5G發(fā)展背景下典型場景中無線供電解決方案探索

袁晨輝，崔穎強

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

5G相關(guān)技術(shù)的大范圍普及與推廣，既是各行業(yè)、領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢，也是人們優(yōu)化生活方式、提升生活質(zhì)量的迫切需要?；诖?，我國自2019年起，便在各個城市的熱點區(qū)域之間安裝了一定數(shù)量規(guī)模的5G基站。在維持既有供電秩序、滿足高峰用電需求的情況下保障5G基站的供電安全，已然成為了現(xiàn)階段領(lǐng)域內(nèi)最重要的研究命題。

1 5G時代無線設(shè)備供電的發(fā)展限制因素

在5G技術(shù)推陳出新的大背景下，移動基站的建設(shè)方式、組網(wǎng)方案乃至用戶的使用感受、通信模式等都將發(fā)生翻天覆地的變化。在這種多元化的建設(shè)需求下，如何在優(yōu)化用戶感受、維護供電穩(wěn)定性的同時解決基站的供電問題亟待解決[1]。

5G推廣過程中，基于用戶業(yè)務(wù)行為、移動業(yè)務(wù)類別、城市建設(shè)需求以及用戶使用感受等因素的影響下，促使無線網(wǎng)的建設(shè)方式發(fā)生了根本性的變革。

1.1 高頻段、高密集度的供電網(wǎng)絡(luò)

4G時代至5G時代的演變過程中，無線網(wǎng)基站的工作頻段也逐漸完成了由800 MHz至3.5/4.5 GHz乃至更高頻率的過渡，促成這一變化的根本原因為5G相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展以及社會各界對高效率、大范圍5G技術(shù)運行基礎(chǔ)的要求。實際運行過程中，與5G工作頻段持續(xù)升遷相對應(yīng)的是同樣不斷上升、快速升級的無限空間鏈路。這一情況的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致單站站址的覆蓋范圍變小，覆蓋范圍由既往的4 km逐漸下降到0.65 km、0.4 km甚至更小。在單站覆蓋范圍不斷縮小、社會用戶使用需求與業(yè)務(wù)規(guī)模不斷增多等因素的影響下，基站站址的布局必然向著更密集的方向發(fā)展，與之相對應(yīng)的是相關(guān)機構(gòu)建設(shè)資金支出的提升以及建設(shè)難度的增大，進而為5G基站建設(shè)、供電方案設(shè)計等帶來更多挑戰(zhàn)[2]。

1.2 日益復(fù)雜化、多樣化的接入方式

隨著我國城市化建設(shè)進程的逐漸完善，社會層面中行業(yè)數(shù)量、種類的激增，無線網(wǎng)用戶以及使用方式的不斷變化，都加劇了城市上空無線網(wǎng)傳播環(huán)境與傳播方式的復(fù)雜化、多樣化發(fā)展。與此同時，各種業(yè)務(wù)用戶的活動軌跡、使用時間等也在時刻發(fā)生變化。在此背景下，傳統(tǒng)的宏站供電解決方案已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段無線網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)使用需求，由此需要基于現(xiàn)階段乃至未來無線網(wǎng)用戶的真正需求，對5G基站的建設(shè)方案以及供電方案進行創(chuàng)新、改革[3]。基于此，微站在4G時代已經(jīng)出現(xiàn)了較為模糊的概念，同時相關(guān)無線接入技術(shù)與通信方法也呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展模式，其既包含有傳統(tǒng)運行過程中的分布式接入，同時也有現(xiàn)階段較為主流的集中式接入、Mesh接入等。接入方式的多元化發(fā)展能夠在一定程度上改善無線傳播環(huán)境復(fù)雜化、多樣化的建設(shè)風險以及城市建設(shè)過程中基站拆除重建工程中包含的風險隱患，同時有效落實網(wǎng)絡(luò)性能、用戶體驗、數(shù)據(jù)速率等的全面提升。

