5G基站供电系统需求及供电技术探讨

魏 瑾

（山西机电职业技术学院 信息工程系，山西 长治 046011）

1 5G背景及发展概述

第五代移动通信技术（5th generation mobile networks，5G），是2G、3G以及4G的继承和发展。作为目前最为先进的蜂窝通信技术，其与4G网络技术相比，传输速率达到了10 Gb/s，提升了10倍，流量密度为10 Tbs/km2，提升了100倍，其无与伦比的高速率、低延时、少能耗以及微成本备受人们推崇。2G、3G、4G以及5G的速率比较如表1所示。

表1 2G、3G、4G以及5G的速率比较

2 5G关键技术及基站介绍

5G基于蜂窝通信网络，将信号覆盖范围划分为若干蜂窝式的网络区域，将终端设备中数字化的数据信号，如声音、视频以及图像等以比特流数据的方式通过无线电磁波信号与收发设备进行通信传输。5G通信系统综合运用了超密集异构网络、Massive MIMO、CDN、D2D通信以及新型信息编码等关键技术，解决了传统通信网络数据传输速率低、网络延时高、数据容量窄以及异构网络管理问题，符合移动通信发展大趋势[1]。

5G基站作为整个通信网络的核心，提供信号覆盖和数据传输的功能。为保障通信质量的稳定性、高可靠性、可拓展性以及管理的便捷性，5G基站通常以混合式的分层模式进行建设。5G基站运用了Massive MIMO技术，通过增多天线的措施充分利用空间资源，对提升通信网络的稳定性和频谱效率都有积极意义。除此之外，由于5G应用大量无线设备，因此需要通过电磁监测和定期检查等手段及时排除干扰，保障基站正常运行。

3 5G基站供电系统需求现状分析

3.1 基站结构的变化

5G基站接入层架构较4G基站有所变化，由BBU和RRU的2层结构进一步细化为CU、DU以及AAU的3层架构。其中，CU是从原BBU中非实时部分分割出来的，负责处理非实时协议和服务；DU是BBU剩余功能的重新定义，负责实时处理协议和服务；AAU是有源天线单元BBU的部分物理层处理功能与原RRU及天线的合并。如此分层主要是为了满足5G应用场景的需求。5G具有切片功能，所谓切片主要是将一张物理网络根据不同业务划分为多个逻辑网络，从而满足不同应用场景。按照5G标准，可以灵活组合CU、DU以及AUU，共有4种组合状态。第1种为CU-DU共硬件部署，与传统4G宏基站类似；第2种为CU集中部署，DU部署在4G BUU机房；第3种为DU集中部署，CU集中部署在更高网络层；第4种为CU和DU集中部署，类似于4G的C-RAN。

如此设计为今后资源化和智能化管理CU及DU提供了技术基础，也是未来5G深度发展的有益条件。目前，国内仍以1个BBU+3个AAU这样设置方式为主，本文认为这主要是从成本及技术成熟度两个方面考虑的。基础结构的变化必然导致供电需求的变化，为应对5G基站发展需求需要改造或重建原有供电系统，这是不得不面对的问题[2]。

3.2 5G基站功耗变化

5G基站功耗的变化主要体现在两个方面。一方面是单个基站功耗的变化，5G基站因AAU采用Massive MIMO技术，使得天线由2/4/8个增加到了64/128/256个，引起设备功率大幅度增大。通常认为现在单个5G基站功率约为传统单个4G基站的3～4倍，因此原有供电系统设计需根据现在5G基站用电需求变化进行必要的改造升级甚至重建，以满足基站功耗的需求。另一方面是5G基站密度的大幅度提升，根据现行5G技术标准，5G技术应用频段远远高于传统2G、3G以及4G网络。根据信号衰减特性，频率越高，信号衰减越明显，因此5G基站密度要远远超过传统2G、3G以及4G基站。据相关数据显示，5G基站单位面积数量至少达到4G基站的2～3倍，甚至6倍。因此，对供电需求是极大的，现有电网远不能满足5G基站的需求。

