5G室分系统场景下的电源配置应用

2020-09-07王昊

通信电源技术 2020年11期

王昊

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林长春 130012）

0 引言

自2019年以来，我国已经正式进入5G时代。5G技术本身拥有更高的数据流量、更好的用户体验速度与更海量的终端连接，且时延低、安全可靠性高，能够为用户带来更佳的通信体验。目前，5G通信技术已经逐渐深入到各个行业领域，实现了万物互联，改变了当前人们的工作生活学习方式。由此看来，5G技术已经成为未来科技社会中各个行业领域发展的大势所趋，而室内场景将作为未来5G业务应用的主要场景阵地。基于室内场景的5G室分系统致力于做好室内覆盖，解决室内容量问题，是构建5G建设技术体系的关键。

1 5G室分系统建设的必要性与部署

1.1 5G室分系统建设的必要性

5G室分系统是基于4G技术建立的，室内区域移动宽带业务流量达到90%以上，数据业务量也会超过90%，继续保持室内网络高流量、高负荷状态。可见，5G时代的到来为未来网络行业领域发展带来了严峻挑战，其中包括网络数据流量的快速增长。特别是在频谱资源需求满足方面渴望实现升级，保证新建网络资源被智能高效化利用。考虑到5G使用频段较高，当频段达到一定高度时，空中传播与建筑物穿透损耗会随之增大，需结合室外宏基站覆盖室内，避免室内产生大量弱覆盖区域。因此，室内业务需要通过室内网络承载来完成，体现了5G室分系统建设的必要性[1]。

1.2 5G室分系统的部署分析

传统4G网络构建室分析系统（DAS）可满足语音与低速数据业务要求，重点保证覆盖要求。而5G时代则希望基于高速率、高容量、高安全可靠性以及低时延提高带宽，实现多路传输与频分复用，同时深度考量LTE的室内网络覆盖能力，保证在5G网络部署过程中语音业务应用有效到位，并通过VoLTE平台承载语音数据信息，直接满足5G室分系统建设刚性需求。该过程主要基于5G独特应用场景进行设计规划，需充分考量5G场景需求转化，确保LTE部署有的放矢，以求获得最佳投资回报率。基于成熟5G技术建立LTE网络，可保证LTE网络频率优势全面凸显。因此，从4G到5G，室分系统已经从传统DAS逐渐演进成为新型有源化、数字化室分系统。

1.3 5G室分系统的基本建设目标

面向5G的室分系统建设目标应该包含以下方面：建立室内LET网络，加速5G化发展；做好LTE底层网部署，强调LTE室内系统为未来室分系统提供业务性能保障，为5G中频部署做好准备；利用LTE配合中频5G成功部署室分系统，同时做好室内业务保障，在室内建立供电装置配电系统，保证做好室分系统5G负荷系统分流[2]。

2 5G室分系统中供电系统配电装置的建设分析

2.1 5G室分系统中供电系统配电装置的基本架构与形态分析

5G室分系统不同于传统4G，采用的是5G RAN架构，主要从4G/LTE中的BBU、RRU两大级别结构进行演进设计，包括CU、DU、AAU三级结构，并基于实时性较低的无线协议栈初步建立5G室分系统。该系统中包括了AAU有源天线与CU、DU两个分开部署单元，希望做好合并部署，同时优化部署技术内容。例如，将5G室分系统中的CU、DU进行合并部署，建立多种部署方式，保证所有供电系统配电装置能被合理布置于同一个区域。它的部署方式会结合业务需求呈现出多样化发展要求。

2.2 5G室分系统中供电系统配电装置的功耗变化分析

当前建立的5G室分系统功能丰富多元，其中的供电系统配电装置复杂，需要深入研究其功耗变化才能合理配置配电装置。考虑到当前基站中室分系统用电功耗增长迅猛，因此5G基站升级了天线阵列，采用更先进的64T/64R天线阵列，大幅增加了通道数量。然而，AAU整体电功耗也大幅增加了基站系统总体功耗（可达到4G基站系统功耗的4～5倍）[3]。

2.3 5G室分系统中供电系统配电装置设计问题研究

5G室分系统AAU功耗较大，会导致供电电缆电流大幅增加，可能导致开关电源输出端到AAU之间出现电压大幅度下降或大幅度增加的特殊状况。因此，在设置配电装置过程中必须要合理限制其拉远距离，保证蓄电池下电电压到位，同时优化室分系统中主要设备的低电压保护状态。当然，考虑到供电距离有所增加，还必须在配电装置设置过程中分析电池放电容量，保证5G制式下其供电距离控制在60～70 m。这是考虑到供电系统距离如果缩小可能会限制影响供电天线部署而对5G网络建设产生一定的负面影响[4]。

