周曉輝

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

盡管5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚處于不斷完善的階段，但得益于技術(shù)層面的優(yōu)勢，使其獲得了行業(yè)內(nèi)外的一致好評與期待。3G技術(shù)滿足了人與人即時通信的需求，4G實現(xiàn)了各項數(shù)據(jù)、語音以及應(yīng)用的交互發(fā)展。5G技術(shù)的到來，使人們的生活、社交、學(xué)習(xí)等也獲得了更多元的可能，它是推動現(xiàn)代社會朝著數(shù)字化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最強動力。而隨著5G技術(shù)的推廣與發(fā)展，其相關(guān)配套的基站設(shè)備功率、能耗等技術(shù)指標(biāo)也需要得到相應(yīng)提升。因此，加強對5G電源配套技術(shù)與設(shè)備的研究，有助于5G技術(shù)的快速普及，具備重要的現(xiàn)實意義與社會價值。

1 5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢及特征

（1）更高的速度。5G網(wǎng)絡(luò)的基站峰值要求不低于20 Gb/s，其數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)10 Gb/s，是既往4G網(wǎng)速的百倍，5G技術(shù)所具備的寬帶傳輸能力可以完美滿足用戶觀看4K高分辨率（High Definition，HD）視頻、體驗虛擬現(xiàn)實游戲的需求。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備升級后，其電源配套技術(shù)也亟需升級。

（2）更低的延遲。5G技術(shù)的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在用戶精神體驗上的升級，該技術(shù)同時也是無人駕駛、工業(yè)生產(chǎn)自動化等領(lǐng)域變革、創(chuàng)新的最佳載體。既往4G通信技術(shù)的延遲約為140 ms，盡管已經(jīng)能夠滿足絕大部分用戶日常生活中觀看視頻、聽音樂的需求，但卻絕對無法滿足無人駕駛、虛擬交互等新需求，反觀5G技術(shù)最低1 ms的延遲，絕對是時代發(fā)展的最佳助力。

（3）萬物互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)是5G技術(shù)發(fā)展的源動力，基于設(shè)計需求出發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)首先針對的便是對物品識別與信息閱讀的需求，其次是利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸、共享相關(guān)信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對互聯(lián)網(wǎng)物體的統(tǒng)一調(diào)配、管理與數(shù)據(jù)分析，最后優(yōu)化人們工作、生活與學(xué)習(xí)的模式，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。

（4）泛在網(wǎng)絡(luò)。泛在網(wǎng)絡(luò)指互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛覆蓋與縱深覆蓋。一方面，將網(wǎng)絡(luò)傳遞至既往接觸不到的高山、河谷之中，通過部署大量的傳感器便能夠?qū)Ω鱾€地方的地形地貌、地下河流、大氣環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測，從而對地貌變化、地震、極端天氣等進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測。另一方面，其能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)信號傳遞至地下室、洗手間、車庫等4G網(wǎng)絡(luò)信號更差的區(qū)域，實現(xiàn)全域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋[1]。

2 5G網(wǎng)絡(luò)對電源系統(tǒng)的需求

基于5G技術(shù)優(yōu)勢與特征，能夠明確的是5G時代的到來必然需要更穩(wěn)定、高效率的配套電源設(shè)施建設(shè)[2]。現(xiàn)階段，5G宏站單系統(tǒng)的典型功耗在3～5 kW，從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，預(yù)計后續(xù)階段5G相關(guān)設(shè)施設(shè)備的功耗能夠下降至2.5 kW，達(dá)到既有4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的2倍以上。以此為基礎(chǔ)，每新增一套相對完善的5G電源系統(tǒng)，平均便要額外消耗7～10 kVA的外市電，而這也需要對既有范圍內(nèi)的市政供電系統(tǒng)、后備電池容量等進(jìn)行擴(kuò)容升級改造，方能滿足使用需求[3]。圖1是4G基站與5G基站形態(tài)對比。

圖1 4G基站與5G基站形態(tài)對比

為了滿足5G基站供電需求，有兩條技術(shù)途徑。

（1）基于外市電出發(fā)?，F(xiàn)階段既有基站的外市電更多的是10～20 kVA，約占整體比重的87%，而小于10 kVA的約占6%，大于20 kVA約占7%。而4G基站大多為6%～8%，注定其無法為3家或者以上運營商提供5G網(wǎng)絡(luò)共享服務(wù)。