3.3 传统电力供应面临的实际问题

传统电力供应在5G基站建设方面主要面临以下几个方面挑战。首先是直供电难度较大，一方面是市电容量有限，另一方面是直供电需对现有市电进行大幅改造，需大量的建设资金，另外实际应用过程中“直供+转供”的大量存在也5G基站用电费用居高不下的关键所在。其次是电池容量不能满足实际需求，部分基站由于电源容量的限制，需增配电池予以保障，根据实际操作数据显示每增加一套5G设备，需配备500 Ah电池，电池的增加会导致基站面积紧张。再次是AUU设备供电需求（48 V）特殊，导致供电距离不宜过长，极限距离为70 m左右，供电距离增加，电池放电容量降低，而供电距离不足，又制约AUU部署，因此电池容量也是传统电力供应面对的巨大挑战。最后是散热问题，5G基站功耗的增加会导致出现散热问题，部分基站所处环境恶劣，不具备安装和使用空调的物理条件，而且空调需定期进行除尘，维护困难，另外空调噪音会引发扰民问题，因此散热挑战也是亟待解决。此外，还面临杆塔供电不足、远拉供电以及高压直流远供转化等问题[3]。

4 5G供电技术的探讨

4.1 转供电向直供电转变

现阶段，“转供电+直供电”模式的选择是5G产业初期的无奈之举。转供电虽容易实现，但后期维护管理相对困难，与业主单位有着直接的关系，另外转供电用电成本高于直供电，通常超出0.3～0.5元/kW·h，这对基站选址建设的影响较大。从5G基站发展来看，直供电是未来供电的必然选择，各地政府也意识到5G用电问题，出台了各类转供电改直供电的相关政策，切实帮助运营商降低用电成本。另外，直供电有利于实现电费包干，后期管理维护相对容易，利于5G基站发展。

4.2 电池技术供电保障

当前，电池应用存在容量、体积、质量、温控以及安全等诸多方面的问题。为适应5G技术发展需求，应不断优化用电结构，尽可能压缩备电负载，将铅酸电池改用锂电池或其他密度大和环境友好的电池。在备电选择方面，可采取远近配电相结合的备电策略，在近端配备小型电池，在远端大型基站或通信机房配置共享型大电池。此外，可通过电源与电池的配合，让电池代替电源进行调峰供电，减低基站对外市电的需求[4]。

4.3 高压供电的应用

高压供电技术的应用主要是为了解决远程供电（1～2 km）的问题。直接采用5G基站AAU所需的48 V供电时，供电距离短（70 m左右），电路电流较大，可选择高压平台（如240 V）进行有效应对。选择高压平台时，同样需要解决升压和降压的问题，如果直接用高压供电则不需升压，否则需额外增加设备。周边其他设备，如传输设备、安防设备、数据设备以及动环监测设备等都需与高压电压一致，除此之外，高压平台的应用对维护工作和维护能力也提出了更高的要求。

4.4 网线POE供电技术的应用

皮基站μRRU供电选择时，可采取网线POE供电技术。该技术的供电距离通常在100 m之内，超过需增加设备，供电功率一般为20～50 W，电压与AAU工作电压相一致为48 V，网线通常选用超六类网线，根据功率的高低又分为低功率线对（单缆四对八芯）和高功率线对（双缆八对十六芯）。此外，必要的保护机制应具备两个方面。一方面是人机保护机制，能够及时检查短路、断路以及过载，保障维护人员和设备的安全；另一方面是线路防雷保护，应达到相应的标准，做到防雷保护[5]。

4.5 池化供电技术的应用

池化供电技术类似于云计算资源池的部署应用，该技术的应用得益于5G基站结构的灵活性。5G基站细化为CU、DU以及AAU核心模块，按照5G技术标准，可以将CU、DU以及CU-DU进行集中池部署，通过大型基站或通信机房减少CU和DU端的电力损耗，提升供电使用效率，同时也为智能化用电管理和资源化设备应用提供底层设备支撑。此外，现阶段“BBU+AAU”的实际部署模式中，BBU同样可以集中池化部署，减少BBU端电力损耗，是未来5G供电技术发展的大趋势，是值得推出和深入研究的技术措施。

5 结 论

由于5G基站基本结构的变化、单基站供电需求的大幅提升以及基站密度的增加，再加之现有供电系统存在市电容量不足、直供电程度较低、电池备电能力不足以及散热问题凸显等问题，导致5G基站用电需求得不到满足，一定程度上制约了5G技术的商业化进程。为此，本文给出了常见的供电技术应对策略。相信随着5G相关技术不断成熟，未来基站供电问题都能得到较好地解决，为推广和应用5G技术提供技术保障。