5G基站场景下的高压直流远供关键技术与经济模式

　　摘要：与4G通讯相比，5G通讯采用大规模天线、超密集组网、高频通讯等关键技术使性能大幅提升，但也使5G单个基站功耗增加，站点数倍增，因此供电需求发生变化。目前有就近供电及高压直流远供两类供电形式可满足新的供电需求，论文针对高压直流远供，梳理了供电架构与关键技术，并综合考量削峰填谷经济模式运行投资成本、基站业务负荷忙闲时段、峰谷分时电价，提出一种可行的工作模式。该工作模式在高压直流远供方案已投资建设的基础上，投资成本小，并利用峰谷分时电价差获得经济效益，一定程度上缓解基站用电成本高的现状。最后对5G基站供电的发展进行展望，为研究或设计其供电提供参考。

　　关键词：5G基站;高压直流远供;关键技术;经济模式

　　引言

　　5G是第五代移动通讯技术的简称，其采用大规模天线、超密集组网、高频通讯等关键技术，可实现万物互联、万物智联。与3G和4G主要聚焦于“移动宽带”这一应用场景不同，其致力于向用户提供更高的系统容量及更快的无线接入速率[1]。5G在移动宽带、海量机器通信、高可靠低延时通信方面变革，可实现超高清视频、云办公、智能家居、智能交通、智能制造、自动驾驶等，将广泛应用于各行各业，2020~2023年是5G建设高峰期。由于单个5G基站系统功耗是4G基站3~4倍，且5G基站站点数远大于4G，基于以上两点，5G基站整体功耗远远大于4G基站功耗。

　　因此，基站供电需求与4G不同，原有基站供电不能满足5G基站需求。为应对基站供电新需求，对基站供电技术的研究十分必要。5G基站的供电按距离远近可分就近供电和高压直流远供，本文将在分析就近供电架构不能远距离供电的原因、阐述高压直流远供方式能高效可靠的实现远距离供电且具有集中供电、集中管理、集中备电等特点的基础上，分析高压直流远供实现高效率及可靠运行的关键技术，并针对高压直流远供其中的集中备电特点，对其实现削峰填谷经济模式进行研究。

　　15G网络组网特点及功耗分析

　　5G网络的核心有三部分：高频通讯、超密集组网、大规模天线(与4G网络不同)。4G通信使用20MHz及以下低频段，5G通信使用3GHz(低速通信)和6GHz以上(高速通信)的高频段，如中国四家5G运营商频段分别为：中国广电702~798MHz;中国移动2515~2675MHz和4800~4900MHz;中国电信3400~3500MHz;中国联通3500~3600MHz[2]。

　　使用低频段通信带宽窄、数据率较小、数据传输慢，而高频段通信带宽宽、数据率较大、数据传输快。但使用高频段通信信号穿透能力弱、覆盖面积小，为此需要缩小基站间距、密集组网以弥补高频通信缺点。4G使用1~2支天线，组成个天线阵列，而5G使用(32)~616(256)个天线阵列。大规模天线阵列能提高5G系统在数据速率和频谱效率方面的性能，提高基站容量，但同时也增加了单个基站功耗，超密基站建设加大了5G网络整体耗能。

　　1.15G网络组网特点

　　5G网络是将无线终端的数据先发送到无线基站侧，再由基站发送给核心网设备，最终发送到目的接收端，其中通讯设备由传输设备(PacketTransportNetwork，PTN)、基站处理单元(BaseBandUnite，BBU)及有源天线单元(ActiveAntennaUnit，AAU)组成。PTN实现5G网络接入，同5G主干网交互;BBU实现5G基带信号的解调和调制;AAU需要相对机房要拉远，实现射频信号的接受与发送。

　　5G移动通讯因载波频率的提高，电磁波衰减变大，导致5G基站密度比4G大，基站间从千米级压缩到百米级，即AAU设备间的距离缩短。根据5G基站组网特点，文献总结了不同城市区域及不同道路通讯设备建设距离，基站间的距离主要为300m~500m。

　　1.25G基站功耗分析

　　5G基站根据覆盖半径可分为宏基站、微基站、皮基站及飞基站四种，其中，微基站、皮基站、飞基站用于室内补盲，基站在室内安装取电方便;宏基站用于广域5G网络覆盖，功耗大，常安装于室外，宏基站供电难度大，因此本文只对宏基站供电进行分析。

　　基站负荷有交流和直流，基站机房内的照明负荷及空调负荷属于交流负荷，由引入机房内的市电对其供电，而通讯设备属于直流负荷，需直流供电，本文只对这部分进行研究。AAU、BBU及PTN三种通讯设备中，PTN与BBU设备紧邻安装且功耗相对较小，为BBU供电时可直接满足PTN供电需求，因此只针对AAU、BBU两种设备的供电需求进行研究。

　　一个宏基站通常采取个BBU+3个AAU配置，随着AAU设备优化，一个基站总功耗最大约为4000W。AAU功耗受业务负荷影响较大，AAU设备空载运行时，功率约650左右，到达额定功率以上，当AAU业务负载率在到00%增加时，功率在额定功率的%~100变化。可见，5G单套系统与4G相比功耗显著增加，系统内的AAU设备功耗随业务负荷增加而变大。

　　25G基站应用场景与供电架构

　　5G基站的供电方案按照取电点到远端AAU设备距离的远近可分两类：就近供电和高压直流远供。就近供电是取电点与AAU设备近，在百米内，就近供电包括扩建传统4G供电设备及分布式供电;高压直流远供取电点与AAU设备远，距离在几百米甚至几千米。