2 傳統(tǒng)供電方案分析

2.1 就近引電

基于事實情況出發(fā)，現(xiàn)階段大部分的5G基站都會選擇建設(shè)在人口集中城區(qū)，如人員密集的居民樓、寫字樓、大學校園周邊等。針對這部分微站密集、儲存量小、建設(shè)標準等方面的特點，便需要利用就近引電的方案全面滿足廣大無線網(wǎng)絡(luò)用戶的日常需求。就近引電方案最顯著的優(yōu)勢為基站體積小、易于安裝、就地取材、方便快捷等[4]。圖1為中國電信部署的首個5G微型基站，其除去體積、結(jié)構(gòu)等顯而易見的優(yōu)勢外，還具備一定的美觀性。但這并不意味著就近引電的方法毫無缺陷，其電路改造環(huán)節(jié)大多具有協(xié)調(diào)難度大、改造復(fù)雜等問題，導(dǎo)致無法應(yīng)用于供電不穩(wěn)定、取電復(fù)雜等使用場景。

圖1 5G微型基站

2.2 POE供電

相較于其余的供電方案而言，有源以太網(wǎng)（Power Over Ethernet，POE）供電方案所需使用的纜線價格較為便宜、布線工作更為簡便，同時具備更高的安全性與穩(wěn)定性，更容易被基站周邊的居民所接受和認可。因此該方案可重點應(yīng)用于人口聚集、樓群密集且無法大規(guī)模施工的區(qū)域。但POE供電方案不具備遠距離供電的條件，同時要求供電范圍內(nèi)相關(guān)設(shè)備的總功耗不得高于30 W，在應(yīng)用過程中具備一定的局限性[5]。

2.3 風光互補供電

風光互補是指充分結(jié)合太陽能、風能等清潔能源的5G無線設(shè)備供電方案。該方案最大的優(yōu)勢便是其電路線路的鋪設(shè)不受地域的限制，只需具備足夠的日照時間、相宜等級的風速與風能即可。系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2 風光互補供電系統(tǒng)

盡管該方案具有更廣的應(yīng)用范圍，但使用這一方案的過程中受到供電系統(tǒng)所在地自然氣候條件的影響會出現(xiàn)如下問題。（1）該方案面對日照時長不足、晝短夜長的區(qū)域時無法儲存足夠的電能，因此需要更高等級的儲能設(shè)備與光伏板容量；（2）該方案基站的建設(shè)周期較長且占地面積較大。

2.4 交直流遠供電方案

交直流遠供電方案即在近端基站附近設(shè)置集中型配電系統(tǒng)，并將電壓升到300～600 V，而后利用饋電光纜將近端基站的交流電、直流電牽引到遠端，再由遠端基站進行降壓處理，為遠端設(shè)備提供運行基礎(chǔ)，該方案示意如圖3所示。

圖3 交直流遠供電方案示意

該方案的主要優(yōu)勢在于其能夠有效改善遠端無市電、不宜于接引市電或是市電接引協(xié)調(diào)難度大的用電場景，并且后期檢修步驟簡便，具有供電穩(wěn)定的優(yōu)勢[6]。但相對而言，遠供設(shè)備的鋪設(shè)成本更高，供電耗能線損極大，并且該方案的極限供電距離為5 km，所提供的最大遠端耗能為4.5 kW，無法為相關(guān)企業(yè)與機構(gòu)提供更高的經(jīng)濟效益與社會效益。

2.5 市政供電

市政供電方案是本文列舉所有供電方案中最完善、最穩(wěn)定且經(jīng)濟性較高的供電方法，同時該方案也是傳統(tǒng)基站建設(shè)引電項目中最常應(yīng)用到的主流方案。但隨著5G時代的到來，基站的站址、體積容量、建設(shè)需求以及建設(shè)方法等都產(chǎn)生了一定的變化，因而市電引接的難度也越來越高。該方案的主要缺點表現(xiàn)為難以協(xié)調(diào)、線纜鋪設(shè)難度大等方面。實際建設(shè)過程中，該方案更適用于市電引接更方便的項目以及基站地理位置更接近市電引接點等建設(shè)場景。市政供電方案最大的優(yōu)勢便在于其更完善、成熟的技術(shù)經(jīng)驗，相關(guān)建設(shè)部門在建設(shè)過程中可以充分借鑒既往的工程經(jīng)驗[7]。

