探索5G 時代通信電源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和解決思路

滕遠(yuǎn)林

中通服節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司

0 引言

信息化技術(shù)的發(fā)展帶領(lǐng)人們進(jìn)入了5G 領(lǐng)域的大門，這也為生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域帶來了更廣闊的發(fā)展空間，各行各業(yè)也面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。例如在通信電源系統(tǒng)運(yùn)行時往往會遇到電力引入困難或者機(jī)房空間有限等問題，因此在實(shí)際研究的過程中，應(yīng)不斷加強(qiáng)對5G 架構(gòu)的了解，進(jìn)而保證在第一時間解決通信電源系統(tǒng)運(yùn)行中的問題，使其可以在5G 時代中得到全面的提升，為我國5G 發(fā)展進(jìn)入新的領(lǐng)域提供條件。

1 通信電源系統(tǒng)的基本內(nèi)容

1.1 通信電源系統(tǒng)的基本構(gòu)成

在通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，往往是借助自身的電源組成形式以及基本構(gòu)成來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電力功能，進(jìn)而為通信系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。通常情況下，通信電源系統(tǒng)主要由五個部分構(gòu)成，分別為交流引入環(huán)節(jié)、開關(guān)整流環(huán)節(jié)、直流分配環(huán)節(jié)、蓄電池組以及監(jiān)控系統(tǒng)，通過這五個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)通信電源系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

1.2 通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行要求

通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行水平會直接受到通信設(shè)備功能性的影響，因此通信電源系統(tǒng)的基本運(yùn)行要求也主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性和可靠性兩方面上。在通信系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程中，如果內(nèi)部個別的設(shè)備出現(xiàn)故障，則會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，但這種影響是較的、局部性的，因此這樣的故障也被稱之為基礎(chǔ)故障，只要根據(jù)發(fā)生故障的設(shè)備采取相對應(yīng)的解決措施就可以有效實(shí)現(xiàn)故障的修復(fù)與系統(tǒng)的完善。但是出現(xiàn)故障的如果是通信電源系統(tǒng)本身，就會直接影響到整個系統(tǒng)的運(yùn)行，只是采取相應(yīng)的應(yīng)急手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這樣的情況下，為了進(jìn)一步提升通信系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，需要有效保障通信電源系統(tǒng)備用電源以及其他備用供電設(shè)施可以隨時保持良好的狀態(tài)，尤其是針對直接接入市電部分的通信系統(tǒng)來說，備用電源更是凸顯出了其至關(guān)重要的意義。與此同時，在完善備用電源配置的基礎(chǔ)上還要加強(qiáng)對蓄電池的優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而在通信系統(tǒng)在市電運(yùn)行出現(xiàn)問題以后依然可以實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性的基本要求。另外，由于設(shè)備電壓有時會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，交流電壓的本身也會產(chǎn)生一定波動，這要求通信電源系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要配備一定的穩(wěn)壓裝置，進(jìn)而為通信電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及其面臨的挑戰(zhàn)

2.1 5G 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為通信設(shè)備的運(yùn)行帶來了新的體驗(yàn)，相較于傳統(tǒng)的4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)可以顯著提升智能手機(jī)以及其他設(shè)備的運(yùn)行速度，同時可以在原有的基礎(chǔ)上減少時延，顯著提升鏈接的穩(wěn)定性與可靠性。而且5G 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可以進(jìn)一步降低運(yùn)行成本、提升系統(tǒng)容量，進(jìn)而為相關(guān)設(shè)備的大規(guī)模連接奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。在5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用機(jī)制的過程中，會涉及到三個最為主要的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，分別是eMBB、mMTC 以及uRLLC。其中，eMBB 指的是增強(qiáng)移動寬帶，mMTC 指的是海量物聯(lián)，而uRLLC 指的則是高可靠低延時連接。同時，針對云辦公、高清語音以及高清視頻的研究在其中也發(fā)揮了巨大的功效；網(wǎng)絡(luò)容量的大幅度提高不僅可以滿足現(xiàn)階段智能城市發(fā)展的實(shí)際需求，還進(jìn)一步符合了物聯(lián)網(wǎng)接入的運(yùn)行需要，從而更好地推動交通、醫(yī)療以及工業(yè)自動化等領(lǐng)域的發(fā)展，為提升連接場景可靠性以及滿足相關(guān)的延時性需求提供保障。

2.2 通信電源系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)架構(gòu)方面的不斷優(yōu)化，其建設(shè)水平也得到了顯著提升，在這樣的情況下，對供電系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)格的要求，同時通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行也面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面站點(diǎn)數(shù)量的持續(xù)增加，尤其是Small Cell 站點(diǎn)較之前相比大幅度提升，大大增加了開展電力引入的難度，同時對電源的需求量也呈現(xiàn)出爆炸式增長的趨勢。而另一方面，相對于大量增長的電源需求，機(jī)房的空間是相對有限的，而在現(xiàn)有基礎(chǔ)上開展電源系統(tǒng)的改擴(kuò)建難度也較大。另外，如果增加機(jī)房的數(shù)量，那么對電源運(yùn)行的可靠性與高效性也會提出更高的要求。現(xiàn)階段，5G 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程中開發(fā)出更多的全新業(yè)務(wù)，這使得供電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性面臨著更大的挑戰(zhàn)，例如車輛的自動駕駛等領(lǐng)域發(fā)展都會受到相應(yīng)的影響。

