CRAN機房機柜熱管理分析

高東健

（吉林吉大通信設(shè)計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

科學(xué)研究結(jié)果表明，目前5G承載網(wǎng)絡(luò)采用的5G BBU功耗相當(dāng)大，可達到4G BBU的3倍以上，整體BBU功耗最高達到24 kW。因此，解決5G承載網(wǎng)絡(luò)背景下的CRAN機房機柜散熱問題成為關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法中采用多個機柜解決這一散熱問題，但問題在于多機柜帶來的高成本企業(yè)難以承受。一般5G BBU僅僅集中于1～2個機柜，因此研究其高效散熱理論與應(yīng)用實踐成為重中之重。目前來看，采用仿真技術(shù)CFD配合數(shù)據(jù)中心微模塊技術(shù)是可行的。

1 CRAN機房布局簡述

1.1 CRAN機房布局

CRAN組網(wǎng)模式不同于傳統(tǒng)DRAN分布式接入模式，所以它的機房布局更加復(fù)雜，對技術(shù)要求更苛刻，也存在較為明顯的散熱熱管理問題。究其原因，在CRAN機房側(cè)集中布局了大量BBU和射頻單元模塊。為了保證散熱到位，它們均采用拉遠模式進行設(shè)置，因此機房布局整體上對光纖資源的應(yīng)用要求非常高。

具體來講，在CRAN機房中會接入大量骨干光纜，骨干光纜主要銜接主干層和配線層，配合配線光纜預(yù)留多個光纜芯，最終構(gòu)成一套完整的有線接入網(wǎng)絡(luò)。它直接面向CRAN機房構(gòu)建新的無線機制，同時實現(xiàn)了OLT下沉、新增MEC的需求。一般來說，在骨干接入光纜方面會配置144芯有效滿足業(yè)務(wù)需求，同時考慮到后期擴容需求，可適當(dāng)將光纜芯數(shù)量直接放大2倍到288芯，同時配線光纜方面采用最多96芯光纜。針對CRAN機房還要設(shè)計專門的前傳拉遠機制，5G前傳目前公認的接口類型有CPRI接口和eCPRI接口兩種，保證接口速率分別在100GE和25GE左右?；谶@兩種接口速率還能進一步提出兩種CRAN機房設(shè)計解決方案，即光纖直驅(qū)和無源WDM+采光直驅(qū)方案。因為在CRAN機房設(shè)計模式下采用獨立的BBU配合DU可直接收斂最多20個AAU，而在光纖直驅(qū)方案引導(dǎo)下則會消耗大量光纖資源，確保BBU/DU側(cè)光纖管理要求到位，打破了傳統(tǒng)中光纜資源出口管道瓶頸問題，提高了CRAN機房的整體建設(shè)效率。在20個AAU側(cè)還專門配置了光合分波器OMD，該分波器同樣具有較長波長和較大功耗，特別是前傳光纖資源消耗方面。

綜上所述，CRAN機房資源功耗大。在對資源的集中化處理方面，CRAN機房采用協(xié)作式無線電結(jié)構(gòu)與實時云計算構(gòu)架。目前，為了迎合國家綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略，CRAN機房還引入了綠色無線接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，最大限度地減少基站機房數(shù)量并降低能耗。它采用智能協(xié)作化虛擬技術(shù)，為資源共享與動態(tài)調(diào)度提供了有價值的技術(shù)參考。在設(shè)計布局CRAN機房過程中，需要主動提高頻譜效率，追求高帶寬、高靈活與低成本，以優(yōu)化CRAN機房運營機制，保證從更多方面合理規(guī)劃機房能耗、建設(shè)運維成本與頻譜資源，為企業(yè)未來業(yè)務(wù)與利潤增長創(chuàng)造有利條件。

1.2 CRAN基站建設(shè)

與傳統(tǒng)DRAN機房基站模式建設(shè)手段、內(nèi)容都不同，要明確CRAN基站模式建設(shè)。例如，在相同物理地點建設(shè)基站過程中，需要結(jié)合CRAN機房中的RRU優(yōu)化光纖建設(shè)機制，構(gòu)建全新的RRU光纖拉遠方式，在不同建筑物上分別建設(shè)不同發(fā)射點，然后進行網(wǎng)絡(luò)運維數(shù)據(jù)測算。在該過程中可最多收斂8個機房的BBU內(nèi)容，有效控制CRAN初期投入運維成本，約在第5年后可保證CRAN機房的成本控制能力在DRAN機房的成本控制能力之上[1]。

