5G站点电源面临的挑战及解决方案研究

2018-10-15李杰

通信电源技术 2018年8期

李杰

（广州杰赛科技股份有限公司，广东广州 510310）

0 引言

随着工业互联网、物联网、车联网等业务的不断发展，当前LTE网络已经无法满足新业务飞速发展的需求，技术更加先进的新一代移动通信网——5G网络成为了关注焦点。5G网络以可持续发展的方式，解决超千倍移动数据的增长需求，提供超高速率、超低时延以及海量连接等多场景的一致性体验，最终实现“信息随心至，万物触手及”的愿景。

我国是世界上较早开展5G技术研究的国家之一，在技术研发、网络建设与应用创新方面皆取得阶段性成果，具备大规模部署的基础和条件。构建高速率、广普及、全覆盖与智能化的下一代移动通信网，是加快网络强国建设、加速国家信息化进程、助力经济社会发展以及赢得未来国际竞争新优势的紧迫要求。

1 5G站点电源演进趋势

5G站点建设采用高低频搭配与宏微协同的超密集立体异构网模式，微小基站在运行过程中普遍具有覆盖范围偏小的缺点，然而其能耗效率较高，网络信号极强。微站发射功率一般为1～5 W或是百毫瓦级，覆盖范围较为有限。相比于宏站，微站的体积和重量大约只有一半，使用灵活，安装便利，可与宏站相结合，作为宏站建设方式的一种有利补充，有效提升立体覆盖效果。从5G的技术特点与发展趋势来看，5G的频谱资源需求宽，需要用到3 GHz以上的频率，同时基站站距变短，5G网络基站的数量将远远大于4G网络[1]。未来5年，预计新增逻辑站超过1 000万。考虑三家运营商共享情况，至2020年站点最大典型功耗将达到30 kW以上，站点平均功耗达到20 kW，到2022年相对于2018年站点功耗将翻倍。5G站点功耗统计及预测情况如图1所示。

图1 5G站点功耗统计与预测

2 5G站点电源面临的挑战

2.1 5G新频供电需求增加，站点建设需提前考虑

随着三家运营商5G新频段的引入，供电服务需求增加，三家共享站点总功耗需求达30 kW以上。5G设备由初期的8T8R发展到3D MIMO，容量是原来的2.5～3倍，用电功耗将是原来的功耗1.1倍左右。因此，对基站电源系统而言，需要做以下考虑：（1）交流空开保留足够裕度；（2）大功率电源（600 A）预留足够容量；（3）备电预留足够余量。

2.2 5G站点要求更高的可靠性，备电成为必需

基站退服原因统计如图2所示，经分析，在基站退服原因中，传输及主设备原因占40%左右，而50%以上网络中断是与能源相关的。对2G、3G以语音业务为主的网络来说，小范围的网络中断影响面相对较小，4G网络小范围中断影响也还在可控范围内，而5G网络主要应用于移动支付、智慧城市、虚拟社会、VR/AR、无人驾驶、人工智能以及4K等“万物互联”业务，断网影响难以承受，通信保障压力空前。因此，可靠的基站后备电源是基站建设中必需要考虑的事项。

2.3 机房空间、散热、供电和备电能力受限，改造压力大

分布式基站（BBU+RRU）完成了基带单元和射频单元的分离，有利于实现基带单元的集中放置。集中放置优点在于降低机房的新建和租赁需求，降低物业协调难度[2]。考虑3家运营商共享的情况，5G网络集中放置站点容纳BBU数量将在50个以上。此时，站点总功耗可能达到100 kW以上，且依照移动公司备电7小时的要求，需配置容量高于18 kAh的蓄电池，2个BBU机柜综合占地面积达9 m2以上，蓄电池组占地面积维持在24 m2左右。现有大部分机房的空间、供电和散热能力均不足，需进行机房改造，改造成本高昂。同时，由于BBU堆叠放置备电要求较高，铅酸电池体积大、质量重，机房承重严重受限。

图2 基站退服原因统计

3 应对方案

3.1 站点叠光

5G站点设备用电总功耗庞大，现网基站交流引入改造难度大且费用高，为避免交流市电引入的改造，可通过在具备条件的基站中叠加光伏发电系统，提升基站整体供电容量。同时，做到利用自然能源，实现节能减排的目的。

站点叠光是在传统太阳能供电系统的基础上，利用新型智能开关电源系统，实现供电统一监控，智能调度太阳能、市电和蓄电池的使用，实现太阳能优先供电。在正常情况下，通过使用太阳能，降低市电输入，节约电费支出；而在断电时，优先使用太阳能，蓄电池作为备用，有效降低蓄电池损耗，并在一定程度上减少应急上站发电次数，降低成本。

