賈 駿，郭慧娟，李杰強(qiáng)

（中國信息通信研究院，北京 100191）

1 5G發(fā)展概況

中國信息通信研究院2019年1月發(fā)布的《全球5G發(fā)展數(shù)據(jù)跟蹤報告》顯示，全球5G已進(jìn)入商用。全球共有11個國家和地區(qū)的15家運(yùn)營商宣稱，開始提供5G業(yè)務(wù)或激活5G網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，商用業(yè)務(wù)集中在固定無線接入和企業(yè)應(yīng)用。AT&T于2018年12月在12個城市推出基于3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)的商用5G移動服務(wù)，并計劃于2019年上半年再擴(kuò)展7個城市。65個國家和地區(qū)推出了5G戰(zhàn)略行動計劃或者已經(jīng)拍賣5G頻譜的行動。韓國的三家移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商于2019年4月初推出了商用5G服務(wù)，目前近90%的5G基站集中部署于首爾及其周邊地區(qū)和韓國的5個大城市，同時日本已經(jīng)開始進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的部署建設(shè)。

我國的5G網(wǎng)絡(luò)部署和建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行。據(jù)了解，中國移動2019年將建設(shè)3～5萬個5G基站，預(yù)計投入100億元。中國電信2018年在17個城市建設(shè)了超過1 000個5G基站，2019年擬在5G建設(shè)方面投入90億元，通過聚焦重點(diǎn)城市、擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模，初期預(yù)計5G基站投入達(dá)到2萬個。2018年，中國聯(lián)通在17個城市開展每城市100站規(guī)模的5G組網(wǎng)與行業(yè)應(yīng)用試點(diǎn)，2019年預(yù)計投入60～80億元建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。

2 5G移動通信技術(shù)的特征

與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)通過大規(guī)模天線陣列、新型多址、新型編碼調(diào)制以及靈活雙工等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)廣域覆蓋；通過D2D通信（5G網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)之一）、新型編碼調(diào)制短幀設(shè)計、信號與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低時延與高可靠；通過超密集組網(wǎng)、大規(guī)模天線陣列、新型多址、高頻段通信以及靈活雙工/全雙工，實(shí)現(xiàn)了熱點(diǎn)高容量覆蓋；通過新型多載波和新型編碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了低功耗大連接[1]。

在網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵能力指標(biāo)方面，5G網(wǎng)絡(luò)較之前的移動通信技術(shù)有了大幅提升。5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能特征主要包括具有更高傳輸速率的增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）、具有更高接入能力的大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）和具有更高通信保障的高可靠低時延通信（uRLLC）。在增強(qiáng)型移動寬帶性能方面，5G網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到10 Gb/s的傳輸速率；在大規(guī)模機(jī)器通信性能方面，5G網(wǎng)絡(luò)具有1 000 000個/km2接入的通信能力；在高可靠低時延性能方面，5G網(wǎng)絡(luò)的平均網(wǎng)絡(luò)時延可以達(dá)到1 ms。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率和接入能力方面提高了100倍，而網(wǎng)絡(luò)時延縮短為1/100?？梢钥闯?，5G移動通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)方面有了巨大提升，而性能提升將帶動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造等新型業(yè)務(wù)，將依托于5G移動通信技術(shù)優(yōu)異的高帶寬、大連接、低時延等特征得到快速推動，進(jìn)而使得通信網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)應(yīng)用深度融合。

3 5G對基站供電系統(tǒng)提出的要求及挑戰(zhàn)

3.1 基站架構(gòu)與形態(tài)變化

與4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同，5G RAN架構(gòu)從4G/LTE的BBU、RRU兩級結(jié)構(gòu)演進(jìn)為CU、DU和AAU三級結(jié)構(gòu)。CU主要處理實(shí)時性較低的無線協(xié)議棧，DU主要處理實(shí)時性較高的無線協(xié)議棧，AAU是有源天線和部分物理層處理功能合并而成的。這樣基站中的CU與DU兩個單元可以分開部署，也可以合并部署。

