李 杰

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿足新業(yè)務(wù)飛速發(fā)展的需求，技術(shù)更加先進(jìn)的新一代移動(dòng)通信網(wǎng)——5G網(wǎng)絡(luò)成為了關(guān)注焦點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)以可持續(xù)發(fā)展的方式，解決超千倍移動(dòng)數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)需求，提供超高速率、超低時(shí)延以及海量連接等多場(chǎng)景的一致性體驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的愿景。

我國(guó)是世界上較早開(kāi)展5G技術(shù)研究的國(guó)家之一，在技術(shù)研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與應(yīng)用創(chuàng)新方面皆取得階段性成果，具備大規(guī)模部署的基礎(chǔ)和條件。構(gòu)建高速率、廣普及、全覆蓋與智能化的下一代移動(dòng)通信網(wǎng)，是加快網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)、加速國(guó)家信息化進(jìn)程、助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及贏得未來(lái)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)的緊迫要求。

1 5G站點(diǎn)電源演進(jìn)趨勢(shì)

5G站點(diǎn)建設(shè)采用高低頻搭配與宏微協(xié)同的超密集立體異構(gòu)網(wǎng)模式，微小基站在運(yùn)行過(guò)程中普遍具有覆蓋范圍偏小的缺點(diǎn)，然而其能耗效率較高，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)極強(qiáng)。微站發(fā)射功率一般為1～5 W或是百毫瓦級(jí)，覆蓋范圍較為有限。相比于宏站，微站的體積和重量大約只有一半，使用靈活，安裝便利，可與宏站相結(jié)合，作為宏站建設(shè)方式的一種有利補(bǔ)充，有效提升立體覆蓋效果。從5G的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，5G的頻譜資源需求寬，需要用到3 GHz以上的頻率，同時(shí)基站站距變短，5G網(wǎng)絡(luò)基站的數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4G網(wǎng)絡(luò)[1]。未來(lái)5年，預(yù)計(jì)新增邏輯站超過(guò)1 000萬(wàn)。考慮三家運(yùn)營(yíng)商共享情況，至2020年站點(diǎn)最大典型功耗將達(dá)到30 kW以上，站點(diǎn)平均功耗達(dá)到20 kW，到2022年相對(duì)于2018年站點(diǎn)功耗將翻倍。5G站點(diǎn)功耗統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)情況如圖1所示。

圖1 5G站點(diǎn)功耗統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)

2 5G站點(diǎn)電源面臨的挑戰(zhàn)

2.1 5G新頻供電需求增加，站點(diǎn)建設(shè)需提前考慮

隨著三家運(yùn)營(yíng)商5G新頻段的引入，供電服務(wù)需求增加，三家共享站點(diǎn)總功耗需求達(dá)30 kW以上。5G設(shè)備由初期的8T8R發(fā)展到3D MIMO，容量是原來(lái)的2.5～3倍，用電功耗將是原來(lái)的功耗1.1倍左右。因此，對(duì)基站電源系統(tǒng)而言，需要做以下考慮：（1）交流空開(kāi)保留足夠裕度；（2）大功率電源（600 A）預(yù)留足夠容量；（3）備電預(yù)留足夠余量。

2.2 5G站點(diǎn)要求更高的可靠性，備電成為必需

基站退服原因統(tǒng)計(jì)如圖2所示，經(jīng)分析，在基站退服原因中，傳輸及主設(shè)備原因占40%左右，而50%以上網(wǎng)絡(luò)中斷是與能源相關(guān)的。對(duì)2G、3G以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，小范圍的網(wǎng)絡(luò)中斷影響面相對(duì)較小，4G網(wǎng)絡(luò)小范圍中斷影響也還在可控范圍內(nèi)，而5G網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于移動(dòng)支付、智慧城市、虛擬社會(huì)、VR/AR、無(wú)人駕駛、人工智能以及4K等“萬(wàn)物互聯(lián)”業(yè)務(wù)，斷網(wǎng)影響難以承受，通信保障壓力空前。因此，可靠的基站后備電源是基站建設(shè)中必需要考慮的事項(xiàng)。

