目前,，4G電源成本約占行動(dòng)營(yíng)運(yùn)商營(yíng)運(yùn)成本的5~6%,，而5G NR所需要的電源至少是4G的兩倍，再考慮到當(dāng)前能源成本的增加,，營(yíng)運(yùn)支出成本將會(huì)大幅上升,。

　　5G新無(wú)線電(5G NR)不是現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施的簡(jiǎn)單升級(jí),，而是從根本上有很大不同。透過(guò)采用多用戶MIMO,、整合接入和回程,，以及頻率高達(dá)71GHz的毫米波(mmWave)波束成形，5G NR能夠提供超高水平的連接性,、高達(dá)數(shù)Gb的速率和僅約1毫秒的超低延遲,。

　　不出所料的話，5G NR市場(chǎng)將出現(xiàn)非?？焖俚某砷L(zhǎng),，因?yàn)槭褂谜咝枰@一最新技術(shù),。研究公司ResearchAndMarkets預(yù)估，從2021年到2026年,，5G基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)將高達(dá)55%,，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1,154億美元。

　　這種成長(zhǎng)的背后意味著需要大量小型基地臺(tái)(small cell),，來(lái)提供5G NR所用的高頻率所必需的視距覆蓋,，這就需要改變蜂巢基地臺(tái)架構(gòu)，并降低整體尺寸和重量,。蜂巢單元將會(huì)隨處可見(jiàn),，包括街道燈桿和建筑上面，幾乎可以是有一定高度和可用電源的任何地方,。電源是5G面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一,，目前，據(jù)MTN咨詢公司稱,，4G電源成本約占行動(dòng)營(yíng)運(yùn)商營(yíng)運(yùn)成本的5~6%,。而5G NR所需要的電源至少是4G的兩倍，再考慮到當(dāng)前能源成本的增加,，營(yíng)運(yùn)支出成本將會(huì)大幅上升,。

圖1：5G小型基地臺(tái)示意圖。

　　5G電源挑戰(zhàn)

　　5G與之前的2G,、3G和4G的區(qū)別在于內(nèi)部基地臺(tái)架構(gòu),。在早期的系統(tǒng)中，功率放大器(PA)和電源單元(PSU)是完全分開(kāi)的,，有自己的熱管理系統(tǒng),，通常是散熱器。而在5G NR中,，PSU很可能會(huì)與遠(yuǎn)程無(wú)線單元(RRU)一起被整合到gNodeB中,，形成一個(gè)主動(dòng)天線元(AAU)，并將只有一個(gè)散熱器,。

圖2：5G和上一代基地臺(tái)內(nèi)部架構(gòu)之間的差異,。(來(lái)源：IEEE)

　　架構(gòu)的變化本身就為電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)，再加上空間小,、溫度高,、密封環(huán)境，以及要求重量更輕等問(wèn)題,，為5G AC/DC電源解決方案增加了更多復(fù)雜性,。PA的效率通常低于PSU，這更進(jìn)一步加劇了這種情況,，因?yàn)檫@會(huì)提高共享散熱器的溫度,，使PSU工作溫度從大約85℃提高到接近100℃,。溫度的提高將影響可靠性，因?yàn)檫^(guò)熱是導(dǎo)致組件故障的主要因素,。

　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,，組件溫度每升高10℃，PSU的MTBF就會(huì)減半,，由此可以看出,，整合會(huì)使PSU壽命縮短50~75%。這一點(diǎn)很重要,，由于部署的數(shù)量太大,，還有入網(wǎng)和更換難度及成本太高，因此行動(dòng)營(yíng)運(yùn)商正在尋求壽命可達(dá)到7~10年的PSU,。

　　訊號(hào)完整性是5G等任何無(wú)線系統(tǒng)的基本要求,。然而，為建構(gòu)AAU而整合PSU和RRU,，增加了訊號(hào)干擾的可能性,，這將降低系統(tǒng)性能。干擾問(wèn)題是雙重的,，首先,，開(kāi)關(guān)PSU會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，必須嚴(yán)格限制這些干擾,，以確保它們不會(huì)干擾PA和/或RRU,。PSU還必須有足夠的屏蔽性能，以確保其工作免于5G無(wú)線訊號(hào)的干擾,。

　　當(dāng)多個(gè)訊號(hào)透過(guò)不同材料的各種接頭時(shí)(包括電纜連接松動(dòng),、導(dǎo)體表面受污染、雙工器性能變差或天線老化),，被動(dòng)互調(diào)也是一個(gè)問(wèn)題,。此時(shí)會(huì)透過(guò)混頻產(chǎn)生同一頻段內(nèi)的和差訊號(hào)，從而引起干擾,。在設(shè)計(jì)的各個(gè)方面都必須考慮到這一點(diǎn)，以確保它不會(huì)成為問(wèn)題,。

　　應(yīng)對(duì)電源挑戰(zhàn)

