高，依照當(dāng)今5G標(biāo)準(zhǔn)要求，5G技術(shù)的運(yùn)用頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)式2G、3G和4G網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)損耗的特性，5G基站的密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的2G、3G和4G基站，頻率的衰減更大。根據(jù)有關(guān)資料，5G基站單元面積至少是4G基站的2～3倍，甚至6倍。這就使現(xiàn)有的電網(wǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足5G基站的需要。

3.3.3 傳統(tǒng)供電中的實(shí)際問(wèn)題

在5G通信基站建設(shè)中，傳統(tǒng)式的配電方法主要面臨幾個(gè)層面的挑戰(zhàn)。第一，直達(dá)配電比較困難，一方面，市容量比較有限，另一方面是直供電需對(duì)現(xiàn)有市電進(jìn)行大幅改造，需大量的建設(shè)資金。二是電池電量不能達(dá)到具體需要，部分通信基站因容積比較有限，需要增加充電電池，依據(jù)具體運(yùn)作結(jié)果顯示，每增加一套5G設(shè)備，需配置500 Ah充電電池，充電電池的提升將造成通信基站面積不足。再者，AUU機(jī)器設(shè)備配電規(guī)定（48 V）特殊，導(dǎo)致配電間距不適宜太長(zhǎng)，極限間距在70 m上下，配電間距提升，充電電池充放電容積減少，而配電間距不夠，又影響AUU部署，因而，電池電量不能很大。第三，排熱問(wèn)題，5G通信基站輸出功率的增大會(huì)導(dǎo)致排熱問(wèn)題，部分通信基站所處環(huán)境問(wèn)題，并沒(méi)有裝空調(diào)的物理標(biāo)準(zhǔn)，并且空調(diào)需要按時(shí)除灰，維護(hù)保養(yǎng)比較困難，空調(diào)噪聲也會(huì)產(chǎn)生。此外，也面臨著塔桿配電不夠、遠(yuǎn)拉配電、高壓直流電變換等問(wèn)題[3]。

4 5G基站供電與備電系統(tǒng)解決方案

通過(guò)對(duì)4種方案的分析，提出了提高供電、備電系統(tǒng)效率、提升遠(yuǎn)供電和備用電壓、就近取電和基站蓄能4種方案。

4.1 改善供電和備用系統(tǒng)的效率

目前，通信基站開(kāi)關(guān)電源電路的輸出功率變換效率早已比較高，在現(xiàn)階段的輸出功率變換效率下，效率點(diǎn)再提升1%～2%，必定會(huì)大幅提升開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品成本。可根據(jù)考慮提升全部通信基站配電和備電系統(tǒng)的效率，將重點(diǎn)從單一開(kāi)關(guān)電源的變換效率遷移到全部配電及備電線路的配電和備電效率，進(jìn)而減少配電和備用系統(tǒng)的輸出功率耗損。

4.2 提高電源和備用電壓

當(dāng)AAU拉遠(yuǎn)電源和備用電源情況下，采用48 V電壓制式會(huì)造成供電和備電距離過(guò)小等問(wèn)題，可通過(guò)提高供電電壓和備用電壓來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。高壓電源可選用240 V/336 V高壓直流電源或直流遠(yuǎn)電源、備用電源等，但此種高壓電源配置較多，存在觸電安全隱患。另外一種供電、備電方案是以小幅度直流升壓方式進(jìn)行供電和備電。在57 V電源和備電電壓下，5G制式電源和備用電源的距離從70 m擴(kuò)展到200 m[4]。

根據(jù)一些較小幅度提升工作電壓，可擴(kuò)大牽引配電和備用電源的間距，防止了高壓電擊的問(wèn)題，但在DC-DC電源的制定中提高了DC-DC電源，引進(jìn)了單一化故障點(diǎn)，導(dǎo)致配電和備用系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

4.3 近距電池充電

當(dāng)取電成本費(fèi)較低時(shí)，不選用調(diào)遠(yuǎn)配電和備電，而以就近原則取電方法配電和備電更為經(jīng)濟(jì)。殊不知，因?yàn)闋I(yíng)運(yùn)商的通信基站總數(shù)大，通信基站基本建設(shè)情景繁雜，因而對(duì)調(diào)遠(yuǎn)、預(yù)留電、就近原則取電等應(yīng)依據(jù)具體情況開(kāi)展有效挑選。

4.4 應(yīng)用通信基站儲(chǔ)能

在通信基站原備鋰電池組的前提上，可提升鋰電池，科學(xué)安排峰谷電價(jià)時(shí)段差，或在通信基站用電量最高值時(shí)由動(dòng)力電池給予部分用電量，以降低電壓擴(kuò)充產(chǎn)生的極大投入。

