摘要：與4G通訊相比，5G通訊采用大規模天線、超密集組網、高頻通訊等關鍵技術使性能大幅提升，但也使5G單個基站功耗增加，站點數倍增，因此供電需求發生變化。目前有就近供電及高壓直流遠供兩類供電形式可滿足新的供電需求，論文針對高壓直流遠供，梳理了供電架構與關鍵技術，并綜合考量削峰填谷經濟模式運行投資成本、基站業務負荷忙閑時段、峰谷分時電價，提出一種可行的工作模式。該工作模式在高壓直流遠供方案已投資建設的基礎上，投資成本小，并利用峰谷分時電價差獲得經濟效益，一定程度上緩解基站用電成本高的現狀。最后對5G基站供電的發展進行展望，為研究或設計其供電提供參考。
關鍵詞：5G基站;高壓直流遠供;關鍵技術;經濟模式
引言
5G是第五代移動通訊技術的簡稱，其采用大規模天線、超密集組網、高頻通訊等關鍵技術，可實現萬物互聯、萬物智聯。與3G和4G主要聚焦于“移動寬帶”這一應用場景不同，其致力于向用戶提供更高的系統容量及更快的無線接入速率[1]。5G在移動寬帶、海量機器通信、高可靠低延時通信方面變革，可實現超高清視頻、云辦公、智能家居、智能交通、智能制造、自動駕駛等，將廣泛應用于各行各業，2020~2023年是5G建設高峰期。由于單個5G基站系統功耗是4G基站3~4倍，且5G基站站點數遠大于4G，基于以上兩點，5G基站整體功耗遠遠大于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。為應對基站供電新需求，對基站供電技術的研究十分必要。5G基站的供電按距離遠近可分就近供電和高壓直流遠供，本文將在分析就近供電架構不能遠距離供電的原因、闡述高壓直流遠供方式能高效可靠的實現遠距離供電且具有集中供電、集中管理、集中備電等特點的基礎上，分析高壓直流遠供實現高效率及可靠運行的關鍵技術，并針對高壓直流遠供其中的集中備電特點，對其實現削峰填谷經濟模式進行研究。
15G網絡組網特點及功耗分析
5G網絡的核心有三部分：高頻通訊、超密集組網、大規模天線(與4G網絡不同)。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，如中國四家5G運營商頻段分別為：中國廣電702~798MHz;中國移動2515~2675MHz和4800~4900MHz;中國電信3400~3500MHz;中國聯通3500~3600MHz[2]。
使用低頻段通信帶寬窄、數據率較小、數據傳輸慢，而高頻段通信帶寬寬、數據率較大、數據傳輸快。但使用高頻段通信信號穿透能力弱、覆蓋面積小，為此需要縮小基站間距、密集組網以彌補高頻通信缺點。4G使用1~2支天線，組成個天線陣列，而5G使用(32)~616(256)個天線陣列。大規模天線陣列能提高5G系統在數據速率和頻譜效率方面的性能，提高基站容量，但同時也增加了單個基站功耗，超密基站建設加大了5G網絡整體耗能。
1.15G網絡組網特點
5G網絡是將無線終端的數據先發送到無線基站側，再由基站發送給核心網設備，最終發送到目的接收端，其中通訊設備由傳輸設備(PacketTransportNetwork，PTN)、基站處理單元(BaseBandUnite，BBU)及有源天線單元(ActiveAntennaUnit，AAU)組成。PTN實現5G網絡接入，同5G主干網交互;BBU實現5G基帶信號的解調和調制;AAU需要相對機房要拉遠，實現射頻信號的接受與發送。
5G移動通訊因載波頻率的提高，電磁波衰減變大，導致5G基站密度比4G大，基站間從千米級壓縮到百米級，即AAU設備間的距離縮短。根據5G基站組網特點，文獻總結了不同城市區域及不同道路通訊設備建設距離，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、飛基站用于室內補盲，基站在室內安裝取電方便;宏基站用于廣域5G網絡覆蓋，功耗大，常安裝于室外，宏基站供電難度大，因此本文只對宏基站供電進行分析。
基站負荷有交流和直流，基站機房內的照明負荷及空調負荷屬于交流負荷，由引入機房內的市電對其供電，而通訊設備屬于直流負荷，需直流供電，本文只對這部分進行研究。AAU、BBU及PTN三種通訊設備中，PTN與BBU設備緊鄰安裝且功耗相對較小，為BBU供電時可直接滿足PTN供電需求，因此只針對AAU、BBU兩種設備的供電需求進行研究。
一個宏基站通常采取個BBU+3個AAU配置，隨著AAU設備優化，一個基站總功耗最大約為4000W。AAU功耗受業務負荷影響較大，AAU設備空載運行時，功率約650左右，到達額定功率以上，當AAU業務負載率在到00%增加時，功率在額定功率的%~100變化。可見，5G單套系統與4G相比功耗顯著增加，系統內的AAU設備功耗隨業務負荷增加而變大。
25G基站應用場景與供電架構
5G基站的供電方案按照取電點到遠端AAU設備距離的遠近可分兩類：就近供電和高壓直流遠供。就近供電是取電點與AAU設備近，在百米內，就近供電包括擴建傳統4G供電設備及分布式供電;高壓直流遠供取電點與AAU設備遠，距離在幾百米甚至幾千米。
2.1就近供電
2.1.1擴建傳統供電設備