可以將5G基站部署劃分為CU-DU合并部署、CU云化-DU分布式部署和CU云化-DU集中部署三種方式[2]。CU-DU合并部署方式中，CU與DU兩個單元設(shè)置在同一局站內(nèi)，DU通過拉遠(yuǎn)方式連接AAU。CU云化-DU分布式部署方式中，每個DU處在一個局站內(nèi)，每個DU通過拉遠(yuǎn)方式連接AAU，CU集中設(shè)置在一個局站內(nèi)。CU云化-DU集中部署方式中，DU集中設(shè)置在一個局站內(nèi)，CU集中設(shè)置在一個局站內(nèi)，DU局站通過拉遠(yuǎn)方式連接多個AAU。部署方式會根據(jù)業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)多樣化，CU-DU合并部署的方式會在5G建設(shè)初期廣泛應(yīng)用。

3.2 基站設(shè)備功耗的變化

隨著5G移動通信技術(shù)性能指標(biāo)的大幅提升，基站設(shè)備的用電功耗增長迅猛。相比4G基站8T/8R天線，5G基站AAU采用了64T/64R的天線陣列，通道數(shù)量大幅增加，使得AAU的整體電功耗大幅增加。單個5G基站系統(tǒng)的功耗（基站設(shè)備與天面功耗之和）為4G基站系統(tǒng)功耗的4～5倍，因此基站原有的供電系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。圖1為4G和5G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)功耗對比及共享基站市電容量圖（來源：鐵塔公司）。

3.3 基站供電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

伴隨5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，基站供電系統(tǒng)主要面臨市電容量、開關(guān)電源容量、后備電、散熱以及拉遠(yuǎn)供電方面的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，5G建站主要是在4G系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)備和天線的疊加，基站系統(tǒng)功率約為6kW，加上制冷設(shè)備的制冷消耗功率2kW、電池充電功率2.5kW，基站總功率約為10.5kW，而在共建共享基站中總功率將大于20kW?；竟牡奶岣呤沟么罅炕拘枰M(jìn)行市電容量的增容，同時要對基站配電系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，大幅增加了基站的建設(shè)成本。

圖1 4G和5G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)功耗對比及共享基站市電容量圖

在部分局站會出現(xiàn)原有開關(guān)電源系統(tǒng)容量不足問題，需要對開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。在原有4G基站疊加5G設(shè)備，每增加1套5G設(shè)備需要增加500 Ah后備電池容量（鉛酸蓄電池）。后備電池的增加將導(dǎo)致基站空間不足，尤其在共建共享基站空間方面的問題將更加突出。

5G設(shè)備疊加進(jìn)入原有基站，每增加1套5G設(shè)備大約需要增加1.5kW制冷量，可以通過增加傳統(tǒng)空調(diào)方式解決[3]。但是，對于共建共享基站由于室內(nèi)散熱量較大會產(chǎn)生局部熱量積聚，可以采用封閉冷熱通道、精確送風(fēng)以及近端制冷方式解決。

5G基站中AAU功耗大幅增加，因此供電電纜上的電流增加，將導(dǎo)致從開關(guān)電源輸出端到AAU之間的電壓降大幅增加，從而限制了拉遠(yuǎn)距離。以蓄電池供電為例，按蓄電池一次下電電壓46 V、主設(shè)備輸入電壓下限40 V計算，允許電壓降為6 V；當(dāng)供電距離增加、電壓降大于6 V時，會導(dǎo)致電池還未到達(dá)下電電壓時主設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入低電壓保護(hù)狀態(tài)。隨著供電距離的增加，電池的放電容量降低。從表1的示例可以看到，4G制式下供電距離可以達(dá)到120 m，而5G制式下只有70 m左右。供電距離的縮短會極大限制天線的部署，對5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)產(chǎn)生較大影響。

