CRAN機房機柜熱管理分析

高東健

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

科學研究結果表明，目前5G承載網絡采用的5G BBU功耗相當大，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承載網絡背景下的CRAN機房機柜散熱問題成為關鍵。傳統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用實踐成為重中之重。目前來看，采用仿真技術CFD配合數據中心微模塊技術是可行的。

1 CRAN機房布局簡述

1.1 CRAN機房布局

CRAN組網模式不同于傳統DRAN分布式接入模式，所以它的機房布局更加復雜，對技術要求更苛刻，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置，因此機房布局整體上對光纖資源的應用要求非常高。

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，配合配線光纜預留多個光纜芯，最終構成一套完整的有線接入網絡。它直接面向CRAN機房構建新的無線機制，同時實現了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芯有效滿足業務需求，同時考慮到后期擴容需求，可適當將光纜芯數量直接放大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。基于這兩種接口速率還能進一步提出兩種CRAN機房設計解決方案，即光纖直驅和無源WDM+采光直驅方案。因為在CRAN機房設計模式下采用獨立的BBU配合DU可直接收斂最多20個AAU，而在光纖直驅方案引導下則會消耗大量光纖資源，確保BBU/DU側光纖管理要求到位，打破了傳統中光纜資源出口管道瓶頸問題，提高了CRAN機房的整體建設效率。在20個AAU側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機房采用協作式無線電結構與實時云計算構架。目前，為了迎合國家綠色能源發展戰略，CRAN機房還引入了綠色無線接入網絡構架，最大限度地減少基站機房數量并降低能耗。它采用智能協作化虛擬技術，為資源共享與動態調度提供了有價值的技術參考。在設計布局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，以優化CRAN機房運營機制，保證從更多方面合理規劃機房能耗、建設運維成本與頻譜資源，為企業未來業務與利潤增長創造有利條件。

1.2 CRAN基站建設

與傳統DRAN機房基站模式建設手段、內容都不同，要明確CRAN基站模式建設。例如，在相同物理地點建設基站過程中，需要結合CRAN機房中的RRU優化光纖建設機制，構建全新的RRU光纖拉遠方式，在不同建筑物上分別建設不同發射點，然后進行網絡運維數據測算。在該過程中可最多收斂8個機房的BBU內容，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仿真技術應用與散熱理論分析

在CRAN機房設計布局中采用CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真技術，被稱之為“計算流體動力研究”，其中結合了大量數值數學和計算機數學知識內容。在CFD仿真計算過程中，它主要模擬機房IT設備、空調設備等展開技術運行過程，模擬建筑氣流場、溫度場優化機房布局效果，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仿真技術構建機房中的氣流組織圖形內容，深度模擬機柜發熱狀況，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，需要對CRAN機房機柜的散熱理論進行模擬分析。假設如果存在一個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下必須建立規范風道引流與阻斷裝置。可考慮在下層設備熱量不斷向上升騰累積過程中隔離機柜中的冷熱通道，對機柜中環境進行仿真模擬。如果機柜設備出風區溫度超過70 ℃，則會直接影響設備的安全運行狀態，甚至可能由于溫度過高導致出現宕機問題。此外，長期高溫狀態運行會加速設備系統老化，引發火災等重大安全事故，造成嚴重的經濟損失。

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

3 CRAN機房機柜的散熱實踐應用分析

結合上述CFD理論進行分析判讀，確保設備安裝中保留導熱部件，并合理阻斷冷熱通道，進而有效改善機柜熱環境，同時確保在設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，保證基站設備正常開啟。在負荷相同的狀況下，對比安裝導風部件與未安裝導風部件的實際效果，并對設備周邊環境溫度情況進行監測處理。實際測試結果顯示，在導風裝置安裝前，需要將平均環境溫度控制在55～65 ℃，并合理均衡個別出風口溫度。正常安裝導風裝置后，可將溫度調整下降到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，機柜中的導風裝置可起到較強的引風引流效果，合理規避冷熱氣流混合狀況，同時降低機柜設備溫升溫度。簡言之，如果在45 ℃的設備環境中，必須規避機柜溫升過高這一問題，才能確保機柜后續布局設計完善到位。另外，有必要在機柜出風口位置設計安裝一套散流風扇，有效降低CRAN機柜的周邊平均環境溫度，以求達到最佳環境溫度水平，為機柜長久持續穩定運行創造有利的空間條件。

在CRAN機房機柜散熱設計布局過程中，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機房建設為例，采用傳統的光纖直驅模式需要18芯光纖，而采用光源WDM+彩光直驅新模式，同樣為6站，但是載波數量上升3倍達到54載波，且只需要6芯光纖，顯然后者成本更低，能夠實現一機房拖載6個AAU。它的部署難度更低，主要依靠傳輸設備進行擴容，同時搭載了無線設備CPRI管理功能，整體散熱效果更佳。基于上述要點，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+彩光直驅新模式建立CRAN機房理想模式，其中需安裝大量導流部件，確保CRAN機房機柜散熱部分均衡優化。但是，如此操作僅僅能解決一部分問題，不能解決所有問題。實踐結果表明，如此操作僅適用于空調狀態良好、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，還需要結合5G承載網絡基站建設進度控制系統，做到對線上CRAN基站的快速設備與技術部署，解決CRAN機房機柜中制冷設備與數據中心的高功耗問題。這里可借鑒基站微型模塊，以解決CRAN機房機柜熱管理問題。

設計布局CRAN機房機柜的過程中可設計加入微模塊，將電源、柜內空調以及機柜等融為一體，形成一體化設備體系，充分考慮到空調精確制冷模式的應用優勢，最大限度地發揮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計概念圖

考慮到微模塊中的電源、空調、機柜已經構建了三位一體集成體系，因此設計對最大限度地節省基站開通時間是有利的，可有效規避單機柜體熱量過高問題。具體來講，它主要結合CFD仿真技術仿真模擬機柜中的空調，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，滿足高功耗設備制冷到位地的需求[5]。

4 結 論

目前，各國都迎來了5G承載網絡建設布局重大任務，而基于5G承載網絡CRAN機房建設可最大限度降低網絡運營功耗，提高網絡數據傳輸效率，為網絡運營商節約大量功耗成本。文中基于5G承載網絡建立了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、新設備優化機柜內部倒流裝置，保證基站空調制冷量充足的情形下有效降低設備周邊環境溫度，減少熱量集聚為設備帶來的危害問題，結合基站微模塊建設，實現節能減排發展目標，為CRAN機房機柜長久健康穩定運行奠定基礎。