5G通信基站电源供电及备电策略探讨

高云磊，刘利男，王 超

（1.中通服咨询设计研究院有限公司，河北 石家庄 050000；2.中国铁塔股份有限公司石家庄分公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

5G作为新一代通信技术，具有快速、低延迟时间等特点而备受人们青睐，在超清视频、无人驾驶汽车、人工智能、远程医疗系统等行业具有广泛的应用前景。5G技术应用对通信基站的配电及备电要求更高，对5G通信基站的建设提出了非常大的挑战。伴随着5G相关新技术的完善，通信基站配电及备电为5G技术的推广与运用提供了技术性保证。

1 5G关键技术及基站简介

5G是当今最先进的蜂窝通信技术，与4G网络技术相比，可达到10 Gb/s，提高10倍以上，在流量10 Tbs/km2范围内，具有极高的速度、低延迟、能源消耗小，微成本等特点。

5G是基于蜂窝通信网络，它把信号的覆盖范围分成几个蜂窝网络区域，在终端设备上声音、短视频、图像等以比特流数据的方式与收取和发送机器设备开展通讯。5G通信系统综合性运用了超密异构网络，解决了传统式通信系统中数据传输速度低、网络延迟高的问题，狭小的数据信息容积和异构体的网络安全管理问题，符合移动通信技术发展的新趋势。

5G通信基站一般搭建在混合结构的根基上，以确保通讯品质的平稳、可靠、可扩展性和管理便捷。5G通信基站选用MassiveMIMO技术，灵活运用空间资源，提升了通信系统的稳定度和频带使用率。

2 5G移动通信技术特点

5G移动通信技术通过D2D通信(5G网络通信中的一项关键技术)，新一代编码调制短帧设计，对信号和网络进行优化，实现低延迟和高可靠性；超聚集组网方案、规模性无线天线列阵、新的多址、高频率通讯、灵便的全双工/双工，使网络热点覆盖变成可能；选用新的多载波通信和新的编号调配，形成了大连接物联网。

从网络性能参数来看，5G网络可达10 Gb/s ；就大中型设备通信来讲，5G网络的通讯容积为1 000 000/km2；从高靠谱、低延迟视角考虑，5G网络平均网络延迟可达1 ms。5G网络比4G网络的传输速度和连接工作能力提升了100倍，网络延时降低到100倍。由此可见，5G现代通信技术在网络重要指标之上拥有非常大的提升，而特性的提高将推动网络业务的迅速发展[1]。

3 5G通信基站供电和备电系统的要求和挑战

3.1 基台结构及形态改变

5G基站部署可分成CU-DU合并部署、CU云化－DU分布式部署和CU云化－DU集中部署3种方法。在CU-DU合并布署方法中，CU和DU这2个模块设定在同一局站内，DU根据拉远方法连接AAU。CU云化－DU分布式部署方法，每一个DU都坐落于局站内，各DU根据拉远方法连接AAU，而CU集中化设在局站内。CU云化－DU集中部署方法，DU集中化设定于一台局站，CU集中化设于一台，DU的局站根据牵引方法连接好几个AAU。5G基本建设的前期，部署将展现出多元化的工作要求，CU-DU合并部署方法广泛运用。

3.2 通信基站能耗转变

随着5G通信技术性能参数的显著提升，通信基站用电量大幅度提升。5G基站AAU相对于4G通信基站8T/8R无线天线来讲，应用64T/64R天线阵，无线信道数额显着提升，使AAU的整体电能损耗大大增加。每次5G基站系统软件（通信基站和天线输出功率之和）是4G通信基站系统软件功耗的4～5倍，因而通信基站原来配电及备电系统将带来巨大的挑战[2]。

