5G電信網(wǎng)絡(luò)供電原理與應(yīng)用策略

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【摘要】隨著移動(dòng)通信技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，5g通信技術(shù)亟需更高的供電技術(shù)支持。為了能夠適應(yīng)未來(lái)5G基站電源建設(shè)的需求，本文首先分析了電信網(wǎng)絡(luò)-48V升壓供電的背景和原理，其次闡述了電信網(wǎng)絡(luò)升壓供電的技術(shù)方案和升壓供電的優(yōu)缺點(diǎn)，最后根據(jù)全文內(nèi)容對(duì)5G電信網(wǎng)絡(luò)升壓供電的未來(lái)進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】5G通信技術(shù)；升壓供電技術(shù)；-48V通信電源

前言

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（也就是5G），已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和人民茶余飯后的談?wù)摕狳c(diǎn)，5G之所以受到如此廣泛的關(guān)注，是因?yàn)榈谒拇苿?dòng)通信系統(tǒng)（也就是4G）已全面商用多年，但現(xiàn)有的4G通信系統(tǒng)已經(jīng)很難滿(mǎn)足爆炸式增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)和未來(lái)更大的市場(chǎng)需求。5G通信技術(shù)相對(duì)于4G通信技術(shù)而言，具有數(shù)據(jù)傳輸率更高、網(wǎng)絡(luò)延遲更低的優(yōu)勢(shì)。但5G通信網(wǎng)絡(luò)需要質(zhì)量更高的電源來(lái)為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備服務(wù)，而升壓供電技術(shù)可以很好地滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需求。

1我國(guó)5G技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及遠(yuǎn)景

1.1我國(guó)5G技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)5G技術(shù)發(fā)展最早可以追溯到2013年，當(dāng)年2月IMT-2020（5G）推進(jìn)組由發(fā)改委、工信部、科技部聯(lián)合成立，之后在推進(jìn)組的積極推進(jìn)之下，隨后出臺(tái)了5G中頻頻率規(guī)劃方案。隨后國(guó)內(nèi)外企業(yè)共同參與了5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)和產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)，并相繼完成了包括系統(tǒng)組網(wǎng)、技術(shù)方案以及關(guān)鍵技術(shù)等重要成果。現(xiàn)階段5G終端產(chǎn)品開(kāi)始逐漸上市，這表明5G通信技術(shù)已具備基本商業(yè)條件。目前國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商聯(lián)合業(yè)界諸多5G科技龍頭企業(yè)，開(kāi)始在多個(gè)城市試點(diǎn)5G技術(shù)商業(yè)化，譬如國(guó)內(nèi)第一個(gè)5G自動(dòng)駕駛示范區(qū)于2018年9月在北京建設(shè)落成并對(duì)外開(kāi)放；武漢于2019年永5個(gè)月的時(shí)間實(shí)現(xiàn)武漢市三環(huán)內(nèi)大部分區(qū)域5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，5G建設(shè)規(guī)模居全國(guó)第三位、中部第一位，從提前試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)率先商用。建成武漢市首個(gè)5G試驗(yàn)區(qū)，該試驗(yàn)區(qū)具有全面覆蓋和連續(xù)覆蓋的特色，為軍運(yùn)會(huì)提供了信息高速公路，像虛擬現(xiàn)實(shí)、5G遠(yuǎn)程駕駛、5G無(wú)人機(jī)等多項(xiàng)5G產(chǎn)品集中亮相。如此多5G項(xiàng)目、產(chǎn)品紛紛亮相，證明了我國(guó)5G商業(yè)化快速發(fā)展的勢(shì)頭。

1.2我國(guó)5G技術(shù)發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)

