5G微站供电解决方案关键技术及发展趋势

熊 勇，崔若吉，胡先红

（中兴通讯股份有限公司数字能源产品经营部，广东 深圳 518055）

0 引 言

2014年开始，全球4G建设进入快通道。为了实现定向覆盖、增强覆盖、盲区覆盖、边缘覆盖的高密度、大流量通信业务，4G网络中的小微基站呈现快速上升趋势。2019年，5G网络建设全球兴起。5G网络将比4G网络提供更高带宽、更低时延、更多连接，微站数量更是远多于4G。海量微站选址、部署和维护的难度均呈指数级上升，微站网络供电面临巨大挑战。（1）网络部署方面：站点功耗增加，电力引入困难，电源设备、电池存储需求增加；站点数量增加，新站获取困难；高昂租金，空间有限，改造站升级困难，设备安装困难。（2）网络运维方面：站点数量增加，维护费用剧增；站点数量及功耗增加，电费剧增；设备种类增加，方案复杂，维护管理困难。

据统计，中国三大电信运营商2018年的电费为500亿元，占运营总开支的15%以上。在5G时代，网络能耗估计是4G网络的2.5倍以上，电费支出至少将翻倍，巨额电费支出可能吞噬掉运营商所有的利润，甚至将让运营商陷入严重亏损。

只有把数百万的基站通过网络连接起来，才能实现无人值守和远程维护。目前，国内运营商客户制定了动环监控系统的B接口标准协议，并通过有线网络或者3G/4G通道，实现对现网众多基站的监控和管理。对于海量的5G网络微站，客户也希望继承和利用现有的监控管理系统，并通过覆盖全国、连接数过亿、且成本更低的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）网络实现通信组网。同时，客户还希望把能源网络运维管理系统和其他业务系统集成，实现数据共享、业务融合及流程贯通与闭环，打破各应用间的壁垒，减少或避免人工干预，实现运维运营的一体化、自动化、智能化，在降低运维成本的同时，也为运营创新提供良好的开放接口。

因此，为了解决5G海量微站供电网络在部署、运维、运营等方面的难题，需要供电网络向高效、小型、分布、智能的方向发展。通过进一步发展高效功率变换控制技术，在能源管理体系中与互联网、物联网、云计算、大数据和AI等先进信息通信技术相融合，以完整的“端-管-云”技术架构微站供电解决方案实现供电网络的极速部署、极简应用、智能运维和高效节能。

1 总体解决方案

基于“端-管-云”技术架构的微站供电解决方案，其系统组成包括实现基础供电和储能的设备端、开放互联的网络管道以及能源网络一体化运营运维系统3部分。

（1）设备端。主要包括高效轻巧、简单精致的室外刀片电源、嵌入式电源、壁挂电源以及简单易用、软件定义输出的智能锂电。其中，刀片电源可快速部署、平滑扩容、自冷免维护和智能削峰；智能锂电内置直流直流变换器（Direct Current/Direct Current，DC/DC）和智能控制器，实现电池的高度智能化，并具备动态升压、电池利旧与混用以及阶梯利用等功能，同时高达1C的大倍率放电能力显著降低了投资支出。

（2）管道。支持泛在接入和开放互联，如以太网、Wi-Fi、蓝牙、带内通道、RS232、3G/4G等网络以及消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）、受限应用协议（Constrained Application Protocol，CoAP）、简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）、超文本传输安全协议（Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer，HTTPS）等开放协议，通过低成本、高覆盖的NB-IoT网络实现B接口统一监控组网。

（3）运营运维系统。基于先进的平台即服务（Platform as a Service，PaaS）和微服务架构，并集成了大数据、人工智能（Artifical Intelligence，AI）和电信级分布式数据库等技术，通过业务云化、跨域编排和网络协同，实现了对外开放能力，支持快速定制开发、业务创新和敏捷化运营。在实现自动化、智能化运维的同时，更实现了全网站点的普遍高能效运行，从而大大降低了运营商的电费支出和维护成本。

2 极简设计和极速部署的设备端

2.1 轻巧精致、简单易用的微站电源

5G网络中微站爆炸式增长，网络部署困难，具体包括电力引入困难、新站获取困难以及租金高昂、空间有限、安装困难、站点数量暴增、维护工作量巨大等。为实现高可靠和免维护，在设计中通常坚持极致简单的原则。通过引入轻巧简单的刀片电源、嵌入式电源、壁挂电源等，以抱杆、挂墙和多模块旗装等“零”占地方式，实现这些场景下的快速部署和应用。