　　業(yè)界已經(jīng)采取了各種方法來(lái)降低5G NR蜂巢單元的功耗,。一種方法是用耗電較少的8T8R或32T32R天線替換64T64R MIMO天線。雖然這確實(shí)降低了功耗,，但也導(dǎo)致性能上的折衷,，而且在許多情況下，額外的PA實(shí)際上也會(huì)增加功耗需求,。

　　圖3：5G應(yīng)用中需要的PSU散熱,。

　　許多人認(rèn)為脈沖電源是一種有潛力的解決方案,。由于5G基地臺(tái)能夠分析流量負(fù)載，因此當(dāng)流量較小時(shí),，它可以進(jìn)入“睡眠模式”,。這是相對(duì)于4G的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，4G是“永遠(yuǎn)開(kāi)啟”(always on),，不斷發(fā)送基準(zhǔn)訊號(hào)來(lái)檢測(cè)用戶,。然而，即使在睡眠模式下,，基本功能也必須保持運(yùn)作,，不僅要保證像119這類(lèi)的緊急呼叫，還要確保對(duì)時(shí)間敏感的物聯(lián)網(wǎng)流量不會(huì)中斷,。

　　在應(yīng)對(duì)一些挑戰(zhàn)時(shí),，底層半導(dǎo)體技術(shù)扮演著重要的角色。事實(shí)上,，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)根本性變革,，以滿足汽車(chē)、可再生能源和5G等眾多應(yīng)用的快速變化需求,。這些應(yīng)用要求在惡劣環(huán)境和高溫下具有更高的性能,、效率和可靠性。

　　幾十年來(lái),，硅一直是半導(dǎo)體組件的支柱,。然而，在最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中,，這種材料正被新的寬能隙(WBG)材料所取代,，包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，其更高的電子遷移率為具有挑戰(zhàn)性的電源應(yīng)用環(huán)境帶來(lái)了許多顯著的優(yōu)勢(shì),。

圖4：WBG組件在高性能和高效率應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì),。

　　與硅組件相比，WBG組件的靜態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗較低,，從而提高了效率,，并允許工作頻率更高，進(jìn)而使得被動(dòng)組件更小,、更具成本效益,。這也有助于減輕重量，這是5G毫米波天線的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素,，因?yàn)檫@些天線通常需要安裝在桿子上,，以達(dá)到避開(kāi)障礙物所需的高度。如果天線重量降低，則天線桿的設(shè)計(jì)和安裝會(huì)更簡(jiǎn)單,、更靈活且更便宜,。

　　此外，WBG組件可以在高溫下工作,，這增加了可靠性,。最后，SiC和GaN產(chǎn)生的EMI也較少,，這意味著需要更少的濾波和屏蔽,，這在5G系統(tǒng)中也非常有用。

　　5G代表了蜂巢技術(shù)的重大變革,，更高的頻率導(dǎo)致基地臺(tái)的位置更近,，需要部署更多的蜂巢單元。雖然這些變革將提供一個(gè)穩(wěn)定的,、高性能的通訊解決方案,，能夠提供比以往任何時(shí)候都更高的吞吐率和更低的延遲，但它們也帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn),，尤其是在電源方面,。根據(jù)蜂巢單元和具體設(shè)計(jì)要求，5G RAN部署的AC/DC電源要求從幾百瓦到數(shù)千瓦不等,。

　　低功率應(yīng)用中使用的PSU通常嵌入在天線單元中,，并依靠天線進(jìn)行散熱，并密封外殼進(jìn)行IP保護(hù),。對(duì)于更高功率的應(yīng)用,，例如為基頻單元供電、為無(wú)線單元供電,，以及為現(xiàn)場(chǎng)備用電池單元充電,，通常使用額定功率更高的戶外型PSU電源，每個(gè)PSU都安裝在防護(hù)等級(jí)為IP65的外殼內(nèi),。這些PSU可以并聯(lián)使用,，以提供更高的輸出功率，協(xié)助用戶配置緊湊型大容量電源系統(tǒng),，為許多5G應(yīng)用提供非常高的輸出能力,。

　　對(duì)網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)成本的控制而言，最大限度地提高效率至關(guān)重要,，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)消耗的能源至少是其前身的兩倍,，同時(shí)確保網(wǎng)絡(luò)在溫度更高、冷卻條件更差的情況下也能可靠運(yùn)作,。基本結(jié)構(gòu)改變可能有助于解決電源挑戰(zhàn)，但改變結(jié)構(gòu)會(huì)增加干擾的可能性,，從而降低網(wǎng)絡(luò)性能,。

　　解決方式是在透過(guò)脈沖功率實(shí)現(xiàn)智能操作，并實(shí)施包括WBG在內(nèi)的新半導(dǎo)體技術(shù),，從而開(kāi)發(fā)出更堅(jiān)固,、高效和緊湊的電源技術(shù)。

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