5G站點建設(shè)動力配套解決方案探討

林鐵力，譚路加，董 冰（.中國聯(lián)通廣東分公司，廣東廣州 5067；.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司廣東分公司，廣東廣州 5067）

0 前言

政府在多個重要場合明確提出中國積極推進5G全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，逐步提升5G 話語權(quán)，實現(xiàn)5G 全球領(lǐng)跑。當(dāng)前5G 使用3.5 GHz 頻率，頻段帶寬100 MHz，為了保證一定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，5G 設(shè)備的功耗遠大于LTE 設(shè)備。本文基于當(dāng)前主流基站設(shè)備廠家的試驗網(wǎng)產(chǎn)品的功耗，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)基站的動力情況，分析5G 基站設(shè)備對動力需求，給出相應(yīng)的解決方案，為未來5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)?？焖俨渴鸾ㄔO(shè)提供必要的參考。

1 5G設(shè)備形態(tài)及對動力配套的需求分析

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及設(shè)備形態(tài)

5G 時代，業(yè)務(wù)多樣性對網(wǎng)絡(luò)的靈活部署提出了更高的需求，5G RAN 架構(gòu)將從4G 的BBU、RRU 2級結(jié)構(gòu)演進到CU、DU 和AAU 3 級結(jié)構(gòu)。天線側(cè)采用Massive MIMO技術(shù)，射頻模塊與天線結(jié)合，一體化集成。

圖1示出的是4G基站與5G基站架構(gòu)對比。

集中單元（CU）是原BBU 的非實時部分分割出來的，主要處理低實時的無線協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署。

圖1 4G基站與5G基站架構(gòu)對比

分布式單元（DU）主要處理包括物理層功能和高實時的無線協(xié)議棧功能，滿足uRLLC 業(yè)務(wù)需求，與CU一起形成完整協(xié)議棧。

AAU：有源天線、原RRU 及BBU 的部分物理層處理功能合并為AAU。

5G 部署初期，5G 設(shè)備形態(tài)優(yōu)先選擇CU/DU 合設(shè)方式（下稱5G BBU 設(shè)備），未來隨著5G 垂直行業(yè)等新業(yè)務(wù)需求增加，可基于MEC 邊緣云，采用CU-DU 分離方式。同時結(jié)合機房條件、光纖資源，優(yōu)先采用BBU集中放置方式（C-RAN）。

圖2示出的是5G RAN架構(gòu)設(shè)置方式。

圖2 5G RAN架構(gòu)設(shè)置方式

5G 主設(shè)備具有與現(xiàn)網(wǎng)4G 設(shè)備存在形態(tài)差異大、功耗大、重量重等特點。

1.2 5G站點對動力需求分析

動力需求主要涉及3個方面：外市電需求、蓄電池容量需求、開關(guān)電源模塊需求。

1.2.1 外市電容量需求分析

結(jié)合5G 設(shè)備功耗情況，通過外電容量計算公式“市電引入容量=（P通信設(shè)備+P電池充電）/0.9+（P空調(diào)+P照明+P其他耗電）/0.95”確定5G站點的外電需求。

市電引入容量根據(jù)基站遠期規(guī)劃容量配置，在通信負載最大功率工作時還需要同時滿足蓄電池充電及環(huán)控系統(tǒng)最大負荷需求，同時在前期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段，考慮后期的網(wǎng)絡(luò)擴容需求，外市電容量應(yīng)至少預(yù)留1.5 kVA的容量。

1.2.2 蓄電池容量需求分析

根據(jù)GB 51194-2016 通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范，5G 試驗網(wǎng)設(shè)備功耗情況及后備時長等因素確定蓄電池改造方案。電池容量計算公式為：

式中：

Q——蓄電池組總?cè)萘浚ˋh）

K——安全系數(shù)，取1.25

I——負荷電流（A），區(qū)分一次下電與二次下電的負荷電流

T——放電小時數(shù)（h），區(qū)分一次下電與二次下電的放電小時數(shù)

η——放電電容系數(shù)，區(qū)分一次下電與二次下電的放電電容系數(shù)

t——實際電池所在地最低環(huán)境溫度系數(shù)，所在地有取暖設(shè)備時按15 ℃考慮，無取暖設(shè)備時按5 ℃考慮

α——電池溫度系數(shù)（1/℃），當(dāng)放電小時率≥10時，取α=0.006；當(dāng)10＞放電小時率≥1時，取α=0.008；當(dāng)放電小時率＜1時，取α=0.01