新建微站一般采用刀片电源。其在外观、性能、设计思路上和无线射频拉远模块（Remote Radio Unit，RRU）等产品保持高度类似，通过该通用化、系列化、模块化设计和即插即用的特性实现快速部署和应用，其具备如下特点。一是通用化、系列化、模块化设计，外形尺寸、硬件接口完全相同，满足多种供电需求；二是与RRU外形相似，零占地，灵活安装，且并机安装更加美观；三是全封闭结构、IP66防护等级，免维护、零制冷消耗，自然散热效率高达98%，适应室外严酷环境；四是支持交流输入和高压直流输入，并可实现多台并联扩容；五是有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）带内传输，节省组网成本；六是简单易用的手机App软件，方便现场运维。

4G/5G业务叠加的现有站点一般通过使用高密度、多输出、易扩容的嵌入式电源，在有限空间支持5G业务的改造或扩容。电源输出功率提高到20 kW以上，满足5G业务扩容。采用高转换效率（98%以上）、高功率密度的整流模块，减少或免温控改造。负载路数提高到10～24路，并且支持分路计量和下电能力，也支持租户应用和服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）。负载输出模组设计为可插拔形式，客户可根据业务需要动态在线扩容，便于维护。

2.2 高效、高密整流变换技术

微站电源多用于室外场景，要求全封闭结构、IP66防护等级、免维护、零制冷消耗，采用自然散热设计，适应室外严酷环境。显然，超高效功率变换控制技术、超高功率密度技术是其中的关键所在。例如，功率变换效率从96%提升到98%，能耗即从4%降至2%，相当于内部热量降低了50%，可靠性更高，也更能适应室外的严酷环境。而功率密度从30 W/m3提升到50 W/m3，相当于体积缩至40%，重量也大大减轻，单人单手可操作，极大地减少了部署和维护成本。

围绕高效变换核心技术，实现高效率、高功率密度核心竞争指标的均衡突破。功率模块需要在高效拓扑电路开发和产业化应用、数字化智能管理和控制、新器件尝试和应用、高功率密度工艺研究和应用上实现技术突破。在拓扑电路方面，传统两级级联结构的拓扑如图1所示。该拓扑采用的功率器件都为高压器件，器件的成本高，开关损耗大，导通阻抗大，损耗大，效率低，并且升压电感上的电平为两电平，电流脉动大，磁芯损耗大，电感体积大。

图1 传统功率变换拓扑

一般情况下，功率变换单元功率越小，热损耗越小，散热要求就越低。因而，多单元输入串联输出并联（Input Series Output Parallel，ISOP）组合变换技术应运而生。其将单个功率变换单元划分成多个变换子单元串并联组合，降低单个子单元的功率等级，提升子单元的变换效率和功率密度。ISOP变换拓扑如图2所示。其采用多个AC/DC变换单元串联、DC/DC输出并联的方式，这样每个AC/DC变换单元是采用低压器件，器件成本低、导通阻抗低、损耗小、效率高，升压电感上的电平为多电平，电流脉动小、磁芯损耗低、电感体积小。因此可以提升整流器的功率密度，降低成本，降低损耗，提升整流器的效率。

图2 ISOP变换拓扑

2.3 融合创新、软件定义的智能锂电池

锂电池具备体积小、质量轻、循环寿命长、带载能力强以及可以快速充电等优良特性。目前已经广泛应用于通信基站中的锂电池，通过自带智能控制器，实现了完备的实时检测、电池状态（ State Of Charge，SOC）预测、电池健康度（State Of Health，SOH）预测、完善的保护功能和安全管理。电芯相比较铅酸电池，循环次数提升4～6倍，具有充电时间缩短70%、支持多80%的负载、体积减少50%，质量减少60%、放电能力高达1C以及高低温应用优势，尤其适合于5G微站全场景。

1995年生效的《中华人民共和国国家赔偿法》(以下简称《国家赔偿法》)，在很长时间内因鲜有申请人能成功获得国家赔偿而被谑称为“国家不赔法”。经过几次修改后，该法在赔偿程序和赔偿范围上有了很大进步，但关于司法赔偿的范围却一字未动。根据现行《国家赔偿法》的规定，司法赔偿仍仅限于刑事赔偿和法院因在民事、行政诉讼中违法采取强制措施、保全措施或者对判决、裁定及其他生效法律文书执行错误造成的损害，当事人有权利申请司法赔偿，将民事、行政错误裁判完全排除在司法赔偿范围之外。究其原因，主要有以下几点：

