5G電源技術現存問題及改進方案探析

唐振福

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

現階段，互聯網和物聯網更新速度增快，使得4G網絡無法滿足現代新型業務的需求。業務需求的提高，引領著科技的不斷創新，使得5G成為人們關注的熱點。因為5G需要具備更高的能力，如超高速率、超低延時、海量信息以及廣覆蓋等，所以對5G電源提出了更高的要求。因此，站點建設需要考慮電源是否滿足5G的運行[1-2]。我國作為較早研發5G技術的國家，為了加快網絡強國建設，贏得未來國際競爭新優勢，更加重視5G電源面臨的問題，并展開了一系列分析研究。

1 5G站點電源的發展趨勢

與4G站點不同的是，5G站點在建設結構上有了很大的提高。它不再應用傳統老模式，而是在采取高低頻搭配的同時，應用超密集立體異構網模式進行建設。這種模式的能耗效率較高且網絡信號極強，但小基站在運行過程中存在覆蓋范圍較小的缺點。此外，4G時期40～80 W的輸出功率已經無法滿足5G的運行，需要將基站設備AUU單扇區的輸出功率提高到200 W以上甚至更高，所以基站電源需要很大的擴容需求。由5G的技術特點及其發展趨勢可知，它對頻譜資源的需求更寬，不僅要將頻率提高到3 GHz以上，還要縮短基站之間的距離。距離的縮短需要更多的數量來滿足需求[3-4]，因此5G站點的移動電源由初期的8T8R形式演變為3D MIMO發展模式。雖然現階段的電源供給與原電源供給相比是后者的3倍左右，但就實際用電功耗和電容量而言還遠遠不夠。未來的5年，預計會新增邏輯站超過1 000萬個。

2 5G站點電源的問題與挑戰

2.1 5G供電需求增加導致的全站點建設無法全部覆蓋

我國三家運營商5G新頻段的引入導致供電需求過高，對站點建設的覆蓋力度是很大的挑戰。5G的移動電源發展成3D MIMO后，容量是原來的3倍左右，用電功耗是原來的1.1倍左右。基站電源系統需要考慮多方面問題，如要交流空開保留足夠的裕度、為大功率電源預留足夠容量以及要備電預留足夠余量[5]。

2.2 5G站點對可靠性有更高要求，備用電源存在不足的情況

相對于2G、3G以及4G這些網絡范圍較小的網絡來說，5G網絡需要更廣泛的業務進行服務，如移動支付、虛擬社會、VR/AR、無人駕駛、AI智能以及智慧城市等。5G站點需要更高的可靠性，需要有足夠的備電給予保障。備用電源時刻做好保障，才可以更好地維護數據流量的穩定可靠。電源消耗過高，備用電源不足導致斷網，帶來的影響十分嚴重。因此，建設可靠基站需要重點考慮備用電源問題[6-7]。

2.3 機房設施受限，改造壓力較大

在建設5G移動基站時，分布式基站是首選方案。不但可完成基帶單元和射頻單元的分離，還有利于基帶單元的集中放置，降低與物業的協調難度以及對機房新建與租賃的需求[8-9]。考慮到三家運營商的共享，為實現集中放置，要求電源能夠容納20個以上的BBU。但是，機房空間的限制會使基站內部空間不足，導致散熱能力較差，且供電和備電的能力受到限制，改造價格昂貴。此外，BBU的堆疊放置對設備有較高的要求，因為鉛酸電池體積較大且質量較大，所以機房的承重將受到嚴重限制，是面臨的一大挑戰。

3 5G站點電源的優化及問題解決方案

3.1 直流系統升壓供電情況

直流系統升壓供電是極具優化的解決措施。直流升壓是將電池提供的較低的直流電壓提升至所需電壓值，不僅可以滿足5G的大功率模塊，還大大降低了線纜成本。在高效節約的情況下，這可以減小電力電纜中通過的電流，從而減小需要的電纜面積，降低線纜的采購成本。這種方式不僅滿足運營商的使用需求，還可以更合理地建設機房空間，節省空間的同時實現大范圍供電。升壓操作不影響任何用電設備的工作，也不需要新增設備，只要設定直流供電系統的電壓值即可[10]。

