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    5G網絡能源國際標準解析及國內標準化概況

    2020-06-17 18:56來源:互聯網瀏覽:

    2019年6月6日,工業和信息化部向中國電信、中國移動、中國聯通和中國廣電發放了基礎電信業務經營許可證,批準4家企業經營5G業務,標誌著我國5G將迎來大規模商用。隨之帶來的5G各類基礎設施的建設,受到運營商、製造商、研究機構及社會各界廣泛關注,其中5G能源即保障5G網絡安全、穩定運行的重要基礎設施也成為業界熱點話題。

    5G網絡由於高帶寬、高流量、高發射功率,其單站能耗劇增。5G基站信號帶寬為160MHz,可同時提供4G和5G服務。相比4G的60MHz,帶寬增加2.67倍,峰值速率提升15倍,發射功率為原來的兩倍(由4G的120W 提升為240W)。另外,收發通道數也增多,5G基站分高配(64通道)基站和低配(32/16等,以16通道為例)基站,而現網4G基站以8通道為主要配置,也導致5G網絡設備能耗的增加。

    對此,傳統供電中出現了由於功耗的劇增而傳輸線纜上的線損大幅增大,即便供電係統正常工作,都無法使後端通信設備正常運行等現象。同時,由於單個設備的功率密度和能耗絕對值的升高而出現的局部熱點問題。對此,業界提出了各種解決方案和產品,但缺乏統一的標準。基於此,國際電信聯盟(ITU)及中國通信標準化協會(CCSA)等標準化機構均立項研究推動標準化工作,分別在ITU 由中國、法國電信、意大利電信和華為技術有限公司聯合提出5G網絡可持續供電方案建議書立項。在CCSA,由中國信息通信研究院牽頭提出立項研究《5G基站供電和製冷技術研究》課題[1]。

    該標準的最終稿在2019年9月ITU-T第五研究組的全會上討論通過,進入凍結程序,並於2019年12月發布。標準共有十一章節,各章節涵蓋了除範圍、規範性引用文件、術語定義、縮略語等常規部分外,其技術相關核心內容由5G網絡概述、供電方案要求、能效要求、可靠性與維護要求、安全性要求、環境影響等部分組成[2]。

    標準首先描述了5G網絡不同的部署架構以及相應供電方案的需求,包括宏基站、小微基站(室外基站、室內基站、移動基站等)、物聯網設備場景以及網絡側的邊緣計算等場景需求。5G網絡覆蓋方式如圖1所示。

    基於基站部署架構,提出不同的供電方案及對應的維護、管理、能效等要求。標準的供電方案章節中包含了7個部分內容,分別為機房供電要求、基站供電要求、智能維護方麵要求、可再生能源供電要求以及光電複合供電方案要求等,具體解析如下。

    在機房側供電方麵,提出了傳統的-48V供電方案以及高達400V直流供電方案。此高達400V直流術語是從ITU-T L.1200《高達400V直流供電係統與信息通信設備供電接口要求》標準中引用。其電壓範圍包含了國內的336V直流供電係統電壓範圍以及240V直流供電係統電壓範圍。為什麽與國內的稱呼不同?國內沿用了-48V係統即用電池組電壓標稱值(如24節2V電池)作為係統名稱的習慣,對於240V係統雖然其運行電壓為276V,但電池組電壓標稱值為240V,因此稱之為240V直流供電係統。同樣對於336V係統,雖然正常運行電壓380V,但與此係統相連的電池組,以單體電池2V為例,配置168節電池,因此稱之為336V直流供電係統。而國際上其他國家,如歐洲國家為了強調高壓直流供電係統的電壓比傳統的-48V係統高,采用了係統正常輸出最高電壓400V進行命名,體現出其高壓,稱之為高達400V直流供電係統。另外,在高壓直流供電模式中考慮到現有的基站設備無法直接由高壓直流供電,提出了利用降壓方式給-48V設備供電或通過遠供方式供電。

    對於基站側供電方麵,標準中首先分析了5G場景由於功率密度的增大和整體功率的升高帶來的一些問題,如壓降、配電開關容量不足、備電容量不足、製冷和維護等問題。同時,5G基站的建設還應考慮其他因素,如降低成本、快速建設、高效節能、與現有基站兼容的特性等。基於此,提出了C-RAN和D-RAN場景的供電方式。

