5G電源技術(shù)現(xiàn)存問題及改進(jìn)方案探析

唐振福

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

現(xiàn)階段，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)更新速度增快，使得4G網(wǎng)絡(luò)無法滿足現(xiàn)代新型業(yè)務(wù)的需求。業(yè)務(wù)需求的提高，引領(lǐng)著科技的不斷創(chuàng)新，使得5G成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。因?yàn)?G需要具備更高的能力，如超高速率、超低延時(shí)、海量信息以及廣覆蓋等，所以對5G電源提出了更高的要求。因此，站點(diǎn)建設(shè)需要考慮電源是否滿足5G的運(yùn)行[1-2]。我國作為較早研發(fā)5G技術(shù)的國家，為了加快網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)，贏得未來國際競爭新優(yōu)勢，更加重視5G電源面臨的問題，并展開了一系列分析研究。

1 5G站點(diǎn)電源的發(fā)展趨勢

與4G站點(diǎn)不同的是，5G站點(diǎn)在建設(shè)結(jié)構(gòu)上有了很大的提高。它不再應(yīng)用傳統(tǒng)老模式，而是在采取高低頻搭配的同時(shí)，應(yīng)用超密集立體異構(gòu)網(wǎng)模式進(jìn)行建設(shè)。這種模式的能耗效率較高且網(wǎng)絡(luò)信號極強(qiáng)，但小基站在運(yùn)行過程中存在覆蓋范圍較小的缺點(diǎn)。此外，4G時(shí)期40～80 W的輸出功率已經(jīng)無法滿足5G的運(yùn)行，需要將基站設(shè)備AUU單扇區(qū)的輸出功率提高到200 W以上甚至更高，所以基站電源需要很大的擴(kuò)容需求。由5G的技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢可知，它對頻譜資源的需求更寬，不僅要將頻率提高到3 GHz以上，還要縮短基站之間的距離。距離的縮短需要更多的數(shù)量來滿足需求[3-4]，因此5G站點(diǎn)的移動電源由初期的8T8R形式演變?yōu)?D MIMO發(fā)展模式。雖然現(xiàn)階段的電源供給與原電源供給相比是后者的3倍左右，但就實(shí)際用電功耗和電容量而言還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。未來的5年，預(yù)計(jì)會新增邏輯站超過1 000萬個(gè)。

2 5G站點(diǎn)電源的問題與挑戰(zhàn)

2.1 5G供電需求增加導(dǎo)致的全站點(diǎn)建設(shè)無法全部覆蓋

我國三家運(yùn)營商5G新頻段的引入導(dǎo)致供電需求過高，對站點(diǎn)建設(shè)的覆蓋力度是很大的挑戰(zhàn)。5G的移動電源發(fā)展成3D MIMO后，容量是原來的3倍左右，用電功耗是原來的1.1倍左右。基站電源系統(tǒng)需要考慮多方面問題，如要交流空開保留足夠的裕度、為大功率電源預(yù)留足夠容量以及要備電預(yù)留足夠余量[5]。

2.2 5G站點(diǎn)對可靠性有更高要求，備用電源存在不足的情況

相對于2G、3G以及4G這些網(wǎng)絡(luò)范圍較小的網(wǎng)絡(luò)來說，5G網(wǎng)絡(luò)需要更廣泛的業(yè)務(wù)進(jìn)行服務(wù)，如移動支付、虛擬社會、VR/AR、無人駕駛、AI智能以及智慧城市等。5G站點(diǎn)需要更高的可靠性，需要有足夠的備電給予保障。備用電源時(shí)刻做好保障，才可以更好地維護(hù)數(shù)據(jù)流量的穩(wěn)定可靠。電源消耗過高，備用電源不足導(dǎo)致斷網(wǎng)，帶來的影響十分嚴(yán)重。因此，建設(shè)可靠基站需要重點(diǎn)考慮備用電源問題[6-7]。

2.3 機(jī)房設(shè)施受限，改造壓力較大

在建設(shè)5G移動基站時(shí)，分布式基站是首選方案。不但可完成基帶單元和射頻單元的分離，還有利于基帶單元的集中放置，降低與物業(yè)的協(xié)調(diào)難度以及對機(jī)房新建與租賃的需求[8-9]?？紤]到三家運(yùn)營商的共享，為實(shí)現(xiàn)集中放置，要求電源能夠容納20個(gè)以上的BBU。但是，機(jī)房空間的限制會使基站內(nèi)部空間不足，導(dǎo)致散熱能力較差，且供電和備電的能力受到限制，改造價(jià)格昂貴。此外，BBU的堆疊放置對設(shè)備有較高的要求，因?yàn)殂U酸電池體積較大且質(zhì)量較大，所以機(jī)房的承重將受到嚴(yán)重限制，是面臨的一大挑戰(zhàn)。

3 5G站點(diǎn)電源的優(yōu)化及問題解決方案

3.1 直流系統(tǒng)升壓供電情況

直流系統(tǒng)升壓供電是極具優(yōu)化的解決措施。直流升壓是將電池提供的較低的直流電壓提升至所需電壓值，不僅可以滿足5G的大功率模塊，還大大降低了線纜成本。在高效節(jié)約的情況下，這可以減小電力電纜中通過的電流，從而減小需要的電纜面積，降低線纜的采購成本。這種方式不僅滿足運(yùn)營商的使用需求，還可以更合理地建設(shè)機(jī)房空間，節(jié)省空間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大范圍供電。升壓操作不影響任何用電設(shè)備的工作，也不需要新增設(shè)備，只要設(shè)定直流供電系統(tǒng)的電壓值即可[10]。

