移動通信Small Cell基站供電解決方案與趨勢分析

胡先紅+劉明明

摘要：小型分布式基站Small Cell數(shù)量的快速上升對供電方案提出了“零占地”、易部署等新的需求。針對不同的Small Cell基站應(yīng)用場景，提出了相應(yīng)的供電解決方案，包括本地交流（AC）供電、本地直流（DC） 48 V供電、本地AC和DC 48 V混合供電、DC拉遠(yuǎn)供電、以太網(wǎng)供電（POE）供電等。此外，還指出了Small Cell基站供電方案的發(fā)展趨勢，包括：小型化、模塊化、高效節(jié)能、綠色、共享、智能互聯(lián)等。

關(guān)鍵詞： Small Cell；供電解決方案；零占地；模塊化

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，移動通信基站將圍繞人們居住、工作、休閑、交通以及垂直行業(yè)的需求，廣泛部署在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、地鐵、高速公路、高速鐵路以及環(huán)境監(jiān)測等場景[1]。移動通信分布式基站的形態(tài)、功耗、站址、覆蓋等都在不斷地變化。4G比3G在帶寬和通信速率有巨大的提升，而5G將比4G具有更高的帶寬、更低的時延、更多的連接數(shù)，5G基站數(shù)量將是4G的數(shù)十倍，這些特征給供電系統(tǒng)帶來新的要求。為適應(yīng)這些特征，需要為新型基站提供合適、經(jīng)濟(jì)的供電解決方案。

1 移動通信基站形態(tài)的變化

為了實現(xiàn)定向覆蓋、增強(qiáng)覆蓋、盲區(qū)覆蓋、邊緣覆蓋的高密度、大流量通信業(yè)務(wù)，小型分布式基站Small Cell的數(shù)量呈快速上升趨勢。2012年底，Small Cell基站部署數(shù)量超過宏基站，2016年部署的基站中，約88%是Small Cell基站，大約9 100萬個，比2015年增長約50%。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長，預(yù)計未來Small Cell基站還會快速增長。

Small Cell基站指從產(chǎn)品形態(tài)、發(fā)射功率、覆蓋范圍等方面都比傳統(tǒng)宏站小得多的基站類型。經(jīng)統(tǒng)計分析，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)或熱點區(qū)域[2]。小基站可有效改善深度覆蓋，增加網(wǎng)絡(luò)容量，提升用戶體驗，因而越來越多地受到業(yè)界的關(guān)注。Small Cell基站系列產(chǎn)品包括Femto Cell、Pico Cell、Micro Cell、Metro Cell系列產(chǎn)品等，各類站點的發(fā)射功率、典型功耗等指標(biāo)見表1。

2 Small Cell基站供電的主要需求

Small Cell基站數(shù)量巨大，應(yīng)用場景多樣，與之配套的供電系統(tǒng)需要適應(yīng)這些特征，并滿足以下主要需求。

2.1 “零”占地

Small Cell基站廣泛部署在商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)、住宅區(qū)等，這些區(qū)域普遍存在業(yè)主協(xié)調(diào)難、站址資源不足的問題，部分站點還需要考慮隱蔽的需求。因此，需要Small Cell基站及供電系統(tǒng)盡量少的占地或者不占地，降低站址選擇租用困難以及減少站址使用費(fèi)。例如：在城市街道，利用現(xiàn)有的燈桿進(jìn)行抱桿安裝，就可達(dá)到零占地的需求。

2.2 “零”維護(hù)

Small Cell站點數(shù)量龐大，分布范圍廣，僅維護(hù)上站的交通費(fèi)用就非常巨大。因此，需要供電系統(tǒng)盡量少維護(hù)，或者非常方便維護(hù)，甚至免維護(hù)，以降低運(yùn)維成本。同時，在模塊損壞時，可以非常方便更換。在多模塊并聯(lián)應(yīng)用時，單模塊的損壞不影響其它模塊的工作，且更換時負(fù)載不斷電。例如：供電系統(tǒng)采用自然冷卻設(shè)計以減少風(fēng)扇等易損部件的維護(hù)成本，模塊損壞10 min內(nèi)即可完成單站更換維護(hù)。