3.3 基站供电和备电系统面临的挑战

随着5G网络的建设，基站供电和备电系统主要面对的是市电量、开关量、后备电量、散热性和拉远供电和备电等方面的挑战。

3.3.1 基础设施变更

与4G不同的是，5G基站的接入层结构也有所改变，从BBU和RRU双层构造进一步优化到CU、DU、AAU等3层构造。该优化算法中，CU由原先的BBU中非即时部分切分而成，用以解决非实时协议和服务项目；DU是对BBU的剩余作用的重新定义，承担并行处理协议和服务项目；AAU是与初始RRU和无线天线的mac层处理功能融合。这类层次化主要是为了更好地达到5G应用领域的需要。5G具备分块作用，所谓分片主要是依据不同的业务流程把一张物理互联网分为多个逻辑性网络，以达到不同的应用领域。依据5G规范，CU、DU和AUU可以灵活组成，一共有4种情况：第一种是CU-DU共硬件配置部署，类似传统式的4G宏基站；第二种是CU的集中化部署，DU部署在4GBUU计算机房；第三种是DU集中化部署，CU集中化部署在较高的网络层上；第四种为CU和DU集中部署，类似于4G的C-RAN。

当今，我国依然是以1BBU+3AAU这样的设定方法为主导，这关键是以价格和技术成熟度两层面考虑。基础设施建设的更改必定会造成电力工程需要的转变，为了更好地达到5G通信基站的发展规定，需要对原来的供配电系统开展更新改造或复建。

3.3.2 5G通信基站功能损耗的转变

5G通信基站功能损耗的转变具体表现在两个层面。首先，每台功能损耗的转变，5G通信基站因为AAU选用MassiveMIMO技术，使无线天线由2/4/8个提升到64/128/256个，进一步提高了机器设备的输出功率。一般而言，现阶段5G通信基站的输出功率大概是传统式4G通信基站的3～4倍，因而原供配电系统设计方案需要依据现阶段5G通信基站的电力工程要求转变开展必要的更新改造，或是重建，以达到通信基站功能损耗的转变。此外，5G通信基站相对密度大幅度提高，依照当今5G标准要求，5G技术的运用频率远远高于传统式2G、3G和4G网络。根据数据信号损耗的特性，5G基站的密度远高于传统的2G、3G和4G基站，频率的衰减更大。根据有关资料，5G基站单元面积至少是4G基站的2～3倍，甚至6倍。这就使现有的电网远远无法满足5G基站的需要。

3.3.3 传统供电中的实际问题

在5G通信基站建设中，传统式的配电方法主要面临几个层面的挑战。第一，直达配电比较困难，一方面，市容量比较有限，另一方面是直供电需对现有市电进行大幅改造，需大量的建设资金。二是电池电量不能达到具体需要，部分通信基站因容积比较有限，需要增加充电电池，依据具体运作结果显示，每增加一套5G设备，需配置500 Ah充电电池，充电电池的提升将造成通信基站面积不足。再者，AUU机器设备配电规定（48 V）特殊，导致配电间距不适宜太长，极限间距在70 m上下，配电间距提升，充电电池充放电容积减少，而配电间距不够，又影响AUU部署，因而，电池电量不能很大。第三，排热问题，5G通信基站输出功率的增大会导致排热问题，部分通信基站所处环境问题，并没有装空调的物理标准，并且空调需要按时除灰，维护保养比较困难，空调噪声也会产生。此外，也面临着塔杆配电不够、远拉配电、高压直流电变换等问题[3]。

4 5G基站供电与备电系统解决方案

通过对4种方案的分析，提出了提高供电、备电系统效率、提升远供电和备用电压、就近取电和基站蓄能4种方案。

4.1 改善供电和备用系统的效率

目前，通信基站开关电源电路的输出功率变换效率早已比较高，在现阶段的输出功率变换效率下，效率点再提升1%～2%，必定会大幅提升开关电源产品成本。可根据考虑提升全部通信基站配电和备电系统的效率，将重点从单一开关电源的变换效率迁移到全部配电及备电线路的配电和备电效率，进而减少配电和备用系统的输出功率耗损。