3 5G 時代通信電源系統(tǒng)挑戰(zhàn)的有效解決思路

當(dāng)前，5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)重點(diǎn)主要可以分為DC 機(jī)房側(cè)和無線側(cè)建設(shè)兩個環(huán)節(jié)，針對不同的環(huán)節(jié)所采取的通信電源建設(shè)方案也是不同的。

3.1 DC 機(jī)房電源解決思路

5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶動PTN、核心網(wǎng)等環(huán)節(jié)持續(xù)下沉，在保持原有的集中化DC 與區(qū)域化DC 的同時更增加了大量的邊緣DC，通常情況下，邊緣DC 的主要安裝位置為中心機(jī)房或者核心匯聚機(jī)房。5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展同時也進(jìn)一步帶動了各網(wǎng)元集成度的提升，在此過程中人們對網(wǎng)絡(luò)供電安全的重視程度不斷提升。對于供電來說，不同類型的設(shè)備也會產(chǎn)生不同類型的供電需求，一般采用-48V（見圖1）雙電源系統(tǒng)對傳統(tǒng)直流設(shè)備進(jìn)行供電；對于交流設(shè)備來說，更多會采用UPS（見圖2）并機(jī)系統(tǒng)或者UPS 2N（如圖3 所示）系統(tǒng)實(shí)施供電任務(wù)；而對于符合240V/336V 要求的設(shè)備則采用240V/336VHVDC 供電方式進(jìn)行供電，進(jìn)而有效保障主網(wǎng)元設(shè)備以及備用設(shè)備不會同時發(fā)生掉電的情況，為各DC 機(jī)房供電的安全性和穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。由于科技水平的不斷提升，國家公共電網(wǎng)的供電可靠性從90 年代初期開始不斷提升，一直到2020 年，其重要城市供電的可靠性已經(jīng)達(dá)到了99.965%，這也更為直接地表明了國家公共電網(wǎng)的供電系統(tǒng)運(yùn)行水平與穩(wěn)定程度都在不斷提升。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升我國DC 機(jī)房的運(yùn)行水平，應(yīng)進(jìn)一步采取市電與通信電源系統(tǒng)混合的供電組網(wǎng)方式，從而有效實(shí)現(xiàn)滿足用電設(shè)備建設(shè)需求、緩解機(jī)房空間緊張問題以及減少通信電源系統(tǒng)建設(shè)投資的目的。另外，因?yàn)樵谶M(jìn)行外市電、變配電系統(tǒng)以及油機(jī)系統(tǒng)建設(shè)行業(yè)的過程中需要的工程周期比較長，因此相對應(yīng)的DC 機(jī)房需要有效滿足可以為其建設(shè)提供兩年以上的容量供應(yīng)，如果無法滿足則需要進(jìn)行提前增容與擴(kuò)建。

圖1 -48V 電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 UPS 并機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 UPS2N 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 無線側(cè)電源解決思路

無線側(cè)電源的建設(shè)模式主要是通過在現(xiàn)有的2G、3G 以及4G 網(wǎng)絡(luò)物理站點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行5G 通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，這樣的過程也可以被稱之為共址建設(shè)5G 設(shè)備。共址建設(shè)5G 設(shè)備對建設(shè)成本以及建設(shè)周期都有著較為明確的要求，因此在實(shí)際開展建設(shè)的過程中應(yīng)結(jié)合工程的實(shí)際情況采用性價比最高的方式，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)約綜合成本、縮短改造周期的目的。同時，應(yīng)不斷遵守便捷高效、減網(wǎng)絡(luò)影響的原則，對供電系統(tǒng)通信實(shí)施全方位地改造。無線側(cè)的站點(diǎn)的建設(shè)需要結(jié)合市電、直流電源以及直流配電盒電池等多方面的因素，同時考察5G設(shè)備的負(fù)荷，進(jìn)而有效解決室內(nèi)與室外不同站點(diǎn)的電源系統(tǒng)運(yùn)行問題。

（1）室內(nèi)改擴(kuò)建的相關(guān)思路

當(dāng)開關(guān)電源系統(tǒng)的整流模塊空位在兩個或者兩個以上時，需要相對應(yīng)地增加兩個或兩個以上的開關(guān)電源整流模塊，如果電源類型為組合式開關(guān)電源，則需要增加的是兩套50A 的整流模塊。同時，如果在電池之間增加了隔離控制單元，那么就會使得蓄電池出現(xiàn)增容的情況，因此電力擴(kuò)容容量應(yīng)該保持在5000W以上。另外，對于其余一部分增加直流配電單元，且散熱能力不滿足實(shí)際需求的站點(diǎn)也需要開展相應(yīng)的改造與擴(kuò)容，相比來說這樣的方法是成本最低也是最簡單的。而當(dāng)開關(guān)電源系統(tǒng)整流模塊空位在兩個以下時，則要將原有的開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行更換與擴(kuò)容，同時保證蓄電池增容在200～300Ah以上，對于最新更換的電池則要與舊電池之間增加隔離控制單元。同時還要對擴(kuò)容容量等于或高于5kW，且散熱能力不滿足實(shí)際需求的站點(diǎn)進(jìn)行改造或擴(kuò)容。這樣的方法可以有效滿足5G 的建設(shè)需求，但相較于其他方法則存在成本較高且實(shí)施難度較大的弊端，表1為具體通信電源系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)參數(shù)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)通信電源系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)示意表

