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中国铁塔和华为联合创新:5G Power为站点供电提出新思路

中国铁塔与华为5G Power方案联合创新项目,为5G站点的供电模式提供了新思路,是双方联合推进5G电源产业成熟进程中取得的关键性进展。5G Power解决方案基于智能削峰、智能升压、智能储能等创新技术,可实现站点在向5G演进的过程中“不改市电、不动线缆、不增机柜”。

5G Power解决方案最初为了应对5G部署对能源的挑战,提升运营商的投资效率,未来5G能源解决方案需满足极简部署、快速建设、高效节能和平滑演进的需求。

中国铁塔公司及浙江省铁塔公司与华为于2018年11月成立创新项目组,经过联合验证,5G Power解决方案试点降低单个站点改造成本超过12500元,预计每年节电4130度,减少1125千克碳排放。同时,该创新项目将有助于建设5G时代的可持续的基础设施,加强应对气候变化的能力,对联合国可持续发展目标做出贡献,2019年荣获国际电信联盟(ITU)可持续发展大奖。

01

5G网络建设加快,节能减排面临重大挑战

中国铁塔是全球领先的铁塔运营商,主要从事通信铁塔等基站配套设施、高铁地铁公网覆盖、大型室内分布系统的建设、维护和运营。截至2019年6月,中国铁塔站址总数达195.4万个,资产规模为3153.6亿元。中国铁塔秉承“凡有人烟处,皆有通信塔”理念,建立起灵活高效的体制机制、全面加强和推进商业模式创新、技术业务创新和管理创新。

5G时代已来。2019年6月6日,工信部正式发放5G牌照,运营商加快5G规模建设,预计年底,全国开通5G基站超过13万个。浙江省杭州市力争打造中国5G第一城,已实现5G网络连片覆盖。

5G建设在组网模式、产品形态、性能参数方面均较以前4G网络有明显不同,比如5G设备功耗对比4G设备功耗增加2~4倍,对站点基础设施建设带来空前挑战,需要进行系统性的研究,并开创创新的5G能源解决方案,来应对5G带来的能源挑战。

5G时代是全移动和全连接的智慧时代,人与人、人与物、物与物都需要进行联接和通信,2025年全球连接数量将会超过1000亿。5G的场景及业务需求更加多样化。3GPP定义的5G三大场景:

①eMBB: Enhanced Mobile Broadband, 10Gbps

②uRRLC: Ultra Reliable and Low Latency Communications, 1ms

③mMTC: Massive Machine Type Communications, 1million/km²

从4G演进到5G,单位流量的功耗(Watt/Bit)大幅降低,但5G功耗相比4G大幅增长。预计在5G时代,64T64R AAU最大功耗将会达到1000~1400W,BBU最大功耗将达到2000W。

中国铁塔和华为联合创新:5G Power为站点供电提出新思路

5G单站典型最大功耗

5G时代,一站多频将是典型配置。预测5个频段以上站点占比将从2016年3%增加到2023年45%。一站多频将导致整个站点最大功耗超过10kW,10个或10个以上频段的站点功耗超过20kW,多运营商共享场景下,功耗还将翻倍。

中国铁塔和华为联合创新:5G Power为站点供电提出新思路

5G站点频段占比演进变化示意图

这一变化对现有网络的站点基础设施带来大量改造要求:市电容量不足、电源电池容量不足、机柜散热不足、配电不足等,需要浪费大量的社会资源和站点资源。其次,在5G大功率AAU拉远供电场景中,线缆损耗过大会导致压降过大,甚至部分远端电压低于设备工作电压,导致AAU无法工作。

根据中国站点调研及站点工勘,涉及市电改造站点比例超过30%,单站市电扩容费用平均2万元,中国目前物理站点数量约250万个,故中国仅市电扩容改造费用就高达150亿元。现阶段,全球发电主要依靠于火力发电,全年火力发电量在全国发电量中的占比,日本与印度为80%,中国73%,美国为62%。5G网络功耗增长激发能耗的增长,以中国网络耗电年总量超过500亿度电为例,5G网络到来后,预计中国网络耗电将超过1000亿度,造成年272亿千克碳排放,节能减排面临重大挑战。

02

华为和中国铁塔合作,5G Power具备多维度智能特性

中国铁塔与华为在杭州部署的5G Power解决方案,可实现一站一柜,并结合智能削峰、智能升压、智能储能等多个维度的智能特性。

1、 一站一柜

5G Power解决方案采用全模块化设计,并通过先进的高密技术,相比传统电源可实现电源能量密度提升4倍,锂电能量密度提升1.7倍,实现单柜24kW整流、600Ah锂电及3.5kW制冷。这样可实现一站一柜支持2G/3G/4G/5G设备共部署供备电需求。且整流、配电和温控部件模块化按需配置,相同初始投资下具备5G演进能力,5G部署时CAPEX节省50%。而传统的方案则需要更多的机柜。

