移動通信Small Cell基站供電解決方案與趨勢分析

胡先紅+劉明明

摘要：小型分布式基站Small Cell數量的快速上升對供電方案提出了“零占地”、易部署等新的需求。針對不同的Small Cell基站應用場景，提出了相應的供電解決方案，包括本地交流（AC）供電、本地直流（DC） 48 V供電、本地AC和DC 48 V混合供電、DC拉遠供電、以太網供電（POE）供電等。此外，還指出了Small Cell基站供電方案的發展趨勢，包括：小型化、模塊化、高效節能、綠色、共享、智能互聯等。

關鍵詞： Small Cell；供電解決方案；零占地；模塊化

隨著移動通信網絡的發展，移動通信基站將圍繞人們居住、工作、休閑、交通以及垂直行業的需求，廣泛部署在密集住宅區、辦公室、體育場、地鐵、高速公路、高速鐵路以及環境監測等場景[1]。移動通信分布式基站的形態、功耗、站址、覆蓋等都在不斷地變化。4G比3G在帶寬和通信速率有巨大的提升，而5G將比4G具有更高的帶寬、更低的時延、更多的連接數，5G基站數量將是4G的數十倍，這些特征給供電系統帶來新的要求。為適應這些特征，需要為新型基站提供合適、經濟的供電解決方案。

1 移動通信基站形態的變化

為了實現定向覆蓋、增強覆蓋、盲區覆蓋、邊緣覆蓋的高密度、大流量通信業務，小型分布式基站Small Cell的數量呈快速上升趨勢。2012年底，Small Cell基站部署數量超過宏基站，2016年部署的基站中，約88%是Small Cell基站，大約9 100萬個，比2015年增長約50%。由于數據業務的快速增長，預計未來Small Cell基站還會快速增長。

Small Cell基站指從產品形態、發射功率、覆蓋范圍等方面都比傳統宏站小得多的基站類型。經統計分析，絕大多數的數據業務發生在室內或熱點區域[2]。小基站可有效改善深度覆蓋，增加網絡容量，提升用戶體驗，因而越來越多地受到業界的關注。Small Cell基站系列產品包括Femto Cell、Pico Cell、Micro Cell、Metro Cell系列產品等，各類站點的發射功率、典型功耗等指標見表1。

2 Small Cell基站供電的主要需求

Small Cell基站數量巨大，應用場景多樣，與之配套的供電系統需要適應這些特征，并滿足以下主要需求。

2.1 “零”占地

Small Cell基站廣泛部署在商業區、辦公區、住宅區等，這些區域普遍存在業主協調難、站址資源不足的問題，部分站點還需要考慮隱蔽的需求。因此，需要Small Cell基站及供電系統盡量少的占地或者不占地，降低站址選擇租用困難以及減少站址使用費。例如：在城市街道，利用現有的燈桿進行抱桿安裝，就可達到零占地的需求。

2.2 “零”維護

Small Cell站點數量龐大，分布范圍廣，僅維護上站的交通費用就非常巨大。因此，需要供電系統盡量少維護，或者非常方便維護，甚至免維護，以降低運維成本。同時，在模塊損壞時，可以非常方便更換。在多模塊并聯應用時，單模塊的損壞不影響其它模塊的工作，且更換時負載不斷電。例如：供電系統采用自然冷卻設計以減少風扇等易損部件的維護成本，模塊損壞10 min內即可完成單站更換維護。

2.3 易部署

Small Cell 站點部署環境復雜，有街道、弱電井、高樓房屋外墻、室內天花板等，這些場景無法使用大型施工工具。因此，站點安裝需要非常簡單易行，工作量小，單人可操作，基本不需復雜調試，且一次上站就能完成安裝部署。對于壁掛或抱桿安裝，要求設備輕，單人單手可提舉。普通資質工程安裝施工人員經簡單培訓即可操作。

2.4 易擴展

Small Cell站點的部署存在需要根據用戶容量進行擴容的需求，或者先期部署4G，后期部署5G共站的情況。這就需要根據業務發展需要，通過并聯，擴展供電容量，以滿足設備分批部署、后期更多的設備擴容需求，從而可以在初期進行低配置，后期根據業務發展逐步擴容，減少初期投資浪費。例如：包括電源模塊、電池組等在內的供電設備都需要模塊化設計，可多模塊并聯擴容，且現場并聯易操作。

2.5云管理

廣泛分布的Small Cell站點，處于無人值守狀態，需要對供電系統的設備狀態（市電是否正常、設備是否正常等）、供電參數（電壓、電流、功率等）、環境參數（溫度、濕度等）等實現遠程監測控制，相關信息上傳云端，實現云化管理。為降低通信成本，信息傳輸通過Small Cell通信設備實現，即帶內傳輸。