2 CRAN機房布局中的CFD仿真技術(shù)應(yīng)用與散熱理論分析

在CRAN機房設(shè)計布局中采用CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真技術(shù)，被稱之為“計算流體動力研究”，其中結(jié)合了大量數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機數(shù)學(xué)知識內(nèi)容。在CFD仿真計算過程中，它主要模擬機房IT設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等展開技術(shù)運行過程，模擬建筑氣流場、溫度場優(yōu)化機房布局效果，同時驗證機房中的空氣氣流與散熱組織狀況。簡言之，它利用CFD仿真技術(shù)構(gòu)建機房中的氣流組織圖形內(nèi)容，深度模擬機柜發(fā)熱狀況，并對機柜的整體運維安全性進行有效分析[2]。

基于CFD仿真技術(shù)，需要對CRAN機房機柜的散熱理論進行模擬分析。假設(shè)如果存在一個CRAN機房共集成了4G BBU和5G BBU各5個，5G BBU的實際功耗為1.5 kW，4G BBU的實際功耗為0.5 kW。如果在機房布局過程中不采用任何散熱保護措施，僅僅采用兩種BBU的累積迭壓，則可能無法達到合理的有效散熱效果。以CRAN機房中的10 kW機柜為例，它在不進行任何處理狀態(tài)下必須建立規(guī)范風(fēng)道引流與阻斷裝置。可考慮在下層設(shè)備熱量不斷向上升騰累積過程中隔離機柜中的冷熱通道，對機柜中環(huán)境進行仿真模擬。如果機柜設(shè)備出風(fēng)區(qū)溫度超過70 ℃，則會直接影響設(shè)備的安全運行狀態(tài)，甚至可能由于溫度過高導(dǎo)致出現(xiàn)宕機問題。此外，長期高溫狀態(tài)運行會加速設(shè)備系統(tǒng)老化，引發(fā)火災(zāi)等重大安全事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失。

結(jié)合仿真結(jié)果初步判斷，CRAN機房機柜中導(dǎo)風(fēng)部件存在冷熱區(qū)域隔離不到位問題。必須解決這一問題，才能滿足機柜安全使用溫度要求。如果采用單獨的風(fēng)道引流裝置，再模擬安裝導(dǎo)風(fēng)部件可初步判斷仿真結(jié)果，確保導(dǎo)風(fēng)部件設(shè)計合理有效，同時必須結(jié)合CRAN機房機柜的實際散熱應(yīng)用實踐展開分析[3]。

3 CRAN機房機柜的散熱實踐應(yīng)用分析

結(jié)合上述CFD理論進行分析判讀，確保設(shè)備安裝中保留導(dǎo)熱部件，并合理阻斷冷熱通道，進而有效改善機柜熱環(huán)境，同時確保在設(shè)備正常安全溫度下運行機柜。為了有效驗證理論仿真成果，需要選擇一個機柜站點進行深度測試，新建BBU集中模式，保證基站設(shè)備正常開啟。在負荷相同的狀況下，對比安裝導(dǎo)風(fēng)部件與未安裝導(dǎo)風(fēng)部件的實際效果，并對設(shè)備周邊環(huán)境溫度情況進行監(jiān)測處理。實際測試結(jié)果顯示，在導(dǎo)風(fēng)裝置安裝前，需要將平均環(huán)境溫度控制在55～65 ℃，并合理均衡個別出風(fēng)口溫度。正常安裝導(dǎo)風(fēng)裝置后，可將溫度調(diào)整下降到45 ℃左右，且避免同時記錄同一記錄點溫度變化狀況。一般來說，機柜中的導(dǎo)風(fēng)裝置可起到較強的引風(fēng)引流效果，合理規(guī)避冷熱氣流混合狀況，同時降低機柜設(shè)備溫升溫度。簡言之，如果在45 ℃的設(shè)備環(huán)境中，必須規(guī)避機柜溫升過高這一問題，才能確保機柜后續(xù)布局設(shè)計完善到位。另外，有必要在機柜出風(fēng)口位置設(shè)計安裝一套散流風(fēng)扇，有效降低CRAN機柜的周邊平均環(huán)境溫度，以求達到最佳環(huán)境溫度水平，為機柜長久持續(xù)穩(wěn)定運行創(chuàng)造有利的空間條件。