（2）基于蓄電池出發(fā)?，F(xiàn)階段既有的基站蓄電池容量并不統(tǒng)一，通常以1 000 Ah最為常見，為滿足5G系統(tǒng)的需求，需要在既有的基礎(chǔ)上以200 kg的單機架出發(fā)，進(jìn)行1～1.5個機架的擴(kuò)容[4]。

3 5G發(fā)展背景下電源系統(tǒng)的新挑戰(zhàn)

（1）在5G功耗持續(xù)上升影響下對基站配電容量的挑戰(zhàn)。支撐5G的3D多入多出（Multi Input Multi Output，MIMO）技術(shù)相較于既往的通信等級而言往往具有更高的功耗，與4G相比較，其功耗便要遠(yuǎn)超4G功耗的2～4倍，這意味著傳統(tǒng)的供電模式、規(guī)模、電流量等完全無法滿足其使用需求，因而建設(shè)難度較大。

（2）5G對電源穩(wěn)定性、可靠性的要求極高，提升了基站后備電的建設(shè)難度。5G網(wǎng)絡(luò)可以廣泛地應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）、自動生產(chǎn)、虛擬交互等業(yè)務(wù)之中，基站的穩(wěn)定性是一切任務(wù)的開展與運行基礎(chǔ)。以工信部的數(shù)據(jù)出發(fā)，對我國近年來5G基站的增長規(guī)模以及其在未來的發(fā)展規(guī)模進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖2所示。可見在未來，5G基站的數(shù)量會成倍增加，但基于基礎(chǔ)不成熟、使用人數(shù)暴增等現(xiàn)實挑戰(zhàn)，都直接或者間接地提升了后備電源的建設(shè)與擴(kuò)容難度，因而對后備電源而言提出了較新、較艱巨的挑戰(zhàn)[5]。

圖2 2019-2035年中國5G基站數(shù)量預(yù)測（數(shù)據(jù)來源：工信部）

4 新型運維技術(shù)在5G電源配套建設(shè)中的應(yīng)用

4.1 市政供電削峰技術(shù)

所謂的市電削峰是以某一區(qū)域為主，依照該區(qū)域內(nèi)通信設(shè)備功耗隨話務(wù)量來回波動的特性，在用電高峰期利用蓄電池對市政供電進(jìn)行補償供電，在用電量較小的時間段對蓄電池進(jìn)行充電，可以理解為一種錯峰的供電機制。該方法綜合了錯峰、限流、儲能電池等多元化的技術(shù)手段，全面約束電池的蓄電量、用電量等，以滿足不同階段的用電需求。從根源上避免了基站的大規(guī)模改造，甚至可達(dá)成高速改造或是免改造，在減少財政支出的基礎(chǔ)上提升建設(shè)質(zhì)量[6]。

4.1.1 備電電池錯峰充電技術(shù)

該技術(shù)主要應(yīng)用于用電負(fù)荷高峰時期，通過適當(dāng)降低電池充電電流的方式，重點為通信設(shè)備供電，以備電池錯峰充電的方式，最大程度地滿足區(qū)域內(nèi)用戶的通信有序性。結(jié)合實際的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算后可知，該技術(shù)可以達(dá)到的削峰比例約為16%，僅需要保障市電容量缺口在固定范圍內(nèi)，同時24 h內(nèi)停電時間在6 h之內(nèi)的基站基礎(chǔ)環(huán)境，就能夠滿足絕大部分的供電需求。該技術(shù)并不是全然沒有缺陷，相較于其他技術(shù)而言，備電電池錯峰充電的技術(shù)手段往往需要更高的充電時長[7]。基于此，可以充分保留其優(yōu)勢，聯(lián)通限流充電的方式，為廣大用戶提供更穩(wěn)定的通信感受。除去對備用電池進(jìn)行錯峰充電處理之外，還可通過約束電池充電電流流量的方式，能夠?qū)⑾鞣灞壤嵘?0%。其更適應(yīng)運用在保障級別相對較低、供電缺口不大且每24 h停電時間不超過3 h的5G基站。

4.1.2 儲能電池削峰技術(shù)

該技術(shù)手段主要通過在用電負(fù)荷較小的時間段引導(dǎo)儲能電池進(jìn)行自動充電，并在有需要的高峰用電期進(jìn)行放電，從而達(dá)成15%以上的削峰比。該技術(shù)手段最顯著的優(yōu)勢在于，其不會拉長備用電池的充電、放電時長，從而有效保障5G基站運行的穩(wěn)定性與質(zhì)量。但該技術(shù)中的儲能電池僅僅可以在備用電池充電過程中或是在用電高峰期與備用電池進(jìn)行疊加使用。具體的應(yīng)用中，更適宜供電缺口較小、停電頻繁且具有規(guī)律性的5G基站。