从前期的试点情况来看，经叠光改造后，虽然系统建造成本需花费2万元左右，但后期用电电费及油机发电投资每年可节省3.76万元，效益可观。站点叠光的ROI分析如图3所示。

3.2 直流系统升压

当前，常用直流供电系统电压为-48 V，可将直流系统电压升至57 V输出，支持5G大功率模块，降低线缆成本。同时，在系统电压升高后，相同的负载功耗情况下，电力电缆中通过的电流减小，从而减小所需电力电缆的截面积，实现降低线缆采购成本的目的。升压操作只需设定直流供电系统的电压值即可，无需新增供电设备，也不必增加任何额外成本，不影响用电设备的正常工作。不同电压情况下拉远距离对比如表1所示。

图3 站点叠光ROI分析

表1 不同电压拉远距离对比（单位：m）

3.3 铁锂电池备电

铁锂电池在循环放电次数、能量体积比与工作温度范围方面均优于铅酸蓄电池。在体积相同情况下，铁锂电池的备电能力是铅酸电池的两倍，可有效解决机房承重不足的问题。由于新铁锂电池的采购价格较高，一定程度上限制了铁锂电池的大范围推广使用。铁锂电池在通信基站使用的常见模式如下。

（1）铁锂电池单独备电。在部分机房楼板承重能力或机房空间受限的基站，如租用民房等楼板荷载能力较低机房情况下，可使用铁锂电池代替铅酸蓄电池。凭借铁锂电池的高能量、小体积特性，降低对安装空间与机房楼板承重的要求。同时，由于铁锂电池的工作温度范围较宽，可将机房内空调的设置温度升高，降低空调运行能耗，实现节能减排的目的。

（2）铅酸铁锂电混搭。一般情况下，不同厂家、不同时期、不同容量乃至不同型号的蓄电池不能混用。可通过电池合路器，实现铅酸蓄电池与铁锂电池的混搭使用，提高基站备电能力，实现对现网基站蓄电池资源的优化，降低通信网络的建设和运营维护成本。

（3）梯次电池应用。梯次电池理论上是对原应用于电动汽车，容量衰减至初始容量80%的“退役”动力锂电池实施二次使用。动力锂电池梯次利用的流程主要为：（1）退役动力电池回收；（2）动力电池拆解，获得电池单体；（3）筛选出可用的电池单体；（4）根据需求对单体进行配对重组成电池组；（5）系统集成与运行维护。

在三类市电环境温度无法保证的高温场景以及四类市电场景作为备电使用时，传统铅酸电池寿命会大幅下降，而梯次利用动力锂电池循环寿命长、耐高温性能好的优点能够在上述场景中实现经济性应用。

当前，梯次利用动力锂电池的主要问题是退役动力锂电池数量少，退役动力锂电池梯次处理难以形成规模化。随着梯次电池应用技术的日渐成熟，铁塔公司已在全国范围内大力推广梯次电池，广泛应用于5G基站备电储能、削峰填谷和新能源站点等建设场景。

3.4 直流远程供电

直流远程供电系统由局端设备、远端设备和光电混合缆三部分组成。它可以将机房内稳定的-48 V电源隔离升压到DC250～DC410 V，并通过光电混合缆或电力电缆以最大效率远距离输送至远端设备，远端设备进而将直流高压变换成DC48 V、DC280 V或AC220 V电压为负载（RRU）、微基站以及室外综合接入机柜等设备提供24小时稳定的、在恶劣条件下免维护的供电。

直流远供系统可应用于如下覆盖场景：（1）点对点（村通工程、校园网络覆盖、小容量基站、RRU以及拉远基站等）；（2）点对多点（室内分布式系统覆盖、商场、超市、写字楼以及住宅小区等）；（3）级联方式（高速公路、铁路以及隧道覆盖等）；（4）WLAN覆盖（住宅小区、超市、商务写字楼、政府企事业单位、机场以及火车站等）。

直流远供系统具备如下优点：（1）采用远程直流供电，发生市电停电时基站可正常工作；（2）避免与电业部门、当地用户接入市电时的协调工作；（3）节省交流取电的额外费用；（4）可使选址更为方便，不受市电的影响；（5）可节省户外UPS，消除电源长期维护费用；（6）维护成本低，几乎零维护；（7）线路施工方便，采用复合光缆，不需专门敷设传输电缆，节省线路投资；（8）安全可靠，避免传输线路因断路、短路、漏电、强电入侵和雷击等影响运行，当线路发生故障时，局端立即停止输出电压，只输出≤40 V的线路安全检测电压，60 s内自动恢复供电，保证了线路与维护人员的安全。

针对当前基站站址获取难、引电难的特点，可结合微基站“点、线、面”的建设方式，采用集中供备电，高压直流远供的形式，支持未来5G基站的批量部署，同时，可以降低站点损耗，提高共享率，有效降低基础配套的建设成本。