5G通信基站電源供電及備電策略探討

高云磊，劉利男，王 超

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司，河北 石家莊 050000；2.中國鐵塔股份有限公司石家莊分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

5G作為新一代通信技術，具有快速、低延遲時間等特點而備受人們青睞，在超清視頻、無人駕駛汽車、人工智能、遠程醫療系統等行業具有廣泛的應用前景。5G技術應用對通信基站的配電及備電要求更高，對5G通信基站的建設提出了非常大的挑戰。伴隨著5G相關新技術的完善，通信基站配電及備電為5G技術的推廣與運用提供了技術性保證。

1 5G關鍵技術及基站簡介

5G是當今最先進的蜂窩通信技術，與4G網絡技術相比，可達到10 Gb/s，提高10倍以上，在流量10 Tbs/km2范圍內，具有極高的速度、低延遲、能源消耗小，微成本等特點。

5G是基于蜂窩通信網絡，它把信號的覆蓋范圍分成幾個蜂窩網絡區域，在終端設備上聲音、短視頻、圖像等以比特流數據的方式與收取和發送機器設備開展通訊。5G通信系統綜合性運用了超密異構網絡，解決了傳統式通信系統中數據傳輸速度低、網絡延遲高的問題，狹小的數據信息容積和異構體的網絡安全管理問題，符合移動通信技術發展的新趨勢。

5G通信基站一般搭建在混合結構的根基上，以確保通訊品質的平穩、可靠、可擴展性和管理便捷。5G通信基站選用MassiveMIMO技術，靈活運用空間資源，提升了通信系統的穩定度和頻帶使用率。

2 5G移動通信技術特點

5G移動通信技術通過D2D通信(5G網絡通信中的一項關鍵技術)，新一代編碼調制短幀設計，對信號和網絡進行優化，實現低延遲和高可靠性；超聚集組網方案、規模性無線天線列陣、新的多址、高頻率通訊、靈便的全雙工/雙工，使網絡熱點覆蓋變成可能；選用新的多載波通信和新的編號調配，形成了大連接物聯網。

從網絡性能參數來看，5G網絡可達10 Gb/s ；就大中型設備通信來講，5G網絡的通訊容積為1 000 000/km2；從高靠譜、低延遲視角考慮，5G網絡平均網絡延遲可達1 ms。5G網絡比4G網絡的傳輸速度和連接工作能力提升了100倍，網絡延時降低到100倍。由此可見，5G現代通信技術在網絡重要指標之上擁有非常大的提升，而特性的提高將推動網絡業務的迅速發展[1]。

3 5G通信基站供電和備電系統的要求和挑戰

3.1 基臺結構及形態改變

5G基站部署可分成CU-DU合并部署、CU云化－DU分布式部署和CU云化－DU集中部署3種方法。在CU-DU合并布署方法中，CU和DU這2個模塊設定在同一局站內，DU根據拉遠方法連接AAU。CU云化－DU分布式部署方法，每一個DU都坐落于局站內，各DU根據拉遠方法連接AAU，而CU集中化設在局站內。CU云化－DU集中部署方法，DU集中化設定于一臺局站，CU集中化設于一臺，DU的局站根據牽引方法連接好幾個AAU。5G基本建設的前期，部署將展現出多元化的工作要求，CU-DU合并部署方法廣泛運用。

3.2 通信基站能耗轉變

隨著5G通信技術性能參數的顯著提升，通信基站用電量大幅度提升。5G基站AAU相對于4G通信基站8T/8R無線天線來講，應用64T/64R天線陣，無線信道數額顯著提升，使AAU的整體電能損耗大大增加。每次5G基站系統軟件（通信基站和天線輸出功率之和）是4G通信基站系統軟件功耗的4～5倍，因而通信基站原來配電及備電系統將帶來巨大的挑戰[2]。

