5G時(shí)代的到來(lái),基站電源面臨著哪些挑戰(zhàn)?
發(fā)布時(shí)間:2019-08-26 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】在5G技術(shù)如此快速“進(jìn)化”進(jìn)程中,對(duì)于電源相關(guān)技術(shù)是一種考驗(yàn),甚至有工程師稱5G電源如同“電老虎”……與傳統(tǒng)基站相比,5G基站站址更密集、環(huán)境更復(fù)雜、功耗倍增,基站基礎(chǔ)設(shè)施需要具備快速部署、免維護(hù)、高效、能源數(shù)字化等特性,成為通信能源產(chǎn)業(yè)的全新命題。
華為首款5G手機(jī),Mate 20 X 5G版一經(jīng)發(fā)售秒售罄,預(yù)約超百萬(wàn)。自6月初四大運(yùn)營(yíng)商取得工信部授予的5G商用牌照起,中興、華為均在近期加快5G相關(guān)進(jìn)程。而值得一提的是,5G在部署的早期階段,華為就在近期宣布已經(jīng)開(kāi)始在其渥太華實(shí)驗(yàn)室研究其第6代網(wǎng)絡(luò)解決方案,也就是6G。
據(jù)專業(yè)人士分析,部署初期,5G網(wǎng)絡(luò)主要采用CU和DU合設(shè)+AAU的設(shè)備方案,即在基站側(cè)采用BBU+AAU單元的建設(shè)模式。其中,BBU單元安裝在機(jī)房或室外機(jī)柜內(nèi),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(shù),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。
圖1 基站功耗三大類型:傳輸功耗、計(jì)算功耗和額外功耗。
所以,5G電源要有低成本、高效率、免占地和少工勘的配套方案,方便極簡(jiǎn)快速部署,為5G網(wǎng)絡(luò)的快速覆蓋保駕護(hù)航。
據(jù)《人民郵電》姜蔭華報(bào)道中指出,基于對(duì)5G應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備演進(jìn)、業(yè)務(wù)發(fā)展以及客戶需求的綜合分析,可以看出5G電源的幾個(gè)顯著的發(fā)展趨勢(shì):取電多樣化、供電升壓化、配電精細(xì)化和營(yíng)維智能化。
圖2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和電源保障(來(lái)源:中國(guó)電信)
具體如下:
1、取電多樣化是指5G電源具備MIMO(Multipleinput & Multiple output)功能,兼容交流輸入(市電、油機(jī))、太陽(yáng)能、高壓直流等多種輸入,同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種制式輸出,適應(yīng)各類環(huán)境下的建網(wǎng)需求。
2、供電升壓化是指?jìng)鹘y(tǒng)的48V供電架構(gòu)在5G時(shí)代可用性下降,要求5G電源系統(tǒng)具備升壓供電的能力。由于5G主設(shè)備能耗相比于2G/3G/4G有了大幅提升,且5G站點(diǎn)拉遠(yuǎn)供電需求更多,如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的48V供電模式,線纜損耗和壓降增大,設(shè)備輸入端電壓很可能無(wú)法滿足正常的供電需求,供電升壓化逐漸成為5G電源的重要發(fā)展趨勢(shì)。
3、配電精細(xì)化是指5G電源可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化下電和配電,極大提升關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可靠性和保障能力。5G業(yè)務(wù)相比2G/3G/4G時(shí)間更加多元化,不同的業(yè)務(wù)輕重緩急各不相同,不同業(yè)務(wù)的分層分級(jí)管理可以提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性,并降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維OPEX。配電精細(xì)化正是針對(duì)這一需求而提出。
4、營(yíng)維智能化是指5G建設(shè)帶來(lái)站點(diǎn)數(shù)量增加的情況下,網(wǎng)絡(luò)的管理難度和對(duì)人力配置的要求都在增大,為了最大限度地減少增配人力帶來(lái)的費(fèi)用增加,以及降低整網(wǎng)管理難度,5G網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)需實(shí)現(xiàn)營(yíng)維智能管理;電源作為站點(diǎn)的能量來(lái)源,其穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要,除了可視以外,還需要能配合智能網(wǎng)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可管、可控。
另?yè)?jù)“白皮書(shū)”中,華為基于對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的深刻理解,在“白皮書(shū)”中提出5G電源設(shè)計(jì)需要遵從“極簡(jiǎn)”、“智能”和“高效”三個(gè)理念。
