摘要：與4G通訊相比，5G通訊采用大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、高頻通訊等關(guān)鍵技術(shù)使性能大幅提升，但也使5G單個(gè)基站功耗增加，站點(diǎn)數(shù)倍增，因此供電需求發(fā)生變化。目前有就近供電及高壓直流遠(yuǎn)供兩類供電形式可滿足新的供電需求，論文針對(duì)高壓直流遠(yuǎn)供，梳理了供電架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，并綜合考量削峰填谷經(jīng)濟(jì)模式運(yùn)行投資成本、基站業(yè)務(wù)負(fù)荷忙閑時(shí)段、峰谷分時(shí)電價(jià)，提出一種可行的工作模式。該工作模式在高壓直流遠(yuǎn)供方案已投資建設(shè)的基礎(chǔ)上，投資成本小，并利用峰谷分時(shí)電價(jià)差獲得經(jīng)濟(jì)效益，一定程度上緩解基站用電成本高的現(xiàn)狀。最后對(duì)5G基站供電的發(fā)展進(jìn)行展望，為研究或設(shè)計(jì)其供電提供參考。
關(guān)鍵詞：5G基站;高壓直流遠(yuǎn)供;關(guān)鍵技術(shù);經(jīng)濟(jì)模式
引言
5G是第五代移動(dòng)通訊技術(shù)的簡(jiǎn)稱，其采用大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、高頻通訊等關(guān)鍵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智聯(lián)。與3G和4G主要聚焦于“移動(dòng)寬帶”這一應(yīng)用場(chǎng)景不同，其致力于向用戶提供更高的系統(tǒng)容量及更快的無(wú)線接入速率[1]。5G在移動(dòng)寬帶、海量機(jī)器通信、高可靠低延時(shí)通信方面變革，可實(shí)現(xiàn)超高清視頻、云辦公、智能家居、智能交通、智能制造、自動(dòng)駕駛等，將廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，2020~2023年是5G建設(shè)高峰期。由于單個(gè)5G基站系統(tǒng)功耗是4G基站3~4倍，且5G基站站點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于4G，基于以上兩點(diǎn)，5G基站整體功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4G基站功耗。
因此，基站供電需求與4G不同，原有基站供電不能滿足5G基站需求。為應(yīng)對(duì)基站供電新需求，對(duì)基站供電技術(shù)的研究十分必要。5G基站的供電按距離遠(yuǎn)近可分就近供電和高壓直流遠(yuǎn)供，本文將在分析就近供電架構(gòu)不能遠(yuǎn)距離供電的原因、闡述高壓直流遠(yuǎn)供方式能高效可靠的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電且具有集中供電、集中管理、集中備電等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析高壓直流遠(yuǎn)供實(shí)現(xiàn)高效率及可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)高壓直流遠(yuǎn)供其中的集中備電特點(diǎn)，對(duì)其實(shí)現(xiàn)削峰填谷經(jīng)濟(jì)模式進(jìn)行研究。
15G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)特點(diǎn)及功耗分析
5G網(wǎng)絡(luò)的核心有三部分：高頻通訊、超密集組網(wǎng)、大規(guī)模天線(與4G網(wǎng)絡(luò)不同)。4G通信使用20MHz及以下低頻段，5G通信使用3GHz(低速通信)和6GHz以上(高速通信)的高頻段，如中國(guó)四家5G運(yùn)營(yíng)商頻段分別為：中國(guó)廣電702~798MHz;中國(guó)移動(dòng)2515~2675MHz和4800~4900MHz;中國(guó)電信3400~3500MHz;中國(guó)聯(lián)通3500~3600MHz[2]。
使用低頻段通信帶寬窄、數(shù)據(jù)率較小、數(shù)據(jù)傳輸慢，而高頻段通信帶寬寬、數(shù)據(jù)率較大、數(shù)據(jù)傳輸快。但使用高頻段通信信號(hào)穿透能力弱、覆蓋面積小，為此需要縮小基站間距、密集組網(wǎng)以彌補(bǔ)高頻通信缺點(diǎn)。4G使用1~2支天線，組成個(gè)天線陣列，而5G使用(32)~616(256)個(gè)天線陣列。大規(guī)模天線陣列能提高5G系統(tǒng)在數(shù)據(jù)速率和頻譜效率方面的性能，提高基站容量，但同時(shí)也增加了單個(gè)基站功耗，超密基站建設(shè)加大了5G網(wǎng)絡(luò)整體耗能。
1.15G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)特點(diǎn)
