智能機柜在5G BBU集中部署的應(yīng)用研究

李云蛟

（維諦技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

面對網(wǎng)絡(luò)通信的快速發(fā)展，5G正在打破傳統(tǒng)的通信方式，衍生出更加開放、融合、創(chuàng)新的通信架構(gòu)。5G的大帶寬、高速率、低延遲為下游垂直行業(yè)提供了豐富的、可實現(xiàn)的、可持續(xù)的應(yīng)用場景，為基于5G網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新應(yīng)用提供了無限可能?，F(xiàn)階段，5G已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建設(shè)的重中之重，并逐漸向著高效、快速、精簡運維的方向快速發(fā)展，對傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)基建提出了更高的建設(shè)需求和挑戰(zhàn)。其中，C-RAN已經(jīng)成為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的首要組網(wǎng)模式。

1 5G C-RAN組網(wǎng)的優(yōu)勢

1.1 C-RAN的定義

C-RAN（Centralized，Cooperative，Cloud and clean RAN）的基本定義是：基于分布式拉遠基站，云接入網(wǎng)C-RAN集中所有或部分的基帶處理資源形成一個基帶資源池，并對其進行統(tǒng)一管理與動態(tài)分配，在提升資源利用率、降低能耗的同時，通過對協(xié)作化技術(shù)的有效支持提升網(wǎng)絡(luò)性能。BBU C-RAN組網(wǎng)演進，如圖1所示。

1.2 C-RAN的主要特點

C-RAN組網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要技術(shù)手段，其集中化、協(xié)作化、云化和綠色節(jié)能的4大特征[1]，正是5G網(wǎng)絡(luò)未來多元化垂直應(yīng)用的關(guān)鍵保障。

1.2.1 集中部署

5G C-RAN采用BBU集中放置的概念，實現(xiàn)物理層處理的集中，對降低站址選取難度、減少機房數(shù)量、共享配套設(shè)備（如電源、電池、空調(diào)）等具有顯而易見的優(yōu)勢。根據(jù)相適應(yīng)的應(yīng)用場景，它還可以有選擇地進行小規(guī)模集中或者大規(guī)模集中。

1.2.2 協(xié)作能力

可引入CoMP、D-MIMO等物理層技術(shù)，實現(xiàn)多小區(qū)、多數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點間的聯(lián)合發(fā)送和聯(lián)合接收，提升小區(qū)邊緣頻譜效率和小區(qū)的平均吞吐量。同時，引入5G空口后，可實現(xiàn)多連接、無縫移動性管理、頻譜資源高效協(xié)調(diào)等協(xié)作化能力。

1.2.3 無線云化

實現(xiàn)資源與應(yīng)用的解耦，系統(tǒng)可以根據(jù)實際業(yè)務(wù)負載、用戶分布、業(yè)務(wù)需求等實際情況，動態(tài)實時調(diào)整處理資源和空口資源，實現(xiàn)按需投入無線網(wǎng)絡(luò)資源，提高新業(yè)務(wù)的快速部署能力。

1.2.4 綠色節(jié)能

利用集中化、協(xié)作化、無線云化等能力，可以減少運營商對無線接入機房的依賴，降低配套設(shè)備和機房建設(shè)的成本和綜合能耗；可實現(xiàn)按需無線覆蓋調(diào)整和處理資源調(diào)整，在優(yōu)化無線資源利用率的條件下，提升全系統(tǒng)的整體效能比。

圖1 BBU C-RAN組網(wǎng)演進

1.3 C-RAN BBU集中部署的優(yōu)勢

首先，通過集中部署和協(xié)作化技術(shù)，可以滿足5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的快速建設(shè)，并在資源共享、協(xié)作能力、無線云化和綠色節(jié)能方面具有突出優(yōu)勢。其次，有利于降低基站選址難度，提高組網(wǎng)靈活性，有利于引入CoMP（協(xié)作多點）等協(xié)作化技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)性能，有利于MEC（移動邊緣計算）等技術(shù)的部署。最后，C-RAN采用BBU集中匯聚可以有效降低5G基站新建和改造成本，達到快速建站、精簡運維的目的。分布式建設(shè)和集中式（C-RAN）建設(shè)TCO對比，如圖2所示。

圖2 分布式建設(shè)和集中式（C-RAN）建設(shè)TCO對比

如圖3所示，BBU集中化部署通過將各個站點的BBU集中堆疊，利用高速低時延交換設(shè)備互聯(lián)，BBU簇內(nèi)資源統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理、站間干擾協(xié)同處理，可有效降低密集小區(qū)間干擾，大幅提升小區(qū)邊緣速率，達到低干擾、高速率、大帶寬和低時延的目標(biāo)。這是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)保障，同時大幅降低了運營成本。

圖3 BBU集中部署示意圖

2 傳統(tǒng)通信機房建設(shè)C-RAN的挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)相比發(fā)生了巨大變化，基站數(shù)量大幅增加，對機房空間、機房能耗、環(huán)境治理、新建和改造成本帶來了巨大的資本投入壓力，如圖4所示。

空間不夠，需要更加精細化的資產(chǎn)管理，以合理調(diào)配空間資源，明確5G核心設(shè)備BBU的部署方案?？紤]5G信號覆蓋范圍，BBU集中部署為首選方案，以實現(xiàn)機房資源的共建共享。