表1 蓄電池放電狀態(tài)下不同供電距離壓降

4 5G基站供電系統(tǒng)解決方案

本文從采用提高供電系統(tǒng)效率、提升遠(yuǎn)供電壓、就近取電以及利用基站儲能四種解決方案進(jìn)行分析。

4.1 提高供電系統(tǒng)效率

當(dāng)前，基站開關(guān)電源的電源轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)較高，圖2為高效整流模塊的滿載效率值。

圖2 48 V高效整流模塊100%負(fù)載率下的效率示例

在目前的電源轉(zhuǎn)換效率下，再繼續(xù)提高1%～2%效率點(diǎn)，勢必會大幅增加電源采購成本?？梢酝ㄟ^考慮提升整個基站供電系統(tǒng)的效率，將關(guān)注點(diǎn)從單一電源的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)移到整個供電鏈路的供電效率，以減少供電系統(tǒng)上的功率損耗。

4.2 提升遠(yuǎn)供電壓

在AAU拉遠(yuǎn)供電場景下，采用48 V電壓制式會導(dǎo)致供電距離過短的問題，可以通過提升供電電壓的方式解決這一問題。可以采用240 V/336 V高壓直流電源或直流遠(yuǎn)供電源供電，但這種高壓電源大量部署，存在潛在電擊安全問題。另一種供電方案是采用小幅度提升直流電壓的供電方式，即在48 V開關(guān)電源輸出端增加一級DC-DC電源。表2是升壓為57 V的供電示例。從表2可以看出，在57 V供電電壓下，5G制式供電距離由70 m延長至200 m。

電壓的小幅度提升可以增加拉遠(yuǎn)供電的距離，避免了高壓電擊的問題，但是該方案在蓄電池與主設(shè)備之間增加了一個DC-DC電源，引入了單一故障點(diǎn)[4]，從而導(dǎo)致供電系統(tǒng)可靠性降低。

4.3 就近取電

在取電成本較低的情況下，不采用拉遠(yuǎn)供電而采用就近取電的供電方式最經(jīng)濟(jì)。但是，由于運(yùn)營商基站數(shù)量龐大、基站建設(shè)場景復(fù)雜，拉遠(yuǎn)供電與就近取電將會根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件進(jìn)行合理選擇。

表2 蓄電池放電狀態(tài)下不同供電距離壓降

4.4 利用基站儲能

可以通過在基站原有備電電池的基礎(chǔ)上增加循環(huán)充放電電池（如磷酸鐵鋰電池[5]），對峰谷電價差進(jìn)行合理利用，或者在基站用電峰值時由儲能電池提供部分電量，以減少市電擴(kuò)容帶來的巨大投入。

5 本地分散供電與集中拉遠(yuǎn)供電方案的探討

對AAU設(shè)備的供電方式主要包括本地分散供電和集中拉遠(yuǎn)供電兩種方式。這兩種供電方式各有利弊。采用本地分散供電方案時，電源轉(zhuǎn)換效率高、安裝靈活、便于故障點(diǎn)查找，但是引電費(fèi)用高（需要在每個AAU處引電）、初期建設(shè)成本高、維護(hù)難度大。采用集中拉遠(yuǎn)供電方案時，引電費(fèi)用低、便于電源系統(tǒng)統(tǒng)一管理，但是線路損耗大、存在供電安全隱患問題。

6 結(jié) 語

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作的逐漸展開，基站供電系統(tǒng)中的市電容量、開關(guān)電源容量、后備電、散熱以及拉遠(yuǎn)供電方面都會面臨越來越多的挑戰(zhàn)。目前，業(yè)內(nèi)對這些問題并未達(dá)成統(tǒng)一的共識，尚未找到完美的解決方案，還需要運(yùn)營商、鐵塔公司、制造商、設(shè)計院以及實(shí)驗(yàn)室多方共同努力，探尋出一條可靠、科學(xué)與經(jīng)濟(jì)的基站供電技術(shù)解決路線。