1、極簡(jiǎn):5G電源需要遵循極簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)理念,5G電源創(chuàng)新解決方案實(shí)現(xiàn)少占空間、簡(jiǎn)易安裝、快速部署和簡(jiǎn)單運(yùn)維。
2、智能:5G電源基于Bit管理Watt的理念,應(yīng)用AI與Cloud技術(shù)實(shí)現(xiàn)電源與站點(diǎn)設(shè)備、電源與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多層次的智能協(xié)同,電源從“功能機(jī)”演進(jìn)到“智能機(jī)”,支撐站點(diǎn)的CAPEX和OPEX大幅降低。同時(shí)站點(diǎn)運(yùn)維也需要從傳統(tǒng)人工運(yùn)維走向更高效的智能運(yùn)維。
3、高效:區(qū)別于傳統(tǒng)基于單部件節(jié)能的設(shè)計(jì),5G電源需要從供電、轉(zhuǎn)換、備電、配電、溫控和負(fù)載環(huán)節(jié)進(jìn)行端到端的全鏈路高效設(shè)計(jì)。同時(shí)在供電環(huán)節(jié),支持各類新能源接入,支撐綠色節(jié)能,實(shí)現(xiàn)0比特0瓦特的目標(biāo)。
那么具體如何為5G基站組件選擇合適的電源?據(jù)亞德諾半導(dǎo)體(ADI)davidmok表示,一個(gè)典型的5G波束成型發(fā)射器由數(shù)字MIMO、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理組件、放大器和天線組成。
1、FPGA的供電,為了充分實(shí)現(xiàn)5G的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)人員需要使用更高頻率的無(wú)線電,通過(guò)整合更多集成型微波/毫米波收發(fā)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、更高速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及適合更小蜂窩的高功率低噪聲功率放大器(PA),才能充分利用新頻譜,以滿足未來(lái)的數(shù)據(jù)容量需求。此外,這些5G蜂窩還將包含更多的集成天線,才能應(yīng)用大規(guī)模多路輸入、多路輸出(MIMO)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)可靠連接。因此,需要各種最先進(jìn)的電源為5G基站組件供電。
現(xiàn)代FPGA和處理器采用先進(jìn)納米工藝制造,因?yàn)樗鼈兺ǔR诰o湊封裝內(nèi)的高電流條件下采用低電壓(<0.9V)執(zhí)行快速計(jì)算。此外,新一代FPGA需要更低的內(nèi)核電壓以大幅提高計(jì)算速度,同時(shí)又要求更高的I/O接口電壓,并且還需要額外的DDR存儲(chǔ)器供電軌。因此,單個(gè)FPGA實(shí)際上需要具有嚴(yán)緊容差的多個(gè)電壓和不同的額定電流,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作。
更重要的是,為了避免損壞,必須以正確的順序?qū)@些電壓軌的時(shí)序進(jìn)行控制。使用最新的半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合領(lǐng)先的電路拓?fù)浜拖冗M(jìn)封裝技術(shù)來(lái)構(gòu)建電源,可以滿足這些嚴(yán)格的要求。然而,如果設(shè)計(jì)人員未能正確使用合適的電源管理解決方案,則會(huì)導(dǎo)致各種風(fēng)險(xiǎn),從低效率到熱性能以及其他不希望出現(xiàn)的性能相關(guān)的問(wèn)題。
2、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低噪聲供電,同樣,運(yùn)行速度更快的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC))也需要多個(gè)電源軌,例如具有極低噪聲和直流紋波的1.3V、2.5V和3.3V。通常,這些高速ADC和DAC布設(shè)在擁擠的印刷電路板(PCB)上,可用空間有限。因此,在設(shè)計(jì)這些高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)時(shí),ADC和DAC的電源靈敏度必須是首要考慮因素。
在某些情況下,為了最大程度地提高電源電壓抑制比(PSRR)性能,可以在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器之后的電源路徑中使用線性穩(wěn)壓器。
3、PA和收發(fā)器的電源管理,這些新一代無(wú)線電整合了集成型收發(fā)器和低噪聲、高功率微波/毫米波PA,并具有更寬帶寬,它們的數(shù)字控制和管理系統(tǒng)需要使用多種專用電源技術(shù)。例如,基于氮化鎵(GaN)的低噪聲、高功率PA將需要高達(dá)28V至50V的電壓,同時(shí)基于FPGA的控制和高速ADC和DAC將需要多個(gè)更低的電壓,并具有適當(dāng)?shù)臅r(shí)序控制、監(jiān)控和保護(hù)功能。最先進(jìn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供這些5G PA所需的效率(>90%)、功率密度、低噪聲性能和控制功能。在新一代(5G)產(chǎn)品性能必須超越上一代(4G)的巨大壓力下,幾乎沒(méi)有任何折衷的余地。
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