1.2.3 開關(guān)電源模塊需求分析

結(jié)合機房內(nèi)設(shè)備功耗情況，確定機房內(nèi)的開關(guān)電源容量需求：

開關(guān)電源的整流模塊容量采用n+1（n≥1）配置方式。其中主用整流模塊總?cè)萘繎?yīng)按負荷電流和蓄電池均充電流（10 h 充電電流）之和，并考慮0.95 的有效系數(shù)確定。n=主用整流模塊總?cè)萘?50，向上取整。

1.3 5G站點動力需求核算結(jié)果

1.3.1 5G時代的站點分類

5G 網(wǎng)絡(luò)的部署初期，優(yōu)先選擇CU/DU 合設(shè)方式，在這種情況下，可以考慮把5G 基站站址依據(jù)5G BBU的設(shè)置情況分為3 類，對于不同類型的站點差異化地進行動力配套需求核算。

表1示出的是5G基站站址分類。

1.3.2 DU集中機房動力需求核算

DU集中機房一般由普通機房改造，或者直接使用現(xiàn)有的4G 網(wǎng)BBU 集中機房作為DU 集中機房。DU 集中機房中，一般放置3～5 個5G 網(wǎng)絡(luò)BBU，同時放置本站的3個AAU；無論是使用現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的BBU集中機房還是新建機房作為5G 網(wǎng)絡(luò)的DU 集中機房，在動力配置時，都要考慮相應(yīng)的4G BBU 集中放置。因此，在DU 集中機房中，需要考慮放置3～5 個4G 網(wǎng)絡(luò)BBU 以及3個4G網(wǎng)絡(luò)的RRU。

蓄電池組配置需求：4G、5G 網(wǎng)絡(luò)的無線設(shè)備按一次下電2 h 備電考慮，傳輸設(shè)備按二次下電4 h 備電考慮。

其中：4G BBU集中數(shù)量按5個考慮，功耗按145 W考慮；RRU 按3 個考慮，每個按450 W 考慮；5G BBU 集中數(shù)量按5 個考慮，功耗按1 700 W 考慮；RRU 按3 個考慮，每個按1 500 W考慮；傳輸設(shè)備按500 W考慮。

根據(jù)電池的規(guī)格選擇配置電池數(shù)量，DU集中機房配置2組800 Ah蓄電池組。

開關(guān)電源容量配置參考需求分析方法，容量需求=（5×145+3×450+5×1 700+3×1 500+500+800×2×48/10）/0.95/48=510（A），配置600 A的開關(guān)電源1架，配置模塊=510/50+1=11.2，取整12塊。

其中蓄電池組充電功耗按2 組800 Ah，10 h 均充考慮。

市電容量需求核算：核算市電容量，關(guān)鍵是核算空調(diào)的配置及功耗。

空調(diào)的功耗根據(jù)空調(diào)的配置來核算，空調(diào)的設(shè)置則根據(jù)機房內(nèi)的制冷量需求進行配置，空調(diào)制冷量需求精確核算比較復(fù)雜，在基站機房的計算過程中可以采用簡化的公式來計算。

空調(diào)制冷量Q=室內(nèi)設(shè)備功耗+機房面積×0.16=4G BBU 功耗+5G BBU 功耗+傳輸設(shè)備功耗+照明環(huán)控功耗+蓄電池組充電功耗+機房面積×0.16=（5×145+5×1 700+500+500+800×2×48/10）/1 000+40×0.16=24.3（kW）。

其中：照明環(huán)控設(shè)備功耗按500 W 估列；機房面積按40 m2考慮。

5 匹的空調(diào)制冷量12.5 kW，DU 集中機房需配置2臺5匹空調(diào)，總功耗7 350 W（1匹按735 W計算）。

根據(jù)市電容量計算公式：市電引入容量=（P通信設(shè)備+P電池充電）/0.9+（P空調(diào)+P照明+P其他耗電）/0.95=（5×145+3×450+5×1 700+3×1 500+500+800×2×48/10）/0.9+（7 350+500）/0.95=34 102（W）。

