新一代通信綜合接入戶外平臺的研究和應用

陳旭東，李 衛，黃曉明（中國聯通廣東分公司，廣東 廣州510627）

0 前言

據工信部統計，2010年我國通信行業耗電量達到332億kWh，其中基站的耗電量已占62%。中國三大電信運營商的基站總數已經超過80萬個，隨著3G網絡的完善，未來幾年基站還將以20%左右的速度增加，基站節能成為運營商節能降耗和控制運營成本的重點。

當前，基站有2類：一類是傳統的機房基站，另一類是戶外機柜一體化基站。傳統基站能耗高、占地大、租建費用高、選址或續租難?，F有戶外一體化基站對環境的適應性差，安全性差，動力環境監控不完備，設備壽命縮短、能耗高。另外，機柜不統一，搬運安裝困難，無法規模化推廣應用。針對這些問題，本文首先探討溫控、電源、機柜設計和智能監控系統等與戶外機柜相關的技術，然后介紹集上述技術創新于一體的新一代通信綜合接入戶外平臺（下簡稱戶外平臺），最后簡述戶外平臺的實際應用效果。

1 戶外機柜溫控技術

1.1 分區溫控

戶外機柜溫度控制主要有直通風、熱交換、半導體或壓縮機空調制冷等方式（如圖1）。傳統戶外機柜一般采用單一的溫控方式，無法滿足電池等工作環境要求高的設備要求。初步統計，傳統戶外柜中的電池因溫度過高壽命縮短60%。

圖1 4種典型的分區溫控系統

分區溫控技術將戶外機柜分為設備倉、電池倉等，根據環境及設備功耗、設備工作溫度要求，將基站設備分區分倉安裝，不同設備采用不同溫控方式或幾種溫控手段相結合的方式，既滿足各種設備工作環境要求，同時有效降低溫控系統整體能耗。

1.2 空調、熱交換混合溫控

采用熱交換器和空調混合控溫，溫度高時空調工作，溫度低時熱交換器工作，空調、熱交換器一體化，互為備份。如圖2所示，機柜內循環的風路從上部吸入熱空氣，冷空氣從下部排出。外部循環中的空調循環部分，從下部吸入外界冷空氣，經過冷凝器后熱空氣從上部排出；外部循環中的熱交換循環部分，從右側吸入外界冷空氣，經過熱交換后熱空氣從前部排出。通過熱交換器散熱可以減少空調壓縮機的散熱負擔從而節能。

圖2 空調熱交換一體機原理

空調熱交換一體化混合溫控技術集成了空調、熱交換制冷技術，工作模式根據溫度自動倒換，空調和熱交換可單獨分別工作，需要大量散熱時可同時工作，交流掉電時熱交換器部分仍然可工作，既提高了溫控的可靠性，又節約能耗，散熱或制冷效果更佳。

模擬某地區春、夏、秋、冬4季24 h戶外環境溫度變化，空調熱交換一體化機柜和單純空調機柜內部放置同樣的模擬負載，并正常通電，測試一體機能耗，測試結果見表1。

表1 節能測試結果

由表1可見，在冬季，因環境溫度低，空調不工作，機柜均處于自然散熱狀態，單純空調與空調+熱交換一體機的能耗一樣，但在其他3季，單純空調比空調+熱交換一體機的能耗均高。全年的平均功耗為：單純空調機柜199.4 W，空調+熱交換一體機柜140.0 W?？照{+熱交換一體機柜比單純空調機柜節能約29.8%。

1.3 設備倉、電池倉溫控方式

設備倉中基站主設備、傳輸、電源和配套等對工作環境溫度要求低，可以采用熱交換器風扇散熱。設備倉有內外2個風循環系統，艙門上或頂部安裝熱交換器，設置前后或左右循環風道，倉內熱量通過內風循環傳遞給熱交換器，然后通過外循環傳遞給戶外大氣（見圖3）。電池倉中蓄電池對工作環境溫度要求高，采用半導體空調（TEC）制冷器降溫。

設備倉換熱能力測試數據見表2。

換熱能力=800 W/（53.96-44.5）℃≈84.5 W/℃，滿足要求。

從電池倉測試數據（見表2）看，滿足電池工作環境要求。

2 混合高效電源技術

圖3 采用分區溫控方式的戶外基站電源

表2 設備倉、電池倉測試數據

為解決傳統動力電源系統能耗高，環境適應性差等問題，利用高效電路拓撲技術，選用高耐溫等級器件，研制出高效電源模塊。并增加智能監控識別系統，解決高效和普通模塊混插公用和系統模塊智能休眠問題，較完整地解決了戶外電源應用上的難題。

