5G站点电源面临的挑战及解决方案研究

于利辉

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

5G站点的电源连接技术在中国研究的时间较晚。在技术研发、网络建设和应用创新方面，5G技术已经获得了一些进展。但是，在电源站点和网络的可持续性发展方面，站点发展存在滞后性。5G需要实现超高速率、超低时延、海量信息连接等一系列演变，但是这些新的供电需求增加前，站点建设需要考虑电源建设是否能满足其网络信息建设和能量补充的需求。

1 5G站点电源的发展变化

5G时代，基站设备AAU单扇区输出功率有望从4G时期的40～80 W增加至200 W甚至更高。运算量的上升将推动BBU功率进一步提升，5G单站的供电功率预计将达到约4 000 W甚至更高。因此，基站电源存在极大的扩容需求。基站设备供电主要采用-48 V直流拉远方案，5G时代BBU集中部署导致部分拉远AAU和机房的空间距离可能进一步增加，有望推动HVDC直流拉远和DPS分布式供电方案的出现。视现网不同场景，假设以上3种方案的建设比例为1:1:1，按照国内约450万宏基站规模测算，预计5G基站电源市场空间有望达到约315亿元，相较4G时期大幅提升。5G站点的移动电源必须要由初期的8T8R形式逐渐演变发展为3D MIMO发展模式。虽然目前的电源供给已经为原来电源供给量的3倍左右，但是实际上用电功耗和用电容量对于5G所要求的基站电源电量系统的强度来说还是远远不足。

2 5G站点电源改造面临的困境

5G移动基站往往采用分布式基站形式。在完成基带单元和射频单元分离后，为了实现基带单元的集中放置，电源被要求能够实现容纳量BBU50个以上。5G基站站点的容纳量越来越多，总功耗一般会达到100 kW以上[1]。然而，目前由于基站内的机房空间比较狭小，散热功能较差，供电和备电能力受到了极大限制，改造压力较大。现有大部分分布式基站，BBU机柜占地面积9 m2左右，蓄电池组占地面积24 m2左右，大部分机房的空间容纳力严重不足。配备的铝酸电池较大，质量很重，机房改造成本高，机房的承重能力也受到了极大威胁。5G站点对于数据流量的稳定性和可靠性的要求更高，备用电源成为必须的首选。在实际的网络服务过程中可以发现，很多基站出现一些错误服务或者中断服务的原因，在于服务和传输的过程中没有备用电源。经数据研究统计，大概55%以上的网络中断现象都与数据电源的能源持续供给不足有关。传统的通信业务主要以语音业务为主，小范围网络中断影响不大，且传输的主设备占据总体电源使用量的40%左右。现代5G网络对于连接的考验不是一个小范围问题，而是能够针对于移动支付、智慧城市、虚拟社区智能家庭无人驾驶、虚拟技术以及人工智能等更大范围的连接，因此断网将使得某些连接难以承受甚至出现安全隐患，通信电源的保障面临着更大压力。

3 5G移动通信站点电源优化应对策略

3.1 直流系统升压供电

直流升压是将电池提供的较低直流电压提升到需要的电压值，基本的工作过程：高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流获得高压直流电，因此直流升压电路属于DC/DC电路的一种类型。在使用电池供电的便携设备中，通过直流升压电路获得电路中需要的高电压。这些设备包括手机、传呼机等无线通信设备，以及照相机中的闪光灯、便携式视频显示装置、电蚊拍等电击设备等[2]。此外，有大功率直流升压需要，如光伏电站、UPS等。当前的直流供电系统将直流系统电压不断向上提升，可以支持5G要求的大功率大速率建设需求。这种系统升压供电的方法基本不需要增加成本，可以很好地满足运营商的使用需求，尤其是对某些机房空间的建设来说，可实现大范围的机房能源供应效果。

3.2 站点叠光架构配置

“节流”即在现有输入条件下，提高站点能源的使用效率，使站点PUE无限接近1。主设备更新换代的速度较快，现代网络的实际效率已经触及天花板。电源的效率随着华为公司推出98%的目前业界最高效整流模块而达到新高。对温控而言，以高温电池管理为核心的高温站点解决方案，能使室内空调温度调高10～20 ℃，节省站点温控的巨大能耗[3]。5G使用总体功耗大，因此采用网络基站引流的方法交互使用，可以避免交流电改造失误，实现供电的统一监控，智能调度太阳能，既可以节约电力资源，又可以降低电费的支出。同时，采用这种基于传统太阳能供电基础上的新型智能开关电源系统，可以在不同供电手法上智能切换，一定程度上减少了应急发电的次数，降低成本的同时又可以有备无患。目前，站点叠光的方式已经在一定范围内开始试点。小范围的试点表明，采用该方法改造后，每个基站需要2万元左右的系统花费，但是后期用电费用和发电投资费用每年可以节约3.8万元，效益显著，有效供电提升量约30%，具有强操作性。实际应用中，站点电源叠光主要需解决三大问题——如何降低部署成本、太阳能发电更加高效以及统一管理界面。当前，叠光技术已经发展得比较成熟，站点叠光能够带来切实持续的效益。

3.3 铁鲤电池备用电源的使用

铁锂电池是锂电池家族中的一类电池，正极材料主要为磷酸铁锂材料。与传统的铅酸蓄电池相比，锂离子电池在工作电压、能量密度以及循环寿命等方面都具有显著优势。铁鲤电池可以循环放电，它的能量、体积以及工作温度被实验证明优于传统的蓄电池。在同样体积情况之下，它的备电能力是传统铅酸电池的2倍以上，可以有效节省空间，解决5G基站要求规模不大、传输能量却更高、电源要求承载量更高的问题。目前，铁鲤电池在一定范围内推广使用的过程中，价格偏高制约了其使用。如果能够适当降低其制作成本，那么该电池可以在部分机房承重能力受限的情况下开始过渡性使用。具体使用过程中，既可以使用该电池组进行单独的备电（适用于各种苛刻的环境），也可以采用多电池组的阶梯式电源应用备电，筛选出可以用的电池单体，根据实际需求对电池进行配对，重新重组成电池组。电池组的维护需要与信息化技术相结合。在运行维护过程中，能够随时监控容量的衰减。目前，最受业界欢迎的是可循环的、寿命长的、耐高温、性能好且可以控制其容量变化的电池组[4]。智能化的电池组远远优于传统的单体电池组，且在备用电子体重方面基本上可以做到98%不出错。

4 结 论

5G需要大规模建立超密集立体化异构网络，而对基站电源等基础设施配置和设计的挑战，将是对通信电源新技术和新设备应用的创新性延伸。因此，在5G电源使用和部署过程中，必须要强有力地支撑未来5G的快速部署需求，因此备电功能需要考虑电池组的高强度应用。为了能够使用5G网络，为家用、商用、大规模的公共设施应用和工程运营等移动通信需求提供良好的连接支持，取得更显著的经济效益和社会效益，必须创新5G的电源应用方法，使其能够适应更高容量的提供需求，并且能够适应24 h恶劣的自然条件。