3.3 基站供電和備電系統面臨的挑戰

隨著5G網絡的建設，基站供電和備電系統主要面對的是市電量、開關量、后備電量、散熱性和拉遠供電和備電等方面的挑戰。

3.3.1 基礎設施變更

與4G不同的是，5G基站的接入層結構也有所改變，從BBU和RRU雙層構造進一步優化到CU、DU、AAU等3層構造。該優化算法中，CU由原先的BBU中非即時部分切分而成，用以解決非實時協議和服務項目；DU是對BBU的剩余作用的重新定義，承擔并行處理協議和服務項目；AAU是與初始RRU和無線天線的mac層處理功能融合。這類層次化主要是為了更好地達到5G應用領域的需要。5G具備分塊作用，所謂分片主要是依據不同的業務流程把一張物理互聯網分為多個邏輯性網絡，以達到不同的應用領域。依據5G規范，CU、DU和AUU可以靈活組成，一共有4種情況：第一種是CU-DU共硬件配置部署，類似傳統式的4G宏基站；第二種是CU的集中化部署，DU部署在4GBUU計算機房；第三種是DU集中化部署，CU集中化部署在較高的網絡層上；第四種為CU和DU集中部署，類似于4G的C-RAN。

當今，我國依然是以1BBU+3AAU這樣的設定方法為主導，這關鍵是以價格和技術成熟度兩層面考慮?；A設施建設的更改必定會造成電力工程需要的轉變，為了更好地達到5G通信基站的發展規定，需要對原來的供配電系統開展更新改造或復建。

3.3.2 5G通信基站功能損耗的轉變

5G通信基站功能損耗的轉變具體表現在兩個層面。首先，每臺功能損耗的轉變，5G通信基站因為AAU選用MassiveMIMO技術，使無線天線由2/4/8個提升到64/128/256個，進一步提高了機器設備的輸出功率。一般而言，現階段5G通信基站的輸出功率大概是傳統式4G通信基站的3～4倍，因而原供配電系統設計方案需要依據現階段5G通信基站的電力工程要求轉變開展必要的更新改造，或是重建，以達到通信基站功能損耗的轉變。此外，5G通信基站相對密度大幅度提高，依照當今5G標準要求，5G技術的運用頻率遠遠高于傳統式2G、3G和4G網絡。根據數據信號損耗的特性，5G基站的密度遠高于傳統的2G、3G和4G基站，頻率的衰減更大。根據有關資料，5G基站單元面積至少是4G基站的2～3倍，甚至6倍。這就使現有的電網遠遠無法滿足5G基站的需要。

3.3.3 傳統供電中的實際問題

在5G通信基站建設中，傳統式的配電方法主要面臨幾個層面的挑戰。第一，直達配電比較困難，一方面，市容量比較有限，另一方面是直供電需對現有市電進行大幅改造，需大量的建設資金。二是電池電量不能達到具體需要，部分通信基站因容積比較有限，需要增加充電電池，依據具體運作結果顯示，每增加一套5G設備，需配置500 Ah充電電池，充電電池的提升將造成通信基站面積不足。再者，AUU機器設備配電規定（48 V）特殊，導致配電間距不適宜太長，極限間距在70 m上下，配電間距提升，充電電池充放電容積減少，而配電間距不夠，又影響AUU部署，因而，電池電量不能很大。第三，排熱問題，5G通信基站輸出功率的增大會導致排熱問題，部分通信基站所處環境問題，并沒有裝空調的物理標準，并且空調需要按時除灰，維護保養比較困難，空調噪聲也會產生。此外，也面臨著塔桿配電不夠、遠拉配電、高壓直流電變換等問題[3]。

4 5G基站供電與備電系統解決方案

通過對4種方案的分析，提出了提高供電、備電系統效率、提升遠供電和備用電壓、就近取電和基站蓄能4種方案。

4.1 改善供電和備用系統的效率

目前，通信基站開關電源電路的輸出功率變換效率早已比較高，在現階段的輸出功率變換效率下，效率點再提升1%～2%，必定會大幅提升開關電源產品成本?？筛鶕紤]提升全部通信基站配電和備電系統的效率，將重點從單一開關電源的變換效率遷移到全部配電及備電線路的配電和備電效率，進而減少配電和備用系統的輸出功率耗損。

