5G站點(diǎn)電源面臨的挑戰(zhàn)及解決方案研究

于利輝

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

5G站點(diǎn)的電源連接技術(shù)在中國(guó)研究的時(shí)間較晚。在技術(shù)研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用創(chuàng)新方面，5G技術(shù)已經(jīng)獲得了一些進(jìn)展。但是，在電源站點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)性發(fā)展方面，站點(diǎn)發(fā)展存在滯后性。5G需要實(shí)現(xiàn)超高速率、超低時(shí)延、海量信息連接等一系列演變，但是這些新的供電需求增加前，站點(diǎn)建設(shè)需要考慮電源建設(shè)是否能滿足其網(wǎng)絡(luò)信息建設(shè)和能量補(bǔ)充的需求。

1 5G站點(diǎn)電源的發(fā)展變化

5G時(shí)代，基站設(shè)備AAU單扇區(qū)輸出功率有望從4G時(shí)期的40～80 W增加至200 W甚至更高。運(yùn)算量的上升將推動(dòng)BBU功率進(jìn)一步提升，5G單站的供電功率預(yù)計(jì)將達(dá)到約4 000 W甚至更高。因此，基站電源存在極大的擴(kuò)容需求。基站設(shè)備供電主要采用-48 V直流拉遠(yuǎn)方案，5G時(shí)代BBU集中部署導(dǎo)致部分拉遠(yuǎn)AAU和機(jī)房的空間距離可能進(jìn)一步增加，有望推動(dòng)HVDC直流拉遠(yuǎn)和DPS分布式供電方案的出現(xiàn)。視現(xiàn)網(wǎng)不同場(chǎng)景，假設(shè)以上3種方案的建設(shè)比例為1:1:1，按照國(guó)內(nèi)約450萬(wàn)宏基站規(guī)模測(cè)算，預(yù)計(jì)5G基站電源市場(chǎng)空間有望達(dá)到約315億元，相較4G時(shí)期大幅提升。5G站點(diǎn)的移動(dòng)電源必須要由初期的8T8R形式逐漸演變發(fā)展為3D MIMO發(fā)展模式。雖然目前的電源供給已經(jīng)為原來(lái)電源供給量的3倍左右，但是實(shí)際上用電功耗和用電容量對(duì)于5G所要求的基站電源電量系統(tǒng)的強(qiáng)度來(lái)說(shuō)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

2 5G站點(diǎn)電源改造面臨的困境

5G移動(dòng)基站往往采用分布式基站形式。在完成基帶單元和射頻單元分離后，為了實(shí)現(xiàn)基帶單元的集中放置，電源被要求能夠?qū)崿F(xiàn)容納量BBU50個(gè)以上。5G基站站點(diǎn)的容納量越來(lái)越多，總功耗一般會(huì)達(dá)到100 kW以上[1]。然而，目前由于基站內(nèi)的機(jī)房空間比較狹小，散熱功能較差，供電和備電能力受到了極大限制，改造壓力較大。現(xiàn)有大部分分布式基站，BBU機(jī)柜占地面積9 m2左右，蓄電池組占地面積24 m2左右，大部分機(jī)房的空間容納力嚴(yán)重不足。配備的鋁酸電池較大，質(zhì)量很重，機(jī)房改造成本高，機(jī)房的承重能力也受到了極大威脅。5G站點(diǎn)對(duì)于數(shù)據(jù)流量的穩(wěn)定性和可靠性的要求更高，備用電源成為必須的首選。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，很多基站出現(xiàn)一些錯(cuò)誤服務(wù)或者中斷服務(wù)的原因，在于服務(wù)和傳輸?shù)倪^(guò)程中沒(méi)有備用電源。經(jīng)數(shù)據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，大概55%以上的網(wǎng)絡(luò)中斷現(xiàn)象都與數(shù)據(jù)電源的能源持續(xù)供給不足有關(guān)。傳統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)主要以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主，小范圍網(wǎng)絡(luò)中斷影響不大，且傳輸?shù)闹髟O(shè)備占據(jù)總體電源使用量的40%左右。現(xiàn)代5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)于連接的考驗(yàn)不是一個(gè)小范圍問(wèn)題，而是能夠針對(duì)于移動(dòng)支付、智慧城市、虛擬社區(qū)智能家庭無(wú)人駕駛、虛擬技術(shù)以及人工智能等更大范圍的連接，因此斷網(wǎng)將使得某些連接難以承受甚至出現(xiàn)安全隱患，通信電源的保障面臨著更大壓力。

3 5G移動(dòng)通信站點(diǎn)電源優(yōu)化應(yīng)對(duì)策略

3.1 直流系統(tǒng)升壓供電

直流升壓是將電池提供的較低直流電壓提升到需要的電壓值，基本的工作過(guò)程：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖——脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值——脈沖整流獲得高壓直流電，因此直流升壓電路屬于DC/DC電路的一種類(lèi)型。在使用電池供電的便攜設(shè)備中，通過(guò)直流升壓電路獲得電路中需要的高電壓。這些設(shè)備包括手機(jī)、傳呼機(jī)等無(wú)線通信設(shè)備，以及照相機(jī)中的閃光燈、便攜式視頻顯示裝置、電蚊拍等電擊設(shè)備等[2]。此外，有大功率直流升壓需要，如光伏電站、UPS等。當(dāng)前的直流供電系統(tǒng)將直流系統(tǒng)電壓不斷向上提升，可以支持5G要求的大功率大速率建設(shè)需求。這種系統(tǒng)升壓供電的方法基本不需要增加成本，可以很好地滿足運(yùn)營(yíng)商的使用需求，尤其是對(duì)某些機(jī)房空間的建設(shè)來(lái)說(shuō)，可實(shí)現(xiàn)大范圍的機(jī)房能源供應(yīng)效果。