3 Small Cell基站供電解決方案

為適應不同Small Cell基站的供電需求，以及部署場景的不同，需要多樣化的供電解決方案以滿足Small Cell基站部署的要求。

3.1 本地交流（AC）供電解決方案

對于AC供電的Small Cell站點設備，在站點能夠方便獲取市電的情況下，有兩種方案。一是不需要備電的情況下，可直接采用市電接入供電，這是最為經濟的。市電停電會導致業務中斷，通信質量降低，此方案在對市電條件好且通信質量要求不高的通信站點可以采用。二是在需要備電的情況下，可采用交流不間斷電源（UPS）供電，如圖1 a）所示。此外，當初次部署不需要備電，后期隨著站點的業務發展，重要性提高，改造為有備電的情況，也可采用此方案。此外，當前大部分支持AC輸入的Small Cell基站設備一般兼容240 V高壓直流（HVDC）輸入，也可以采用HVDC電源（帶電池）提高通信基站供電可靠性，如圖1 b）所示?？紤]電池成本和通用性，宜采用48 V電壓等級的電池組作為備電，這種情況下電源設備的內部復雜度會有所提高。

3.2 本地直流（DC）48 V供電解決方案

對于DC 48 V供電的Small Cell基站通信設備，在站點能夠方便獲取市電的情況下，可采用小型DC電源供電，根據站點市電的可用度、用戶對業務可用度要求，及綜合投資成本，選用配備或者不配備蓄電池組的方案，如圖2所示。小型電源輸出DC 48 V，功率模塊功率等級從800 W到3 000 W有多種規格可供選擇，可并聯擴容。電池采用48 V電池組，保證0.5～1 h備電時長，可并聯擴容以延長備電時間?？紤]壁掛、抱桿時的可安裝性，宜采用體積小、重量輕的鋰電池組。本地DC 48 V供電解決方案為相對比較通用經濟的供電方案。

3.3 本地AC與DC 48 V混合供電解決方案

部分Small Cell站點，存在既需要AC供電，也需要DC 48 V供電的情況。這種情況的產生一般是前期部署了部分通信設備，后期新增通信設備與之前的設備供電需求不同。例如：某站點前期部署了市電直接供電的4G 設備（無備電，直接接入市電），后來站點擴容新增DC 48 V供電的5G設備，且兩次部署的通信設備均需要備電。此種場景下采用的供電方案如圖3。圖3 a）為采用小型DC電源加獨立逆變器方案，圖3 b）則采用一個雙路DC輸出的電源系統，同時提供DC 48 V和DC 240 V輸出。采用獨立逆變器方案相對通用，但設備多、成本高。采用雙路DC輸出的電源系統方案不通用，但設備少、占用空間小。本地AC與DC 48 V混合供電方案的應用場景相對較少。

3.4 直流遠端供電解決方案

部分Small Cell 站點，難以在站點直接獲取市電，例如：隧道或無市電覆蓋的山頂等。此種場景下，可考慮采用直流遠端供電方案，如圖4所示。在局站端，增加一個DC/DC電源，將原有的48 V電源升壓至某一更高電壓，例如280 V DC，然后通過電纜將電源拉到遠端站點[3]。對于可采用AC 220 V（兼容高壓直流輸入）的Small Cell通信設備，直接采用高壓直流供電。對于DC 48 V供電的Small Cell通信設備，則需增加一個小型DC電源（此處小型DC電源與采用本地DC 48 V供電方案中的小型DC電源相同），轉換為48 V后給設備供電。對直流遠供電壓沒有嚴格規定，但業界比較通用的電壓等級為DC 280 V，也可選用其它電壓，如采用DC 270 V（標稱240 V）、DC 380 V（標稱336 V），與通信設備用的高壓直流電源系統電壓一致，此時遠端AC供電的Small Cell通信設備需兼容這些電壓輸入。

直流遠端供電方案，考慮拉遠供電線纜成本及電能損耗的影響，對通信設備功耗、拉遠距離均有要求，功耗不易過大，一般不超過500 W，拉遠距離不宜超過5 km。

3.5 以太網供電（POE）供電解決方案

對于功率15 W左右的末端Femto Cell 站點，可采用POE。POE供電是利用標準以太網傳輸電纜，同時傳送數據和電功率的方案，如圖5所示。在Small Cell站點上級的通信設備，通過以太網線將數據和DC 48 V電源混合傳送到Small Cell站點。按照IEEE 802.3at標準，采用CAT-5e及以上網線時，POE最大供電功率可達25.5 W，供電電壓范圍42.5 V～57 V[4]。

3.6 供電解決方案比較

不同供電方案適用于不同的應用場景，在建設成本、運維成本、供電可靠性等方面均有差異，需根據實際場景選取合適的供電解決方案。上述幾種供電解決方案的比較如表2。相比而言，本地DC 48 V供電解決方案和POE供電解決方案是比較通用、經濟的解決方案，推薦優先使用。