4.1.3 錯峰充電結(jié)合儲能電池削峰技術(shù)

該方法的原理是在用電荷載高峰時間段停止對儲能電池充電，同時必須在用電負(fù)荷較小的低谷階段才能夠恢復(fù)充電。而對于高峰期、低谷期的判斷，應(yīng)結(jié)合不同區(qū)域市政供電的經(jīng)驗以及基站所連接設(shè)備的實際荷載情況、性能、特征等進(jìn)行綜合判斷。該技術(shù)手段具有更高的靈活性與實用性，其能夠加強對通信設(shè)備負(fù)載波動情況的控制力度，進(jìn)而其削峰比例最高可達(dá)到40%左右。該技術(shù)手段主要適用于具有較大缺口的市電容量，且不具備連續(xù)性停電特征的、等級較低的基站[8]。

結(jié)合實際運行過程中市電容量缺口的規(guī)模、每日停電頻率、基站其余保障等因素方面的差異，應(yīng)選擇更合理、高效的市電削峰技術(shù)方案，以維持5G高功耗用電需求下，市電容量的調(diào)整穩(wěn)定性。綜合上述幾種方式，設(shè)計了3種市電削峰技術(shù)方案，如表1所示。

表1 市政供電削峰技術(shù)方案闡述表

4.2 蓄電池共用管理技術(shù)

當(dāng)不同類型蓄電池聯(lián)動既有電池過程中出現(xiàn)不兼容、排異等反應(yīng)時，應(yīng)用該技術(shù)在有需要的情況下適當(dāng)調(diào)整蓄電池的組合類型，實現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的擴(kuò)容。使用過程中，首先需要對電池進(jìn)行主動控制，率先引導(dǎo)鋰電池進(jìn)行放電，為市電削峰以及削峰填谷等技術(shù)夯實基礎(chǔ)。其運行示意如圖3所示。

圖3 蓄電池共用管理示意圖

該技術(shù)的充電模式可以細(xì)分為基于各個電池接口與外置鉛酸電池并聯(lián)充電的共同充電模式以及基于電池接口與外置鉛酸電池依照一定順序依次充電的單體充電兩種，通常運用于市電容量存在較大缺口的情況下。

放電模式同樣可以細(xì)分為共同放電與優(yōu)先放電兩種模式。一是在各條電路系統(tǒng)中依照設(shè)計方案，以預(yù)設(shè)的限流值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行放電；二是在預(yù)設(shè)兩級放電次序的情況下結(jié)合實際需求進(jìn)行優(yōu)先放電。選用梯級電池可以滿足削峰的放電需求，選擇鉛酸電池可以滿足備電的放電需求。

該技術(shù)能夠使得不同廠家、型號、種類的電池聯(lián)同作業(yè)，這不僅能夠有效降低工程建設(shè)的難度與周期，同時可以縮減建設(shè)、檢修過程中的支出成本，達(dá)成降本增效的目標(biāo)。

4.3 集中供電方案

以現(xiàn)階段較為主流的48 V供電電源為例，首先，需要將供電電壓從48 V提升至直流250～400 V，并結(jié)合專用電纜將其輸送到遠(yuǎn)端機區(qū)域；其次，需要借助遠(yuǎn)端機將既定電流電壓進(jìn)行變壓處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?8 V以及交流220 V電流，從而為相關(guān)5G設(shè)備進(jìn)行持續(xù)供電，并且其供電不會發(fā)生中斷情況。該技術(shù)不僅能夠有效降低周邊基站市電擴(kuò)容壓力以及蓄電池運行壓力，同時具有較強的靈活性與較快的反應(yīng)能力，因而可以在相對更短的時間內(nèi)投入使用且保持運行的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

總而言之，5G技術(shù)的規(guī)?；?、快速化發(fā)展需要多元技術(shù)的支持，這增加了基站配套電源建設(shè)工作的挑戰(zhàn)性。而在5G電源配套建設(shè)中加強新型技術(shù)的應(yīng)用能夠有效應(yīng)對其挑戰(zhàn)，在全方位提升5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度、擴(kuò)大推廣范圍的同時，也能夠為相關(guān)企業(yè)、機構(gòu)及5G網(wǎng)絡(luò)使用者提供更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，促進(jìn)我國通信事業(yè)蓬勃發(fā)展。