DU集中機房至少配置市電容量40 kVA。

1.3.3 普通機房基站動力需求核算

普通機房僅放置本站的4G 的BBU 及RRU、5G 的BBU 及AAU、傳輸設(shè)備，同時配置蓄電池組及空調(diào)。普通機房的機房面積按20 m2考慮，一次下電時長按1 h 考慮，二次下電時長按4 h 考慮，蓄電池充電均充時長按10 h考慮。

普通機房的動力需求參考DU 集中機房的方法計算。

表1 5G基站站址分類

配置2組300 Ah的蓄電池組。

開關(guān)電源容量需求=（1×145+3×450+1×1 700+3×1 500+500+300×2×48/10）/0.95/48=180（A），配置400 A的開關(guān)電源1架，配置模塊=180/50+1=4.6，取整5塊。

空調(diào)制冷量Q=（1×145+1×1 700+500+500+300×2×48/10）/1 000+20×0.16=9.8（kW），配置2臺2匹空調(diào)。

市電引入容量=（1×145+3×450+1×1 700+3×1 500+500+300×2×48/10）/0.9+（735×4+500）/0.95=15 927（W），少配置市電容量18 kVA。

1.3.4 AAU拉遠站點動力需求核算

AAU 拉遠站點僅放置本站的4GRRU、5G AAU，BBU 及傳輸設(shè)備放置在DU 集中機房，一般不作備電要求。

市電引入容量=（3×450+3×1 500）/0.95=6 500（W），少配置市電容量8 kVA。

2 5G站點建設(shè)動力配套解決方案

2.1 蓄電池組配置解決方案

a）新增蓄電池容量的需求按照設(shè)備最大功率配置。

b）蓄電池均充電流按10 h充電電流計列。

c）計算得出電池容量需求后，在“配置電池容量（Ah）”滿足“備電電池容量需求（Ah）”要求的基礎(chǔ)上，通過新增或替換電池的方式，最終確定配置的電池規(guī)格和數(shù)量。

d）新增或替換電池，應(yīng)考慮機房或新型一體化機柜安裝空間的限制。新型一體化機柜電池柜單柜一般只能安裝150 Ah的電池組。

2.2 開關(guān)電源需求解決方案

已有站址優(yōu)先考慮現(xiàn)有電源擴容，根據(jù)現(xiàn)有和新增設(shè)備負荷需求，考慮蓄電池充電電流，判斷現(xiàn)有開關(guān)電源是否滿足需求，若不滿足需求則有以下方案。

a）依據(jù)N+1 的配置原則，對整流模塊進行擴容，擴容模塊必須與原有型號完全一致；N=主用整流模塊總?cè)萘?50，向上取整。

b）若滿架容量較小，無法擴容，則考慮替換或新增開關(guān)電源。

c）若現(xiàn)有電源整流模塊停產(chǎn)無法擴容，也考慮替換或者新增。

d）按照設(shè)備最大功率配置。

2.3 外市電需求解決方案

外市電引入應(yīng)遵循如下原則。

a）新建的DU 集中機房或普通機房應(yīng)盡量引入一路三類以上（含三類）的市電電源，重要的DU 集中機房應(yīng)自建變壓器。

b）利舊現(xiàn)有站址的情況下，如不滿足交流引入功率要求的基站，應(yīng)對外市電引入進行改造。

c）對于AAU拉遠站址，可以考慮引入單相市電電源。

d）機房設(shè)置在學(xué)校、工廠等公用建筑，可以考慮借用業(yè)主電。

e）機房設(shè)置在居民樓或者小商鋪等本身市電容量冗余并不充裕的區(qū)域，盡量考慮從供電局直接報裝電。

3 結(jié)束語

5G 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署即將來臨。動力配套作為5G 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠運行的根本保障，在啟動網(wǎng)絡(luò)部署之際，必須提前考慮到位，做好充分的準(zhǔn)備。本文根據(jù)未來5G 網(wǎng)絡(luò)基站的建設(shè)方式，把站址分為DU 集中機房、普通機房、AAU 拉遠站址，分別給出相應(yīng)的動力配置需求計算方式以及解決方案，為后續(xù)的5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署的動力配置設(shè)置提供參考。