2.1 高效電源模塊

高效電源模塊采用了超級結器件+碳化硅 （Coolmos+SiC）三相維也納以及三電平全橋串聯諧振軟開關（LLC）和同步整流技術，形成了相關專利技術，并在電磁兼容 （EMC）及防雷控制等多個方面取得了技術突破，使高效電源模塊在大電流輸出時仍保持較高的工作效率，并保障了在戶外惡劣使用環境中的可靠應用。由于高效模塊采用了高性能的器件和先進的電路拓撲結構，工作效率比普通電源模塊高5%。

2.2 混合高效電源

混合高效電源系統采用LLC諧振拓撲技術，在額定工況全負載范圍內的軟開關、自動識別電源模塊、智能監控等控制模塊的運行狀態，實現高效和普通電源混插和休眠，在系統負載很輕時啟用節能功能（關掉部分模塊），可以降低損耗，使系統盡量工作在相對高效的狀態，獲得較優的能耗曲線，提高整機工作效率，節能效果顯著。同時，在普通模塊組成的系統中增加部分高效模塊，提高了普通模塊的適用性和利用率，有效提高了整機的價格性能比。

測試結果表明，混合高效電源在負載率小于20%時節能效果十分明顯（見表3和圖4）。

在實際基站應用中，混合高效電源系統效率隨著高效模塊的數量增大不斷提升（見圖5）。

表3 系統效率

圖4 系統效率隨負載變化曲線

圖5 引入高效模塊前后系統效率對比

3 柔性結構技術

傳統戶外機柜一體化基站標準化程度低，設備適應性及環境適應性差。戶外平臺機柜采用了模塊化、標準化、柔性化、拼裝結構靈活、適應性強、結構緊湊的機柜，可以滿足不同廠家、不同制式的設備內置要求，同時滿足未來擴容和網絡演進要求。

機柜采用All-in-one設計理念，統一機柜外形尺寸，內設19英寸標準機架，所有基站設備放裝可根據需要任意組合，結構緊湊，擴容簡單。設備倉采用單層熱鍍鋅鋼板，散熱性能良好；蓄電池倉采用熱鍍鋅鋼板，內層貼厚度40 mm的優質保溫棉，表面有錫箔反射層，能夠有效防止以輻射、傳導等方式形成的熱量交換，隔熱性能良好。倉體采取了密封、防腐、防風、防盜、防震和降噪技術手段，安全可靠，設計使用壽命8~15年。

4 綜合智能監控系統

傳統戶外機柜一體化基站監控簡單、戶外惡劣環境適應性差、無能耗管理等要求。戶外平臺開發了專門針對戶外環境的綜合智能監控系統，具備電源監控、環境監控、智能防盜監控和數據采集等功能，其主要有以下特點。

a）采集器具備底層數據分析能力，可有效減少監控數據流量，降低無線網絡的傳輸數據量，有效提高傳輸質量。

b）專業的掉電信息存儲技術，實現停電瞬間完成采集數據的傳輸。

c）全端口高標準防雷，能夠適應惡劣的戶外柜現場環境。

d）采用免調試和少調試解決方案，減少工程費用。

5 新一代通信綜合接入平臺與應用效益

戶外平臺集成分區溫控、混合高效電源、柔性結構和智能監控等關鍵技術和創新成果，適應各種電信網絡布點和統一綜合接入需要。平臺分為設備倉外尺寸為：650 mm（W）×600 mm（D）×1 200 mm（H），可以安裝BTS、傳輸等基站設備及電源、配套等設備。電池倉分為立式與臥式2種，立式電池倉與設備倉外形尺寸一樣，可與設備倉同列組合，倉內3層結構，可安放2組12 V/150 Ah蓄電池；臥式電池倉外形尺寸為：1 500 mm（W）×850 mm（D）×700 mm（H），可安裝 1 組 2 V/300 Ah蓄電池。圖6為一體化基站建設效果圖。

目前，戶外平臺已在中國聯通廣東、上海、陜西、吉林、廣西等?。ㄊ校┮幠?，在其他電信運營商也有應用。

圖6 一體化基站建設效果圖

戶外平臺在溫控、動力電源、機柜結構、智能監控等方面取得了突破，適應當前網絡建設和網絡發展演進需要，成本低、節能減排效果顯著。實際應用結果顯示，可節約33%~38%的建設費用，節省39%運營費用，大大減少了運營商的建設成本和運營成本，有良好的經濟效益和社會效益。

［1］陳旭東.一體化基站節能探討［J］.電信科學，2010（12）.

［2］牛威.淺談通信行業的節能減排技術［J］.電信工程技術與標準化，2011（7）.

［3］徐德勝.半導體制冷與應用技術［M］.2版.上海：上海交通大學出版社，1998.

［4］尉遲斌.實用制冷與空調工程手冊 ［M］.北京：機械工業出版社，2005.