4.2 提高电源和备用电压

当AAU拉远电源和备用电源情况下，采用48 V电压制式会造成供电和备电距离过小等问题，可通过提高供电电压和备用电压来解决这个问题。高压电源可选用240 V/336 V高压直流电源或直流远电源、备用电源等，但此种高压电源配置较多，存在触电安全隐患。另外一种供电、备电方案是以小幅度直流升压方式进行供电和备电。在57 V电源和备电电压下，5G制式电源和备用电源的距离从70 m扩展到200 m[4]。

根据一些较小幅度提升工作电压，可扩大牵引配电和备用电源的间距，防止了高压电击的问题，但在DC-DC电源的制定中提高了DC-DC电源，引进了单一化故障点，导致配电和备用系统稳定性降低。

4.3 近距电池充电

当取电成本费较低时，不选用调远配电和备电，而以就近原则取电方法配电和备电更为经济。殊不知，因为营运商的通信基站总数大，通信基站基本建设情景繁杂，因而对调远、预留电、就近原则取电等应依据具体情况开展有效挑选。

4.4 应用通信基站储能

在通信基站原备锂电池组的前提上，可提升锂电池，科学安排峰谷电价时段差，或在通信基站用电量最高值时由动力电池给予部分用电量，以降低电压扩充产生的极大投入。

4.5 转供电转为直配电

在目前，“转供电+直配电”方式的选择，是5G产业链发展时期的无奈。尽管转供电非常容易完成，但中后期维护保养和管控较为困难，与业主部门有直接关联，此外转供电成本费比直配电高，通常超出0.3～0.5元/kW，这对通信基站开店选址的影响比较大。就5G通信基站建设来讲，直配电是未来配电的必然趋势，全国各地政府部门也已意识到5G用电量问题，颁布了各种转供电改直配电的相应制度。除此之外，直配电完成了水电费包干，中后期的监管维护保养相对容易，有益于5G通信基站的发展。

4.6 电池供电技术保证

目前，电池应用中存在着容量、体积、质量、温度控制和安全性等诸多问题。为了满足5G技术发展的需要，应持续提升用电量构造，尽可能缩小备电负载，改成应用锂电或其他密度高的、环保的充电电池。针对备用电源的选取，可以选用近远配电设备紧密结合的备电对策，在近端配小充电电池，在远端大中型通信基站或通信基站配备分享大充电电池。此外，根据开关电源和充电电池的相互配合，可以让充电电池取代开关电源开展调峰配电，减少通信基站对外部电压的要求。

4.7 应用直流高压电源

高压配电技术应用主要是处理长距离配电（1～2 km）问题。当5G通信基站AAU需要直接用48V配电时，配电时间短（70 m上下），电源电路电流量非常大，可以挑选高电压（如240 V）等。采用高电压平台时，同样要处理变压的问题，如直接选用高压配电，不需变压，否则需额外增加设备。其他设配，如通信传输设备、安全装置、数据信息机器设备、动环监控机器设备等务必与高压工作电压保持一致，此外，高压平台的运用对检修作业和检修功能的需求也变得越来越高[5]。

4.8 POE网络供电技术的应用

采用网线POE供电的皮基站选型RRU可采用网线POE供电。本技术的供电间距通常在100 m之内，如需提升机器设备，通常可给予20～50 W的开关电源，AAU的工作标准电压应是48 V，而网络线通常挑选超6种网络线，根据供电系统的输出功率可分成低输出功率线对（单缆4对8芯）和大功率（双缆8对16芯）。此外，必需的维护体制还应包含两个层面。一是一类人机维护机制，能及早检验短路故障及超载超限，确保维修人员及设施的安全性；二是路线避雷维护，要做到相对应规范，保证防触电。

5 结 论

随着5G网络建设工作开展，在通信基站配电和备电系统中的市场容量、开关量、储备电力工程、排热、调远配电和备电等层面将遭遇愈来愈多的挑战。领域内对这些问题没有一致的共识，都没有寻找很好的解决方案，还需要运营商、铁塔公司、生产商、规划设计院、实验室等多方面协作，找寻一条稳定、合理、经济的通信基站配电及备电技术性解决方法。