在CRAN機房機柜散熱設(shè)計布局過程中，必須考慮到它的光纖消耗巨大問題。一般來說，以6站18載波CRAN機房建設(shè)為例，采用傳統(tǒng)的光纖直驅(qū)模式需要18芯光纖，而采用光源WDM+彩光直驅(qū)新模式，同樣為6站，但是載波數(shù)量上升3倍達到54載波，且只需要6芯光纖，顯然后者成本更低，能夠?qū)崿F(xiàn)一機房拖載6個AAU。它的部署難度更低，主要依靠傳輸設(shè)備進行擴容，同時搭載了無線設(shè)備CPRI管理功能，整體散熱效果更佳?；谏鲜鲆c，可建立CRAN機房的理想散熱模式，提升散熱效率，保證機房健康運行，降低故障率和老化率。

基于光源WDM+彩光直驅(qū)新模式建立CRAN機房理想模式，其中需安裝大量導(dǎo)流部件，確保CRAN機房機柜散熱部分均衡優(yōu)化。但是，如此操作僅僅能解決一部分問題，不能解決所有問題。實踐結(jié)果表明，如此操作僅適用于空調(diào)狀態(tài)良好、整體制冷量充足的某些基站場合，而并不適用于對某些功耗較高且設(shè)備制冷要求較高的CRAN機房。為了有效降低BBU基站整體能耗，還需要結(jié)合5G承載網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)進度控制系統(tǒng)，做到對線上CRAN基站的快速設(shè)備與技術(shù)部署，解決CRAN機房機柜中制冷設(shè)備與數(shù)據(jù)中心的高功耗問題。這里可借鑒基站微型模塊，以解決CRAN機房機柜熱管理問題。

設(shè)計布局CRAN機房機柜的過程中可設(shè)計加入微模塊，將電源、柜內(nèi)空調(diào)以及機柜等融為一體，形成一體化設(shè)備體系，充分考慮到空調(diào)精確制冷模式的應(yīng)用優(yōu)勢，最大限度地發(fā)揮CRAN機房機柜中微模塊的強制冷能力和高能效，如圖1所示[4]。

圖1 CRAN機房機柜中的微模塊設(shè)計概念圖

考慮到微模塊中的電源、空調(diào)、機柜已經(jīng)構(gòu)建了三位一體集成體系，因此設(shè)計對最大限度地節(jié)省基站開通時間是有利的，可有效規(guī)避單機柜體熱量過高問題。具體來講，它主要結(jié)合CFD仿真技術(shù)仿真模擬機柜中的空調(diào)，全方位提升其制冷效果，做到具體問題具體分析，具體問題具體解決。如果設(shè)計合理，可保證一臺機柜中同時布局4G BBU和5G BBU各5臺，滿足高功耗設(shè)備制冷到位地的需求[5]。

4 結(jié) 論

目前，各國都迎來了5G承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)布局重大任務(wù)，而基于5G承載網(wǎng)絡(luò)CRAN機房建設(shè)可最大限度降低網(wǎng)絡(luò)運營功耗，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率，為網(wǎng)絡(luò)運營商節(jié)約大量功耗成本。文中基于5G承載網(wǎng)絡(luò)建立了5G CRAN機房，并對其機房中的機柜BBU集中散熱問題進行了研究分析，希望基于新技術(shù)、新設(shè)備優(yōu)化機柜內(nèi)部倒流裝置，保證基站空調(diào)制冷量充足的情形下有效降低設(shè)備周邊環(huán)境溫度，減少熱量集聚為設(shè)備帶來的危害問題，結(jié)合基站微模塊建設(shè)，實現(xiàn)節(jié)能減排發(fā)展目標，為CRAN機房機柜長久健康穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。