3.2 站點疊光架構配置

5G站點設備的耗電龐大，且基站交流在引入改造過程中的難度較大，費用較高。為防范引入改造，需通過疊加光伏發電系統來提升整個供電容量。站點疊光是在傳統的太陽能供電系統基礎上展開進一步的升級工作，利用新型的智能開關電源實現供電的統一監控。通過合理運用太陽能，不但可以降低市電的輸入，還可以節約電費的支出，減小成本壓力，減少應急站的發電次數。小范圍的試點實踐表明，這種方法減少了大量費用，每年發電投資費用可節省3.8萬元，效益顯著。實際應用期間，站點電源疊光可降低成本并統一管理界面，使太陽能發電更加高效。

3.3 直流遠程供電

除了直流系統升壓和站點疊光架構配置，直流遠程供電系統也是較好的選擇方案。直流遠程供電系統由局端設備、光電混合纜以及遠端設備3個部分構成。它不僅可以將機房內部的電源隔離升壓，還可以通過光電混合纜以最大的效率進行遠距離輸送，可為其他設備提供24 h的穩定供電。

直流遠供系統的應用場景多，如村里的網絡、校園網以及辦公網絡等。各種寫字樓、商場、高鐵以及WLAN覆蓋的住宅區、機場、火車站等，也都是直流遠供系統的應用場景。

直流遠供系統具有很多優點。當存在市電停電現象時，直流遠供系統可以保證基站正常工作；可與電業部門接入市電協調；可以節省戶外UPS，消除電源長期維護費用；選址時不受市電的影響；線路施工方便，不需要專門的設備提供投資；幾乎無維護費用。此外，直流遠供系統安全可靠，不會因為短路和漏電因素影響運行。

3.4 鐵鋰電池作為備用電源

鐵鋰電池與傳統的鉛酸蓄電池相比，工作溫度范圍較廣。鐵鋰離子電池在工作電壓、能量密度以及循環壽命等方面具有顯著優勢。與同體積的鉛酸電池相比，鐵鋰電池的備電能力是鉛酸電池的2倍，能有效解決機房承重不足的問題。鐵鋰電池可以有效節省空間，從而解決5G基站對電源承載更高的問題。鐵鋰電池在通信基站中的應用通常有3種模式。

3.4.1 鐵鋰電池的單獨備電

對于樓板荷載能力處于較低水平的機房，可應用鐵鋰電池代替鉛酸蓄電池進行工作。鐵鋰電池雖然體積小，但是能量高，既可以降低機房樓板的承重，又可以提供高能量的工作。加上鐵鋰電池的工作范圍寬，可以提升機房內空調設置的溫度，從而降低空調的運行能耗，起到節能減排的作用。

3.4.2 鉛酸蓄電池與鐵鋰電混搭

通常電池之間不可以進行混用，但鉛酸蓄電池和鐵鋰電池可經電池合路器展開系統的混搭使用。除可提升基站的備電能力外，還可以優化基站蓄電池資源，一定程度上降低通信網絡的建設成本和運營維護成本。這種模式實用且實惠[11-12]。

3.4.3 梯次電池應用

梯次電池是動力鋰電池的二次使用。既往的鉛酸蓄電池無法保證在高溫場景下使用。在兩類市電環境溫度無法保證高溫場景和4類市電場景作為備電使用時，傳統鉛酸電池壽命會大幅下降。這種場景下，適合梯次利用動力鋰電池循環壽命長、耐高溫性能好的優點進行供電。但是，目前梯次利用動力鋰電池的退役電池數量太少，不能夠形成規模化的處理。隨著技術的日益成熟，梯次電池將廣泛應用于5G基站備電儲能。

4 結 論

5G需開展對超密集背景下立體化異構網絡的構建，使得基站電源等基礎設施設計和配置面臨挑戰。因此，在部署和使用5G電源時，需著力滿足未來5G在快速部署方面的要求，考慮電池組具有的高強度備電功能。使用5G電源為工程運營和公共設施等多元化移動通信提供理想連接，獲取的社會效益和經濟效益較為顯著。因此，需不斷創新應用5G電源，增加社會經濟效益。