[施達雅]

1 引言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，特別是5G技術(shù)的成熟及相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)運而生，無線基站的建設(shè)需求日漸提高。5G為了滿足頻譜需求、功率要求，基站總體數(shù)量要增大且備電比例的要求逐步提高[1]。同時運營商大力開展全業(yè)務(wù)經(jīng)營，無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正逐漸由傳統(tǒng)蜂窩覆蓋向“分層化”方向發(fā)展，分布系統(tǒng)已成為了網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)的主要方式，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上采用多種不同類型的基站及相應(yīng)的建設(shè)方案，光纖拉遠技術(shù)得以大量應(yīng)用，網(wǎng)元設(shè)備不斷向用戶側(cè)延伸，因此用戶接入業(yè)務(wù)的質(zhì)量保障要求也日益顯現(xiàn)。電源是整個通信基站正常運營的基礎(chǔ)，所以如何構(gòu)建一套有效的通信電源系統(tǒng)對保障基站的正常運營起著至關(guān)重要的作用。

2 基站電源系統(tǒng)的基本情況

一般來說，按照無線基站主設(shè)備的覆蓋范圍可將基站劃分為：宏基站（別稱宏站，覆蓋半徑為200 m以上）、微基站（別稱微站，覆蓋半徑為50～200 m）、皮基站（別稱微微站、企業(yè)級小微站，覆蓋半徑為20～50 m）和飛基站（別稱毫微微站、家庭級小微站，覆蓋半徑為10～20 m）。小微站把通訊設(shè)備集成在一個機箱內(nèi)，不需要機房，安裝方便。微基站是以低功率接入節(jié)點，功率在5 W以內(nèi)[2]。一般就近安裝在天線附近，饋纜短，損耗小。微基站的主要作用是：加強深度覆蓋，增加局端容量等問題。

運營商為了加強信號覆蓋，鞏固并搶占更多用戶資源，深度覆蓋網(wǎng)絡(luò)信號。因此在陸續(xù)加強小微站的建設(shè)。每個地區(qū)小微站的建設(shè)量從最少的幾十套到幾百套不等且建設(shè)數(shù)量還會不斷增加，信號覆蓋越弱的地市，建設(shè)量越大。小微站能在不具備宏站的地方使用微站來代替補充信號，從而實現(xiàn)密集區(qū)域的盲點覆蓋、高層建筑的局部弱區(qū)和業(yè)務(wù)量集中區(qū)域的容量提升等等，因此是無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的重要輔助環(huán)節(jié)，未來在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的比重也會有所提高。但是小微站都不是安裝在基站內(nèi)，整體規(guī)模有限，不具備大型的后備電源，因此如何建設(shè)保障微站正常運轉(zhuǎn)也是無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的一個重要問題。

目前小微站的電源部分大體采用220 V市電拉遠供電方式，一旦停電或市電波動較大后小微站均會停電掉電退服，無法備電。而且市電電源上涌、持續(xù)欠壓、持續(xù)過壓等情況容易造成設(shè)備老化、損壞。這些情況對運營商來說會導(dǎo)致考核指標(biāo)下降嚴(yán)重，為提高移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中分布式組網(wǎng)場景(如：城市密集中心無線覆蓋、室內(nèi)分布、WLAN及綜合接入等)中的電源保障能力，提高電源維護效率，降低運行成本，下面就微站電源系統(tǒng)方案作具體分析。

3 供電方案

小微站的供電方案按照有后備電源的情況可分為無后備電源方案和有后備電源方案[3]，下面主要介紹其中的3種：直流遠供電源、交轉(zhuǎn)直微電源和市電加UPS電源[4]，以上3種方案及相關(guān)原理等。

因為大部分微站設(shè)備可以同時支持- 48 V直流和220 V交流供電[2]，所以小微站對電源的需求主要是- 48 V直流和220 V交流。因此電源設(shè)計圍繞著這兩種電源的轉(zhuǎn)換生成及保障。

3.1 直流遠供電源

直流遠供電源是將機房內(nèi)穩(wěn)定的電能通過光電復(fù)合電纜或電力線纜以超低損耗的方式輸送給直放站或基站設(shè)備，即使在惡劣條件下也能為設(shè)備提供不間斷的穩(wěn)定供電。適用于移動基站建設(shè)、室外拉遠站、室內(nèi)分布和室內(nèi)（外）機房建設(shè)等場景，對基站使用過程中常見的停電、電池需階段維護及漏電開關(guān)跳閘等系列問題提供了可行的解決方案。

（1）工作原理

如圖1所示，直流遠供電源系統(tǒng)由局端設(shè)備和遠端設(shè)備兩部分構(gòu)成。首先采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)對局端設(shè)備中的- 48 V基礎(chǔ)電源處理[5]，經(jīng)過升壓濾波變成250～410 V的直流電源后，然后經(jīng)由光電復(fù)合電纜或電力線纜遠程傳輸出去，到遠端設(shè)備處再經(jīng)過濾波降壓轉(zhuǎn)換成直流48 V或交流280 V的電源，以供RRU等負載設(shè)備使用。當(dāng)通信設(shè)備無法便利地獲得電源或者電源不穩(wěn)定時，通過直流遠供方式可得到穩(wěn)定、可靠的電源供應(yīng)。