3.2 站點(diǎn)疊光架構(gòu)配置

“節(jié)流”即在現(xiàn)有輸入條件下，提高站點(diǎn)能源的使用效率，使站點(diǎn)PUE無(wú)限接近1。主設(shè)備更新?lián)Q代的速度較快，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際效率已經(jīng)觸及天花板。電源的效率隨著華為公司推出98%的目前業(yè)界最高效整流模塊而達(dá)到新高。對(duì)溫控而言，以高溫電池管理為核心的高溫站點(diǎn)解決方案，能使室內(nèi)空調(diào)溫度調(diào)高10～20 ℃，節(jié)省站點(diǎn)溫控的巨大能耗[3]。5G使用總體功耗大，因此采用網(wǎng)絡(luò)基站引流的方法交互使用，可以避免交流電改造失誤，實(shí)現(xiàn)供電的統(tǒng)一監(jiān)控，智能調(diào)度太陽(yáng)能，既可以節(jié)約電力資源，又可以降低電費(fèi)的支出。同時(shí)，采用這種基于傳統(tǒng)太陽(yáng)能供電基礎(chǔ)上的新型智能開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，可以在不同供電手法上智能切換，一定程度上減少了應(yīng)急發(fā)電的次數(shù)，降低成本的同時(shí)又可以有備無(wú)患。目前，站點(diǎn)疊光的方式已經(jīng)在一定范圍內(nèi)開(kāi)始試點(diǎn)。小范圍的試點(diǎn)表明，采用該方法改造后，每個(gè)基站需要2萬(wàn)元左右的系統(tǒng)花費(fèi)，但是后期用電費(fèi)用和發(fā)電投資費(fèi)用每年可以節(jié)約3.8萬(wàn)元，效益顯著，有效供電提升量約30%，具有強(qiáng)操作性。實(shí)際應(yīng)用中，站點(diǎn)電源疊光主要需解決三大問(wèn)題——如何降低部署成本、太陽(yáng)能發(fā)電更加高效以及統(tǒng)一管理界面。當(dāng)前，疊光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，站點(diǎn)疊光能夠帶來(lái)切實(shí)持續(xù)的效益。

3.3 鐵鯉電池備用電源的使用

鐵鋰電池是鋰電池家族中的一類(lèi)電池，正極材料主要為磷酸鐵鋰材料。與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池在工作電壓、能量密度以及循環(huán)壽命等方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)。鐵鯉電池可以循環(huán)放電，它的能量、體積以及工作溫度被實(shí)驗(yàn)證明優(yōu)于傳統(tǒng)的蓄電池。在同樣體積情況之下，它的備電能力是傳統(tǒng)鉛酸電池的2倍以上，可以有效節(jié)省空間，解決5G基站要求規(guī)模不大、傳輸能量卻更高、電源要求承載量更高的問(wèn)題。目前，鐵鯉電池在一定范圍內(nèi)推廣使用的過(guò)程中，價(jià)格偏高制約了其使用。如果能夠適當(dāng)降低其制作成本，那么該電池可以在部分機(jī)房承重能力受限的情況下開(kāi)始過(guò)渡性使用。具體使用過(guò)程中，既可以使用該電池組進(jìn)行單獨(dú)的備電（適用于各種苛刻的環(huán)境），也可以采用多電池組的階梯式電源應(yīng)用備電，篩選出可以用的電池單體，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)電池進(jìn)行配對(duì)，重新重組成電池組。電池組的維護(hù)需要與信息化技術(shù)相結(jié)合。在運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，能夠隨時(shí)監(jiān)控容量的衰減。目前，最受業(yè)界歡迎的是可循環(huán)的、壽命長(zhǎng)的、耐高溫、性能好且可以控制其容量變化的電池組[4]。智能化的電池組遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的單體電池組，且在備用電子體重方面基本上可以做到98%不出錯(cuò)。

4 結(jié) 論

5G需要大規(guī)模建立超密集立體化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)基站電源等基礎(chǔ)設(shè)施配置和設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，將是對(duì)通信電源新技術(shù)和新設(shè)備應(yīng)用的創(chuàng)新性延伸。因此，在5G電源使用和部署過(guò)程中，必須要強(qiáng)有力地支撐未來(lái)5G的快速部署需求，因此備電功能需要考慮電池組的高強(qiáng)度應(yīng)用。為了能夠使用5G網(wǎng)絡(luò)，為家用、商用、大規(guī)模的公共設(shè)施應(yīng)用和工程運(yùn)營(yíng)等移動(dòng)通信需求提供良好的連接支持，取得更顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，必須創(chuàng)新5G的電源應(yīng)用方法，使其能夠適應(yīng)更高容量的提供需求，并且能夠適應(yīng)24 h惡劣的自然條件。