BBU與AAU設備安裝距離近且附近具有傳統供電設備時，可對基站原有供電設備擴容，擴建傳統開關電源供電方案Ⅰ。對容量充足的基站擴容，擴大整流、蓄電池及開關電源容量;容量不充足的設備，更換新設備。對傳統供電設備擴容，最大程度地使用傳統設備，降低建設成本。但開關電源到AAU設備為48V供電系統，線路損耗限制了供電距離，若AAU設備與開關電源兩者間距離近適用于此供電方案。
AAU設備拉遠幾十米，線路壓降大，AAU設備的輸入電壓不能使其正常工作，可在開關電源與AAU設備間增加一級DC/DC設備，新增DC/DC設備輸出電壓應高于AAU典型工作電壓(53.5V)，輸出電壓為可調節動態數值(通常為57V~72V)，具體輸出電壓可隨開關電源與AAU設備距離的變化而變化，但距離變化有限，距離拉遠幾十米以上，供電效率降低，線纜粗長，建設成本增加。傳統設備擴容難度大，并且AAU設備距離BBU設備拉遠00到00米場景，無法對功率需求大的AAU設備與BBU設備同時供電時，可保持傳統的供電設備不變，直接利用對BBU供電，在AAU設備附近引入市電，整流后為AAU設備供電，AAU無備電需求的場景可應用此方案。
3高壓直流遠供關鍵技術及經濟模式
3.1高壓直流遠供關鍵技術
高壓直流遠供方案給遠端基站設備供電需經局端DC/DC升壓和遠端DC/DC降壓兩個電能變換環節，因此供電損耗增加，整體供電效率低。為降低局端、遠端變換環節的損耗，可采用軟開關諧振技術，以降低開關損耗，提升電能變換效率;又因局端安裝于機房或機柜內，遠端懸掛安裝于燈桿或鐵塔上，空間資源有限，為了提高開關電源功率密度，可采用高頻控制技術，減小開關電源體積。基于需要軟開關諧振技術、高頻控制等因素，局端常采用移相全橋拓撲電路，遠端為LLC拓撲電路。
3.1.1局端移相全橋高頻串聯諧振技術
中國鐵塔公司制定的通訊電源標準中，要求局端模塊可實現多個并聯輸出，適應遠端不同功率需求，在負載0%100%前提下，效率大于等于3%。以高壓直流遠供方案II為例，局端安裝于局端機房內或電源柜內，局端模塊輸入為(輸入范圍為3.2~57.6)，輸出為00700可調。局端DC/DC設備需高變換比升壓、高效率電能變換及寬范圍輸出。
目前大多采用移相全橋拓撲結構，拓撲結構如圖，變壓器易實現高變換比，并利用諧振電感、變壓器勵磁電感及自身寄生電容串聯諧振，形成軟開關，實現零電壓導通(ZeroVoltageSwitch，ZVS)，降低開關損耗，提升電能變換效率。移相全橋采用定頻脈沖寬度調制方式，控制頻率高，控制方式簡單且利于提高功率密度[1，通過控制兩路驅動信號間的移相角，實現輸出電壓的調節，移相角越小輸出電壓越高，移相角越大輸出電壓越低，通過調節移相角大小實現局端00700的寬范圍輸出。
45G基站供電趨勢與展望
在5G基站建設過程中，對其供電要最大程度地降低供電損耗，提高經濟效益，一方面要利用原有4G基站供電設備，擴容后為5G基站供電;另一方面在新建站供電的設計可采用高壓直流遠供供電方式，推行削峰填谷經濟模式。本文通過分析基站整體忙閑時段，得出業務高峰時段，但基站實際運行過程中，不同基站運行環境不同，業務高峰時段略有差異，且不同基站電池備電容量、荷電狀態、健康狀態不同，基站間具有差異。
因此，需針對每個基站實際情況確定每個基站電池具體充放電時刻，有效運行削峰填谷經濟模式，達到降低基站用電成本的目的。隨著“碳中和、碳達峰”戰略目標的提出，新能源將大規模應用，海量的5G基站具有消納新能源的能力，當采用高壓直流遠供方案的基站接入新能源直流微網時，可減少交直流變換環節，能提高供電系統效率，又促進新能源的利用，因此采用高壓直流遠供的基站接入新能源直流微網具有良好前景。
參考文獻：
[1]趙國鋒,陳婧,韓遠兵5G移動通信網絡關鍵技術綜述[J].重慶郵電大學學報自然科學版,2015,27(4):441452.ZhaoGuofeng,ChenJing,HanYuanbingProspectivenetworktechniquesfor5Gmobilecommunication:Asurvey[J]JournalofChongqingUniversityofPostsandTelecommunications(NaturalScienceEdition),2015,27(4)441452(inChinese)
[2]劉光羅沛趙強5G網絡共建共享頻譜策略分析[J]廣播電視網絡2020,27(8)7779.LiuGuang,LuoPei,ZhaoQiangAnalysisofcobuildingandsharingspectrumstrategyin5gnetworks[RadioandTelevisionNetwork,2020,27(8)7779(inChinese)
[3]KhwandahSA,CosmasJP,LazaridisPI,etalChochliourosMassiveMIMOSystemsfor5GCommunications[J]WirelessPersonalCommunications,2021:115.
[4]徐曉菊北京5G新型基礎設施建設規劃探討[J]北京規劃建設2020(3)8891.
作者：周京華，孟祥飛，陳亞愛
相關閱讀