圖1 直流遠供電源系統(tǒng)的工作原理

（2）特點

直流遠供系統(tǒng)的電源雖然來源于市電，但是在系統(tǒng)變壓部分有隔離、保護裝置，所以不會受到電網(wǎng)波動產(chǎn)生的電壓過高、過低、閃變和浪涌等影響；因為接觸市電后其頻率與心臟跳動頻率相近，所以容易短時間內(nèi)致命，但是使用遠端線路不接地并與大地懸浮，一定程度上降低了漏電的風(fēng)險；而且遠端設(shè)備內(nèi)有保護模塊，保障了高壓直流電源用電安全。直流遠程供電系統(tǒng)供電電壓穩(wěn)定，為通信設(shè)備穩(wěn)定工作提供了可靠保障，而且穩(wěn)定的電壓不易對通信設(shè)備造成損壞，延長使用壽命。

3.2 交轉(zhuǎn)直微電源方案

交轉(zhuǎn)直微電源系統(tǒng)主要適用于國內(nèi)各大運營商分布式微站的綜合接入。比如：城市街道、樓宇、商業(yè)綜合體、旅游風(fēng)景區(qū)等場景下，用來增加、補充信號覆蓋范圍。

（1）直流為交流受電設(shè)備供電的原理

通信基站內(nèi)所使用的交流受電設(shè)備的電源模塊都是開關(guān)電源類型，如圖2所示，第一級把220 V交流電（可允許輸入變化范圍為- 15%～+ 10%約等于187～240 V）通過整流橋整成電壓約為300 V間的電壓（約為260～340 V），然后直接把此范圍內(nèi)的直流電壓（如280 V）接入交流設(shè)備輸入端，第二級通過DC轉(zhuǎn)DC的模塊把前一級電壓再變換成12 V、5 V和3 V的電壓。

圖2 交轉(zhuǎn)直微電源系統(tǒng)的工作過程框圖

（2）交轉(zhuǎn)直電源供電組網(wǎng)圖

戶外交轉(zhuǎn)直電源系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)包括以下部分：輸入配電單元、防雷模塊、交直流切換單元、DC/DC降壓模塊、控制單元。通常按照備電與否分成以下兩種情況：

① 不需要備電方案：

如圖3所示，本方案在戶外直接使用交轉(zhuǎn)直小電源安裝在微站中，其中的交轉(zhuǎn)直電源是直接安裝在RRU附近，采用抱桿或者掛墻的方式。然后就近引入220 V交流市電，再由市電配電箱連接至室外型單體電源的220 VAC輸入端子，將該電源變換處理為DC48 V后通過線纜傳輸?shù)交倦娫摧斎攵俗?，供通訊設(shè)備使用。

圖3 不備電系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)

② 需要備電方案：

在需要備電的情況下，那只需要把原來的交轉(zhuǎn)直電源更換為帶備電的微電源就可以實現(xiàn)備電，如圖4所示。隨著業(yè)務(wù)量的發(fā)展，帶備電的微站存在備電不足的情況下，則只要用更大規(guī)格的電池箱來替換原先的小容量電源來實現(xiàn)，更換出來舊電源還可移至其他小負載基站使用。

在本方案中，首先把就近引入220 V交流市電連接到備用電源的輸入端子，再由備用電源的輸出端子引到室外型微電源的220 VAC輸入端子，最后把微電源的輸出端子通過線纜傳輸?shù)交倦娫摧斎攵俗?，供通訊設(shè)備使用的。

圖4 帶備電系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)

（3）特點

使用交轉(zhuǎn)直電源從工程角度來說，可不用新建機房，直接與RRU安裝在一起，成本低。當(dāng)后期有備電需求時，也只需更換電源，方便施工。而且備電箱帶有交轉(zhuǎn)直電源用的控制電路，充電電路，無縫切換電路，接入時、充電時不影響交轉(zhuǎn)直電源輸出，當(dāng)市電停電時自動切換為電池輸出；備電箱帶的MCU監(jiān)測，實時監(jiān)控每一節(jié)電池電壓，精準(zhǔn)控制每一節(jié)電池充放電，防止其中一節(jié)電池過充，或者充不滿，而影響整塊電池壽命；但是交轉(zhuǎn)直小微電源要求必須有220 V可取。

3.3 市電+UPS電源

一體化電源UPS從外形來說體積小、重量輕；內(nèi)部而言鐵鋰電池的優(yōu)勢是能量密度高、溫度范圍廣、循環(huán)壽命長等，可針對室內(nèi)分布站點空間狹小難以部署后備電源和無法安裝空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度等情況進行電源改造，對RRU等遠端設(shè)備集中供電，為室分系統(tǒng)提供高可靠的后備電源，有效減少室內(nèi)分布系統(tǒng)退服，提升用戶感知。