　　2.1就近供电

　　2.1.1扩建传统供电设备

　　BBU与AAU设备安装距离近且附近具有传统供电设备时，可对基站原有供电设备扩容，扩建传统开关电源供电方案Ⅰ。对容量充足的基站扩容，扩大整流、蓄电池及开关电源容量;容量不充足的设备，更换新设备。对传统供电设备扩容，最大程度地使用传统设备，降低建设成本。但开关电源到AAU设备为48V供电系统，线路损耗限制了供电距离，若AAU设备与开关电源两者间距离近适用于此供电方案。

　　AAU设备拉远几十米，线路压降大，AAU设备的输入电压不能使其正常工作，可在开关电源与AAU设备间增加一级DC/DC设备，新增DC/DC设备输出电压应高于AAU典型工作电压(53.5V)，输出电压为可调节动态数值(通常为57V~72V)，具体输出电压可随开关电源与AAU设备距离的变化而变化，但距离变化有限，距离拉远几十米以上，供电效率降低，线缆粗长，建设成本增加。传统设备扩容难度大，并且AAU设备距离BBU设备拉远00到00米场景，无法对功率需求大的AAU设备与BBU设备同时供电时，可保持传统的供电设备不变，直接利用对BBU供电，在AAU设备附近引入市电，整流后为AAU设备供电，AAU无备电需求的场景可应用此方案。

　　3高压直流远供关键技术及经济模式

　　3.1高压直流远供关键技术

　　高压直流远供方案给远端基站设备供电需经局端DC/DC升压和远端DC/DC降压两个电能变换环节，因此供电损耗增加，整体供电效率低。为降低局端、远端变换环节的损耗，可采用软开关谐振技术，以降低开关损耗，提升电能变换效率;又因局端安装于机房或机柜内，远端悬挂安装于灯杆或铁塔上，空间资源有限，为了提高开关电源功率密度，可采用高频控制技术，减小开关电源体积。基于需要软开关谐振技术、高频控制等因素，局端常采用移相全桥拓扑电路，远端为LLC拓扑电路。

　　3.1.1局端移相全桥高频串联谐振技术

　　中国铁塔公司制定的通讯电源标准中，要求局端模块可实现多个并联输出，适应远端不同功率需求，在负载0%100%前提下，效率大于等于3%。以高压直流远供方案II为例，局端安装于局端机房内或电源柜内，局端模块输入为(输入范围为3.2~57.6)，输出为00700可调。局端DC/DC设备需高变换比升压、高效率电能变换及宽范围输出。

　　目前大多采用移相全桥拓扑结构，拓扑结构如图，变压器易实现高变换比，并利用谐振电感、变压器励磁电感及自身寄生电容串联谐振，形成软开关，实现零电压导通(ZeroVoltageSwitch，ZVS)，降低开关损耗，提升电能变换效率。移相全桥采用定频脉冲宽度调制方式，控制频率高，控制方式简单且利于提高功率密度[1，通过控制两路驱动信号间的移相角，实现输出电压的调节，移相角越小输出电压越高，移相角越大输出电压越低，通过调节移相角大小实现局端00700的宽范围输出。

　　45G基站供电趋势与展望

　　在5G基站建设过程中，对其供电要最大程度地降低供电损耗，提高经济效益，一方面要利用原有4G基站供电设备，扩容后为5G基站供电;另一方面在新建站供电的设计可采用高压直流远供供电方式，推行削峰填谷经济模式。本文通过分析基站整体忙闲时段，得出业务高峰时段，但基站实际运行过程中，不同基站运行环境不同，业务高峰时段略有差异，且不同基站电池备电容量、荷电状态、健康状态不同，基站间具有差异。

　　因此，需针对每个基站实际情况确定每个基站电池具体充放电时刻，有效运行削峰填谷经济模式，达到降低基站用电成本的目的。随着“碳中和、碳达峰”战略目标的提出，新能源将大规模应用，海量的5G基站具有消纳新能源的能力，当采用高压直流远供方案的基站接入新能源直流微网时，可减少交直流变换环节，能提高供电系统效率，又促进新能源的利用，因此采用高压直流远供的基站接入新能源直流微网具有良好前景。

　　参考文献：

　　[1]赵国锋,陈婧,韩远兵5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电大学学报自然科学版,2015,27(4):441452.ZhaoGuofeng,ChenJing,HanYuanbingProspectivenetworktechniquesfor5Gmobilecommunication:Asurvey[J]JournalofChongqingUniversityofPostsandTelecommunications(NaturalScienceEdition),2015,27(4)441452(inChinese)

　　[2]刘光罗沛赵强5G网络共建共享频谱策略分析[J]广播电视网络2020,27(8)7779.LiuGuang,LuoPei,ZhaoQiangAnalysisofcobuildingandsharingspectrumstrategyin5gnetworks[RadioandTelevisionNetwork,2020,27(8)7779(inChinese)

　　[3]KhwandahSA,CosmasJP,LazaridisPI,etalChochliourosMassiveMIMOSystemsfor5GCommunications[J]WirelessPersonalCommunications,2021:115.

　　[4]徐晓菊北京5G新型基础设施建设规划探讨[J]北京规划建设2020(3)8891.

　　作者：周京华，孟祥飞，陈亚爱