但是锂电池的应用比铅酸电池要复杂许多，并且和应用环境间存在非常复杂的依赖性和耦合性。锂电池的一个显著特点就是缺乏耗散过充能量的能力，因而充放电控制很重要。但是充电和放电过程又与外部负载电压强相关，这样一方面难以充分发挥锂电池的性能优势，另一方面锂电池在使用过程中的困难很大，维护成本高。如果把电池置于一个相对理想、不依赖于外界因素的封闭环境，就可以实现自动化、智能化的独立运行，并让应用高度简单化。对此，在内部电芯和外部负载间增加一个双向DC/DC模块进行隔离，保障电芯在尽可能理想的内部环境下完成充放电控制，避免了过充和过电，也改善了电池的特性。锂电池也成为一个独立运行的封闭系统，得以高度的通用化、简单化，即插即用的特性支持快速部署和应用。集成电池管理系统（Battery Management System，BMS）和DC/DC变换的锂电池方案如图3所示。

图3中，BMS可以根据电池组的电量、SOC/SOH、电流电压等参数，利用一定的算法控制，任意调整输出，实现所谓的软件定义电池。而通过灵活的软件定义输出特性，能够与供电、储能、用电、温控等其他系统进行智能适配，并通过高效协同和智能调度解决5G网络供电中的大量部署和运维难题。

图3 集成BMS和DC/DC变换的锂电池方案

（1）与市电协同。一是智能削峰，减少市电改造。5G功耗增大、现有站点市电扩容成本高、周期长，智能锂电通过与电网容量协同配合，利用电池平衡供电，补充负载峰值时的市电差额。例如，在负载功耗大于市电容量时，电池放电补充电力差额；而在负载功耗小于市电容量时，市电供电，同时电池充电，实现5G部分站点免市电改造，节省了投资、也加速了部署。二是错峰用电，降低电费开支。尽可能理想的内部环境使得SOC计算精度可以高达95%以上，配合负载预测AI算法，可以精确预测电池备电的时长。在与电网协同配合、确保安全的情况下，实现错峰用电，充分利用电池峰谷平衡的价值，减少电费开支。

（2）与负载协同。一是直流57 V恒压输出。5G功耗增大、AAU上杆塔供电距离远，线损压降大，传统铅酸电池供电距离不足。以典型1 100 W的AAU为例，供电线径为10 mm2时，直流48 V供电距离为93 m，而直流57 V供电距离为196 m，大大延长了供电的距离、降低线损同时，也提高了供电可用性。二是智能升压、按需联动。电源与AAU或无线管理后台通信，实时掌握无线设备对输入电压及功率的要求，调整电源电压及功率。一方面，可以实时调节电池输出电压，确保AAU负载端始终保持在直流57 V高电压，进一步减少线损；另一方面，闲时关闭业务，切断供电，减少空载损耗。

（3）与电池协同。多组电池并联时，电池组间采用SOC均衡的方案，如此让SOC高的电池多带载，最终实现各组锂电电池SOC完全均衡。一般情况下，各种不同型号、不同化学体系或新旧不一的电池不能直接混用，因而站点扩容时存量电池需整体替换，无法利旧。通过优先控制锂电池的充电和放电，把铅酸电池或者较旧的锂电池作为备用，可以很好地实现混用。存量电池残值得以利用，减少了资源浪费，减轻了电池报废造成的环境污染。

3 泛在接入、开放互联的管道

B接口是中国电信运营商和中国铁塔主导的用于动环监控系统在监控中心（Supervision Center，SC）与现场监控单元（Field Supervision Unit，FSU）互联、统一的数据传输规范。B接口互联规范中，FSU与SC之间以WebService和文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）互联。一般解决方案是额外配置FSU硬件或者直接在微站电源上实现该接口。技术上都相对复杂，多数通过Linux和传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）协议栈来支持WebService和FTP协议，并配置一个较高成本的3G/4G模块，通过接入3G/4G网络来支持较大的网络带宽。设计复杂、成本上升，微站电源的高可靠、免维护特性会降低。