縱觀現(xiàn)在的5G技術(shù)發(fā)展速度和成果我們不難發(fā)現(xiàn)，5G通信技術(shù)帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)將遠(yuǎn)超3G和4G，除了在通信領(lǐng)域上大放異彩外，也將給各行各業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，5G正處于商用部署初期，最先得到部署的就是生活?yuàn)蕵?lè)部分，如智能眼鏡、職能球鞋等可穿戴設(shè)備、沉浸式內(nèi)容、可隨時(shí)觀看的超高清視頻、支持多人互聯(lián)的在線游戲、AR/VR技術(shù)等等。相信在不久的將來(lái)，5G技術(shù)將會(huì)普及每一個(gè)行業(yè)，譬如智能城市、遠(yuǎn)程會(huì)診、智能汽車(chē)、無(wú)人機(jī)等等。相信隨著5G商用網(wǎng)絡(luò)的部署，將有更多超乎想象的潛在可能性有待挖掘。而技術(shù)的革新也并不是一帆風(fēng)順的，隨著5G技術(shù)的普及和應(yīng)用，也會(huì)有更多問(wèn)題等待我們解決。

2升壓供電技術(shù)的利用背景

AAU（有限天線單元）是5G基站的重要組成部分之一，AAU的發(fā)展和應(yīng)用得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和射頻技術(shù)的進(jìn)步，首先表現(xiàn)在原本作為傳輸信號(hào)的銅饋線被成本更低、損耗更小、頻帶更寬的光纖取代，而基站的天饋系統(tǒng)也升級(jí)到信道容量更大、能耗效率更低的MIMO天饋系統(tǒng)，這兩者結(jié)合就是AAU有限天線單元系統(tǒng)。系統(tǒng)的更新也使得AAU的供電需求進(jìn)一步提高。首先，單個(gè)的AAU大約有34A的工作電流，1800W的工作功率和需要-48~-53.5V的電壓。而它的損耗率、線路損耗和線路降壓情況在線纜截面積不同時(shí)是不一樣的，具體如表1所示?？梢詮挠杀?中得出，截面積為6mm2的銅線在53.5V電壓供電傳輸?shù)倪^(guò)程中，無(wú)論是線路降壓還是線路損耗率都嚴(yán)重到了讓人難以接受的地步。由表1可知AAU作為一項(xiàng)新技術(shù)有更高的供電需求，而傳統(tǒng)的通信電源供電電壓技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新技術(shù)的需求。蓄電池后備使用時(shí)間快速大幅縮短的主要原因有兩個(gè)。首先是壓降增大后導(dǎo)致供電設(shè)備的電壓快速下降。隨后，電壓快速下降導(dǎo)致蓄電池?fù)p耗隨著電壓快速下降而迅速增加。這兩個(gè)因素共同造成了線路損耗嚴(yán)重和壓降嚴(yán)重的情況。此外，為解決工程中的費(fèi)用和成本過(guò)高問(wèn)題，可以采用高電壓供電的方式，由于高電壓供電輸送的電力大且損耗小，可以用較少的線纜完成鋪設(shè)并保證電力輸送任務(wù)的完成，這就解決了因銅線體積大導(dǎo)致占據(jù)大量空間的問(wèn)題。另外高壓電供電技術(shù)可以通過(guò)長(zhǎng)距離送電實(shí)驗(yàn)分層分區(qū)布局，可以很大程度上優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也減少了后期的維護(hù)成本。綜合看待上述內(nèi)容，可以得出，AAU（有限天線單元）在基站中的重要性和保障其電力可靠供應(yīng)的必要性，根據(jù)上文我們看到現(xiàn)行的傳統(tǒng)通信電源供電技術(shù)已經(jīng)相對(duì)落后，不能再適應(yīng)當(dāng)下的新情況、新事物和新技術(shù)，這要求我們亟需提出新的供電方案。

3升壓供電的對(duì)策

升壓供電的解決方案并不困難，首先為直流母線連接升壓電路，然后浮沖運(yùn)行至53.5V左右，最后將電壓提高?？紤]到設(shè)備和人身安全，這個(gè)值并不是越高越好，如果一味提高電壓輸出值，對(duì)設(shè)備后續(xù)性能和運(yùn)作乃至設(shè)備人員安全都是有影響的。雖然目前也有一部分主設(shè)備廠家嘗試設(shè)將電壓升至72V，以提高電源傳輸?shù)男?，并想通過(guò)大幅提高電壓促使線路壓降到更低，但是目前的主流電壓設(shè)定值都是在60V以?xún)?nèi)?，F(xiàn)階段升壓電路有諸多升壓方式可以采用，其中采用較多的是不帶隔離的升壓斬波電路（Boost）和帶隔離的完全高頻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)DC/DC。兩者在成本方面和電路結(jié)構(gòu)范圍等有所不同。

