小微基站电源解决方案的分析探讨*

[施达雅]

1 引言

随着移动通信技术的发展，特别是5G技术的成熟及相关产品的应运而生，无线基站的建设需求日渐提高。5G为了满足频谱需求、功率要求，基站总体数量要增大且备电比例的要求逐步提高[1]。同时运营商大力开展全业务经营，无线网络架构正逐渐由传统蜂窝覆盖向“分层化”方向发展，分布系统已成为了网络覆盖建设的主要方式，在网络建设上采用多种不同类型的基站及相应的建设方案，光纤拉远技术得以大量应用，网元设备不断向用户侧延伸，因此用户接入业务的质量保障要求也日益显现。电源是整个通信基站正常运营的基础，所以如何构建一套有效的通信电源系统对保障基站的正常运营起着至关重要的作用。

2 基站电源系统的基本情况

一般来说，按照无线基站主设备的覆盖范围可将基站划分为：宏基站（别称宏站，覆盖半径为200 m以上）、微基站（别称微站，覆盖半径为50～200 m）、皮基站（别称微微站、企业级小微站，覆盖半径为20～50 m）和飞基站（别称毫微微站、家庭级小微站，覆盖半径为10～20 m）。小微站把通讯设备集成在一个机箱内，不需要机房，安装方便。微基站是以低功率接入节点，功率在5 W以内[2]。一般就近安装在天线附近，馈缆短，损耗小。微基站的主要作用是：加强深度覆盖，增加局端容量等问题。

运营商为了加强信号覆盖，巩固并抢占更多用户资源，深度覆盖网络信号。因此在陆续加强小微站的建设。每个地区小微站的建设量从最少的几十套到几百套不等且建设数量还会不断增加，信号覆盖越弱的地市，建设量越大。小微站能在不具备宏站的地方使用微站来代替补充信号，从而实现密集区域的盲点覆盖、高层建筑的局部弱区和业务量集中区域的容量提升等等，因此是无线网络建设中的重要辅助环节，未来在网络建设中的比重也会有所提高。但是小微站都不是安装在基站内，整体规模有限，不具备大型的后备电源，因此如何建设保障微站正常运转也是无线网络建设中的一个重要问题。

目前小微站的电源部分大体采用220 V市电拉远供电方式，一旦停电或市电波动较大后小微站均会停电掉电退服，无法备电。而且市电电源上涌、持续欠压、持续过压等情况容易造成设备老化、损坏。这些情况对运营商来说会导致考核指标下降严重，为提高移动网络建设中分布式组网场景(如：城市密集中心无线覆盖、室内分布、WLAN及综合接入等)中的电源保障能力，提高电源维护效率，降低运行成本，下面就微站电源系统方案作具体分析。

3 供电方案

小微站的供电方案按照有后备电源的情况可分为无后备电源方案和有后备电源方案[3]，下面主要介绍其中的3种：直流远供电源、交转直微电源和市电加UPS电源[4]，以上3种方案及相关原理等。

因为大部分微站设备可以同时支持- 48 V直流和220 V交流供电[2]，所以小微站对电源的需求主要是- 48 V直流和220 V交流。因此电源设计围绕着这两种电源的转换生成及保障。

3.1 直流远供电源

直流远供电源是将机房内稳定的电能通过光电复合电缆或电力线缆以超低损耗的方式输送给直放站或基站设备，即使在恶劣条件下也能为设备提供不间断的稳定供电。适用于移动基站建设、室外拉远站、室内分布和室内（外）机房建设等场景，对基站使用过程中常见的停电、电池需阶段维护及漏电开关跳闸等系列问题提供了可行的解决方案。

（1）工作原理

如图1所示，直流远供电源系统由局端设备和远端设备两部分构成。首先采用PWM脉宽调制技术对局端设备中的- 48 V基础电源处理[5]，经过升压滤波变成250～410 V的直流电源后，然后经由光电复合电缆或电力线缆远程传输出去，到远端设备处再经过滤波降压转换成直流48 V或交流280 V的电源，以供RRU等负载设备使用。当通信设备无法便利地获得电源或者电源不稳定时，通过直流远供方式可得到稳定、可靠的电源供应。

图1 直流远供电源系统的工作原理

（2）特点

直流远供系统的电源虽然来源于市电，但是在系统变压部分有隔离、保护装置，所以不会受到电网波动产生的电压过高、过低、闪变和浪涌等影响；因为接触市电后其频率与心脏跳动频率相近，所以容易短时间内致命，但是使用远端线路不接地并与大地悬浮，一定程度上降低了漏电的风险；而且远端设备内有保护模块，保障了高压直流电源用电安全。直流远程供电系统供电电压稳定，为通信设备稳定工作提供了可靠保障，而且稳定的电压不易对通信设备造成损坏，延长使用寿命。

3.2 交转直微电源方案

交转直微电源系统主要适用于国内各大运营商分布式微站的综合接入。比如：城市街道、楼宇、商业综合体、旅游风景区等场景下，用来增加、补充信号覆盖范围。

（1）直流为交流受电设备供电的原理

通信基站内所使用的交流受电设备的电源模块都是开关电源类型，如图2所示，第一级把220 V交流电（可允许输入变化范围为- 15%～+ 10%约等于187～240 V）通过整流桥整成电压约为300 V间的电压（约为260～340 V），然后直接把此范围内的直流电压（如280 V）接入交流设备输入端，第二级通过DC转DC的模块把前一级电压再变换成12 V、5 V和3 V的电压。

