5G基站供电系统需求及供电技术探讨

贾 骏，郭慧娟，李杰强

（中国信息通信研究院，北京 100191）

1 5G发展概况

中国信息通信研究院2019年1月发布的《全球5G发展数据跟踪报告》显示，全球5G已进入商用。全球共有11个国家和地区的15家运营商宣称，开始提供5G业务或激活5G网络。当前，商用业务集中在固定无线接入和企业应用。AT&T于2018年12月在12个城市推出基于3GPP R15标准的商用5G移动服务，并计划于2019年上半年再扩展7个城市。65个国家和地区推出了5G战略行动计划或者已经拍卖5G频谱的行动。韩国的三家移动网络运营商于2019年4月初推出了商用5G服务，目前近90%的5G基站集中部署于首尔及其周边地区和韩国的5个大城市，同时日本已经开始进行5G网络的部署建设。

我国的5G网络部署和建设也在如火如荼地进行。据了解，中国移动2019年将建设3～5万个5G基站，预计投入100亿元。中国电信2018年在17个城市建设了超过1 000个5G基站，2019年拟在5G建设方面投入90亿元，通过聚焦重点城市、扩大试验规模，初期预计5G基站投入达到2万个。2018年，中国联通在17个城市开展每城市100站规模的5G组网与行业应用试点，2019年预计投入60～80亿元建设5G网络。

2 5G移动通信技术的特征

与4G网络相比，5G网络通过大规模天线阵列、新型多址、新型编码调制以及灵活双工等关键技术，实现了连续广域覆盖；通过D2D通信（5G网络通信关键技术之一）、新型编码调制短帧设计、信号与网络优化，实现了低时延与高可靠；通过超密集组网、大规模天线阵列、新型多址、高频段通信以及灵活双工/全双工，实现了热点高容量覆盖；通过新型多载波和新型编码调制，实现了低功耗大连接[1]。

在网络关键能力指标方面，5G网络较之前的移动通信技术有了大幅提升。5G网络的关键性能特征主要包括具有更高传输速率的增强型移动宽带（eMBB）、具有更高接入能力的大规模机器通信（mMTC）和具有更高通信保障的高可靠低时延通信（uRLLC）。在增强型移动宽带性能方面，5G网络可以达到10 Gb/s的传输速率；在大规模机器通信性能方面，5G网络具有1 000 000个/km2接入的通信能力；在高可靠低时延性能方面，5G网络的平均网络时延可以达到1 ms。与4G网络相比，5G网络在传输速率和接入能力方面提高了100倍，而网络时延缩短为1/100。可以看出，5G移动通信技术在网络关键指标方面有了巨大提升，而性能提升将带动网络业务的迅猛发展。虚拟现实、游戏、物联网、智慧城市、车联网、智能制造等新型业务，将依托于5G移动通信技术优异的高带宽、大连接、低时延等特征得到快速推动，进而使得通信网络与业务应用深度融合。

3 5G对基站供电系统提出的要求及挑战

3.1 基站架构与形态变化

与4G网络架构不同，5G RAN架构从4G/LTE的BBU、RRU两级结构演进为CU、DU和AAU三级结构。CU主要处理实时性较低的无线协议栈，DU主要处理实时性较高的无线协议栈，AAU是有源天线和部分物理层处理功能合并而成的。这样基站中的CU与DU两个单元可以分开部署，也可以合并部署。

可以将5G基站部署划分为CU-DU合并部署、CU云化-DU分布式部署和CU云化-DU集中部署三种方式[2]。CU-DU合并部署方式中，CU与DU两个单元设置在同一局站内，DU通过拉远方式连接AAU。CU云化-DU分布式部署方式中，每个DU处在一个局站内，每个DU通过拉远方式连接AAU，CU集中设置在一个局站内。CU云化-DU集中部署方式中，DU集中设置在一个局站内，CU集中设置在一个局站内，DU局站通过拉远方式连接多个AAU。部署方式会根据业务需求呈现多样化，CU-DU合并部署的方式会在5G建设初期广泛应用。

3.2 基站设备功耗的变化

随着5G移动通信技术性能指标的大幅提升，基站设备的用电功耗增长迅猛。相比4G基站8T/8R天线，5G基站AAU采用了64T/64R的天线阵列，通道数量大幅增加，使得AAU的整体电功耗大幅增加。单个5G基站系统的功耗（基站设备与天面功耗之和）为4G基站系统功耗的4～5倍，因此基站原有的供电系统面临极大的挑战。图1为4G和5G实验网设备系统功耗对比及共享基站市电容量图（来源：铁塔公司）。