4.5 轉(zhuǎn)供電轉(zhuǎn)為直配電

在目前，“轉(zhuǎn)供電+直配電”方式的選擇，是5G產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展時(shí)期的無(wú)奈。盡管轉(zhuǎn)供電非常容易完成，但中后期維護(hù)保養(yǎng)和管控較為困難，與業(yè)主部門(mén)有直接關(guān)聯(lián)，此外轉(zhuǎn)供電成本費(fèi)比直配電高，通常超出0.3～0.5元/kW，這對(duì)通信基站開(kāi)店選址的影響比較大。就5G通信基站建設(shè)來(lái)講，直配電是未來(lái)配電的必然趨勢(shì)，全國(guó)各地政府部門(mén)也已意識(shí)到5G用電量問(wèn)題，頒布了各種轉(zhuǎn)供電改直配電的相應(yīng)制度。除此之外，直配電完成了水電費(fèi)包干，中后期的監(jiān)管維護(hù)保養(yǎng)相對(duì)容易，有益于5G通信基站的發(fā)展。

4.6 電池供電技術(shù)保證

目前，電池應(yīng)用中存在著容量、體積、質(zhì)量、溫度控制和安全性等諸多問(wèn)題。為了滿足5G技術(shù)發(fā)展的需要，應(yīng)持續(xù)提升用電量構(gòu)造，盡可能縮小備電負(fù)載，改成應(yīng)用鋰電或其他密度高的、環(huán)保的充電電池。針對(duì)備用電源的選取，可以選用近遠(yuǎn)配電設(shè)備緊密結(jié)合的備電對(duì)策，在近端配小充電電池，在遠(yuǎn)端大中型通信基站或通信基站配備分享大充電電池。此外，根據(jù)開(kāi)關(guān)電源和充電電池的相互配合，可以讓充電電池取代開(kāi)關(guān)電源開(kāi)展調(diào)峰配電，減少通信基站對(duì)外部電壓的要求。

4.7 應(yīng)用直流高壓電源

高壓配電技術(shù)應(yīng)用主要是處理長(zhǎng)距離配電（1～2 km）問(wèn)題。當(dāng)5G通信基站AAU需要直接用48V配電時(shí)，配電時(shí)間短（70 m上下），電源電路電流量非常大，可以挑選高電壓（如240 V）等。采用高電壓平臺(tái)時(shí)，同樣要處理變壓的問(wèn)題，如直接選用高壓配電，不需變壓，否則需額外增加設(shè)備。其他設(shè)配，如通信傳輸設(shè)備、安全裝置、數(shù)據(jù)信息機(jī)器設(shè)備、動(dòng)環(huán)監(jiān)控機(jī)器設(shè)備等務(wù)必與高壓工作電壓保持一致，此外，高壓平臺(tái)的運(yùn)用對(duì)檢修作業(yè)和檢修功能的需求也變得越來(lái)越高[5]。

4.8 POE網(wǎng)絡(luò)供電技術(shù)的應(yīng)用

采用網(wǎng)線POE供電的皮基站選型RRU可采用網(wǎng)線POE供電。本技術(shù)的供電間距通常在100 m之內(nèi)，如需提升機(jī)器設(shè)備，通常可給予20～50 W的開(kāi)關(guān)電源，AAU的工作標(biāo)準(zhǔn)電壓應(yīng)是48 V，而網(wǎng)絡(luò)線通常挑選超6種網(wǎng)絡(luò)線，根據(jù)供電系統(tǒng)的輸出功率可分成低輸出功率線對(duì)（單纜4對(duì)8芯）和大功率（雙纜8對(duì)16芯）。此外，必需的維護(hù)體制還應(yīng)包含兩個(gè)層面。一是一類人機(jī)維護(hù)機(jī)制，能及早檢驗(yàn)短路故障及超載超限，確保維修人員及設(shè)施的安全性；二是路線避雷維護(hù)，要做到相對(duì)應(yīng)規(guī)范，保證防觸電。

5 結(jié) 論

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作開(kāi)展，在通信基站配電和備電系統(tǒng)中的市場(chǎng)容量、開(kāi)關(guān)量、儲(chǔ)備電力工程、排熱、調(diào)遠(yuǎn)配電和備電等層面將遭遇愈來(lái)愈多的挑戰(zhàn)。領(lǐng)域內(nèi)對(duì)這些問(wèn)題沒(méi)有一致的共識(shí)，都沒(méi)有尋找很好的解決方案，還需要運(yùn)營(yíng)商、鐵塔公司、生產(chǎn)商、規(guī)劃設(shè)計(jì)院、實(shí)驗(yàn)室等多方面協(xié)作，找尋一條穩(wěn)定、合理、經(jīng)濟(jì)的通信基站配電及備電技術(shù)性解決方法。