5G基站電源技術存在的問題及改進措施研究

張文重

（北京誠公管理咨詢有限公司，北京 100000）

0 引 言

5G是第五代蜂窩移動通信技術，其數據傳輸速度是4G的100倍，網絡延遲低于1 ms，實現了人機物互聯。5G基站可以實現無線信號的傳輸，是5G網絡順暢使用的基本保障。5G基站需要滿足龐大的5G網絡需求，充足的電源供應是當下需要解決的難題。

5G網絡設備電能消耗較大，需要增加相應的供電設施[1]。隨著移動通信技術的發展，5G比之前的2G、3G、4G的覆蓋率等有很大的提升。無線通信網絡覆蓋半徑如表1所示。載波頻率越高則電磁波衰減越大，這就意味著蜂窩系統覆蓋半徑越來越小。當然，影響覆蓋半徑的除了載波頻率外，還有用戶密度和自然環境。

表1 無線通信網絡覆蓋半徑

基站電源系統主要由直流供電系統、交流供電系統以及接地系統3部分組成，如圖1所示。直流供電系統包括傳輸設備、蓄電池組和開關電源等；交流電源系統包括發電機、交流配電箱和保護器等。

圖1 基站供電系統

1 5G基站的基礎建設需求

早期的5G網絡基站建設是在基站的一側建立基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）+有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）單元，其中BBU安裝在室外機柜或者機房，AAU和集成遙控射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）則安裝在室外[2]。5G基站的結構圖如圖2所示，5G機房的電源參數如表2所示。

表2 5G機房電源參數

圖2 5G基站結構連線圖

2 5G基站電源技術存在的問題

5G網絡的普及意味著需要快速建立更多5G網絡基站，但是5G基站的建設一般是采用能夠實現幾代單元集中放置的分布式基站形式。目前，新建一個5G基站的投資是4G基站的3～4倍。每個5G基站必須要配備電源柜、室外機柜、天線等，再加上蓄電池和鐵塔的成本，一個5G的宏基站硬件設施建設需要高昂的費用，而這還不包括相應的人工費用和場地費用[3]。

除此之外，原來狹小的基站不能滿足5G網絡的需求，若是進行改造，則需要非常大的改造成本。有些可以容納足夠數量的BBU設備，但是會大幅度增加備用電的功耗。要想滿足用電需求，就要提高設備的供電能力或增加電源設備[4]。一旦基站機房空間不足，就會影響通信設備的安裝，并且限制供電設備的投入使用。如果強行加入大量電源設備，就會導致設備無法正常散熱引發事故。5G的應用范圍較為廣泛，包括移動支付，VR/AR、遠程醫療、人工智能以及無人駕駛等。根據以往通信網絡服務的數據研究，傳輸設備一半以上的網絡中斷都是由于缺少相應的后備能源供應。由于中斷網絡信號可能會造成很大的安全隱患，因此可靠的基站備用電源是基站建設時必須要考慮的問題，持續供電能保證網絡的高速率、低延遲、高穩定[5]。

3 5G基站電源的改進措施

3.1 站點疊光

由于5G基站能耗較大，基站交流引入改造難度很高且費用昂貴，因此可以在基站中應用光伏發電系統，利用太陽能發電，如圖3所示，降低部署成本并實現節能減排，提高基站的供電容量。站點疊光是通過新型的電源開關智能調度太陽能、市電和蓄電池的使用。優先使用太陽能供電，從而降低市電輸入，節約電費成本。以蓄電池作為后備電源，既保證了電能的持續供應，也降低了蓄電池的損耗。

圖3 5G基站太陽能供電

改造老舊基站的電源，在原有的電源基礎上升級疊光技術，在電源供應單元（Power Supply Unit，PSU）和半導體存儲單元（Semi-conductor Storage Unit，SSU）兼容混插的熱插板上添加太陽能配電單元，不僅節約成本、工程量小，還可以減少空間的利用[6]。通過疊光供電方案引入太陽能供電，可以在不同場合下支持疊光演進，在智能可靠、節能減排的前提下降低了5G基站電源技術投入成本。

3.2 高壓直流遠供

利用高壓直流遠供技術可以實現遠程大容量的輸電工程，彌補了基站容納能力不夠的缺點。通信機房中的電源設備有兩種類型，分別是半波整流設備和全波整流設備。全波整流設備通過管段和電力二極管將交流電轉化成直流電，實現電路的通暢運行。半波整流設備通過直接將交流電轉換為直流電和后備電源為設備進行供電，系統簡單、成本低，滿足5G基站的基本供電需求[7]。

現有的直流供電系統通常采用的系統電壓為-48 V，安全性較高，但是電壓等級低，電源功率小，無法滿足5G基站的設備消耗和供電需求[8]。應用5G基站電源技術，通過遠端基站調壓給設備供電，高壓直流供電系統的電壓大于-48 V，可以大幅度地提升電源系統的供電功率，減少電纜線徑，節約成本。在市電不能增容的情況下，高壓直流遠供可以解決部分站點電力引入困難的問題，根據遠供站點的總需求電量配置相應容量的蓄電池組。

3.3 蓄電池的改造

隨著5G設備用電量的大幅增加，后備儲電設備就變得尤為重要。鋰鐵電池比傳統的鉛酸電池更適用于當前的5G基站電源供應，可以更好地解決基站承重不足、機房散熱差和占用空間較大等問題[9]。雖然鋰鐵電池的價格和傳統的鉛酸電池相比是非常高的，但是它有效解決了5G基站的容量和后備電源問題。鋰鐵電池在實際應用中需要的費用很高，在實際應用中可以根據實際情況單獨備電或者和傳統的鉛酸電池配合使用。部分機房內部構造非常復雜并且承重能力小，為了保障用電的穩定性和安全性，就需要使用鋰鐵電池，這樣不僅使機房在安全的溫度范圍內降低空調的使用能耗，實現節能減排，也降低了對基站機房的空間壓力。如果基站原本安裝了傳統的鉛酸電池并且使用狀況良好，可以更換部分新型的鋰鐵電池，通過電池合路器實現兩種電池的配合使用，優化蓄電池的使用方式，在提高基站備電能力的前提下降低成本并提高了安全系數[10]。

4 結 論

5G技術的出現改變了人們的生活方式，開創了新一代的萬物互聯時代。5G通信網絡具有速率高、延時低、大帶寬等優點，但是對基站的整體要求較高，在運行中需要有相應的配套電源供應技術作為保障。隨著人們多樣化需求的不斷增加和科技的不斷發展，在建設5G基站的過程中需要對相應的電源技術不斷更新，同時采取合理的技術手段對5G基站建設中出現的各類問題進行解決，不斷優化和完善相應的技術體系，讓5G網絡為人們帶來更多的便利。