5G基站供電系統(tǒng)需求及供電技術探討

賈 駿，郭慧娟，李杰強

（中國信息通信研究院，北京 100191）

1 5G發(fā)展概況

中國信息通信研究院2019年1月發(fā)布的《全球5G發(fā)展數據跟蹤報告》顯示，全球5G已進入商用。全球共有11個國家和地區(qū)的15家運營商宣稱，開始提供5G業(yè)務或激活5G網絡。當前，商用業(yè)務集中在固定無線接入和企業(yè)應用。AT&T于2018年12月在12個城市推出基于3GPP R15標準的商用5G移動服務，并計劃于2019年上半年再擴展7個城市。65個國家和地區(qū)推出了5G戰(zhàn)略行動計劃或者已經拍賣5G頻譜的行動。韓國的三家移動網絡運營商于2019年4月初推出了商用5G服務，目前近90%的5G基站集中部署于首爾及其周邊地區(qū)和韓國的5個大城市，同時日本已經開始進行5G網絡的部署建設。

我國的5G網絡部署和建設也在如火如荼地進行。據了解，中國移動2019年將建設3～5萬個5G基站，預計投入100億元。中國電信2018年在17個城市建設了超過1 000個5G基站，2019年擬在5G建設方面投入90億元，通過聚焦重點城市、擴大試驗規(guī)模，初期預計5G基站投入達到2萬個。2018年，中國聯通在17個城市開展每城市100站規(guī)模的5G組網與行業(yè)應用試點，2019年預計投入60～80億元建設5G網絡。

2 5G移動通信技術的特征

與4G網絡相比，5G網絡通過大規(guī)模天線陣列、新型多址、新型編碼調制以及靈活雙工等關鍵技術，實現了連續(xù)廣域覆蓋；通過D2D通信（5G網絡通信關鍵技術之一）、新型編碼調制短幀設計、信號與網絡優(yōu)化，實現了低時延與高可靠；通過超密集組網、大規(guī)模天線陣列、新型多址、高頻段通信以及靈活雙工/全雙工，實現了熱點高容量覆蓋；通過新型多載波和新型編碼調制，實現了低功耗大連接[1]。

在網絡關鍵能力指標方面，5G網絡較之前的移動通信技術有了大幅提升。5G網絡的關鍵性能特征主要包括具有更高傳輸速率的增強型移動寬帶（eMBB）、具有更高接入能力的大規(guī)模機器通信（mMTC）和具有更高通信保障的高可靠低時延通信（uRLLC）。在增強型移動寬帶性能方面，5G網絡可以達到10 Gb/s的傳輸速率；在大規(guī)模機器通信性能方面，5G網絡具有1 000 000個/km2接入的通信能力；在高可靠低時延性能方面，5G網絡的平均網絡時延可以達到1 ms。與4G網絡相比，5G網絡在傳輸速率和接入能力方面提高了100倍，而網絡時延縮短為1/100?？梢钥闯觯?G移動通信技術在網絡關鍵指標方面有了巨大提升，而性能提升將帶動網絡業(yè)務的迅猛發(fā)展。虛擬現實、游戲、物聯網、智慧城市、車聯網、智能制造等新型業(yè)務，將依托于5G移動通信技術優(yōu)異的高帶寬、大連接、低時延等特征得到快速推動，進而使得通信網絡與業(yè)務應用深度融合。

3 5G對基站供電系統(tǒng)提出的要求及挑戰(zhàn)

3.1 基站架構與形態(tài)變化

與4G網絡架構不同，5G RAN架構從4G/LTE的BBU、RRU兩級結構演進為CU、DU和AAU三級結構。CU主要處理實時性較低的無線協(xié)議棧，DU主要處理實時性較高的無線協(xié)議棧，AAU是有源天線和部分物理層處理功能合并而成的。這樣基站中的CU與DU兩個單元可以分開部署，也可以合并部署。

可以將5G基站部署劃分為CU-DU合并部署、CU云化-DU分布式部署和CU云化-DU集中部署三種方式[2]。CU-DU合并部署方式中，CU與DU兩個單元設置在同一局站內，DU通過拉遠方式連接AAU。CU云化-DU分布式部署方式中，每個DU處在一個局站內，每個DU通過拉遠方式連接AAU，CU集中設置在一個局站內。CU云化-DU集中部署方式中，DU集中設置在一個局站內，CU集中設置在一個局站內，DU局站通過拉遠方式連接多個AAU。部署方式會根據業(yè)務需求呈現多樣化，CU-DU合并部署的方式會在5G建設初期廣泛應用。

3.2 基站設備功耗的變化

隨著5G移動通信技術性能指標的大幅提升，基站設備的用電功耗增長迅猛。相比4G基站8T/8R天線，5G基站AAU采用了64T/64R的天線陣列，通道數量大幅增加，使得AAU的整體電功耗大幅增加。單個5G基站系統(tǒng)的功耗（基站設備與天面功耗之和）為4G基站系統(tǒng)功耗的4～5倍，因此基站原有的供電系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。圖1為4G和5G實驗網設備系統(tǒng)功耗對比及共享基站市電容量圖（來源：鐵塔公司）。