图2 交转直微电源系统的工作过程框图

（2）交转直电源供电组网图

户外交转直电源系统的基本组成结构包括以下部分：输入配电单元、防雷模块、交直流切换单元、DC/DC降压模块、控制单元。通常按照备电与否分成以下两种情况：

① 不需要备电方案：

如图3所示，本方案在户外直接使用交转直小电源安装在微站中，其中的交转直电源是直接安装在RRU附近，采用抱杆或者挂墙的方式。然后就近引入220 V交流市电，再由市电配电箱连接至室外型单体电源的220 VAC输入端子，将该电源变换处理为DC48 V后通过线缆传输到基站电源输入端子，供通讯设备使用。

图3 不备电系统的供电结构

② 需要备电方案：

在需要备电的情况下，那只需要把原来的交转直电源更换为带备电的微电源就可以实现备电，如图4所示。随着业务量的发展，带备电的微站存在备电不足的情况下，则只要用更大规格的电池箱来替换原先的小容量电源来实现，更换出来旧电源还可移至其他小负载基站使用。

在本方案中，首先把就近引入220 V交流市电连接到备用电源的输入端子，再由备用电源的输出端子引到室外型微电源的220 VAC输入端子，最后把微电源的输出端子通过线缆传输到基站电源输入端子，供通讯设备使用的。

图4 带备电系统的供电结构

（3）特点

使用交转直电源从工程角度来说，可不用新建机房，直接与RRU安装在一起，成本低。当后期有备电需求时，也只需更换电源，方便施工。而且备电箱带有交转直电源用的控制电路，充电电路，无缝切换电路，接入时、充电时不影响交转直电源输出，当市电停电时自动切换为电池输出；备电箱带的MCU监测，实时监控每一节电池电压，精准控制每一节电池充放电，防止其中一节电池过充，或者充不满，而影响整块电池寿命；但是交转直小微电源要求必须有220 V可取。

3.3 市电+UPS电源

一体化电源UPS从外形来说体积小、重量轻；内部而言铁锂电池的优势是能量密度高、温度范围广、循环寿命长等，可针对室内分布站点空间狭小难以部署后备电源和无法安装空调系统调节室内温度等情况进行电源改造，对RRU等远端设备集中供电，为室分系统提供高可靠的后备电源，有效减少室内分布系统退服，提升用户感知。

（1）UPS用量分析

假设小微站为诺基亚设备，功率在120 W左右，需要考虑停电后的后备时间8小时。按常规通信后备电源铁锂电池为51.2 V。

根据公式1可知，当选用磷酸铁锂电池16串20 Ah1节即可满足120 W小微站停电后续航时间8小时。

由公式2可得，当选用磷酸铁锂电池16串50 Ah 1节即可满足300 W小微站停电后续航时间8小时。

（2）应用拓扑图

一体化UPS内部一般是由保护模块、逆变模块、切换模块和48 V电源模块等共同组成，从图5中所见，在无人值守模式下，当市电正常供电甚至电网波动的情况下，由市电转换供RRU工作；为了保障电池的寿命，只有当市电长时间故障时电池呈现欠压状态时，自动转电池工作状态；当市电正常供应的时候，电池不工作且能对电池进行充电。

图5 市电+UPS方案应用拓扑图

（3）特点

目前各厂家的UPS的输入一般都具备较宽的范围，输出模块设有过压欠压保护和过载、短路保护；逆变器过温保护；针对中国电网，在电源的输出端增加了电压浪涌抑制器，这个设备具备了全稳压功能，稳定的电压不易对电池和电源接入设备造成损坏，延长使用寿命。一体化电源所配置的这些模块为通信系统的正常运行提供了稳定性和可靠性。

4 案例分析

某地商场因人流量大，用户需求广，在商场上建有一个宏站（东百中心站），但是某些位置经常会发生通话中断等情况，经过工程人员勘测发现这些位置的覆盖率低，因此决定采用新建小微站来局部补盲。一般来说微站电源方案优先选择直流远供，但是由于本站在敷设路由时较困难，因此选择就近配置交转直微电源来为微站解决电源供电问题[4]。

本站的系统组网如图6所示。本例中采用的微电源，它是一种把电源和蓄电池集合于一体的设备，此款通信微电源系统体积小，重量轻，支持壁挂及挂墙安装，安装简便。在组网时输入直接连接220 V的市电配电箱，输出与微站设备输入端子相连。微电源会根据实际情况智能切换市电供电和电池供电模式，在微电源内部配置的监控模块管理，实现对电池组进行充放电管理，同时支持多种输入和输出。

图6 组网图

此外，本站的微电源配有监控功能，能实现电源数据的实时采集及上送。在使用时内置的监控模块电路采集数据然后通过2/3/4G、NB方式将数据实时上送至监控平台，在监控平台上呈现电源及电池的相关数据。同时可使用内置蓝牙模块，在本地连接手机端，通过APP配置设备参数，查看设备数据；如图7所示，手机端可查看设备的监控内容主要分为交流配电、直流配电、蓄电池、位置等4部分，具体监测内容如表1所示。

图7 监控采集数据页面

表1 微电源监测参数

微电源基站在市电停电后可提供持续稳定的后备电源，保障通信设备可持续地工作，从而提升运营商的服务质量，降低退服率；通信微电源系统可过滤市电的谐波，降低市电谐波及市电不稳定对通信设备的影响，保护通信设备。通信微电源系统的转化效率达到92%以上，降低设备本身发热消耗的能源，减少能源消耗，有利于节能减排工作的开展。

5 总结

小微基站体积小、成本低、建设快，能解决全面网络覆盖中的局部补盲、容量提升等作用，而且能协同宏站呈现高低搭配的异构网形态，因此小微基站已成为无线网络建设中的重要组成部分[5]。随着无线通信网络的发展建设，小微基站会成为后期网络建设的主流[6],未来小微基站能应用到更多样的的场景中，电源保障方案也会呈现更多样的形式，功能会更加完善。