5G电源技术现存问题及改进方案探析

唐振福

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

现阶段，互联网和物联网更新速度增快，使得4G网络无法满足现代新型业务的需求。业务需求的提高，引领着科技的不断创新，使得5G成为人们关注的热点。因为5G需要具备更高的能力，如超高速率、超低延时、海量信息以及广覆盖等，所以对5G电源提出了更高的要求。因此，站点建设需要考虑电源是否满足5G的运行[1-2]。我国作为较早研发5G技术的国家，为了加快网络强国建设，赢得未来国际竞争新优势，更加重视5G电源面临的问题，并展开了一系列分析研究。

1 5G站点电源的发展趋势

与4G站点不同的是，5G站点在建设结构上有了很大的提高。它不再应用传统老模式，而是在采取高低频搭配的同时，应用超密集立体异构网模式进行建设。这种模式的能耗效率较高且网络信号极强，但小基站在运行过程中存在覆盖范围较小的缺点。此外，4G时期40～80 W的输出功率已经无法满足5G的运行，需要将基站设备AUU单扇区的输出功率提高到200 W以上甚至更高，所以基站电源需要很大的扩容需求。由5G的技术特点及其发展趋势可知，它对频谱资源的需求更宽，不仅要将频率提高到3 GHz以上，还要缩短基站之间的距离。距离的缩短需要更多的数量来满足需求[3-4]，因此5G站点的移动电源由初期的8T8R形式演变为3D MIMO发展模式。虽然现阶段的电源供给与原电源供给相比是后者的3倍左右，但就实际用电功耗和电容量而言还远远不够。未来的5年，预计会新增逻辑站超过1 000万个。

2 5G站点电源的问题与挑战

2.1 5G供电需求增加导致的全站点建设无法全部覆盖

我国三家运营商5G新频段的引入导致供电需求过高，对站点建设的覆盖力度是很大的挑战。5G的移动电源发展成3D MIMO后，容量是原来的3倍左右，用电功耗是原来的1.1倍左右。基站电源系统需要考虑多方面问题，如要交流空开保留足够的裕度、为大功率电源预留足够容量以及要备电预留足够余量[5]。

2.2 5G站点对可靠性有更高要求，备用电源存在不足的情况

相对于2G、3G以及4G这些网络范围较小的网络来说，5G网络需要更广泛的业务进行服务，如移动支付、虚拟社会、VR/AR、无人驾驶、AI智能以及智慧城市等。5G站点需要更高的可靠性，需要有足够的备电给予保障。备用电源时刻做好保障，才可以更好地维护数据流量的稳定可靠。电源消耗过高，备用电源不足导致断网，带来的影响十分严重。因此，建设可靠基站需要重点考虑备用电源问题[6-7]。

2.3 机房设施受限，改造压力较大

在建设5G移动基站时，分布式基站是首选方案。不但可完成基带单元和射频单元的分离，还有利于基带单元的集中放置，降低与物业的协调难度以及对机房新建与租赁的需求[8-9]。考虑到三家运营商的共享，为实现集中放置，要求电源能够容纳20个以上的BBU。但是，机房空间的限制会使基站内部空间不足，导致散热能力较差，且供电和备电的能力受到限制，改造价格昂贵。此外，BBU的堆叠放置对设备有较高的要求，因为铅酸电池体积较大且质量较大，所以机房的承重将受到严重限制，是面临的一大挑战。

3 5G站点电源的优化及问题解决方案

3.1 直流系统升压供电情况

直流系统升压供电是极具优化的解决措施。直流升压是将电池提供的较低的直流电压提升至所需电压值，不仅可以满足5G的大功率模块，还大大降低了线缆成本。在高效节约的情况下，这可以减小电力电缆中通过的电流，从而减小需要的电缆面积，降低线缆的采购成本。这种方式不仅满足运营商的使用需求，还可以更合理地建设机房空间，节省空间的同时实现大范围供电。升压操作不影响任何用电设备的工作，也不需要新增设备，只要设定直流供电系统的电压值即可[10]。