供電、制冷也帶來了巨大挑戰(zhàn)。對比傳統(tǒng)4G基站，5G設(shè)備功耗進一步加大，單站功耗預(yù)計達到4G的3～4倍（如圖5所示），以往的供電容量設(shè)計已經(jīng)不滿足5G的供備電需求，固有機房的市電引入容量和電源容量、配電容量、電池容量均需要大規(guī)模改造，成本高，周期長。此外，高功耗設(shè)備還要考慮機房散熱問題，需要更加節(jié)能的機房專用精密空調(diào)，以保障機房長期穩(wěn)定運行的環(huán)境需求。

圖4 C-RAN建設(shè)的挑戰(zhàn)

圖5 4G與5G基站設(shè)備功耗對比

3 智能機柜應(yīng)用分析

3.1 智能機柜概述

智能機柜為滿足5G C-RAN組網(wǎng)BBU匯聚的安全可靠運行提供的完整的、對外隔離的、具有獨立的供電、配電、備電、環(huán)境制冷和動環(huán)管理系統(tǒng)的智能化一體式機柜系統(tǒng)，演變過程如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)機房向智能機柜演變

理想的智能機柜可以滿足高功耗5G BBU的集中匯聚，可有效解決由此帶來的高密熱點引起的基站宕機問題。同時，機柜內(nèi)外應(yīng)完全隔離，為BBU等設(shè)備運行提供穩(wěn)定可靠的運行環(huán)境，提升整個5G網(wǎng)絡(luò)接入?yún)R聚層的可靠性。機柜本身具有極簡的運維界面，是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)節(jié)能降耗的重要技術(shù)應(yīng)用方案。同時，可兼容更多類型機房設(shè)備，是5G及未來機房建設(shè)的發(fā)展方向。傳統(tǒng)機房和智能機柜的建設(shè)、運維對比，如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)機房和智能機柜的建設(shè)、運維對比

3.2 智能機柜的特點分析

3.2.1 高度集成

集成供配電、空調(diào)制冷、電池備電、動環(huán)管理等，真正實現(xiàn)機柜即機房，如圖8所示。獨立的內(nèi)外隔離設(shè)計，全面支持通信設(shè)備的集中匯聚。

圖8 智能機柜的集成設(shè)計

3.2.2 內(nèi)置電源系統(tǒng)注重高效節(jié)能

5G大規(guī)模的基站建設(shè)對于未來的基站節(jié)能也會提出要求，智能機柜集成的電源系統(tǒng)應(yīng)考慮采用高效電源系統(tǒng)?；谀壳暗碾娫醇夹g(shù)，ECO效率要大于96%以上，并具有智能節(jié)能休眠技術(shù)，同時應(yīng)考慮引入超高效率整流模塊實現(xiàn)極致節(jié)能，實現(xiàn)系統(tǒng)的超低能耗。通信電源休眠節(jié)能對比和高效節(jié)能對比，如圖9所示。

3.2.3 注重精密定向制冷，按需制冷

智能機柜采用全封閉內(nèi)外隔離設(shè)計，冷熱解耦。如圖10所示，內(nèi)置的精密空調(diào)可以實現(xiàn)按冷量定向制冷，同時可以實現(xiàn)按需制冷，達到空調(diào)節(jié)能的目的。就近送風(fēng)是解決BBU匯聚產(chǎn)生高密熱點的最有效的溫控方案。

圖9 通信電源休眠節(jié)能對比和高效節(jié)能對比

圖10 空調(diào)就近定向按需制冷

3.2.4 供電架構(gòu)更加豐富，兼容改造和新建機房

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)70%以上將基于現(xiàn)網(wǎng)機房升級改造，電源改造和利舊將不可避免。所以，智能機柜應(yīng)可以同時兼容多種供電解決方案，是5G機房供電方案的重點評估對象。它不限于-48 V直流供電，兼容支持HVDC、新能源、交流、儲能等多種供電方案，才能適應(yīng)機房供電對5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)承載需求。具體可主要歸納為以下4種供電方案：嵌入式電源一體化供電、組合式電源并柜供電、HVDC并柜供電和HVDC全鏈路高壓直流供電，分別如圖11～圖14所示。

圖11 嵌入式電源一體化供電

圖12 組合式電源并柜供電

圖13 HVD并柜供電

圖14 HVDC全鏈路高壓直流供電

3.2.5 集成智能監(jiān)控管理系統(tǒng)

智能機柜為一套完全獨立的模塊化機房，內(nèi)部集成智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以提供全方位機房環(huán)境管理和系統(tǒng)運行管理，實現(xiàn)機房無人值守，精簡運維。智能機柜監(jiān)控方案如圖15所示。

圖15 智能機柜監(jiān)控方案

3.2.6 機柜模塊化設(shè)計，更加節(jié)省占地資源

5G基站數(shù)量預(yù)計將是4G基站數(shù)量的1.5倍。因此，節(jié)地、縮減基站選址成本，提升機房利用率是必然的建設(shè)措施。目前，智能機柜單柜占地為0.8 m2，雙柜占地1.6 m2（如圖16所示），可以容納5～15個基站BBU匯聚，可以大大降低5G機房的選址難度，有效降低5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提升運維管理效率。

圖16 智能機柜占地面積

4 結(jié) 論

綜上所述，2020年5G建設(shè)步入快車道。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面向接入層的匯聚機房，采用C-RAN組網(wǎng)是當(dāng)下解決5G基站數(shù)量增長、功耗增加、面向垂直應(yīng)用協(xié)同資源處理最行之有效的組網(wǎng)方式。BBU集中部署需要智能機柜提供完整的一體化解決方案，滿足當(dāng)下5G組網(wǎng)的快速部署和精簡運維需求，是5G C-RAN BBU集中部署和通信機房建設(shè)的優(yōu)選方案。