4.2 提高電源和備用電壓

當AAU拉遠電源和備用電源情況下，采用48 V電壓制式會造成供電和備電距離過小等問題，可通過提高供電電壓和備用電壓來解決這個問題。高壓電源可選用240 V/336 V高壓直流電源或直流遠電源、備用電源等，但此種高壓電源配置較多，存在觸電安全隱患。另外一種供電、備電方案是以小幅度直流升壓方式進行供電和備電。在57 V電源和備電電壓下，5G制式電源和備用電源的距離從70 m擴展到200 m[4]。

根據一些較小幅度提升工作電壓，可擴大牽引配電和備用電源的間距，防止了高壓電擊的問題，但在DC-DC電源的制定中提高了DC-DC電源，引進了單一化故障點，導致配電和備用系統穩定性降低。

4.3 近距電池充電

當取電成本費較低時，不選用調遠配電和備電，而以就近原則取電方法配電和備電更為經濟。殊不知，因為營運商的通信基站總數大，通信基站基本建設情景繁雜，因而對調遠、預留電、就近原則取電等應依據具體情況開展有效挑選。

4.4 應用通信基站儲能

在通信基站原備鋰電池組的前提上，可提升鋰電池，科學安排峰谷電價時段差，或在通信基站用電量最高值時由動力電池給予部分用電量，以降低電壓擴充產生的極大投入。

4.5 轉供電轉為直配電

在目前，“轉供電+直配電”方式的選擇，是5G產業鏈發展時期的無奈。盡管轉供電非常容易完成，但中后期維護保養和管控較為困難，與業主部門有直接關聯，此外轉供電成本費比直配電高，通常超出0.3～0.5元/kW，這對通信基站開店選址的影響比較大。就5G通信基站建設來講，直配電是未來配電的必然趨勢，全國各地政府部門也已意識到5G用電量問題，頒布了各種轉供電改直配電的相應制度。除此之外，直配電完成了水電費包干，中后期的監管維護保養相對容易，有益于5G通信基站的發展。

4.6 電池供電技術保證

目前，電池應用中存在著容量、體積、質量、溫度控制和安全性等諸多問題。為了滿足5G技術發展的需要，應持續提升用電量構造，盡可能縮小備電負載，改成應用鋰電或其他密度高的、環保的充電電池。針對備用電源的選取，可以選用近遠配電設備緊密結合的備電對策，在近端配小充電電池，在遠端大中型通信基站或通信基站配備分享大充電電池。此外，根據開關電源和充電電池的相互配合，可以讓充電電池取代開關電源開展調峰配電，減少通信基站對外部電壓的要求。

4.7 應用直流高壓電源

高壓配電技術應用主要是處理長距離配電（1～2 km）問題。當5G通信基站AAU需要直接用48V配電時，配電時間短（70 m上下），電源電路電流量非常大，可以挑選高電壓（如240 V）等。采用高電壓平臺時，同樣要處理變壓的問題，如直接選用高壓配電，不需變壓，否則需額外增加設備。其他設配，如通信傳輸設備、安全裝置、數據信息機器設備、動環監控機器設備等務必與高壓工作電壓保持一致，此外，高壓平臺的運用對檢修作業和檢修功能的需求也變得越來越高[5]。

4.8 POE網絡供電技術的應用

采用網線POE供電的皮基站選型RRU可采用網線POE供電。本技術的供電間距通常在100 m之內，如需提升機器設備，通?？山o予20～50 W的開關電源，AAU的工作標準電壓應是48 V，而網絡線通常挑選超6種網絡線，根據供電系統的輸出功率可分成低輸出功率線對（單纜4對8芯）和大功率（雙纜8對16芯）。此外，必需的維護體制還應包含兩個層面。一是一類人機維護機制，能及早檢驗短路故障及超載超限，確保維修人員及設施的安全性；二是路線避雷維護，要做到相對應規范，保證防觸電。

5 結 論

隨著5G網絡建設工作開展，在通信基站配電和備電系統中的市場容量、開關量、儲備電力工程、排熱、調遠配電和備電等層面將遭遇愈來愈多的挑戰。領域內對這些問題沒有一致的共識，都沒有尋找很好的解決方案，還需要運營商、鐵塔公司、生產商、規劃設計院、實驗室等多方面協作，找尋一條穩定、合理、經濟的通信基站配電及備電技術性解決方法。