（1）UPS用量分析

假設(shè)小微站為諾基亞設(shè)備，功率在120 W左右，需要考慮停電后的后備時間8小時。按常規(guī)通信后備電源鐵鋰電池為51.2 V。

根據(jù)公式1可知，當(dāng)選用磷酸鐵鋰電池16串20 Ah1節(jié)即可滿足120 W小微站停電后續(xù)航時間8小時。

由公式2可得，當(dāng)選用磷酸鐵鋰電池16串50 Ah 1節(jié)即可滿足300 W小微站停電后續(xù)航時間8小時。

（2）應(yīng)用拓撲圖

一體化UPS內(nèi)部一般是由保護模塊、逆變模塊、切換模塊和48 V電源模塊等共同組成，從圖5中所見，在無人值守模式下，當(dāng)市電正常供電甚至電網(wǎng)波動的情況下，由市電轉(zhuǎn)換供RRU工作；為了保障電池的壽命，只有當(dāng)市電長時間故障時電池呈現(xiàn)欠壓狀態(tài)時，自動轉(zhuǎn)電池工作狀態(tài)；當(dāng)市電正常供應(yīng)的時候，電池不工作且能對電池進行充電。

圖5 市電+UPS方案應(yīng)用拓撲圖

（3）特點

目前各廠家的UPS的輸入一般都具備較寬的范圍，輸出模塊設(shè)有過壓欠壓保護和過載、短路保護；逆變器過溫保護；針對中國電網(wǎng)，在電源的輸出端增加了電壓浪涌抑制器，這個設(shè)備具備了全穩(wěn)壓功能，穩(wěn)定的電壓不易對電池和電源接入設(shè)備造成損壞，延長使用壽命。一體化電源所配置的這些模塊為通信系統(tǒng)的正常運行提供了穩(wěn)定性和可靠性。

4 案例分析

某地商場因人流量大，用戶需求廣，在商場上建有一個宏站（東百中心站），但是某些位置經(jīng)常會發(fā)生通話中斷等情況，經(jīng)過工程人員勘測發(fā)現(xiàn)這些位置的覆蓋率低，因此決定采用新建小微站來局部補盲。一般來說微站電源方案優(yōu)先選擇直流遠供，但是由于本站在敷設(shè)路由時較困難，因此選擇就近配置交轉(zhuǎn)直微電源來為微站解決電源供電問題[4]。

本站的系統(tǒng)組網(wǎng)如圖6所示。本例中采用的微電源，它是一種把電源和蓄電池集合于一體的設(shè)備，此款通信微電源系統(tǒng)體積小，重量輕，支持壁掛及掛墻安裝，安裝簡便。在組網(wǎng)時輸入直接連接220 V的市電配電箱，輸出與微站設(shè)備輸入端子相連。微電源會根據(jù)實際情況智能切換市電供電和電池供電模式，在微電源內(nèi)部配置的監(jiān)控模塊管理，實現(xiàn)對電池組進行充放電管理，同時支持多種輸入和輸出。

圖6 組網(wǎng)圖

此外，本站的微電源配有監(jiān)控功能，能實現(xiàn)電源數(shù)據(jù)的實時采集及上送。在使用時內(nèi)置的監(jiān)控模塊電路采集數(shù)據(jù)然后通過2/3/4G、NB方式將數(shù)據(jù)實時上送至監(jiān)控平臺，在監(jiān)控平臺上呈現(xiàn)電源及電池的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時可使用內(nèi)置藍牙模塊，在本地連接手機端，通過APP配置設(shè)備參數(shù)，查看設(shè)備數(shù)據(jù)；如圖7所示，手機端可查看設(shè)備的監(jiān)控內(nèi)容主要分為交流配電、直流配電、蓄電池、位置等4部分，具體監(jiān)測內(nèi)容如表1所示。

圖7 監(jiān)控采集數(shù)據(jù)頁面

表1 微電源監(jiān)測參數(shù)

微電源基站在市電停電后可提供持續(xù)穩(wěn)定的后備電源，保障通信設(shè)備可持續(xù)地工作，從而提升運營商的服務(wù)質(zhì)量，降低退服率；通信微電源系統(tǒng)可過濾市電的諧波，降低市電諧波及市電不穩(wěn)定對通信設(shè)備的影響，保護通信設(shè)備。通信微電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率達到92%以上，降低設(shè)備本身發(fā)熱消耗的能源，減少能源消耗，有利于節(jié)能減排工作的開展。

5 總結(jié)

小微基站體積小、成本低、建設(shè)快，能解決全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的局部補盲、容量提升等作用，而且能協(xié)同宏站呈現(xiàn)高低搭配的異構(gòu)網(wǎng)形態(tài)，因此小微基站已成為無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的重要組成部分[5]。隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展建設(shè)，小微基站會成為后期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流[6],未來小微基站能應(yīng)用到更多樣的的場景中，電源保障方案也會呈現(xiàn)更多樣的形式，功能會更加完善。