智能機柜在5G BBU集中部署的應用研究

李云蛟

（維諦技術有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

面對網絡通信的快速發展，5G正在打破傳統的通信方式，衍生出更加開放、融合、創新的通信架構。5G的大帶寬、高速率、低延遲為下游垂直行業提供了豐富的、可實現的、可持續的應用場景，為基于5G網絡的創新應用提供了無限可能。現階段，5G已經成為通信網絡發展建設的重中之重，并逐漸向著高效、快速、精簡運維的方向快速發展，對傳統通信網絡基建提出了更高的建設需求和挑戰。其中，C-RAN已經成為5G網絡建設的首要組網模式。

1 5G C-RAN組網的優勢

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，并對其進行統一管理與動態分配，在提升資源利用率、降低能耗的同時，通過對協作化技術的有效支持提升網絡性能。BBU C-RAN組網演進，如圖1所示。

1.2 C-RAN的主要特點

C-RAN組網是5G網絡建設的重要技術手段，其集中化、協作化、云化和綠色節能的4大特征[1]，正是5G網絡未來多元化垂直應用的關鍵保障。

1.2.1 集中部署

5G C-RAN采用BBU集中放置的概念，實現物理層處理的集中，對降低站址選取難度、減少機房數量、共享配套設備（如電源、電池、空調）等具有顯而易見的優勢。根據相適應的應用場景，它還可以有選擇地進行小規模集中或者大規模集中。

1.2.2 協作能力

可引入CoMP、D-MIMO等物理層技術，實現多小區、多數據發送節點間的聯合發送和聯合接收，提升小區邊緣頻譜效率和小區的平均吞吐量。同時，引入5G空口后，可實現多連接、無縫移動性管理、頻譜資源高效協調等協作化能力。

1.2.3 無線云化

實現資源與應用的解耦，系統可以根據實際業務負載、用戶分布、業務需求等實際情況，動態實時調整處理資源和空口資源，實現按需投入無線網絡資源，提高新業務的快速部署能力。

1.2.4 綠色節能

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

圖1 BBU C-RAN組網演進

1.3 C-RAN BBU集中部署的優勢

首先，通過集中部署和協作化技術，可以滿足5G網絡架構的快速建設，并在資源共享、協作能力、無線云化和綠色節能方面具有突出優勢。其次，有利于降低基站選址難度，提高組網靈活性，有利于引入CoMP（協作多點）等協作化技術提升網絡性能，有利于MEC（移動邊緣計算）等技術的部署。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。分布式建設和集中式（C-RAN）建設TCO對比，如圖2所示。

圖2 分布式建設和集中式（C-RAN）建設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備互聯，BBU簇內資源統一協調管理、站間干擾協同處理，可有效降低密集小區間干擾，大幅提升小區邊緣速率，達到低干擾、高速率、大帶寬和低時延的目標。這是5G網絡架構的基礎保障，同時大幅降低了運營成本。

圖3 BBU集中部署示意圖

2 傳統通信機房建設C-RAN的挑戰

5G網絡架構比傳統4G網絡相比發生了巨大變化，基站數量大幅增加，對機房空間、機房能耗、環境治理、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管理，以合理調配空間資源，明確5G核心設備BBU的部署方案。考慮5G信號覆蓋范圍，BBU集中部署為首選方案，以實現機房資源的共建共享。

供電、制冷也帶來了巨大挑戰。對比傳統4G基站，5G設備功耗進一步加大，單站功耗預計達到4G的3～4倍（如圖5所示），以往的供電容量設計已經不滿足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模改造，成本高，周期長。此外，高功耗設備還要考慮機房散熱問題，需要更加節能的機房專用精密空調，以保障機房長期穩定運行的環境需求。

圖4 C-RAN建設的挑戰

圖5 4G與5G基站設備功耗對比

3 智能機柜應用分析

3.1 智能機柜概述

智能機柜為滿足5G C-RAN組網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、環境制冷和動環管理系統的智能化一體式機柜系統，演變過程如圖6所示。

圖6 傳統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，機柜內外應完全隔離，為BBU等設備運行提供穩定可靠的運行環境，提升整個5G網絡接入匯聚層的可靠性。機柜本身具有極簡的運維界面，是5G網絡建設節能降耗的重要技術應用方案。同時，可兼容更多類型機房設備，是5G及未來機房建設的發展方向。傳統機房和智能機柜的建設、運維對比，如圖7所示。

圖7 傳統機房和智能機柜的建設、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、空調制冷、電池備電、動環管理等，真正實現機柜即機房，如圖8所示。獨立的內外隔離設計，全面支持通信設備的集中匯聚。

圖8 智能機柜的集成設計

3.2.2 內置電源系統注重高效節能

5G大規模的基站建設對于未來的基站節能也會提出要求，智能機柜集成的電源系統應考慮采用高效電源系統。基于目前的電源技術，ECO效率要大于96%以上，并具有智能節能休眠技術，同時應考慮引入超高效率整流模塊實現極致節能，實現系統的超低能耗。通信電源休眠節能對比和高效節能對比，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外隔離設計，冷熱解耦。如圖10所示，內置的精密空調可以實現按冷量定向制冷，同時可以實現按需制冷，達到空調節能的目的。就近送風是解決BBU匯聚產生高密熱點的最有效的溫控方案。

圖9 通信電源休眠節能對比和高效節能對比

圖10 空調就近定向按需制冷

3.2.4 供電架構更加豐富，兼容改造和新建機房

5G網絡建設70%以上將基于現網機房升級改造，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，才能適應機房供電對5G網絡的基礎承載需求。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 集成智能監控管理系統

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

圖15 智能機柜監控方案

3.2.6 機柜模塊化設計，更加節省占地資源

5G基站數量預計將是4G基站數量的1.5倍。因此，節地、縮減基站選址成本，提升機房利用率是必然的建設措施。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網絡建設周期，提升運維管理效率。

圖16 智能機柜占地面積

4 結 論

綜上所述，2020年5G建設步入快車道。5G網絡建設面向接入層的匯聚機房，采用C-RAN組網是當下解決5G基站數量增長、功耗增加、面向垂直應用協同資源處理最行之有效的組網方式。BBU集中部署需要智能機柜提供完整的一體化解決方案，滿足當下5G組網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的優選方案。