3.3 基站供電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

伴隨5G網絡的建設，基站供電系統(tǒng)主要面臨市電容量、開關電源容量、后備電、散熱以及拉遠供電方面的挑戰(zhàn)。

當前，5G建站主要是在4G系統(tǒng)上進行設備和天線的疊加，基站系統(tǒng)功率約為6kW，加上制冷設備的制冷消耗功率2kW、電池充電功率2.5kW，基站總功率約為10.5kW，而在共建共享基站中總功率將大于20kW?；竟牡奶岣呤沟么罅炕拘枰M行市電容量的增容，同時要對基站配電系統(tǒng)進行擴容，大幅增加了基站的建設成本。

圖1 4G和5G實驗網設備系統(tǒng)功耗對比及共享基站市電容量圖

在部分局站會出現原有開關電源系統(tǒng)容量不足問題，需要對開關電源系統(tǒng)進行升級改造。在原有4G基站疊加5G設備，每增加1套5G設備需要增加500 Ah后備電池容量（鉛酸蓄電池）。后備電池的增加將導致基站空間不足，尤其在共建共享基站空間方面的問題將更加突出。

5G設備疊加進入原有基站，每增加1套5G設備大約需要增加1.5kW制冷量，可以通過增加傳統(tǒng)空調方式解決[3]。但是，對于共建共享基站由于室內散熱量較大會產生局部熱量積聚，可以采用封閉冷熱通道、精確送風以及近端制冷方式解決。

5G基站中AAU功耗大幅增加，因此供電電纜上的電流增加，將導致從開關電源輸出端到AAU之間的電壓降大幅增加，從而限制了拉遠距離。以蓄電池供電為例，按蓄電池一次下電電壓46 V、主設備輸入電壓下限40 V計算，允許電壓降為6 V；當供電距離增加、電壓降大于6 V時，會導致電池還未到達下電電壓時主設備已經進入低電壓保護狀態(tài)。隨著供電距離的增加，電池的放電容量降低。從表1的示例可以看到，4G制式下供電距離可以達到120 m，而5G制式下只有70 m左右。供電距離的縮短會極大限制天線的部署，對5G網絡建設產生較大影響。

表1 蓄電池放電狀態(tài)下不同供電距離壓降

4 5G基站供電系統(tǒng)解決方案

本文從采用提高供電系統(tǒng)效率、提升遠供電壓、就近取電以及利用基站儲能四種解決方案進行分析。

4.1 提高供電系統(tǒng)效率

當前，基站開關電源的電源轉換效率已經較高，圖2為高效整流模塊的滿載效率值。

圖2 48 V高效整流模塊100%負載率下的效率示例

在目前的電源轉換效率下，再繼續(xù)提高1%～2%效率點，勢必會大幅增加電源采購成本。可以通過考慮提升整個基站供電系統(tǒng)的效率，將關注點從單一電源的轉換效率轉移到整個供電鏈路的供電效率，以減少供電系統(tǒng)上的功率損耗。

4.2 提升遠供電壓

在AAU拉遠供電場景下，采用48 V電壓制式會導致供電距離過短的問題，可以通過提升供電電壓的方式解決這一問題。可以采用240 V/336 V高壓直流電源或直流遠供電源供電，但這種高壓電源大量部署，存在潛在電擊安全問題。另一種供電方案是采用小幅度提升直流電壓的供電方式，即在48 V開關電源輸出端增加一級DC-DC電源。表2是升壓為57 V的供電示例。從表2可以看出，在57 V供電電壓下，5G制式供電距離由70 m延長至200 m。

電壓的小幅度提升可以增加拉遠供電的距離，避免了高壓電擊的問題，但是該方案在蓄電池與主設備之間增加了一個DC-DC電源，引入了單一故障點[4]，從而導致供電系統(tǒng)可靠性降低。

4.3 就近取電

在取電成本較低的情況下，不采用拉遠供電而采用就近取電的供電方式最經濟。但是，由于運營商基站數量龐大、基站建設場景復雜，拉遠供電與就近取電將會根據現實條件進行合理選擇。

表2 蓄電池放電狀態(tài)下不同供電距離壓降

4.4 利用基站儲能

可以通過在基站原有備電電池的基礎上增加循環(huán)充放電電池（如磷酸鐵鋰電池[5]），對峰谷電價差進行合理利用，或者在基站用電峰值時由儲能電池提供部分電量，以減少市電擴容帶來的巨大投入。

5 本地分散供電與集中拉遠供電方案的探討

對AAU設備的供電方式主要包括本地分散供電和集中拉遠供電兩種方式。這兩種供電方式各有利弊。采用本地分散供電方案時，電源轉換效率高、安裝靈活、便于故障點查找，但是引電費用高（需要在每個AAU處引電）、初期建設成本高、維護難度大。采用集中拉遠供電方案時，引電費用低、便于電源系統(tǒng)統(tǒng)一管理，但是線路損耗大、存在供電安全隱患問題。

6 結 語

隨著5G網絡建設工作的逐漸展開，基站供電系統(tǒng)中的市電容量、開關電源容量、后備電、散熱以及拉遠供電方面都會面臨越來越多的挑戰(zhàn)。目前，業(yè)內對這些問題并未達成統(tǒng)一的共識，尚未找到完美的解決方案，還需要運營商、鐵塔公司、制造商、設計院以及實驗室多方共同努力，探尋出一條可靠、科學與經濟的基站供電技術解決路線。