3.2 站點(diǎn)疊光架構(gòu)配置

5G站點(diǎn)設(shè)備的耗電龐大，且基站交流在引入改造過程中的難度較大，費(fèi)用較高。為防范引入改造，需通過疊加光伏發(fā)電系統(tǒng)來提升整個(gè)供電容量。站點(diǎn)疊光是在傳統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)基礎(chǔ)上展開進(jìn)一步的升級工作，利用新型的智能開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)供電的統(tǒng)一監(jiān)控。通過合理運(yùn)用太陽能，不但可以降低市電的輸入，還可以節(jié)約電費(fèi)的支出，減小成本壓力，減少應(yīng)急站的發(fā)電次數(shù)。小范圍的試點(diǎn)實(shí)踐表明，這種方法減少了大量費(fèi)用，每年發(fā)電投資費(fèi)用可節(jié)省3.8萬元，效益顯著。實(shí)際應(yīng)用期間，站點(diǎn)電源疊光可降低成本并統(tǒng)一管理界面，使太陽能發(fā)電更加高效。

3.3 直流遠(yuǎn)程供電

除了直流系統(tǒng)升壓和站點(diǎn)疊光架構(gòu)配置，直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)也是較好的選擇方案。直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)由局端設(shè)備、光電混合纜以及遠(yuǎn)端設(shè)備3個(gè)部分構(gòu)成。它不僅可以將機(jī)房內(nèi)部的電源隔離升壓，還可以通過光電混合纜以最大的效率進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，可為其他設(shè)備提供24 h的穩(wěn)定供電。

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)的應(yīng)用場景多，如村里的網(wǎng)絡(luò)、校園網(wǎng)以及辦公網(wǎng)絡(luò)等。各種寫字樓、商場、高鐵以及WLAN覆蓋的住宅區(qū)、機(jī)場、火車站等，也都是直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)存在市電停電現(xiàn)象時(shí)，直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可以保證基站正常工作；可與電業(yè)部門接入市電協(xié)調(diào)；可以節(jié)省戶外UPS，消除電源長期維護(hù)費(fèi)用；選址時(shí)不受市電的影響；線路施工方便，不需要專門的設(shè)備提供投資；幾乎無維護(hù)費(fèi)用。此外，直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)安全可靠，不會因?yàn)槎搪泛吐╇娨蛩赜绊戇\(yùn)行。

3.4 鐵鋰電池作為備用電源

鐵鋰電池與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，工作溫度范圍較廣。鐵鋰離子電池在工作電壓、能量密度以及循環(huán)壽命等方面具有顯著優(yōu)勢。與同體積的鉛酸電池相比，鐵鋰電池的備電能力是鉛酸電池的2倍，能有效解決機(jī)房承重不足的問題。鐵鋰電池可以有效節(jié)省空間，從而解決5G基站對電源承載更高的問題。鐵鋰電池在通信基站中的應(yīng)用通常有3種模式。

3.4.1 鐵鋰電池的單獨(dú)備電

對于樓板荷載能力處于較低水平的機(jī)房，可應(yīng)用鐵鋰電池代替鉛酸蓄電池進(jìn)行工作。鐵鋰電池雖然體積小，但是能量高，既可以降低機(jī)房樓板的承重，又可以提供高能量的工作。加上鐵鋰電池的工作范圍寬，可以提升機(jī)房內(nèi)空調(diào)設(shè)置的溫度，從而降低空調(diào)的運(yùn)行能耗，起到節(jié)能減排的作用。

3.4.2 鉛酸蓄電池與鐵鋰電混搭

通常電池之間不可以進(jìn)行混用，但鉛酸蓄電池和鐵鋰電池可經(jīng)電池合路器展開系統(tǒng)的混搭使用。除可提升基站的備電能力外，還可以優(yōu)化基站蓄電池資源，一定程度上降低通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本和運(yùn)營維護(hù)成本。這種模式實(shí)用且實(shí)惠[11-12]。

3.4.3 梯次電池應(yīng)用

梯次電池是動力鋰電池的二次使用。既往的鉛酸蓄電池?zé)o法保證在高溫場景下使用。在兩類市電環(huán)境溫度無法保證高溫場景和4類市電場景作為備電使用時(shí)，傳統(tǒng)鉛酸電池壽命會大幅下降。這種場景下，適合梯次利用動力鋰電池循環(huán)壽命長、耐高溫性能好的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行供電。但是，目前梯次利用動力鋰電池的退役電池?cái)?shù)量太少，不能夠形成規(guī)模化的處理。隨著技術(shù)的日益成熟，梯次電池將廣泛應(yīng)用于5G基站備電儲能。

4 結(jié) 論

5G需開展對超密集背景下立體化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，使得基站電源等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和配置面臨挑戰(zhàn)。因此，在部署和使用5G電源時(shí)，需著力滿足未來5G在快速部署方面的要求，考慮電池組具有的高強(qiáng)度備電功能。使用5G電源為工程運(yùn)營和公共設(shè)施等多元化移動通信提供理想連接，獲取的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。因此，需不斷創(chuàng)新應(yīng)用5G電源，增加社會經(jīng)濟(jì)效益。