2.3 機(jī)房空間、散熱、供電和備電能力受限，改造壓力大

分布式基站（BBU+RRU）完成了基帶單元和射頻單元的分離，有利于實(shí)現(xiàn)基帶單元的集中放置。集中放置優(yōu)點(diǎn)在于降低機(jī)房的新建和租賃需求，降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度[2]?？紤]3家運(yùn)營(yíng)商共享的情況，5G網(wǎng)絡(luò)集中放置站點(diǎn)容納BBU數(shù)量將在50個(gè)以上。此時(shí)，站點(diǎn)總功耗可能達(dá)到100 kW以上，且依照移動(dòng)公司備電7小時(shí)的要求，需配置容量高于18 kAh的蓄電池，2個(gè)BBU機(jī)柜綜合占地面積達(dá)9 m2以上，蓄電池組占地面積維持在24 m2左右?，F(xiàn)有大部分機(jī)房的空間、供電和散熱能力均不足，需進(jìn)行機(jī)房改造，改造成本高昂。同時(shí)，由于BBU堆疊放置備電要求較高，鉛酸電池體積大、質(zhì)量重，機(jī)房承重嚴(yán)重受限。

圖2 基站退服原因統(tǒng)計(jì)

3 應(yīng)對(duì)方案

3.1 站點(diǎn)疊光

5G站點(diǎn)設(shè)備用電總功耗龐大，現(xiàn)網(wǎng)基站交流引入改造難度大且費(fèi)用高，為避免交流市電引入的改造，可通過(guò)在具備條件的基站中疊加光伏發(fā)電系統(tǒng)，提升基站整體供電容量。同時(shí)，做到利用自然能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

站點(diǎn)疊光是在傳統(tǒng)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用新型智能開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供電統(tǒng)一監(jiān)控，智能調(diào)度太陽(yáng)能、市電和蓄電池的使用，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能優(yōu)先供電。在正常情況下，通過(guò)使用太陽(yáng)能，降低市電輸入，節(jié)約電費(fèi)支出；而在斷電時(shí)，優(yōu)先使用太陽(yáng)能，蓄電池作為備用，有效降低蓄電池?fù)p耗，并在一定程度上減少應(yīng)急上站發(fā)電次數(shù)，降低成本。

從前期的試點(diǎn)情況來(lái)看，經(jīng)疊光改造后，雖然系統(tǒng)建造成本需花費(fèi)2萬(wàn)元左右，但后期用電電費(fèi)及油機(jī)發(fā)電投資每年可節(jié)省3.76萬(wàn)元，效益可觀。站點(diǎn)疊光的ROI分析如圖3所示。

3.2 直流系統(tǒng)升壓

當(dāng)前，常用直流供電系統(tǒng)電壓為-48 V，可將直流系統(tǒng)電壓升至57 V輸出，支持5G大功率模塊，降低線纜成本。同時(shí)，在系統(tǒng)電壓升高后，相同的負(fù)載功耗情況下，電力電纜中通過(guò)的電流減小，從而減小所需電力電纜的截面積，實(shí)現(xiàn)降低線纜采購(gòu)成本的目的。升壓操作只需設(shè)定直流供電系統(tǒng)的電壓值即可，無(wú)需新增供電設(shè)備，也不必增加任何額外成本，不影響用電設(shè)備的正常工作。不同電壓情況下拉遠(yuǎn)距離對(duì)比如表1所示。

圖3 站點(diǎn)疊光ROI分析

表1 不同電壓拉遠(yuǎn)距離對(duì)比（單位：m）

3.3 鐵鋰電池備電

鐵鋰電池在循環(huán)放電次數(shù)、能量體積比與工作溫度范圍方面均優(yōu)于鉛酸蓄電池。在體積相同情況下，鐵鋰電池的備電能力是鉛酸電池的兩倍，可有效解決機(jī)房承重不足的問(wèn)題。由于新鐵鋰電池的采購(gòu)價(jià)格較高，一定程度上限制了鐵鋰電池的大范圍推廣使用。鐵鋰電池在通信基站使用的常見(jiàn)模式如下。

（1）鐵鋰電池單獨(dú)備電。在部分機(jī)房樓板承重能力或機(jī)房空間受限的基站，如租用民房等樓板荷載能力較低機(jī)房情況下，可使用鐵鋰電池代替鉛酸蓄電池。憑借鐵鋰電池的高能量、小體積特性，降低對(duì)安裝空間與機(jī)房樓板承重的要求。同時(shí)，由于鐵鋰電池的工作溫度范圍較寬，可將機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)的設(shè)置溫度升高，降低空調(diào)運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

（2）鉛酸鐵鋰電混搭。一般情況下，不同廠家、不同時(shí)期、不同容量乃至不同型號(hào)的蓄電池不能混用?？赏ㄟ^(guò)電池合路器，實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池與鐵鋰電池的混搭使用，提高基站備電能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)基站蓄電池資源的優(yōu)化，降低通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