3.3 基站供电系统面临的挑战

伴随5G网络的建设，基站供电系统主要面临市电容量、开关电源容量、后备电、散热以及拉远供电方面的挑战。

当前，5G建站主要是在4G系统上进行设备和天线的叠加，基站系统功率约为6kW，加上制冷设备的制冷消耗功率2kW、电池充电功率2.5kW，基站总功率约为10.5kW，而在共建共享基站中总功率将大于20kW。基站功耗的提高使得大量基站需要进行市电容量的增容，同时要对基站配电系统进行扩容，大幅增加了基站的建设成本。

图1 4G和5G实验网设备系统功耗对比及共享基站市电容量图

在部分局站会出现原有开关电源系统容量不足问题，需要对开关电源系统进行升级改造。在原有4G基站叠加5G设备，每增加1套5G设备需要增加500 Ah后备电池容量（铅酸蓄电池）。后备电池的增加将导致基站空间不足，尤其在共建共享基站空间方面的问题将更加突出。

5G设备叠加进入原有基站，每增加1套5G设备大约需要增加1.5kW制冷量，可以通过增加传统空调方式解决[3]。但是，对于共建共享基站由于室内散热量较大会产生局部热量积聚，可以采用封闭冷热通道、精确送风以及近端制冷方式解决。

5G基站中AAU功耗大幅增加，因此供电电缆上的电流增加，将导致从开关电源输出端到AAU之间的电压降大幅增加，从而限制了拉远距离。以蓄电池供电为例，按蓄电池一次下电电压46 V、主设备输入电压下限40 V计算，允许电压降为6 V；当供电距离增加、电压降大于6 V时，会导致电池还未到达下电电压时主设备已经进入低电压保护状态。随着供电距离的增加，电池的放电容量降低。从表1的示例可以看到，4G制式下供电距离可以达到120 m，而5G制式下只有70 m左右。供电距离的缩短会极大限制天线的部署，对5G网络建设产生较大影响。

表1 蓄电池放电状态下不同供电距离压降

4 5G基站供电系统解决方案

本文从采用提高供电系统效率、提升远供电压、就近取电以及利用基站储能四种解决方案进行分析。

4.1 提高供电系统效率

当前，基站开关电源的电源转换效率已经较高，图2为高效整流模块的满载效率值。

图2 48 V高效整流模块100%负载率下的效率示例

在目前的电源转换效率下，再继续提高1%～2%效率点，势必会大幅增加电源采购成本。可以通过考虑提升整个基站供电系统的效率，将关注点从单一电源的转换效率转移到整个供电链路的供电效率，以减少供电系统上的功率损耗。

4.2 提升远供电压

在AAU拉远供电场景下，采用48 V电压制式会导致供电距离过短的问题，可以通过提升供电电压的方式解决这一问题。可以采用240 V/336 V高压直流电源或直流远供电源供电，但这种高压电源大量部署，存在潜在电击安全问题。另一种供电方案是采用小幅度提升直流电压的供电方式，即在48 V开关电源输出端增加一级DC-DC电源。表2是升压为57 V的供电示例。从表2可以看出，在57 V供电电压下，5G制式供电距离由70 m延长至200 m。

电压的小幅度提升可以增加拉远供电的距离，避免了高压电击的问题，但是该方案在蓄电池与主设备之间增加了一个DC-DC电源，引入了单一故障点[4]，从而导致供电系统可靠性降低。

4.3 就近取电

在取电成本较低的情况下，不采用拉远供电而采用就近取电的供电方式最经济。但是，由于运营商基站数量庞大、基站建设场景复杂，拉远供电与就近取电将会根据现实条件进行合理选择。

表2 蓄电池放电状态下不同供电距离压降

4.4 利用基站储能

可以通过在基站原有备电电池的基础上增加循环充放电电池（如磷酸铁锂电池[5]），对峰谷电价差进行合理利用，或者在基站用电峰值时由储能电池提供部分电量，以减少市电扩容带来的巨大投入。

5 本地分散供电与集中拉远供电方案的探讨

对AAU设备的供电方式主要包括本地分散供电和集中拉远供电两种方式。这两种供电方式各有利弊。采用本地分散供电方案时，电源转换效率高、安装灵活、便于故障点查找，但是引电费用高（需要在每个AAU处引电）、初期建设成本高、维护难度大。采用集中拉远供电方案时，引电费用低、便于电源系统统一管理，但是线路损耗大、存在供电安全隐患问题。

6 结 语

随着5G网络建设工作的逐渐展开，基站供电系统中的市电容量、开关电源容量、后备电、散热以及拉远供电方面都会面临越来越多的挑战。目前，业内对这些问题并未达成统一的共识，尚未找到完美的解决方案，还需要运营商、铁塔公司、制造商、设计院以及实验室多方共同努力，探寻出一条可靠、科学与经济的基站供电技术解决路线。