2.3 易部署

Small Cell 站點部署環(huán)境復(fù)雜，有街道、弱電井、高樓房屋外墻、室內(nèi)天花板等，這些場景無法使用大型施工工具。因此，站點安裝需要非常簡單易行，工作量小，單人可操作，基本不需復(fù)雜調(diào)試，且一次上站就能完成安裝部署。對于壁掛或抱桿安裝，要求設(shè)備輕，單人單手可提舉。普通資質(zhì)工程安裝施工人員經(jīng)簡單培訓(xùn)即可操作。

2.4 易擴(kuò)展

Small Cell站點的部署存在需要根據(jù)用戶容量進(jìn)行擴(kuò)容的需求，或者先期部署4G，后期部署5G共站的情況。這就需要根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需要，通過并聯(lián)，擴(kuò)展供電容量，以滿足設(shè)備分批部署、后期更多的設(shè)備擴(kuò)容需求，從而可以在初期進(jìn)行低配置，后期根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展逐步擴(kuò)容，減少初期投資浪費(fèi)。例如：包括電源模塊、電池組等在內(nèi)的供電設(shè)備都需要模塊化設(shè)計，可多模塊并聯(lián)擴(kuò)容，且現(xiàn)場并聯(lián)易操作。

2.5云管理

廣泛分布的Small Cell站點，處于無人值守狀態(tài)，需要對供電系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)（市電是否正常、設(shè)備是否正常等）、供電參數(shù)（電壓、電流、功率等）、環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度等）等實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制，相關(guān)信息上傳云端，實現(xiàn)云化管理。為降低通信成本，信息傳輸通過Small Cell通信設(shè)備實現(xiàn)，即帶內(nèi)傳輸。

3 Small Cell基站供電解決方案

為適應(yīng)不同Small Cell基站的供電需求，以及部署場景的不同，需要多樣化的供電解決方案以滿足Small Cell基站部署的要求。

3.1 本地交流（AC）供電解決方案

對于AC供電的Small Cell站點設(shè)備，在站點能夠方便獲取市電的情況下，有兩種方案。一是不需要備電的情況下，可直接采用市電接入供電，這是最為經(jīng)濟(jì)的。市電停電會導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，通信質(zhì)量降低，此方案在對市電條件好且通信質(zhì)量要求不高的通信站點可以采用。二是在需要備電的情況下，可采用交流不間斷電源（UPS）供電，如圖1 a）所示。此外，當(dāng)初次部署不需要備電，后期隨著站點的業(yè)務(wù)發(fā)展，重要性提高，改造為有備電的情況，也可采用此方案。此外，當(dāng)前大部分支持AC輸入的Small Cell基站設(shè)備一般兼容240 V高壓直流（HVDC）輸入，也可以采用HVDC電源（帶電池）提高通信基站供電可靠性，如圖1 b）所示。考慮電池成本和通用性，宜采用48 V電壓等級的電池組作為備電，這種情況下電源設(shè)備的內(nèi)部復(fù)雜度會有所提高。

3.2 本地直流（DC）48 V供電解決方案

對于DC 48 V供電的Small Cell基站通信設(shè)備，在站點能夠方便獲取市電的情況下，可采用小型DC電源供電，根據(jù)站點市電的可用度、用戶對業(yè)務(wù)可用度要求，及綜合投資成本，選用配備或者不配備蓄電池組的方案，如圖2所示。小型電源輸出DC 48 V，功率模塊功率等級從800 W到3 000 W有多種規(guī)格可供選擇，可并聯(lián)擴(kuò)容。電池采用48 V電池組，保證0.5～1 h備電時長，可并聯(lián)擴(kuò)容以延長備電時間?？紤]壁掛、抱桿時的可安裝性，宜采用體積小、重量輕的鋰電池組。本地DC 48 V供電解決方案為相對比較通用經(jīng)濟(jì)的供電方案。

3.3 本地AC與DC 48 V混合供電解決方案

部分Small Cell站點，存在既需要AC供電，也需要DC 48 V供電的情況。這種情況的產(chǎn)生一般是前期部署了部分通信設(shè)備，后期新增通信設(shè)備與之前的設(shè)備供電需求不同。例如：某站點前期部署了市電直接供電的4G 設(shè)備（無備電，直接接入市電），后來站點擴(kuò)容新增DC 48 V供電的5G設(shè)備，且兩次部署的通信設(shè)備均需要備電。此種場景下采用的供電方案如圖3。圖3 a）為采用小型DC電源加獨(dú)立逆變器方案，圖3 b）則采用一個雙路DC輸出的電源系統(tǒng)，同時提供DC 48 V和DC 240 V輸出。采用獨(dú)立逆變器方案相對通用，但設(shè)備多、成本高。采用雙路DC輸出的電源系統(tǒng)方案不通用，但設(shè)備少、占用空間小。本地AC與DC 48 V混合供電方案的應(yīng)用場景相對較少。