5G網(wǎng)絡(luò)是將無(wú)線終端的數(shù)據(jù)先發(fā)送到無(wú)線基站側(cè)，再由基站發(fā)送給核心網(wǎng)設(shè)備，最終發(fā)送到目的接收端，其中通訊設(shè)備由傳輸設(shè)備(PacketTransportNetwork，PTN)、基站處理單元(BaseBandUnite，BBU)及有源天線單元(ActiveAntennaUnit，AAU)組成。PTN實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)接入，同5G主干網(wǎng)交互;BBU實(shí)現(xiàn)5G基帶信號(hào)的解調(diào)和調(diào)制;AAU需要相對(duì)機(jī)房要拉遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接受與發(fā)送。
5G移動(dòng)通訊因載波頻率的提高，電磁波衰減變大，導(dǎo)致5G基站密度比4G大，基站間從千米級(jí)壓縮到百米級(jí)，即AAU設(shè)備間的距離縮短。根據(jù)5G基站組網(wǎng)特點(diǎn)，文獻(xiàn)總結(jié)了不同城市區(qū)域及不同道路通訊設(shè)備建設(shè)距離，基站間的距離主要為300m~500m。
1.25G基站功耗分析
5G基站根據(jù)覆蓋半徑可分為宏基站、微基站、皮基站及飛基站四種，其中，微基站、皮基站、飛基站用于室內(nèi)補(bǔ)盲，基站在室內(nèi)安裝取電方便;宏基站用于廣域5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，功耗大，常安裝于室外，宏基站供電難度大，因此本文只對(duì)宏基站供電進(jìn)行分析。
基站負(fù)荷有交流和直流，基站機(jī)房?jī)?nèi)的照明負(fù)荷及空調(diào)負(fù)荷屬于交流負(fù)荷，由引入機(jī)房?jī)?nèi)的市電對(duì)其供電，而通訊設(shè)備屬于直流負(fù)荷，需直流供電，本文只對(duì)這部分進(jìn)行研究。AAU、BBU及PTN三種通訊設(shè)備中，PTN與BBU設(shè)備緊鄰安裝且功耗相對(duì)較小，為BBU供電時(shí)可直接滿足PTN供電需求，因此只針對(duì)AAU、BBU兩種設(shè)備的供電需求進(jìn)行研究。
一個(gè)宏基站通常采取個(gè)BBU+3個(gè)AAU配置，隨著AAU設(shè)備優(yōu)化，一個(gè)基站總功耗最大約為4000W。AAU功耗受業(yè)務(wù)負(fù)荷影響較大，AAU設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)，功率約650左右，到達(dá)額定功率以上，當(dāng)AAU業(yè)務(wù)負(fù)載率在到00%增加時(shí)，功率在額定功率的%~100變化。可見(jiàn)，5G單套系統(tǒng)與4G相比功耗顯著增加，系統(tǒng)內(nèi)的AAU設(shè)備功耗隨業(yè)務(wù)負(fù)荷增加而變大。
25G基站應(yīng)用場(chǎng)景與供電架構(gòu)
5G基站的供電方案按照取電點(diǎn)到遠(yuǎn)端AAU設(shè)備距離的遠(yuǎn)近可分兩類：就近供電和高壓直流遠(yuǎn)供。就近供電是取電點(diǎn)與AAU設(shè)備近，在百米內(nèi)，就近供電包括擴(kuò)建傳統(tǒng)4G供電設(shè)備及分布式供電;高壓直流遠(yuǎn)供取電點(diǎn)與AAU設(shè)備遠(yuǎn)，距離在幾百米甚至幾千米。
2.1就近供電
2.1.1擴(kuò)建傳統(tǒng)供電設(shè)備
BBU與AAU設(shè)備安裝距離近且附近具有傳統(tǒng)供電設(shè)備時(shí)，可對(duì)基站原有供電設(shè)備擴(kuò)容，擴(kuò)建傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源供電方案Ⅰ。對(duì)容量充足的基站擴(kuò)容，擴(kuò)大整流、蓄電池及開(kāi)關(guān)電源容量;容量不充足的設(shè)備，更換新設(shè)備。對(duì)傳統(tǒng)供電設(shè)備擴(kuò)容，最大程度地使用傳統(tǒng)設(shè)備，降低建設(shè)成本。但開(kāi)關(guān)電源到AAU設(shè)備為48V供電系統(tǒng)，線路損耗限制了供電距離，若AAU設(shè)備與開(kāi)關(guān)電源兩者間距離近適用于此供電方案。
AAU設(shè)備拉遠(yuǎn)幾十米，線路壓降大，AAU設(shè)備的輸入電壓不能使其正常工作，可在開(kāi)關(guān)電源與AAU設(shè)備間增加一級(jí)DC/DC設(shè)備，新增DC/DC設(shè)備輸出電壓應(yīng)高于AAU典型工作電壓(53.5V)，輸出電壓為可調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)數(shù)值(通常為57V~72V)，具體輸出電壓可隨開(kāi)關(guān)電源與AAU設(shè)備距離的變化而變化，但距離變化有限，距離拉遠(yuǎn)幾十米以上，供電效率降低，線纜粗長(zhǎng)，建設(shè)成本增加。傳統(tǒng)設(shè)備擴(kuò)容難度大，并且AAU設(shè)備距離BBU設(shè)備拉遠(yuǎn)00到00米場(chǎng)景，無(wú)法對(duì)功率需求大的AAU設(shè)備與BBU設(shè)備同時(shí)供電時(shí)，可保持傳統(tǒng)的供電設(shè)備不變，直接利用對(duì)BBU供電，在AAU設(shè)備附近引入市電，整流后為AAU設(shè)備供電，AAU無(wú)備電需求的場(chǎng)景可應(yīng)用此方案。
