CRAN 模式下5B BBU 供電及散熱淺析（1）—問題及思路

侯福平

（中國電信廣州研究院，廣東 廣州 510000）

1 問題的提出

1.1 現 狀

目前，5G 網絡的建設已經全面開展，無線接入采用BBU+AAU 形式成為當前的主流，如圖1 所示[1]。

5G 的BBU（Base Band Unit）布置有D-RAN（Distributed Radio Access Network） 和 C-RAN（Centralized Radio Access Network）兩種模式，如圖2 所示。中國電信目前采用C-RAN 模式，并在室內集中部署，形成BBU集中池化。未來，C-RAN 在室內集中部署模式應用將成為發展趨勢。

圖1 4G、5G 網絡的無線接入形式

5G BBU 設備與4G BBU 相比，在處理能力大幅提升的同時，功耗也大大增加[2]。現場試驗測試結果對比顯示，5G BBU 的功耗已經由原來4G BBU 的150 ～ 300 W 增長到 500 ～ 1 200 W，即 5G BBU 功耗是 4G BBU 功耗的 3 倍以上[1,3]。

現用5G BBU 產品仍延用4G BBU 的工裝工藝，按照D-RAN 模式應用場景進行設計，設備內部的氣流組織設計和工藝沒有改變。若采用C-RAN 模式室內集中部署，需要布置在機柜內且為堆疊安裝，如圖3所示[1,3]。

圖2 無線接入網絡的D-RAN 與C-RAN 模式

按C-RAN 模式室內集中部署投入運行后的BBU，實際運行后發現，常規下工作溫度超過50 ℃，影響設備的正常運行，給機房建設、電源供給和制冷通風帶來了巨大壓力。

表1 各類機房安裝BBU 的需求

1.2 各類機房安裝BBU 的需求

在C-RAN 模式下，不同類型的5G BBU 機房基礎設施規劃建設中，考慮安裝BBU 的需求如表1 所示。

圖3 C-RAN BBU 模式室內集中部署的機柜實景

1.3 BBU 產品技術參數

目前，主流生產廠家在國內已經投入運行的5G BBU 設備一般都是按照D-RAN 模式進行設計制造，可以適應室內外不同的應用模式。它的外形、尺寸和結構如圖4 所示。

圖4 5G BBU 設備的外形結構、前后視圖及面板

1.4 BBU 產品技術參數

根據相關廠家提供的資料，單臺BBU 的換風量至少需要達到320 CFM（立方英尺/分鐘，1 CFM=0.028 m3/min），相當于537.6 m3/h，才能保證設備的有效散熱需求。

1.5 氣流組織形態

目前，國內已經投入運行的主流廠家5G BBU 設備的散熱氣流組織形態如下[4]。

（1）“左進右出”，見圖5。

圖5 “左進右出”的散熱氣流組織

（2）“右進左出”，見圖6。

圖6 “右進左出”的散熱氣流組織

（3）“前進后出”，見圖7。

圖7 “前進后出”的散熱氣流組織

2 問題和影響程度

2.1 設備功耗大

傳統的4G BBU 單板功耗通常在100 ～200 W，甚至更低，發熱量不大，BBU 集中度相對較低。集中安裝時，對機柜工藝、空調配置的要求均不高[2]。

根據ITU（國際電信聯盟）近期正式發布ITUTL.1210（12/2019）《5G網絡可持續供電標準》[5]的描述，相比4G 無線接入，5G 的功耗將大幅提升。以64T64R AAU 為例，最大功耗預計為1 000 ～1 400 W，BBU 最大功耗預計為1 200 ～1 500 W。此外，ITU 在該標準文件中指出，單站多頻將成為5G 站點的典型配置。預計到2023年，5 頻以上的站點比例將提升到45%。而在2016年，這個數據僅為3%。因此，典型站點最大功耗將超過10 kW，而10 個以上頻段的站點最大功耗將超過20 kW。