3.4 直流遠(yuǎn)端供電解決方案

部分Small Cell 站點，難以在站點直接獲取市電，例如：隧道或無市電覆蓋的山頂?shù)取４朔N場景下，可考慮采用直流遠(yuǎn)端供電方案，如圖4所示。在局站端，增加一個DC/DC電源，將原有的48 V電源升壓至某一更高電壓，例如280 V DC，然后通過電纜將電源拉到遠(yuǎn)端站點[3]。對于可采用AC 220 V（兼容高壓直流輸入）的Small Cell通信設(shè)備，直接采用高壓直流供電。對于DC 48 V供電的Small Cell通信設(shè)備，則需增加一個小型DC電源（此處小型DC電源與采用本地DC 48 V供電方案中的小型DC電源相同），轉(zhuǎn)換為48 V后給設(shè)備供電。對直流遠(yuǎn)供電壓沒有嚴(yán)格規(guī)定，但業(yè)界比較通用的電壓等級為DC 280 V，也可選用其它電壓，如采用DC 270 V（標(biāo)稱240 V）、DC 380 V（標(biāo)稱336 V），與通信設(shè)備用的高壓直流電源系統(tǒng)電壓一致，此時遠(yuǎn)端AC供電的Small Cell通信設(shè)備需兼容這些電壓輸入。

直流遠(yuǎn)端供電方案，考慮拉遠(yuǎn)供電線纜成本及電能損耗的影響，對通信設(shè)備功耗、拉遠(yuǎn)距離均有要求，功耗不易過大，一般不超過500 W，拉遠(yuǎn)距離不宜超過5 km。

3.5 以太網(wǎng)供電（POE）供電解決方案

對于功率15 W左右的末端Femto Cell 站點，可采用POE。POE供電是利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜，同時傳送數(shù)據(jù)和電功率的方案，如圖5所示。在Small Cell站點上級的通信設(shè)備，通過以太網(wǎng)線將數(shù)據(jù)和DC 48 V電源混合傳送到Small Cell站點。按照IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，采用CAT-5e及以上網(wǎng)線時，POE最大供電功率可達(dá)25.5 W，供電電壓范圍42.5 V～57 V[4]。

3.6 供電解決方案比較

不同供電方案適用于不同的應(yīng)用場景，在建設(shè)成本、運(yùn)維成本、供電可靠性等方面均有差異，需根據(jù)實際場景選取合適的供電解決方案。上述幾種供電解決方案的比較如表2。相比而言，本地DC 48 V供電解決方案和POE供電解決方案是比較通用、經(jīng)濟(jì)的解決方案，推薦優(yōu)先使用。

4 Small Cell基站供電設(shè)備

4.1 設(shè)備形態(tài)

Small Cell基站供電設(shè)備的形態(tài)，需要適應(yīng)Small Cell基站復(fù)雜場景，滿足前述零占地、零維護(hù)、易部署等需求。中興通訊兩種典型的Small Cell站點供電設(shè)備如圖6所示。

圖6 a）為AC 220 V輸入，DC 48 V 1 500 W 或3 000 W輸出的電源，圖6 b）為48 V 25 AH鋰電池模塊。電源和電池均為自然冷卻，IP66防護(hù)等級，可應(yīng)用在室外場景，支持多模塊并聯(lián)擴(kuò)容。

4.2 安裝方式

Small Cell基站電源可適應(yīng)掛墻、抱桿以及多模塊旗裝，如圖7所示?？梢詽M足零占地等需求，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

5 Small Cell基站供電方案的發(fā)展趨勢

5.1 小型化、模塊化

隨著網(wǎng)絡(luò)速率的提高，Small Cell基站越來越靠近用戶端。Small Cell基站的體積越來越小，便于站址的選擇與隱蔽，與之配套的供電設(shè)備也要求更加小型化以便于安裝。