基于运营商大力推进的NB-IoT网络可以大大降低组网成本。但是NB-IoT网络数据流量较小、延时较大、通信速率也较低，承载WebService等协议效果很不理想。通过借鉴网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）概念可以变通方式实现基于NB-IoT网络的B接口协议，这就是虚拟现场监控单元（Viryual Field Supervision Unit，USFU）技术。微站电源和电池的B接口/NB-IoT组网拓扑如图4所示。

图4 微站电源和电池的B接口/NB-IoT组网拓扑

利用现有的、无处不在的NB-IoT网络，实现对微站电源等设备的海量连接、深度覆盖和低成本应用，解决监控网络的部署难题。选择一个微站电源兼做网关，实现对其他电源、电池、环境信息的采集和汇聚，并通过NB-IoT模块/芯片和开源轻量化MQTT/CoAP协议接入NB-IoT网络中，微站电源保持了简单设计、低成本的特性。运营商IoT开放平台，完成连接管理和转发。IoT开放平台可以支持数百万微站电源的接入和联接管理，并提供了API应用接口，即把微站业务数据以应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）定义的超文本传输协议/JS对象简谱（Hyper Text Transfer Protocol/JavaScript Object Notation，HTTP/ JSON） 格 式 与 vFSU交 互。vFSU基于PaaS平台，以微服务架构设计，支持分布式部署和弹性伸缩。每个vFSU管理对应区域/片区内的所有微站，并实现与传统本地FSU的同等功能，通过IoT云平台的API接口获取微站数据，并转换成B接口的WebService/XML格式，实现与SC的通信。现网SC不变，按照B接口协议与各个vFSU进行通信和交互，实现全网范围内的统一监控和管理。

4 智能节能、营维一体的云端

4.1 PaaS平台和业务云化

在电信网络运营重构大趋势下，云化网络将向着更为灵活的Cloud Native演进。无论是设备还是网络，都先从专用硬件向硬件解耦，逐步过渡到支持运行于基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）虚机的虚拟化阶段，再经过SDN控制/可编程和NFV组件化/运行在PaaS（容器）的云化阶段后，最后融合到支持融合编排和动态服务化的云网一体化。

通信电源也在向全面云化方向发展，以实现硬件的通用化、软件的分布式部署、应用系统的集成和流程闭环以及运维运营的一体化、自动化和智能化。例如，基于NFV技术，目前部分刀片电源、刀片电池已经实现通用化和标准化，提供了简单设计、低成本、高可靠、免维护的优良特性，同时硬件的通用化也支持了大规模生产、快速发货和部署实施。而业务软件则是一个分布于端、边、云3层的分布式应用系统。在设备端，实现供电、储能等基础业务的管理，部署于电源和电池等物理设备上；在边缘侧，实现本地多设备高效协同管理的智能管控，部署于站点控制器等网关设备上；在云端，支持用户的各类新业务和个性化需求，在网络能源统一运营管理系统上灵活而快速地实现。同时，运营管理系统基于PaaS平台，通过DevOps的敏捷开发、持续集成和持续交付等手段可以更快地满足客户的个性化需求，支持5G站点部署。PaaS技术平台支持的跨域编排、网络协同、能力开放和服务创新能力也方便了网络能源运营管理系统与运营商资产管理、工单管理等应用系统的融合和集成。

基于PaaS平台和业务云化技术，将极大地解决目前通信电源微站、宏站和数据中心等不同场景下设备不通用、业务定制化和版本碎片化严重、互联互通困难、数据孤岛化、应用烟囱化等应用通病。

4.2 智能节能、营维一体

如前所述，微站电源云化后，业务软件分布式部署，用户个性化需求和各类新业务都在云端网络能源运营管理系统上灵活而快速地实现。其提供了智能化的运维和运营管理，基本业务聚焦于系统基本运维功能，并通过AI和大数据分析实现运维自动化（智能运维）和决策智能化（智能运营）。技术上，系统采用前台、中台、后台的逻辑架构，如图5所示。

图5 网络能源运营运维管理系统架构

3层架构体系中，后台重用PaaS平台和各个开放的平台组件，快速获得了业务开发和组建的能力。如可以快速复用K8S容器云管理、微服务总线（Micro Services Bus，MSB）、应用中间件、基础数据库等平台能力，并采用统一运营的OES平台组件方案，可以获得自动化运维整体解决方案的支持，并利用OES提供的安全管理、租户管理、日志管理、北向接口框架、监控、告警以及资源管理框架等微服务化的公共支撑和公共应用组件。