    針對C-RAN基站,BBU會池化,而AAU可能會本地供電或者遠端供電,具體供電架構如圖2所示。考慮到未來發展,C-RAN站點今後還會集成邊緣計算設備。筆者認為,BBU池化不僅帶來供電的一些特殊需求,也會帶來製冷方麵的挑戰。但由於該標準不涉及製冷方麵,本文不做贅述。

    上述兩種場景供電架構均考慮了多種輸入能源類型、多種輸出電壓等級情況,與目前國內中國移動設計院推動的多輸入、多輸出一體化能源櫃的理念非常類似,國內也有部分應用。此外,兩種供電場景架構圖中均有升壓供電方式,具體電壓值要求在標準中引用了ETSI EN 300 132-1中規定的最高可達-72V的電壓。雖然引入這樣一個新的電壓等級對整個信息通信供電係統的標準化引入了不利因素,但該方案是解決目前壓降問題的有效手段,因此與會專家同意寫入標準中。

    在提出上述機房和基站供電方案的基礎上,為了提升整個係統能效,標準要求係統中應使用高效供電(如使用效率為97%及以上的整流模塊產品)、高效製冷(如熱交換係統來代替傳統空調)和最大功率跟蹤的太陽能控製係統等方式提升站點能效(SEE)值。SEE引用自ITU-T L.1350《通信基站能效測量指標》標準,等於基站輸出能量除以輸入總能量,即數據中心領域等應用的電能使用效率PUE參數的倒數。

    除了能效,係統的另一個重要的特性是安全。關於安全,該標準主要提出高達400V的直流遠供係統應具有絕緣監察裝置,局端啟動時應考慮遠端設備的安全性,並且應具有交流輸入異常時的保護功能等方麵的要求。

    在基站供電智慧化管理方麵,標準提到了智能削峰方案和休眠管理功能要求。首先,提出錯峰方案的主要原因是由於5G基站的高功耗,現有的市電容量可能無法滿足負荷容量,需要利用鋰電池儲充放電的方式補充供電容量。在探討過程中,有專家表示由於5G 網絡還未大麵積鋪開應用,還未出現類似市電容量不足的情況,倘若出現上述情況這也不失為一種解決的方案,因此接受了該建議。另外,關於係統休眠技術,標準中提出係統應具備低負載時智能開啟休眠模式從而降低能耗,當負載增大時智能切回正常運行模式的要求。

    主要圍繞供電可用性管理、能效管理、遠程維護、安全性管理和智能儲能係統等幾個大的方麵提出相關要求。

    係統可用性是表示可靠性的重要參數,不管是產品標準還是係統相關標準,均能夠看到可靠性、可用性相關要求,最常見的是設備可用性要求。設備的可用性計算方法為:設備可用性=MTBF/ (MTBF+MTTR)。其中,MTBF(Mean Time Between Failure)為平均無故障時間,MTTR(Mean Time To Repair)為平均修複時間。對於係統的可靠性一般采用基於各組成部分可靠性值以及具體可靠性模型代入公式計算的方式[3]。而在本標準中,首次提出了站點能源可用性PAV的概念,其計算方式如公式(1)所示。

    能效是一個基站的重要參數,標準提出基站應實時監測SEE,並基於負荷狀況以及各類設備的工作狀態給出基於人工智能和大數據分析提出的相關優化策略建議。

    對於遠程維護的站點,基站應具備所有設備的數字感應能力,從而由自動維護代替人工維護。通過實時遠程監控排除故障,並對已經發生的故障和潛在風險進行原因分析,極大地避免了不必要的現場勘察維護工作。

    關於維護工作中的智能化安全性管理是重點保障資產安全,通過智能化手段具備更好的防盜功能,例如電池組的數字鎖確保其離開基站現場無法使用等防盜措施。

    在智能儲能係統中提到,隨著5G站點的數量劇增、容量增大、應用場地的多樣性,推薦使用鋰離子電池,並對鋰電池提出以下要求。

    (4)應與電源係統的監控管理部分實時通信,電源係統應實時監測電壓、電流、溫度和SOC等參數,並完成遠程放電測試。清華大學推動的數字儲能係統作為一種解決方案寫入了該標準的資料性附錄中。