3高壓直流遠(yuǎn)供關(guān)鍵技術(shù)及經(jīng)濟(jì)模式
3.1高壓直流遠(yuǎn)供關(guān)鍵技術(shù)
高壓直流遠(yuǎn)供方案給遠(yuǎn)端基站設(shè)備供電需經(jīng)局端DC/DC升壓和遠(yuǎn)端DC/DC降壓兩個(gè)電能變換環(huán)節(jié)，因此供電損耗增加，整體供電效率低。為降低局端、遠(yuǎn)端變換環(huán)節(jié)的損耗，可采用軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)，以降低開(kāi)關(guān)損耗，提升電能變換效率;又因局端安裝于機(jī)房或機(jī)柜內(nèi)，遠(yuǎn)端懸掛安裝于燈桿或鐵塔上，空間資源有限，為了提高開(kāi)關(guān)電源功率密度，可采用高頻控制技術(shù)，減小開(kāi)關(guān)電源體積。基于需要軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)、高頻控制等因素，局端常采用移相全橋拓?fù)潆娐罚h(yuǎn)端為L(zhǎng)LC拓?fù)潆娐贰?
3.1.1局端移相全橋高頻串聯(lián)諧振技術(shù)
中國(guó)鐵塔公司制定的通訊電源標(biāo)準(zhǔn)中，要求局端模塊可實(shí)現(xiàn)多個(gè)并聯(lián)輸出，適應(yīng)遠(yuǎn)端不同功率需求，在負(fù)載0%100%前提下，效率大于等于3%。以高壓直流遠(yuǎn)供方案II為例，局端安裝于局端機(jī)房?jī)?nèi)或電源柜內(nèi)，局端模塊輸入為(輸入范圍為3.2~57.6)，輸出為00700可調(diào)。局端DC/DC設(shè)備需高變換比升壓、高效率電能變換及寬范圍輸出。
目前大多采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖，變壓器易實(shí)現(xiàn)高變換比，并利用諧振電感、變壓器勵(lì)磁電感及自身寄生電容串聯(lián)諧振，形成軟開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通(ZeroVoltageSwitch，ZVS)，降低開(kāi)關(guān)損耗，提升電能變換效率。移相全橋采用定頻脈沖寬度調(diào)制方式，控制頻率高，控制方式簡(jiǎn)單且利于提高功率密度[1，通過(guò)控制兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的移相角，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，移相角越小輸出電壓越高，移相角越大輸出電壓越低，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角大小實(shí)現(xiàn)局端00700的寬范圍輸出。
45G基站供電趨勢(shì)與展望
在5G基站建設(shè)過(guò)程中，對(duì)其供電要最大程度地降低供電損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，一方面要利用原有4G基站供電設(shè)備，擴(kuò)容后為5G基站供電;另一方面在新建站供電的設(shè)計(jì)可采用高壓直流遠(yuǎn)供供電方式，推行削峰填谷經(jīng)濟(jì)模式。本文通過(guò)分析基站整體忙閑時(shí)段，得出業(yè)務(wù)高峰時(shí)段，但基站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，不同基站運(yùn)行環(huán)境不同，業(yè)務(wù)高峰時(shí)段略有差異，且不同基站電池備電容量、荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)不同，基站間具有差異。
因此，需針對(duì)每個(gè)基站實(shí)際情況確定每個(gè)基站電池具體充放電時(shí)刻，有效運(yùn)行削峰填谷經(jīng)濟(jì)模式，達(dá)到降低基站用電成本的目的。隨著“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，新能源將大規(guī)模應(yīng)用，海量的5G基站具有消納新能源的能力，當(dāng)采用高壓直流遠(yuǎn)供方案的基站接入新能源直流微網(wǎng)時(shí)，可減少交直流變換環(huán)節(jié)，能提高供電系統(tǒng)效率，又促進(jìn)新能源的利用，因此采用高壓直流遠(yuǎn)供的基站接入新能源直流微網(wǎng)具有良好前景。
參考文獻(xiàn)：
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作者：周京華，孟祥飛，陳亞愛(ài)
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