實測5G BBU 設備的功耗要普遍遠大于4G BBU 設備（3 倍以上[3]），如表2 所示[2]，最大達到2 000 W以上，發熱量的增加非常明顯。

表2 5G 和4G 無線接入設備的功耗對比

2.2 電源系統容量難以滿足要求

目前，各廠家提供的5G BBU 設備均采用標準的通信用-48 V 直流電源供電，并在直流母排上并聯蓄電池組作為不間斷保障。

傳統的直流供電解決方案如圖8 所示。

圖8 傳統的直流-48 V 供電方案

根據YD/T 1058-2015《通信用高頻開關電源系統》[6]的要求，通信用-48 V 高頻開關電源“系統的容量配置不宜超過3 000 A”。對于大、中型C-RAN 機房，僅5G BBU 設備所需要的工作電流已經超過單套系統容量，因此需要設置多套系統，而這帶來投資和機房空間的困難。

2.3 直流電纜大幅增加

由于采用直流-48 V 供電且供電功率大，直流電纜所需要的過流量也大。目前，最大直徑的直流電纜為240 mm2，故需要的電纜數量必然大幅增加，如圖9所示，帶來了電纜槽道、走線架及其承重能力、電纜維護工作量的困難。

圖9 BBU 機房中240 mm2 的直流-48 V 電纜

2.4 機柜功率密度高

參照各廠家提供的典型電氣技術參數資料，5G BBU 設備滿配功率一般約1 200W/臺。若按照每個機柜布置10 臺BBU 滿配功率設備考慮，則將會達到1.2 kW/柜的功率密度。在設計規劃中，電源系統配置功率應按2 000 W/臺進行配置，則單機柜需要按照20 kW/柜來考慮。這樣的功率密度在IDC 數據中心，必然屬于高功率密度機柜。

2.5 機柜內部散熱空間不足

在傳統的通信機房中，多600 mm×600 mm（寬×深）設備機柜進行設計和布置（如圖10 所示），且一般每機柜的設備功耗都在1 000 W 以內。

圖10 傳統通信機房中600 mm×600 mm（寬×深）設備機柜

在通信運營商發布的5G BBU 機房基礎設施建設指導書中要求：“BBU 機柜采用19 英寸的標準機柜，機柜高度一般選擇1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm 三種，具體按照機房的層高和走線架設置情況選擇。”但是，指導書卻沒有關注機柜的深度問題。按照目前的配置，每個機柜內至少可以堆疊布放10 套BBU 設備，其每機柜的功耗已經不低于IDC數據中心的網絡機柜。參考企業《數據設備用網絡機柜技術規范》[7]等相關規范“IDC 數據中心中采用的網絡設備機柜其深度應為800 ～1 200 mm”的要求，單機柜設備的功率密度必然大大超過一般的通信機房設備機柜，甚至還大于IDC 數據中心機房內的網絡機柜，造成機柜內散熱能力不足而無法滿足設備要求。

2.6 氣流組織不合理

BBU 設備“左進風，右出風”和“右進風，左出風”的通風散熱方式，都與機房內空調的氣流組織不協調，會導致機柜內氣流組織混亂，開路、短路嚴重，散熱冷量無法有效利用。若在同一機柜內安裝有多個廠家BBU 設備，不同廠商設備進出風方式不一，氣流紊亂情況將更嚴重。

同時，各廠家BBU 設備的寬度為450 mm。BBU 設備安裝在外形寬度為600 mm、內部為19 英寸的標準機架內使用時，由于左右兩側散熱空間不足，造成設備進出風不暢。加上機柜安裝立柱、側板加強筋、電纜走線均對側面風口有遮擋作用，并列安裝機柜側板熱量聚集的相互影響，最終導致BBU 設備運行溫度偏高，易形成其本身高溫宕機，也會影響周邊其他設備的正常運行。

