5G基站供電系統(tǒng)需求及供電技術(shù)探討

魏 瑾

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，山西 長治 046011）

1 5G背景及發(fā)展概述

第五代移動通信技術(shù)（5th generation mobile networks，5G），是2G、3G以及4G的繼承和發(fā)展。作為目前最為先進(jìn)的蜂窩通信技術(shù)，其與4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，傳輸速率達(dá)到了10 Gb/s，提升了10倍，流量密度為10 Tbs/km2，提升了100倍，其無與倫比的高速率、低延時、少能耗以及微成本備受人們推崇。2G、3G、4G以及5G的速率比較如表1所示。

表1 2G、3G、4G以及5G的速率比較

2 5G關(guān)鍵技術(shù)及基站介紹

5G基于蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，將信號覆蓋范圍劃分為若干蜂窩式的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，將終端設(shè)備中數(shù)字化的數(shù)據(jù)信號，如聲音、視頻以及圖像等以比特流數(shù)據(jù)的方式通過無線電磁波信號與收發(fā)設(shè)備進(jìn)行通信傳輸。5G通信系統(tǒng)綜合運用了超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、Massive MIMO、CDN、D2D通信以及新型信息編碼等關(guān)鍵技術(shù)，解決了傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率低、網(wǎng)絡(luò)延時高、數(shù)據(jù)容量窄以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理問題，符合移動通信發(fā)展大趨勢[1]。

5G基站作為整個通信網(wǎng)絡(luò)的核心，提供信號覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。為保障通信質(zhì)量的穩(wěn)定性、高可靠性、可拓展性以及管理的便捷性，5G基站通常以混合式的分層模式進(jìn)行建設(shè)。5G基站運用了Massive MIMO技術(shù)，通過增多天線的措施充分利用空間資源，對提升通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和頻譜效率都有積極意義。除此之外，由于5G應(yīng)用大量無線設(shè)備，因此需要通過電磁監(jiān)測和定期檢查等手段及時排除干擾，保障基站正常運行。

3 5G基站供電系統(tǒng)需求現(xiàn)狀分析

3.1 基站結(jié)構(gòu)的變化

5G基站接入層架構(gòu)較4G基站有所變化，由BBU和RRU的2層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化為CU、DU以及AAU的3層架構(gòu)。其中，CU是從原BBU中非實時部分分割出來的，負(fù)責(zé)處理非實時協(xié)議和服務(wù)；DU是BBU剩余功能的重新定義，負(fù)責(zé)實時處理協(xié)議和服務(wù)；AAU是有源天線單元BBU的部分物理層處理功能與原RRU及天線的合并。如此分層主要是為了滿足5G應(yīng)用場景的需求。5G具有切片功能，所謂切片主要是將一張物理網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同業(yè)務(wù)劃分為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而滿足不同應(yīng)用場景。按照5G標(biāo)準(zhǔn)，可以靈活組合CU、DU以及AUU，共有4種組合狀態(tài)。第1種為CU-DU共硬件部署，與傳統(tǒng)4G宏基站類似；第2種為CU集中部署，DU部署在4G BUU機(jī)房；第3種為DU集中部署，CU集中部署在更高網(wǎng)絡(luò)層；第4種為CU和DU集中部署，類似于4G的C-RAN。

如此設(shè)計為今后資源化和智能化管理CU及DU提供了技術(shù)基礎(chǔ)，也是未來5G深度發(fā)展的有益條件。目前，國內(nèi)仍以1個BBU+3個AAU這樣設(shè)置方式為主，本文認(rèn)為這主要是從成本及技術(shù)成熟度兩個方面考慮的。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變化必然導(dǎo)致供電需求的變化，為應(yīng)對5G基站發(fā)展需求需要改造或重建原有供電系統(tǒng)，這是不得不面對的問題[2]。

3.2 5G基站功耗變化

5G基站功耗的變化主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面是單個基站功耗的變化，5G基站因AAU采用Massive MIMO技術(shù)，使得天線由2/4/8個增加到了64/128/256個，引起設(shè)備功率大幅度增大。通常認(rèn)為現(xiàn)在單個5G基站功率約為傳統(tǒng)單個4G基站的3～4倍，因此原有供電系統(tǒng)設(shè)計需根據(jù)現(xiàn)在5G基站用電需求變化進(jìn)行必要的改造升級甚至重建，以滿足基站功耗的需求。另一方面是5G基站密度的大幅度提升，根據(jù)現(xiàn)行5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，5G技術(shù)應(yīng)用頻段遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)2G、3G以及4G網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)信號衰減特性，頻率越高，信號衰減越明顯，因此5G基站密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)2G、3G以及4G基站。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，5G基站單位面積數(shù)量至少達(dá)到4G基站的2～3倍，甚至6倍。因此，對供電需求是極大的，現(xiàn)有電網(wǎng)遠(yuǎn)不能滿足5G基站的需求。