（2）室外改擴(kuò)建的相關(guān)思路

室外改擴(kuò)建面臨的主要問題是電源的系統(tǒng)插槽不足，當(dāng)出現(xiàn)類似問題時，則需要增加機(jī)柜的數(shù)量，同時要配置嵌入式的開關(guān)電源，保證電力擴(kuò)容容量高于5000W，為機(jī)柜留有足夠的擴(kuò)容空間。這樣的方法實(shí)施起來具備著操作便捷、且不會對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供電造成影響的優(yōu)勢。當(dāng)空間較或者距離較遠(yuǎn)的時候，增加機(jī)柜會受到阻礙，這時原有的機(jī)柜容量空間可以進(jìn)行5G 設(shè)備儲存，同時按照就近實(shí)施供電的原則，從其他配電箱進(jìn)行引電，以有效完成供電的運(yùn)行。該方法實(shí)施起來同樣比較簡單，同時大大提升了電源靠近設(shè)備的供電效率，避免出現(xiàn)占用額外空間以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備改造的問題。

3.3 其余補(bǔ)充解決思路

另外，在開展站點(diǎn)改造擴(kuò)容的過程中還會出現(xiàn)其他方面的困難，為進(jìn)一步表彰5G 網(wǎng)絡(luò)的順利建設(shè)，應(yīng)主要從以下兩個方面為電源系統(tǒng)建設(shè)提供思路。

（1）電力擴(kuò)容困難問題的解決

當(dāng)出現(xiàn)電力擴(kuò)容困難問題，主要是因?yàn)槭须娙萘看嬖谌笨?，對于這樣的問題可以結(jié)合市電峰谷的實(shí)際情況，在市電峰值缺口處借助電池進(jìn)行供電，同時在市電波谷為電池儲能，推動分時段供電的有效實(shí)施。但該方法因市電峰谷難以判斷，所以可靠性與穩(wěn)定性都相對較低。如果供電區(qū)域的自然資源比較豐富，則可以用風(fēng)能和太陽代替電池進(jìn)行供電，但使用風(fēng)能和太陽能疊加的方法需要的投資也比較大。

（2）拉遠(yuǎn)距離不足問題的解決

4 5G 時代通信電源系統(tǒng)的未來發(fā)展暢想

就現(xiàn)階段的發(fā)展形勢來看，社會發(fā)展與信息化技術(shù)的不斷推進(jìn)，勢必會引領(lǐng)通信建設(shè)以及通信技術(shù)領(lǐng)域得到全方位地提升，而在此過程中，5G 技術(shù)也將更加全面地融合其中，其參與的廣度與深度也將得到顯著提升。5G 時代的帶來改變了人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，不論是智慧城市、智能家居，還是交通、醫(yī)療以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的智能化，都顯示著社會發(fā)展已經(jīng)不斷朝向全新與智能的方向發(fā)展，同時人們的生活生產(chǎn)也正廣泛地被物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)的應(yīng)用所影響。在這樣的環(huán)境下，通信電源系統(tǒng)也應(yīng)得到進(jìn)一步地發(fā)展與提升，從而有效適應(yīng)5G 時代的發(fā)展需求，不斷滿足集中化與多樣化的供電特點(diǎn)。同時在進(jìn)行供電工作的過程中應(yīng)有效對不同業(yè)務(wù)的特征進(jìn)行考慮，有效推動其精細(xì)化與合理化發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本、實(shí)現(xiàn)降本增效的目的，這不僅會成為5G 網(wǎng)絡(luò)在未來發(fā)展的重點(diǎn)方向，還會在多角度給電源系統(tǒng)的運(yùn)行提出更高的要求和挑戰(zhàn)，進(jìn)而為安全性、穩(wěn)定性與節(jié)能性三位一體電源基礎(chǔ)資源系統(tǒng)的打造奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

綜上所述，5G 時代的到來給通信建設(shè)的發(fā)展提出了更高的要求，因此為不斷滿足時代建設(shè)的通信需求，應(yīng)不斷加強(qiáng)對通信電源系統(tǒng)的建設(shè)與優(yōu)化，進(jìn)而不斷推動相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行的高速化、多樣化以及集中化發(fā)展。在實(shí)際建設(shè)的過程中，要加強(qiáng)對通信電源系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)的了解，有效解決其在DC 機(jī)房電源、無線側(cè)電源、電力擴(kuò)容以及拉遠(yuǎn)距離等方面的技術(shù)問題，進(jìn)而不斷提升電源基礎(chǔ)資源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。