模塊化的供電設(shè)備可以實現(xiàn)任意并聯(lián)，實現(xiàn)Small Cell基站分期部署及平滑擴(kuò)容。模塊化的供電設(shè)備可實現(xiàn)在3G基礎(chǔ)上逐步疊加4G，以及未來疊加5G業(yè)務(wù)的需求，實現(xiàn)通信基站的平滑演進(jìn)及業(yè)務(wù)升級。

5.2 多樣化

Small Cell基站為實現(xiàn)定向覆蓋、增強(qiáng)覆蓋、盲區(qū)覆蓋、邊緣覆蓋等多種場景，以及復(fù)雜的現(xiàn)場部署要求，形成了多樣化的基站形態(tài)。同時，供電功率從10 W到千瓦級，各有不同，形成了多樣化的供電方案。未來5G的設(shè)備形態(tài)也會與現(xiàn)有的3G、4G設(shè)備有較大的不同，Small Cell基站供電設(shè)備的形態(tài)將會隨之變化。

5.3 高效節(jié)能

除了要求供電設(shè)備具有更高的轉(zhuǎn)換效率（96%或更高），還需要供電設(shè)備能在基站負(fù)荷較低時下電，當(dāng)負(fù)荷變高時重新啟用，就像電子感應(yīng)燈一樣，以降低基站的電能消耗。當(dāng)Small Cell基站下電后，由宏站或周邊的Small Cell基站實現(xiàn)信號覆蓋；當(dāng)相鄰的宏站負(fù)荷變高時，Small Cell 基站就會被啟用。

5.4 綠色

隨著節(jié)能減排要求的提高，以及太陽能發(fā)電的成本越來越低，對于室外部署的Small Cell站點，將大量引入小型太陽能供電系統(tǒng)為站點供電，實現(xiàn)零排放。當(dāng)前，對于部分市電獲取困難的通信站點，太陽能供電已經(jīng)具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

5.5 共享

Small Cell站點供電除了可實現(xiàn)3G、4G以及未來的5G基站共享供電外，也可以為不同的運(yùn)營商的Small Cell基站通信設(shè)備供電。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，Small Cell站點通信設(shè)備可升級為物聯(lián)網(wǎng)基站，同時也可為物聯(lián)網(wǎng)的終端共享供電，如街邊站的車聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備、安防監(jiān)測控制設(shè)備等。

5.6 智能、互聯(lián)

軟件定義電源（SDP）得到越來越多的應(yīng)用，Small Cell供電電源也將逐步實現(xiàn)軟件定義，實現(xiàn)多種電源制式的輸出。同時，Small Cell基站電源系統(tǒng)的能量接口和信息接口也將逐步符合未來能源互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，可以接入能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)不同站點間的能量互聯(lián)[5]，進(jìn)一步提高能效，降低供電成本。

5.7 空間能量供應(yīng)

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動了小型無線供電、空間微能量收集等技術(shù)的發(fā)展，未來的小功率Small Cell站點，供電方式可能會來自太陽能、無線供電，甚至是空間微能量的收集，擺脫對電網(wǎng)供電的依賴，大幅度降低取電成本。

6 結(jié)束語

移動通信的發(fā)展，推動了Small Cell基站的大量部署。Small Cell供電方案一方面適應(yīng)Small Cell通信基站各種復(fù)雜場景的供電需求，另一方面也符合電源的技術(shù)發(fā)展趨勢，為信息通信的發(fā)展提供了高效、綠色、靈活、可靠的供電解決方案。

參考文獻(xiàn)

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[2]中興通訊. Small Cell基站系列產(chǎn)品[EB/OL]. （2017-05-10） [2017-06-02]. http：//www.zte.com.cn/china/products/wireless/Base-Station-Series/Small-Cell

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[4] IEEE SA. Local and metropolitan area networks-- Specific requirements-- Part 3： CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications Amendment 3： Data Terminal Equipment （DTE） Power via the Media Dependent Interface （MDI） Enhancements： IEEE 802.3at-2009[S]. USA：IEEE， 2009：10

[5] 胡先紅. 信息設(shè)備供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢[J]. 中興通訊技術(shù)， 2016， 22（1）：42-45. DOI： 10.3969/j.issn.1009-6868.2016.01.011