3.3 傳統(tǒng)電力供應(yīng)面臨的實際問題

傳統(tǒng)電力供應(yīng)在5G基站建設(shè)方面主要面臨以下幾個方面挑戰(zhàn)。首先是直供電難度較大，一方面是市電容量有限，另一方面是直供電需對現(xiàn)有市電進(jìn)行大幅改造，需大量的建設(shè)資金，另外實際應(yīng)用過程中“直供+轉(zhuǎn)供”的大量存在也5G基站用電費用居高不下的關(guān)鍵所在。其次是電池容量不能滿足實際需求，部分基站由于電源容量的限制，需增配電池予以保障，根據(jù)實際操作數(shù)據(jù)顯示每增加一套5G設(shè)備，需配備500 Ah電池，電池的增加會導(dǎo)致基站面積緊張。再次是AUU設(shè)備供電需求（48 V）特殊，導(dǎo)致供電距離不宜過長，極限距離為70 m左右，供電距離增加，電池放電容量降低，而供電距離不足，又制約AUU部署，因此電池容量也是傳統(tǒng)電力供應(yīng)面對的巨大挑戰(zhàn)。最后是散熱問題，5G基站功耗的增加會導(dǎo)致出現(xiàn)散熱問題，部分基站所處環(huán)境惡劣，不具備安裝和使用空調(diào)的物理條件，而且空調(diào)需定期進(jìn)行除塵，維護(hù)困難，另外空調(diào)噪音會引發(fā)擾民問題，因此散熱挑戰(zhàn)也是亟待解決。此外，還面臨桿塔供電不足、遠(yuǎn)拉供電以及高壓直流遠(yuǎn)供轉(zhuǎn)化等問題[3]。

4 5G供電技術(shù)的探討

4.1 轉(zhuǎn)供電向直供電轉(zhuǎn)變

現(xiàn)階段，“轉(zhuǎn)供電+直供電”模式的選擇是5G產(chǎn)業(yè)初期的無奈之舉。轉(zhuǎn)供電雖容易實現(xiàn)，但后期維護(hù)管理相對困難，與業(yè)主單位有著直接的關(guān)系，另外轉(zhuǎn)供電用電成本高于直供電，通常超出0.3～0.5元/kW·h，這對基站選址建設(shè)的影響較大。從5G基站發(fā)展來看，直供電是未來供電的必然選擇，各地政府也意識到5G用電問題，出臺了各類轉(zhuǎn)供電改直供電的相關(guān)政策，切實幫助運營商降低用電成本。另外，直供電有利于實現(xiàn)電費包干，后期管理維護(hù)相對容易，利于5G基站發(fā)展。

4.2 電池技術(shù)供電保障

當(dāng)前，電池應(yīng)用存在容量、體積、質(zhì)量、溫控以及安全等諸多方面的問題。為適應(yīng)5G技術(shù)發(fā)展需求，應(yīng)不斷優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)，盡可能壓縮備電負(fù)載，將鉛酸電池改用鋰電池或其他密度大和環(huán)境友好的電池。在備電選擇方面，可采取遠(yuǎn)近配電相結(jié)合的備電策略，在近端配備小型電池，在遠(yuǎn)端大型基站或通信機(jī)房配置共享型大電池。此外，可通過電源與電池的配合，讓電池代替電源進(jìn)行調(diào)峰供電，減低基站對外市電的需求[4]。

4.3 高壓供電的應(yīng)用

高壓供電技術(shù)的應(yīng)用主要是為了解決遠(yuǎn)程供電（1～2 km）的問題。直接采用5G基站AAU所需的48 V供電時，供電距離短（70 m左右），電路電流較大，可選擇高壓平臺（如240 V）進(jìn)行有效應(yīng)對。選擇高壓平臺時，同樣需要解決升壓和降壓的問題，如果直接用高壓供電則不需升壓，否則需額外增加設(shè)備。周邊其他設(shè)備，如傳輸設(shè)備、安防設(shè)備、數(shù)據(jù)設(shè)備以及動環(huán)監(jiān)測設(shè)備等都需與高壓電壓一致，除此之外，高壓平臺的應(yīng)用對維護(hù)工作和維護(hù)能力也提出了更高的要求。

4.4 網(wǎng)線POE供電技術(shù)的應(yīng)用

皮基站μRRU供電選擇時，可采取網(wǎng)線POE供電技術(shù)。該技術(shù)的供電距離通常在100 m之內(nèi)，超過需增加設(shè)備，供電功率一般為20～50 W，電壓與AAU工作電壓相一致為48 V，網(wǎng)線通常選用超六類網(wǎng)線，根據(jù)功率的高低又分為低功率線對（單纜四對八芯）和高功率線對（雙纜八對十六芯）。此外，必要的保護(hù)機(jī)制應(yīng)具備兩個方面。一方面是人機(jī)保護(hù)機(jī)制，能夠及時檢查短路、斷路以及過載，保障維護(hù)人員和設(shè)備的安全；另一方面是線路防雷保護(hù)，應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，做到防雷保護(hù)[5]。

4.5 池化供電技術(shù)的應(yīng)用

池化供電技術(shù)類似于云計算資源池的部署應(yīng)用，該技術(shù)的應(yīng)用得益于5G基站結(jié)構(gòu)的靈活性。5G基站細(xì)化為CU、DU以及AAU核心模塊，按照5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以將CU、DU以及CU-DU進(jìn)行集中池部署，通過大型基站或通信機(jī)房減少CU和DU端的電力損耗，提升供電使用效率，同時也為智能化用電管理和資源化設(shè)備應(yīng)用提供底層設(shè)備支撐。此外，現(xiàn)階段“BBU+AAU”的實際部署模式中，BBU同樣可以集中池化部署，減少BBU端電力損耗，是未來5G供電技術(shù)發(fā)展的大趨勢，是值得推出和深入研究的技術(shù)措施。

5 結(jié) 論

由于5G基站基本結(jié)構(gòu)的變化、單基站供電需求的大幅提升以及基站密度的增加，再加之現(xiàn)有供電系統(tǒng)存在市電容量不足、直供電程度較低、電池備電能力不足以及散熱問題凸顯等問題，導(dǎo)致5G基站用電需求得不到滿足，一定程度上制約了5G技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。為此，本文給出了常見的供電技術(shù)應(yīng)對策略。相信隨著5G相關(guān)技術(shù)不斷成熟，未來基站供電問題都能得到較好地解決，為推廣和應(yīng)用5G技術(shù)提供技術(shù)保障。