5G基站电源面临的挑战及解决方案研究

坑坑是吃货

【摘 要】5G国际标准确立之后，各行业领域开始加快5G技术的研发速度，并且开展网络系统的商用部署。在工业互联网发展过程中，站点电源对于容量需求和更新升级的要求不断提升。为了满足5G基站电源建设需求，必须深入分析和研究5G演变过程，探究5G基站电源面临的挑战，提出相应的解决措施。

一、5G基站电源演进趋势
5G基站建设主要是应用高低频搭配、宏微协调的超密集立体异构网模式，微小基站运行期间所覆盖的范围比较小，网络信号强，但是能源消耗比较大。由于基站发射功率一般在5W以内，所以覆盖范围小。微小基站的重量和体积为宏基站的50%左右，灵活性与安装便捷性均比较高，通过结合宏站可以提升立体覆盖率。通过分析5G技术特点与发展趋势可知，其对于频谱资源的要求高，需要应用至少3G H z的频率。此外，由于基站距离缩小，且5G网络基站数量明显高于4G网络基站，所以在未来发展中，新增逻辑站会达到千万数级以上。由于考虑到移动、联通和电信运营商的共享问题，基站的最大典型功率将超过30k W，站点平均功效大于20k W。图1为5G基站功效统计图和预测图。


二、5G基站电源所面临的挑战
（一）新频供电需求增加，提前考虑站点建设问题
三大运营商开始引入5G新频段，供电服务需求持续增加，三家共享基站总功耗需求超过30k W。5G设备由初期8T8R开始发展到3D MIMO，容量扩大为原来的2.5~3倍[2]。所以对于基站电源系统来说，必须考虑到交流空开保留裕度、备电预留容量、大功率电源预留容量等问题。
（二）5G基站可靠性要求，注重备电建设
通过分析能够看出，基站退服原因中，主要原因为传输设备和主设备，且大部分网络中断与能源有关。针对以语音业务为主的网络而言，小范围网络中断所造成的影响小，4G网络中断影响可控性高。然而，5G网络多应用于智慧城市、人工智能、移动支付以及虚拟社区等物联网业务中，无法承受断网影响。所以，在5G基站建设过程中，必须注重后备电源建设问题。
（三）机房空间、供电备电及散热能力有限
分布式基站能够有效分离射频单元和基带单元，还能够集中放置基带单元。集中化放置的特点在于减少机房新建与租赁需求，还能够降低物业协调难度。由于三大运营商共享，5G网络集中放置站点能够容纳50个以上的B U U数量，基站总功耗超过100k W，按照移动企业备电7h要求，需要确保所配置的蓄电池容量达到18kA，且BBU机柜占地面积超过9平方米，蓄电池占地面积超过24平方米。当前多数机房空间、供电及散热能力不足，因此必须做好机房改造工作。因B B U堆叠放置对于备电要求比较大，铅酸电池体积大，会导致机房承重受限。

三、5G基站电源解决方案研究
（一）基站叠光
5G基站设备用电能耗比较达，且改造建设的难度与费用高，为了防止交流市电引入改造，需要将光伏发电系统叠加在5G基站中，以此扩大基站供电容量。其次，通过自然能源，能够实现节能减排效果。
基站叠光是应用太阳能供电系统，并且通过新型智能开关电源系统，统一监控供电情况。并且实现蓄电池、市电和太阳能的智能化调度，确保太阳能优先供电。在正常运行条件下，优先使用太阳能，减少市电输入，能够有效降低电力成本。在断电状态下，优先应用太阳能，并且将蓄电池作为备用电源，能够减少蓄电池损耗，还可以降低应急上站发电频率，使成本降低。
通过前期试点工作能够看出，在进行叠光改造之后，尽管系统建设成本在20000元。然而后期的油机发电投资、用电费用可以降低36500元，成本效益显著。
（二）直流系统升压
现阶段，所应用的直流供电系统电压咋-48V，可以将直流系统电压升高至57V输出，以此支撑5G大功率模块，还能够减少线缆成本。在升高系统电压之后，在同等负载功率下，通过电力电缆的电流比较小，相应缩小电力电缆的截面积，有助于减少线缆采购成本。在升压操作过程中，只需要设定直流供电电压值就行，不需要增设新的供电设备，也不需要增加其他成本，不会对用电设备运行造成影响。表1为不同电压条件下，拉远距离比较结果。
（三）铁锂电池备电
在通信基站中，铁锂电池的常见模式如下：
第一，铁锂电池单独备电：在机房楼板承重能力低下的基站，可以应用铁锂电池代替铅酸蓄电池。通过铁锂电池的小体积、高能量优势，能够降低对机房楼板承重能力以及安装空间的要求。此外，铁锂电池的工作温度范围宽，因此可以适当将空调温度升高，以此减少空调运行能耗，有助于节能减排。
第二，铅酸铁锂电池。通常情况下，不同生产厂家所生产的蓄电池不可以混合使用。此时就需要应用电池合路器设备，确保铁锂电池与铅酸蓄电池的混合使用效果，以此加强基站备电能力，还能够优化基站蓄电池资源，减少通信网络的建设成本、运营成本。
第三，应用梯级电池：梯次电池多应用到电动汽车中，容量衰减至初始值的80%，可以实现锂电池的二次应用。动力锂电池梯次应用流程如下：回收退役动力电池、拆解动力电池并获得电池单体、筛选可以应用的电池单体、按照实际需求，同时将单体配置为电池组系统集成与维护。
当市电环境温度不能确保的高温场景、市电场景作为备用使用时，会明显缩短传统铅酸电池寿命，梯次通过动力锂电池能够延长循环寿命，且加强耐高温效果，可以实现经济性应用效果。
现阶段，梯次使用动力锂电池的问题在于退役动力锂电池的数量比较少，且退役动力锂电池无法形成规模化处理。在梯次电池应用技术快速发展过程中，铁塔公司开始广泛推行梯次电池，并且将其应用到5G基站建设中。
（四）直流远程供电
该供电系统主要包括光电混合缆、远端设备和局端设备。通过直流远程供电系统能够将机房内部稳定的电源隔离升高至250~450V，采用电力电缆以最大效率实现远距离传输。远端设备将直流高压转换为不同等级的电压，并且将其作为负载，在恶劣环境下持续供电。
直流远程供电系统的优势主要包括以下方面：第一，通过远程直流供电，在出现市电停电事故时，能够确保基站持续运行；第二，能够减少与地区用户、电业部门接入市电时的协调工作；第三，能够降低交流取电的成本；第四，便于选址，不会受到市电影响；第五，能够减少户外U P S使用，减少电源维护成本；第六，线路施工灵活性高，可以应用复合光缆，不需要敷设传输电缆，能够有效降低线路投资。第七，可靠性和安全性高，能够防止由于短路、断路以及漏电等故障所致传输线路受影响。在线路出现故障问题后，局端立即停止输电电压，只输出安全检测电压，同时在1m i n内自动恢复供电，维护检修人员和线路的安全。
对于5G基站选址难问题，需要联合基站建设方式，合理应用集中供备电以及直流远供形式，支持5G基站部署。此外，降低减少站点损耗，不断提升共享率，还能够降低建设成本。

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huowenquan

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