5G基站電源改造的解決方案

龔戈勇，丁 遠

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引 言

目前，5G網(wǎng)絡已從標準制定進入實質性建設階段。全球5G網(wǎng)絡建設已經展開，國內三大運營商也在部分城市開始了試驗網(wǎng)的建設。對于運營商，5G網(wǎng)絡意義重大，如更好地樹立品牌、提高用戶感知及獲得競爭優(yōu)勢。然而，若大規(guī)模部署獨立5G網(wǎng)絡，將面臨站址資源稀缺和投資成本巨大的問題。因此，需利用現(xiàn)網(wǎng)站址資源，實現(xiàn)快速規(guī)?；ňW(wǎng)，減少配套成本，提高投資效益。機房配套電源是基站配套資源的重要組成部分，5G網(wǎng)絡的建設將對現(xiàn)網(wǎng)機房電源系統(tǒng)帶來新的壓力。

1 5G系統(tǒng)的電源需求

1.1 基站電源系統(tǒng)構成

基站電源系統(tǒng)一般由交流供電部分和直流供電部分組成，如圖1所示。其中，交流供電部分包括一路市電、發(fā)電油機、浪涌保護器及交流配電箱；直流供電部分包括高頻開關組合電源（含監(jiān)控模塊、整流模塊及直流配電單元）和兩組（或一組）蓄電池組。

目前，中國移動、中國電信及中國聯(lián)通分別擁有自己的無線通信網(wǎng)絡。同一基站內2G/3G/4G多系統(tǒng)、多制式共存，各系統(tǒng)的無線設備都需要電源系統(tǒng)提供相應的端子和后備電源，導致機房電源系統(tǒng)資源越來越緊張。

1.2 5G基站典型場景的電源需求

部署初期，5G網(wǎng)絡主要采用CU和DU合設+AAU的設備方案，即在基站側采用BBU+AAU單元的建設模式。其中，BBU單元安裝在機房或室外機柜內，集成RRU和大規(guī)模天線陣列功能的AAU單元安裝在室外天面。由于5G采用MIMO技術，BBU功耗將比現(xiàn)網(wǎng)4G系統(tǒng)的BBU功耗增加2倍，AAU功耗將比現(xiàn)網(wǎng)4G系統(tǒng)的AAU功耗增加2～3倍[1-2]。

圖1 基站電源系統(tǒng)構成圖

按一個5G基站無線設備配置1個BBU和3個AAU計算，加上新增的傳輸設備功耗（現(xiàn)有接入傳送網(wǎng)PTN設備不能滿足5G網(wǎng)絡高速率、低時延的要求），它的功耗將不低于5 000 W[3]?？紤]一般場景（基站內現(xiàn)有2套2G系統(tǒng)，2套4G系統(tǒng)，2組500 Ah蓄電池），新增1套5G系統(tǒng)設備后的機房的功耗如表1所示。其中，總功耗為21 800 W，直流功耗為13 800 W。

表1 改造后的機房功耗表

由表1可知新增5G設備后機房電源的各項參數(shù)需求。

（1）交流引入容量需求

三相市電電流容量I=1.25×21 800÷0.8÷（380×）=51.8 A。其中，1.25為安全系數(shù)，21 800 W為設備總功率，0.8為功率因素。

（2）開關電源電流容量需求（-48 V）

整流模塊下，開關電源電流容量可表示為：21 800÷48+蓄電池總容量÷10=387.5 A。其中，21 800 W為設備總功率，正常蓄電池充電電流=蓄電池總容量÷10。若每個整流模板為50 A，考慮1+N冗余的情況下，需配置9塊整流模塊。

當5G系統(tǒng)采用與4G系統(tǒng)設備類似的電源接入方式時，即BBU+AAU單元接入對應的主設備配套電源模板DCDU單元，DCDU單元再接入開關電源柜，新增5G-BBU單元的DCDU單元對空開端子的容量需求可表示為：1.25×5 000÷48=130.2 A。其中，1.25為安全系數(shù)，5 000 W為設備功率，主線芯截面大于35 mm2。當BBU+AAU單元單獨直接接入開關電源柜時，空開端子的容量需求為63 A，主線芯截面大于16 mm2。

2 5G基站電源改造的解決方案

在核算基站電源系統(tǒng)時，機房內新增的用電量不僅需要考慮新增的5G設備功耗，還需考慮新增設備后增加的空調、傳輸設備功耗以及可能產生的電能轉換損耗和蓄電池組充電功耗等因素。在容量不滿足要求時，需進行相應的改造。

2.1 交流市電的改造

核實機房市電引入總容量、空開容量及電纜是否滿足需求。市電引入容量不滿足時，應申請增容。交流配電箱主開關容量及相關連接電纜都不能滿足要求時，則更換交流配電箱。

針對市電擴容難的問題，可以考慮引入梯次電池組（鐵鋰電池組），以減少對市電的容量需求。對梯次電池組進行智能控制，峰值時通過市電和蓄電池共同放電，以保證機房設備的用電容量；在波谷時，利用市電對蓄電池進行充電，從而在一定程度上減少市電容量的重新申請，降低基站的引電成本。

2.2 開關電源及端子的改造

2.2.1 室內組合開關電源

（1）-48 V電源系統(tǒng)的改造

新增設備直接利用現(xiàn)有直流系統(tǒng)供電。如果開關電源容量滿足新增設備需求，只需增加整流模塊進行擴容；如果開關電源容量不能滿足需求，采用更換開關電源的辦法予以解決。