2、智能削峰

以杭州市合丰村站点为例,它的平均负载为1.4kW,峰值负载为2.7kW,交流限功率为1.6kW,当模拟加载5G业务时,负载峰值超过限功率点。5G Power提供的“智能削峰”创新技术,基于软件定义电源及智能储能的智能能源调度算法,在负载峰值时,智能锂电参与负载供电,实现站点削峰,降低市电按照典型功率配置容量。进而达成“不改市电”,单站降低改造成本超过12500元,减少5G演进的初始投资成本。

中国铁塔和华为联合创新:5G Power为站点供电提出新思路

5G Power智能削峰测试结果

3、智能升压

以杭州萧山站点为例,5G AAU与供电电源拉远距离大于50米场景,当模拟加载5G业务时,5G AAU上塔后因压降导致供电电压不足,站点供电安全不能保障,必须更换AAU供电线缆。且设备功耗增加后带来线损增加,浪费能源。

智能升压基于5G电源模块与智能锂电协同,可实现系统恒压供电功能,将原来只能提供48V升压在48V~57V,而不用更换AAU线缆。实际站点运行结果显示,直流输出电压达到56.9V,相比传统48V电源直流输出电压提升了8.9V。

智能升压不必进行线缆改造,且可避免不更换线缆下叠加5G站点掉站的罚款费用、线缆损耗增加的问题。智能升压可降低整站1%的能耗。

4、智能储能

5G Power支持智能锂电混合搭配的特性,实现新旧电池、不同容量电池、不同厂家电池、不同材质电池混搭,真正实现电池的按需配置,实现新旧电池均衡充放电,满足电池按需配置,降低电池建设成本。

03

5G Power解决方案,构建持续发展的绿色能源网

经过中国铁塔和华为的联合试点验证,5G Power解决方案可实现以“不改市电、不动线缆、不增机柜”的方式,高效地部署5G站点,帮助单个站点降低改造成本超过12500元,且单站每年节电4130度,减少1125千克碳排放。中国计划在2019年~2022年间新建或改造约200万个5G站点,预计中国铁塔约80万个站点将借助华为5G Power解决方案,每年将节省电力33亿度,降低900,000,000千克碳排放,实现5G时代绿色能源目标网。

5G Power解决方案主要体现在硬件与软件创新突破,整站协同,实现极简、智能与绿色方案,构建可持续发展的5G时代绿色能源目标网。

1、极简

5G电源容量最高可达24KW,高度只有4U(3U电源,1U塔商共享配电),能够充分利用存量站点和机柜空间进行收容。而传统嵌入式电源要达到同等容量高度一般在7到9U,很难利用原有机柜,需要新增机柜,增加站点资源压力。同时,5G电源为全模块化架构,以实现电源、储能、温控及配电模块化,按需演进,满足网络跨代。而传统电源不具备全链路的可演进性,如遇站点温控制冷能力不足的情况必须更换整个机柜,无法模块化扩容。

中国铁塔和华为联合创新:5G Power为站点供电提出新思路

5G Power叠加后站点图

2、智能

5G Power 具备众多智能特性,比如智能削峰、智能升压、智能储能等,通过智能特性实现市电免改造、电池按需配置、减小供电压降等降低站点改造成本和运维成本。传统电源只为站点提供电力供应,不具备上述智能特性,需要对站点进行大量改造以满足5G建设。

3、绿色

5G Power聚焦能效提升,可实现全链路高效,包括部件级、站点级、网络级、业务级,最终建成零比特、零瓦特的绿色高效节能目标网。传统电源,只能单一实现站点级高效,但是无法与业务功耗变化协同,当业务低谷时,无法实现电源休眠或者关断,能耗无法随着业务变化而变化,无法做到节能能力最大化。

5G Power的技术创新不仅有效降低了5G网络演进工程成本,提升能效约9%,而且当前5G Power的储能模块化扩容可以支撑中国铁塔的能源经营业务,针对电网的调频调峰服务可实现额外8%的收益。

中国铁塔和华为此次联合创新行动,对未来全球网络5G部署及网络演进具有极大的标杆性借鉴意义,可助力全球运营商节省站点改造投资和能源费用,站点节能减排,构建可持续发展的5G时代绿色能源目标网。

本文发表于《人民邮电报》 |  作者:陈东旭,中国铁塔高级工程师;叶万祥,华为通信能源技术总工程师

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