（3）梯次電池應(yīng)用。梯次電池理論上是對(duì)原應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)，容量衰減至初始容量80%的“退役”動(dòng)力鋰電池實(shí)施二次使用。動(dòng)力鋰電池梯次利用的流程主要為：（1）退役動(dòng)力電池回收；（2）動(dòng)力電池拆解，獲得電池單體；（3）篩選出可用的電池單體；（4）根據(jù)需求對(duì)單體進(jìn)行配對(duì)重組成電池組；（5）系統(tǒng)集成與運(yùn)行維護(hù)。

在三類市電環(huán)境溫度無(wú)法保證的高溫場(chǎng)景以及四類市電場(chǎng)景作為備電使用時(shí)，傳統(tǒng)鉛酸電池壽命會(huì)大幅下降，而梯次利用動(dòng)力鋰電池循環(huán)壽命長(zhǎng)、耐高溫性能好的優(yōu)點(diǎn)能夠在上述場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用。

當(dāng)前，梯次利用動(dòng)力鋰電池的主要問(wèn)題是退役動(dòng)力鋰電池?cái)?shù)量少，退役動(dòng)力鋰電池梯次處理難以形成規(guī)?；?。隨著梯次電池應(yīng)用技術(shù)的日漸成熟，鐵塔公司已在全國(guó)范圍內(nèi)大力推廣梯次電池，廣泛應(yīng)用于5G基站備電儲(chǔ)能、削峰填谷和新能源站點(diǎn)等建設(shè)場(chǎng)景。

3.4 直流遠(yuǎn)程供電

直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)由局端設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備和光電混合纜三部分組成。它可以將機(jī)房?jī)?nèi)穩(wěn)定的-48 V電源隔離升壓到DC250～DC410 V，并通過(guò)光電混合纜或電力電纜以最大效率遠(yuǎn)距離輸送至遠(yuǎn)端設(shè)備，遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)而將直流高壓變換成DC48 V、DC280 V或AC220 V電壓為負(fù)載（RRU）、微基站以及室外綜合接入機(jī)柜等設(shè)備提供24小時(shí)穩(wěn)定的、在惡劣條件下免維護(hù)的供電。

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可應(yīng)用于如下覆蓋場(chǎng)景：（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（村通工程、校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋、小容量基站、RRU以及拉遠(yuǎn)基站等）；（2）點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（室內(nèi)分布式系統(tǒng)覆蓋、商場(chǎng)、超市、寫(xiě)字樓以及住宅小區(qū)等）；（3）級(jí)聯(lián)方式（高速公路、鐵路以及隧道覆蓋等）；（4）WLAN覆蓋（住宅小區(qū)、超市、商務(wù)寫(xiě)字樓、政府企事業(yè)單位、機(jī)場(chǎng)以及火車(chē)站等）。

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)具備如下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用遠(yuǎn)程直流供電，發(fā)生市電停電時(shí)基站可正常工作；（2）避免與電業(yè)部門(mén)、當(dāng)?shù)赜脩艚尤胧须姇r(shí)的協(xié)調(diào)工作；（3）節(jié)省交流取電的額外費(fèi)用；（4）可使選址更為方便，不受市電的影響；（5）可節(jié)省戶外UPS，消除電源長(zhǎng)期維護(hù)費(fèi)用；（6）維護(hù)成本低，幾乎零維護(hù)；（7）線路施工方便，采用復(fù)合光纜，不需專門(mén)敷設(shè)傳輸電纜，節(jié)省線路投資；（8）安全可靠，避免傳輸線路因斷路、短路、漏電、強(qiáng)電入侵和雷擊等影響運(yùn)行，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，局端立即停止輸出電壓，只輸出≤40 V的線路安全檢測(cè)電壓，60 s內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)供電，保證了線路與維護(hù)人員的安全。

針對(duì)當(dāng)前基站站址獲取難、引電難的特點(diǎn)，可結(jié)合微基站“點(diǎn)、線、面”的建設(shè)方式，采用集中供備電，高壓直流遠(yuǎn)供的形式，支持未來(lái)5G基站的批量部署，同時(shí)，可以降低站點(diǎn)損耗，提高共享率，有效降低基礎(chǔ)配套的建設(shè)成本。

4 結(jié) 論

5G通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模MIMO與超密集立體異構(gòu)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)給基站電源等基礎(chǔ)配套的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，而通過(guò)對(duì)通信電源新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用，有力支撐了未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的快速部署，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。