（2）+24 V電源系統(tǒng)的改造

在機房面積、樓板荷載及市電容量等條件許可的條件下，為5G設備獨立新增一套-48 V直流電源系統(tǒng)。在機房條件不允許時，新增1套+24 V/-48 V的DC/DC變換器為5G設備供電。此時，需考慮原有+24 V開關電源的容量，新增DC/DC直流變換器宜從原有開關電源架母線排引接，DC/DC直流變換器機架輸出容量和變換器模塊數(shù)量按本期負荷配置。

2.2.2 室外一體化機柜開關電源

現(xiàn)有一體化開關電源接入系統(tǒng)已有3個或3個以上，建議新增1套一體化開關電源，一般不在原電源系統(tǒng)上新增設備?，F(xiàn)有一體化開關電源接入系統(tǒng)少于3個，容量滿足的情況下可直接新增設備，設備空間不足的需要新增1個設備柜。

2.2.3 電源端子的改造

現(xiàn)有開關電源有剩余端子且容量滿足要求的，直接引用剩余端子。有剩余端子但容量不能滿足時，更換滿足要求的空開或熔絲；無剩余端子但有可擴展槽位時，新增空開；無剩余端子且無可擴展槽位時，考慮新增直流配電箱，且直流配電箱的電源應從電源架母線排引接。

2.3 蓄電池的改造

不同場景的基站蓄電池組后備時間不同，可結合基站重要性、市電可靠性、運維能力以及機房條件等因素確定。一般建議市區(qū)、縣城基站后備時間要求大于2 h，鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農村基站后備時間要求大于4 h，偏遠山區(qū)基站后備時間要求大于6 h。對于部分重要基站及地理位置較偏遠、應急發(fā)電不便的山區(qū)和農村基站，可適當增加蓄電池組后備時間。部分機房條件受限或后備時間要求較小的基站，可適當減少蓄電池組的后備時間。

新增5G設備后，對于不能滿足后備時間的站點，機房空間或承重足夠的，替換為新的大容量電池；機房空間或承重不足的站點，將原有的鉛酸蓄電池替換為新型鐵鋰電池。鐵鋰電池與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相比，重量更輕，體積更小，能有效解決機房空間和承載限制問題。

2.4 天饋AAU單元的電源改造

AAU單元的供電可分為-48 V集中供電、-48 V本地直流供電和高壓直流遠供。根據(jù)現(xiàn)場條件，結合AAU功耗、數(shù)量、與室內BBU安裝距離、電源設備位置以及線纜敷設難易程度等因素，選擇合適的供電方案。

當AAU距BBU的線纜長度小于設備廠家規(guī)定最大直流長度時，用標配的供電電纜從機房BBU處的直流電源為其供電。當AAU距BBU的線纜長度大于設備廠家規(guī)定最大直流長度時，可考慮如下供電方式：（1）通過加粗供電電纜線徑，利用機房BBU處的直流電源為AAU供電；（2）樓面站點可考慮配置室外小型一體化電源柜為AAU供電；（3）AAU安裝在安全性較高的地區(qū)如鐵路沿線、城中村等相對封閉的區(qū)域，電源設備安裝位置受限或外接市電困難時，可采用直流升壓拉遠技術為AAU供電。

2.5 典型場景改造示例

2.5.1 場景一

場景一：機房有多個老舊的2G系統(tǒng)BTS落地機柜，現(xiàn)有開關電源容量已很大且無多余端子，無空間安裝新增開關電源。

解決方案：將現(xiàn)有2G系統(tǒng)BTS機柜替換為采用BBU+RRU架構的同廠家DBS系統(tǒng)。拆除原有4個落地機柜，原位安裝1個19英寸的落地機柜。將2G系統(tǒng)GSM和DCS系統(tǒng)的2個BBU設備安裝在落地機柜，對應的RRU設備從主設備除的DCDU單元進行取電。落地機柜空出的空間可安裝新增5G BBU單元，新增設備可引用2G機柜拆除后空出來的電源端子取電。

2.5.2 場景二

場景二：機房空間有限，現(xiàn)有蓄電池容量不足，無空余位置更換大容量的蓄電池，機房內落地機架剩余空間較多。

解決方案：在落地機柜空余空間安裝2組支持19英寸機柜安裝100 Ah的梯次電池（高度約5U），原有鉛酸蓄電池位置保持不動，接入新增的1個綜合電池管理單元，電池管理單元對新增的梯次電池和原有蓄電池進行統(tǒng)一管理（如圖3所示）[4]。通過新舊電池組共用管理器，實現(xiàn)梯次電池與鉛酸電池合用，提升機房電池容量滿足新增5G設備的后備時間要求。

圖2 場景一解決方法示意圖

圖3 場景二解決方案示意圖

3 結 語

在保證機房電源系統(tǒng)安全可靠的前提下，如何選擇改造難度小、投資少、施工周期短的電源改造方案，是運營商5G網(wǎng)絡建設面臨的一個難題。本文提出了對現(xiàn)有基站電源系統(tǒng)進行相應的改造方案，為5G設備共址現(xiàn)網(wǎng)機房建設安裝提供參考。隨著技術的發(fā)展，5G系統(tǒng)BBU和AAU單元的功耗會進一步減少，對應的網(wǎng)絡建設模式和配套電源需求將得到更好的解決。