4簡(jiǎn)述升壓供電的優(yōu)缺點(diǎn)

由于傳統(tǒng)的供電方式發(fā)生了諸多變化，導(dǎo)致在未來(lái)部署5G網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，需要找到和平衡它的優(yōu)缺點(diǎn)，以此使設(shè)備獲得更好的效能。

4.1優(yōu)點(diǎn)

首先升壓供電技術(shù)有效地解決了電壓和電流傳輸大小問(wèn)題，在負(fù)荷相同的情況下，電流越小，所用到的導(dǎo)線越細(xì)，也就越能節(jié)省經(jīng)濟(jì)支出，降低成本，而同樣的導(dǎo)線下，電壓越高傳輸?shù)男屎碗娏恳苍礁撸纱丝梢?jiàn)升壓供電可以有效提高了線路傳輸效率并降低線路損耗。其次，升壓能最大限度穩(wěn)定有限天線單元的供電電壓，由于有限天線單元之間的輸電線路比較長(zhǎng)，如果發(fā)生有限天線單元短路的情況，對(duì)其他有限天線單元的影響是很小的，不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)短路導(dǎo)致全部受損。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于有限天線單元設(shè)置斷路器或熔斷器等保護(hù)器件也可以根據(jù)情況而定，不必每個(gè)都專(zhuān)門(mén)設(shè)置。最后，升壓供電可以有效提升蓄電池的備電時(shí)間和使用壽命。在沒(méi)有使用升壓供電之前，蓄電池的備電時(shí)間受到線路降壓的影響，設(shè)備的電壓會(huì)隨著放電時(shí)間增加而不斷降低，線路降壓進(jìn)一步增加了壓降，使得蓄電池很容易因?yàn)殡妷哼^(guò)低出現(xiàn)宕機(jī)的現(xiàn)象，使得蓄電池的備電時(shí)間大幅下降并影響后續(xù)使用壽命，升壓供電則有效解決了上述問(wèn)題。

4.2缺點(diǎn)

當(dāng)然升壓變電也并不是完美無(wú)缺的，其中升壓變換器是升壓變電的重要組成部分之一。升壓變電器可以比作負(fù)載與電源之間的一個(gè)電源變換節(jié)點(diǎn)，因?yàn)檫@是節(jié)點(diǎn)具有串聯(lián)的特性，所以很多時(shí)候負(fù)載的掉電現(xiàn)象都是因?yàn)槠渲幸粋€(gè)升壓器損壞導(dǎo)致的，要想避免這一情況的發(fā)生可以通過(guò)并聯(lián)相同電容的升壓器解決。最后表現(xiàn)在基站方面，因?yàn)榛镜募夹g(shù)更新，基站電壓要求也隨之提高，為了滿(mǎn)足日漸提高的基站電壓需求，開(kāi)始引進(jìn)新的電流電源和升壓器。這導(dǎo)致電源系統(tǒng)相比以往更加復(fù)雜，使得后期維護(hù)難度有一定增加，成本也相對(duì)提高。這方面可以通過(guò)制定安全規(guī)程和進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)的方式保障維護(hù)安全和基站使用。

5結(jié)論

5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在未來(lái)的前景是絕對(duì)光明的，因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)的誕生對(duì)整個(gè)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都帶來(lái)了翻天覆地的變化，未來(lái)5G基站必將覆蓋到每個(gè)城市的每個(gè)角落，從居民到辦公再到工業(yè)，5G技術(shù)將會(huì)改變很多人和很多行業(yè)。隨之改變的也包括供電電源這些配套設(shè)施，由于5G對(duì)供電質(zhì)量的高需求，不難看到，在未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球的時(shí)候，升壓供電也將隨之普及和變得更加高效。

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作者：孫昊 單位：武漢網(wǎng)銳檢測(cè)科技有限公司