4 Small Cell基站供電設備

4.1 設備形態

Small Cell基站供電設備的形態，需要適應Small Cell基站復雜場景，滿足前述零占地、零維護、易部署等需求。中興通訊兩種典型的Small Cell站點供電設備如圖6所示。

圖6 a）為AC 220 V輸入，DC 48 V 1 500 W 或3 000 W輸出的電源，圖6 b）為48 V 25 AH鋰電池模塊。電源和電池均為自然冷卻，IP66防護等級，可應用在室外場景，支持多模塊并聯擴容。

4.2 安裝方式

Small Cell基站電源可適應掛墻、抱桿以及多模塊旗裝，如圖7所示。可以滿足零占地等需求，適應不同的應用場景。

5 Small Cell基站供電方案的發展趨勢

5.1 小型化、模塊化

隨著網絡速率的提高，Small Cell基站越來越靠近用戶端。Small Cell基站的體積越來越小，便于站址的選擇與隱蔽，與之配套的供電設備也要求更加小型化以便于安裝。

模塊化的供電設備可以實現任意并聯，實現Small Cell基站分期部署及平滑擴容。模塊化的供電設備可實現在3G基礎上逐步疊加4G，以及未來疊加5G業務的需求，實現通信基站的平滑演進及業務升級。

5.2 多樣化

Small Cell基站為實現定向覆蓋、增強覆蓋、盲區覆蓋、邊緣覆蓋等多種場景，以及復雜的現場部署要求，形成了多樣化的基站形態。同時，供電功率從10 W到千瓦級，各有不同，形成了多樣化的供電方案。未來5G的設備形態也會與現有的3G、4G設備有較大的不同，Small Cell基站供電設備的形態將會隨之變化。

5.3 高效節能

除了要求供電設備具有更高的轉換效率（96%或更高），還需要供電設備能在基站負荷較低時下電，當負荷變高時重新啟用，就像電子感應燈一樣，以降低基站的電能消耗。當Small Cell基站下電后，由宏站或周邊的Small Cell基站實現信號覆蓋；當相鄰的宏站負荷變高時，Small Cell 基站就會被啟用。

5.4 綠色

隨著節能減排要求的提高，以及太陽能發電的成本越來越低，對于室外部署的Small Cell站點，將大量引入小型太陽能供電系統為站點供電，實現零排放。當前，對于部分市電獲取困難的通信站點，太陽能供電已經具有較強的經濟性。

5.5 共享

Small Cell站點供電除了可實現3G、4G以及未來的5G基站共享供電外，也可以為不同的運營商的Small Cell基站通信設備供電。隨著物聯網的發展，Small Cell站點通信設備可升級為物聯網基站，同時也可為物聯網的終端共享供電，如街邊站的車聯網傳感設備、安防監測控制設備等。

5.6 智能、互聯

軟件定義電源（SDP）得到越來越多的應用，Small Cell供電電源也將逐步實現軟件定義，實現多種電源制式的輸出。同時，Small Cell基站電源系統的能量接口和信息接口也將逐步符合未來能源互聯網的標準，可以接入能源互聯網，實現不同站點間的能量互聯[5]，進一步提高能效，降低供電成本。

5.7 空間能量供應

物聯網的發展推動了小型無線供電、空間微能量收集等技術的發展，未來的小功率Small Cell站點，供電方式可能會來自太陽能、無線供電，甚至是空間微能量的收集，擺脫對電網供電的依賴，大幅度降低取電成本。

6 結束語

移動通信的發展，推動了Small Cell基站的大量部署。Small Cell供電方案一方面適應Small Cell通信基站各種復雜場景的供電需求，另一方面也符合電源的技術發展趨勢，為信息通信的發展提供了高效、綠色、靈活、可靠的供電解決方案。

參考文獻

[1] 朱龍明， 朱清華， 姚強. M-ICT時代下的5G技術及創新[J]. 中興通訊技術， 2016， 22（3）： 52-56. DOI： 10.3969/j.issn.1009-6868.2016.03.012

[2]中興通訊. Small Cell基站系列產品[EB/OL]. （2017-05-10） [2017-06-02]. http：//www.zte.com.cn/china/products/wireless/Base-Station-Series/Small-Cell

[3] 中國通信標準化協會. 通信設備用直流遠供電源系統： YD/T 1817-2008[S]. 北京： 中國通信標準化協會， 2008：7

[4] IEEE SA. Local and metropolitan area networks-- Specific requirements-- Part 3： CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications Amendment 3： Data Terminal Equipment （DTE） Power via the Media Dependent Interface （MDI） Enhancements： IEEE 802.3at-2009[S]. USA：IEEE， 2009：10

[5] 胡先紅. 信息設備供電系統發展趨勢[J]. 中興通訊技術， 2016， 22（1）：42-45. DOI： 10.3969/j.issn.1009-6868.2016.01.011