3 5G室分系统中供电系统配电装置的设计方案

5G室分系统本身相当复杂，其供电系统配电装置的设计方案需要结合多个方面展开，确保设计方案能够切实解决配电装置供电需求问题。

3.1 供电系统效率的有效提升

有效提高5G室分系统供电系统效率，就要提高其基站开关的电源转换效率，如图1所示。

图1 5G室分系统高效整流模块100%负载效率下的效率示例图

如图1所示，就电源转换效率分析而言，需要在建设5G室分系统过程中调整提高供电供能效率点（提高1%～2%），但这样会增加电源整体的采购成本。该过程中需要结合基站供电系统效率展开分析，实现对单一电源转换效率的有效转换，确保整个供电链路供电效率都能有所提升，同时尝试减少供电系统中不同部分环节的功率损耗。

3.2 远程供电电压系统的有效提升

在5G室分系统中，利用AAU拉远供电建设远成供电电压场景。设计中主要采用48 V电压制式实现对供电距离的优化调整，从而有效提升供电电压。或者可采用高电压如240 V、360 V高压直流电源式远供电电源供电，并对高压电源进行大量部署优化调整，但如此操作可能存在电击安全问题。还可以采用小幅度提升直流电压方法优化供电方式，设计中主要利用48 V开关电源建立电源输出端，并同时增加一级DC-DC电源，以保证供电系统升压至少60 V，此时5G制式供电距离应该从原有的60 m延长到200 m左右。

另外，在配电装置设计过程中应该基于电压电流小幅度提升强化拉远供电距离，以有效规避高压电击问题。该方案采用蓄电池配合主设备的方式，目的在于有效增加5G室分系统的DC-DC电源配置，同时引入单一故障点，避免供电系统出现可靠性降低的问题[5]。

3.3 就近取电配电装置的设计应用

考虑到5G室分系统取电成本相对偏低且不会采用拉远供电设计，因此采用就近取电配电装置最经济有效。5G室分系统在运营商基站数量方面相对庞大，在基站建设场景方面也相对复杂，可考虑联合应用就近供电与拉远供电，结合现实条件合理选择配电装置设计方案，同时满足就近取点与远程供电要求。目前的5G设备供电电缆应该按照16 mm2进行测算，当其电压等级达到57 V时，采用5G制式的AAU功率最高能达到1 500 W，供电距离压降可最远达到16.8 m。

3.4 基站储能的设计应用

5G室分系统追求对基站储能的设计应用，主要通过基站备电电池建立蓄放电系统，增加循环充放电电池，并利用磷酸铁锂电池实现对峰谷电价差的合理利用与优化。详细来讲，在基站用电峰值方面应该结合储能电池提供所需电量，最大限度地减少市电扩容带来的高额资源与资金投入。

相比于传统基站，5G室分系统基站储能采用多个单体电池电池组，且电池组之间并联操作，保证电池内阻、容量不一，确保电池充放电到位，合理控制偏流。在扩容设计过程中，需要对存量电流进行整体替换，避免出现资源严重浪费状况。设计过程中，还必须考虑增加电池合路器，追求混搭操作，但需要平衡CAPEX机制，避免出现故障点增多状况。在偏流设计过程中需要设计过流保护，确保电池组关断供电正常，同时要增加设置电池配电装置规避过流问题，必要时增加占地空间。设计过程中还需要充分考虑安全问题，合理化保护站点储能系统[6]。

3.5 本地分散供电与集中拉远供电方案的设计

要基于5G室分系统中的AAU设备进行分散供电与集中拉远供电方案的有效设计，同时分析供电方式的利弊状态。该过程需要采用分散供电方案，结合提高电源转换效率进行分析，保证拉远供电方案设计灵活，设备安装到位，以便后期迅速查找故障点。在引电设计过程中，采用AAU引电设计。5G室分系统的初期设计成本一般偏高，维护技术难度相对较大，因此还需要考虑采用集中拉远供电方案，保证电源系统统一管理到位，降低引电费用。同时，考虑到线路损耗偏大，需要进一步剖析供电安全隐患问题。

在拉远供电设计方面，需要利用RRU设备总线构架构建48 V总线升级系统，直接提高处理直接供电能力，替换传统硬开关高压输入，采用零电压开关转换器，有效构建降压电路，改善电路缺陷问题。例如，它可改善零电压开关（ZVS开关）损耗，同时建立理想的整流开关，缩短二极管的电流传导时间。此外，追求高输入电压高频率操作优化，在设计过程中允许高带宽、增益以及相位裕度的有效优化。系统设计过程中还要充分考虑输出电感细小的问题，保证其瞬态相应速度加快，将导通时间调整到20 ns左右。同时，设计高效率偏压系统，保证5G室分系统轻载效率设计出色到位[7]。