而“厚平台、薄应用”的中台和前台分离架构形态将主要的业务和数据核心能力沉淀到中台，以业务中台和数据中台的形式为前台业务应用提供快速的业务流程构建能力，同时将相关业务领域的业务功能和数据做了很好的统一，避免了重复功能开发和维护带来的开发维护成本浪费，也避免了不同系统间实现业务交互带来的集成和协作成本浪费。小前台的模式集中关注更好的用户界面展现和用户交互，快速灵活地进行业务组合来满足多样的用户需求。

（1）运维数据中台。主要包括南向适配服务、南向框架服务和数据服务。其中，南向适配服务和南向框架服务统一称为南向接入子系统。南向接入包括南向框架、南向适配两个模块，每个模块可划分为一个或多个微服务。微服务之间通过表征状态转移(Representational State Transfer，REST)接口或消息中间件（如kafka）进行交互。数据服务子系统是系统的数据处理中心，对系统中的测点数据进行保存和查询工作。对于上行数据（包括手工录入或导入的数据），负责将标准化测点数据保存到数据库中；对于业务子系统提供数据的查询服务，包括性能数据、参数数据、报表业务统计和站点记录数据；对于业务模块，把业务测点保存到数据库中。

（2）运维业务中台。主要包括监控服务、配置服务、设备管理、故障跟踪以及运维操作等。监控服务包括被监控对象和监控系统，被监控对象包括站点、机房、设备、部件、资产以及资源，监控系统包括网管/服务器、站点控制器/监控单元。系统的配置信息包括监控对象、监控设备、站点、分组以及协议配置等，这些配置信息按照使用角色和使用场景不同，划分成工程配置、业务配置和系统配置。故障管理对告警进行产生、恢复、保存及查询，并且与平台子系统的告警管理进行对接。

（3）AI中台。基于大数据和AI技术，提供大数据分析处理框架以及可视化建模、模型部署、公共算法等智能分析工具箱。其能够实现海量数据的分布式计算，并通过系统中功能丰富的算子为业务人员提供便捷的建模工具。用户进行编排模型，将训练的模型直接发布到线上系统，实现组织业务流程的整合，降低了使用数据挖掘技术的门槛，也帮助客户发现数据价值。

（4）运营业务中台。数据来源于运维管理数据中台，包括电池运营、油机运营、能效分析、绿色能源以及运营管理等，均以微服务架构实现。例如，电池运营中的全网SOC/SOH预测服务，通过站点锂电池部署情况、市电质量、环境温度、生产时间、启用时间以及循环次数等全局运行状态可视化与大数据分析，协同本地BMS进行SOC/SOH的精准计算。在全网有大量不同型号、不同化学体系或新旧不一的电池、无法完全通过智能锂电混用的场景下，可以使用智能配组服务，通过大数据分析技术实现站间相同型号和状态的电池配组，可以提升电池运行效率，延长使用寿命。

能源网络一体化运营系统还能实现全网站点的高能效管理，具体包括以下几点。一是提高全网能效。全网站点的能效可视化与大数据分析技术可以及时发现和处理能效短板，及时全网推广最佳能效典范。二是优化全网资源。全网站点的运行状态可视化与大数据分析能够优化各类资源的利用率，如通过调配冗余电池或整流器、电池的梯次利用和扩容等技术减少市电和燃油。三是减少运营管理漏洞。包括实时监测油位、油品状态，杜绝虚假加油账单报销，增加电量计费，拒绝虚高电费账单（租户场景）等。四是应急预测。准确预测市电停电状态、天气状态和维护能力等，如提前预测恶劣天气并做好储能准备，以减少应急油机运行。

5 结 论

中兴通讯是业界著名的电信设备制造商，深谙5G网络部署、运维和运营中的痛点，也是通信电源主流设备商。通过融合功率变换控制和云计算、大数据及AI等信息技术而推出的“端-管-云”全栈微站供电技术和解决方案已经广泛应用于全球多个5G网络中，大大加速了全球5G的商用进程。高精度SOC/SOH预测、并联混用、梯次利用等技术突破，延长电池寿命20%、并实现旧电池再利用，减少了资源浪费，减轻了电池报废造成的环境污染。此外，通过与主设备协同运作，最多可以帮助电信网络综合节能20%，年均节省电费100亿元，减少270万t碳排放，为助力5G建设、国家“碳中和”及环境保护做出重要贡献。