3.2 站点叠光架构配置

5G站点设备的耗电庞大，且基站交流在引入改造过程中的难度较大，费用较高。为防范引入改造，需通过叠加光伏发电系统来提升整个供电容量。站点叠光是在传统的太阳能供电系统基础上展开进一步的升级工作，利用新型的智能开关电源实现供电的统一监控。通过合理运用太阳能，不但可以降低市电的输入，还可以节约电费的支出，减小成本压力，减少应急站的发电次数。小范围的试点实践表明，这种方法减少了大量费用，每年发电投资费用可节省3.8万元，效益显著。实际应用期间，站点电源叠光可降低成本并统一管理界面，使太阳能发电更加高效。

3.3 直流远程供电

除了直流系统升压和站点叠光架构配置，直流远程供电系统也是较好的选择方案。直流远程供电系统由局端设备、光电混合缆以及远端设备3个部分构成。它不仅可以将机房内部的电源隔离升压，还可以通过光电混合缆以最大的效率进行远距离输送，可为其他设备提供24 h的稳定供电。

直流远供系统的应用场景多，如村里的网络、校园网以及办公网络等。各种写字楼、商场、高铁以及WLAN覆盖的住宅区、机场、火车站等，也都是直流远供系统的应用场景。

直流远供系统具有很多优点。当存在市电停电现象时，直流远供系统可以保证基站正常工作；可与电业部门接入市电协调；可以节省户外UPS，消除电源长期维护费用；选址时不受市电的影响；线路施工方便，不需要专门的设备提供投资；几乎无维护费用。此外，直流远供系统安全可靠，不会因为短路和漏电因素影响运行。

3.4 铁锂电池作为备用电源

铁锂电池与传统的铅酸蓄电池相比，工作温度范围较广。铁锂离子电池在工作电压、能量密度以及循环寿命等方面具有显著优势。与同体积的铅酸电池相比，铁锂电池的备电能力是铅酸电池的2倍，能有效解决机房承重不足的问题。铁锂电池可以有效节省空间，从而解决5G基站对电源承载更高的问题。铁锂电池在通信基站中的应用通常有3种模式。

3.4.1 铁锂电池的单独备电

对于楼板荷载能力处于较低水平的机房，可应用铁锂电池代替铅酸蓄电池进行工作。铁锂电池虽然体积小，但是能量高，既可以降低机房楼板的承重，又可以提供高能量的工作。加上铁锂电池的工作范围宽，可以提升机房内空调设置的温度，从而降低空调的运行能耗，起到节能减排的作用。

3.4.2 铅酸蓄电池与铁锂电混搭

通常电池之间不可以进行混用，但铅酸蓄电池和铁锂电池可经电池合路器展开系统的混搭使用。除可提升基站的备电能力外，还可以优化基站蓄电池资源，一定程度上降低通信网络的建设成本和运营维护成本。这种模式实用且实惠[11-12]。

3.4.3 梯次电池应用

梯次电池是动力锂电池的二次使用。既往的铅酸蓄电池无法保证在高温场景下使用。在两类市电环境温度无法保证高温场景和4类市电场景作为备电使用时，传统铅酸电池寿命会大幅下降。这种场景下，适合梯次利用动力锂电池循环寿命长、耐高温性能好的优点进行供电。但是，目前梯次利用动力锂电池的退役电池数量太少，不能够形成规模化的处理。随着技术的日益成熟，梯次电池将广泛应用于5G基站备电储能。

4 结 论

5G需开展对超密集背景下立体化异构网络的构建，使得基站电源等基础设施设计和配置面临挑战。因此，在部署和使用5G电源时，需着力满足未来5G在快速部署方面的要求，考虑电池组具有的高强度备电功能。使用5G电源为工程运营和公共设施等多元化移动通信提供理想连接，获取的社会效益和经济效益较为显著。因此，需不断创新应用5G电源，增加社会经济效益。