相比之下，設計為“前進后出”的BBU 設備，加上散熱風扇的作用，其氣流組織與機房內空調的氣流組織比較協調，相對是合理的。

多臺BBU 設備在機柜內的層層堆疊，隔熱措施不到位，加劇了BBU 設備的發熱問題。

雖然針對BBU 堆疊安裝帶來的散熱問題有廠家提供了1U 的導風板，如圖11 所示，但鑒于現實機柜條件分析，導風板的作用十分有限。實際測試證明，改進效果并不明顯，甚至在某些情況下起反作用。

圖11 廠家提供的1U 導風板

2.7 無法滿足網絡發展設備擴容需求

各廠家現有5G BBU 設備按照D-RAN 模式進行設計。在C-RAN 模式下應用時，早期按D-RAN 模式給出的5G 設備性能參數數據帶來的不確定性，存在嚴重的供電能力尤其散熱能力問題，目前只能采用降容使用的應急措施，減少BBU 設備插槽中的板卡數量。原本可以“1+4”的板卡配置只能減少為“1+2”配置，因此無法按最大額定功率達到在機房開展BBU 集中池化的設計規劃。由于產品規劃設計與應用模式不協調而產生的上述問題，使得未來5G 網絡發展設備擴容需求無法實現，需要占用更多的機房基礎設施資源。

若市電供電可用性能夠滿足要求或者BBU 設備不需要不間斷保障，可以采用市電直供方式或者采用“一路市電+交流UPS”或“一路市電+直流240 V”的供電方式。

采用交流UPS 或直流240 V 的供電方案，可以有效解決系統容量不足以及直流電纜用量大的問題。特別是其工作電壓升高為原來48 V 的5 倍以后，其工作電流僅為原來的1/5。理論上來說，直流電纜的使用量可以減少80%，可以大大降低工程中電纜的投資，減輕規劃設計、工程施工以及運營維護的壓力。

3 解決方案思路

從前面的分析可以看到，要解決C-RAN 模式下BBU 設備及其機柜的供電和散熱問題，應該做好頂層設計，綜合考慮實際應用情況，采用合理的解決方案。

3.1 不間斷供電保障

（1）BBU 設備采用高電壓供電是未來的發展方向。對于大、中型C-RAN 模式的BBU 設備機房，應該采取“提高供電電壓、減小負載電流、增加電源設備大功率供電能力”的思路，優先選擇交流UPS 或直流240 V 供電，應鼓勵BBU 設備采用直接接受“交流220 V+直流240 V”兼容性受電的供電方式。

（2）需要進行降壓轉換時，應選擇設備端就近轉換的模式。可以在BBU 設備機房配置開關電源系統，甚至采用嵌入式開關電源的方式，以滿足設備的大功率供電需求，并有效減少直流電纜的投資。

（3）在基站或小型C-RAN 模式機房，一般只有1 個BBU 設備機柜。可以充分利用現場的供電條件，采用傳統的直流-48 V 供電。有條件的情況下，也可以采用交流UPS 或直流240 V 供電。

3.2 設備散熱

（1）機房、機柜、設備三位一體，統籌兼顧，形成協調一致的合理氣流組織，努力減少散熱氣流的短路和開路。

（2）將BBU 設備調整為豎裝，有效實現合理組織氣流，改善散熱條件的效果。建立合理的進出風方式，并具備有效、隔離的冷熱通道空間。

（3）優先選用就近制冷，精確送風。

（4）有條件的情況下，盡量采用精確送風制冷模式；優先采用列間空調制冷。

3.3 設備機柜

（1）應逐步要求通信機房設備機柜列按照1 000 ～1 200 mm 列寬進行機房平面規劃設計，并優先采用1 000 ～1 200 mm 機柜，有效降低單機柜功率密度。

（2）BBU 設備豎裝需要專用的機柜或增加專用BBU 插框，通過插框實現設備的合理布放。

（3）在C-RAN 模式下，5G BBU 的專用設備機柜如圖12 所示。

圖12 C-RAN 5G BBU 設備機柜