3 5G發(fā)展背景下典型場景中無線供電解決方案探索

相較而言，5G基站的供電難度要遠超于4G基站。在5G發(fā)展背景下，典型場景中的無線供電解決方案抉擇過程中還需重點針對5G基站建設(shè)環(huán)節(jié)中“基站功率較高，外市取電困難”以及“基站功率過高，電池備電困難”等問題進行細致分析，充分發(fā)揮不同典型場景供電方案的優(yōu)勢，規(guī)避其缺陷。

3.1 市政供電結(jié)合交直流遠供電的方案

市政供電與交直流遠供電的聯(lián)合運用可有效解決城市5G基站建設(shè)過程中市電接引難度大、電池儲備量低等問題，可重點應(yīng)用于5G基站站址分布較為密集且高要求組網(wǎng)方式下的居民樓、城區(qū)道路、校園、商業(yè)區(qū)等區(qū)域。同時，在基站翻新、技術(shù)升級的過程中，可建設(shè)于既有4G基站市電線路上，結(jié)合實際的基礎(chǔ)條件、建設(shè)需求、5G相關(guān)技術(shù)標準以及該區(qū)域的通信要求、人群基礎(chǔ)等引入交直流遠供電方案進行創(chuàng)新建設(shè)。

3.2 市政供電結(jié)合POE供電的方案

該方案適用于用戶較為密集的寫字樓、商場、居民樓等區(qū)域，可有效改善相關(guān)區(qū)域內(nèi)供電功耗較低、覆蓋范圍較小但布放點位較多的無線設(shè)備供電問題。且相較于其他供電解決方案而言，POE的相關(guān)技術(shù)尚處于發(fā)展與創(chuàng)新階段，技術(shù)發(fā)展不夠完善，因而需要相關(guān)工作人員加以注意，在規(guī)避風險的同時為后續(xù)的行業(yè)進步奠定基礎(chǔ)。

3.3 風光互補供電結(jié)合交直流遠供電的方案

該方法可借助風能、太陽能等清潔能源對固定區(qū)域的5G基站進行電量供給。在建設(shè)相對完善的情況下，該方法既可以借助遠供電的方法解決風光發(fā)電穩(wěn)定性不高的缺陷，同時能夠降低相關(guān)企業(yè)、機構(gòu)的資金支出，并且能夠為我國后續(xù)的碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標奠定堅實的技術(shù)與經(jīng)驗基礎(chǔ)。此外，該方案可應(yīng)用于市電引接困難、5G基站分布較為集中的工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等距離市政供電較遠的用電場景。但需要注意的是，會受到不同發(fā)電方式、發(fā)電場地以及電能供給等方面的影響，因而無法滿足過于密集的用戶需求，不適合建設(shè)在城市人口較為密集的區(qū)域。

4 結(jié) 論

為了保障5G基站的有序運行，在減少投資的同時應(yīng)落實5G基站在我國各個城市中的大范圍推廣，實現(xiàn)降本增效的目標。對于現(xiàn)階段的5G基站建設(shè)與運行情況而言，對傳統(tǒng)模式與經(jīng)典場景中的供電解決方式進行創(chuàng)新性重組，進而憑借綜合性的技術(shù)方案克服單一供電解決方案的弊端。在5G超密集基站組網(wǎng)的建設(shè)背景下，確保網(wǎng)絡(luò)的暢通性與居民用電的穩(wěn)定性，助力社會的可持續(xù)發(fā)展。