    (5)應使用磷酸鐵鋰(LFP)電池,且電池組應通過安全測試,如針刺試驗、燃燒試驗、水浸試驗和熱衝擊試驗等。

    為了推動5G網絡供電係統綠色可持續發展,標準提出係統應優先使用可再生能源,並根據運營成本,智能選擇電網、儲能、發電機等不同輸入能源,供電係統架構如圖4所示。

    基於最大程度地重用現有的基礎架構原則,標準中提出電源線路與光纖線路相結合。如圖5所示,使用光電複合纜,將電源電纜安裝在微導管內與光纖一並傳輸。

    從總的配電結構來看,該供電方案回路分為兩級配電:第一級配電環節的傳輸電壓相對較高,稱之為“主配電”,將功率從根源供電處傳輸到第二級配電處,可以采用樹形供電和環形供電兩種架構;二次配電主要是將輸入的交流或高達400V直流電壓降低到符合ICT 設備輸入電壓範圍的電壓,並給主設備供電。

    中國通信標準化協會(CCSA)在國內率先研究了5G能源相關研究課題2018B30《5G基站供電和製冷技術研究》,主要包括5G多種場景下供電和製冷技術及今後標準化思路與方向等。在此基礎上,於2019年12 月提出了5G供電與環境的基礎設施係列標準立項,分別為《5G供電與環境的基礎設施 第1部分 總則》《5G 供電與環境的基礎設施 第2部分 室外自冷型刀片電源係統》《5G供電與環境的基礎設施 第3部分 多輸入多輸出一體化能源櫃》和《5G供電與環境的基礎設施 第4部分 室內機架溫控係統》。基於會議討論,擬遞交立項研究的標準有升壓電源模、數字儲能係統、機櫃液冷、BBU機櫃和邊緣機房標準等,且應緊隨行業發展與訴求,當5G網絡對供電和環境提出新要求時擴展此係列標準。

    從國內提出立項行業標準內容可總結出行業標準緊隨行業發展。首先,對各運營企業使用量較大的產品進行規範化,從而有力提升5G網絡供電和環境產品質量,進一步引導生產企業以及應用單位。已立項標準的第1部分總則標準,將從整體布局規劃各部分標準的核心內容及相互聯係等方麵提出總體要求;第2部分刀片電源標準,為安裝在室外的AAU進行供電的電源產品標準,主要針對目前國內幾大運營企業均有大麵積采購且幾十家生產企業在推動的刀片電源產品提供相關標準支撐,做到產品質量保障工作有據可依;第3部分一體化機櫃標準,針對電源設備和電池集成安裝在同一個櫃內的一體化機櫃製定相關標準,該機櫃為5G設備提供安裝空間和不間斷電源,同時將市電、新能源、存量電源等多路能源整合到一套係統內,能夠實現多能源輸入智能調度,優先利用新能源且在輸出配電方麵,實現多電壓等級智能輸出;第4部分機架溫控係統,主要針對基站機房內高熱密度場景下機架式製冷方案,以風冷為主,製冷設備安裝在機架的底部或側麵。總體來看,5G能源國內標準化工作主要針對5G網絡中產生的新興產品入手,製定該係列標準。

    筆者結合牽頭研究編寫國內國際相關標準和研究課題經曆,以及標準化工作中的討論情況,在重點解析ITU-T L.1210-2019《5G網絡可持續供電方案》國際標準的基礎上,詳細介紹了國內行業標準立項和布局情況,給行業內各研究人員、設計技術人員、研發技術人員和運營維護人員提供參考。

    [1] Shuguang Qi, Xin Gong, Shang Li. Study on power feeding system for 5G network[C]. Itay, International Communications Energy Conference (INTELEC), 2018:1-5.

    [3] 齊曙光. 通信機房新型供電模式可靠性與節能性分析[J]. 現代電信科技, 2012,42(10):6-11.

    齊曙光:中國信息通信研究院泰爾係統實驗室能源與環境部副主任,高級工程師;國際電信聯盟第五研究組副主席/亞太區域主席,國際電工委員會SC22H中國專家,CCSA TC4 WG1組長。

    齊曙光. 5G網絡能源國際標準解析及國內標準化概況[J]. 信息通信技術與政策, 2020(4):54-59.

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