王元元

【摘要】? ? 本文將國(guó)內(nèi)某5G設(shè)備的供應(yīng)商設(shè)備作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)其開(kāi)展測(cè)試，獲取相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。同時(shí)結(jié)合理論分析，發(fā)現(xiàn)5GBBU豎裝具備一定的可行性，能夠在一定程度上控制基站能耗，改善設(shè)備的散熱效能性能。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G基站? ? BBU安裝? ? 散熱能效

一、散熱風(fēng)道分析

分析下圖1，可以得知該設(shè)備機(jī)房主要使用的是工業(yè)級(jí)精密空調(diào)制冷，制造的冷空氣經(jīng)由下方或前門(mén)流入機(jī)柜內(nèi)部，而機(jī)器散發(fā)的熱量則可以從機(jī)柜后門(mén)流出到機(jī)房中。綜上所述，機(jī)房中機(jī)柜散熱風(fēng)道主要是前進(jìn)風(fēng)、后出風(fēng)。

機(jī)柜內(nèi)部前門(mén)部分主要是冷風(fēng)區(qū)，外部冷空氣從該區(qū)域流入機(jī)柜中，配合完成散熱工作后，轉(zhuǎn)為熱空氣，流出機(jī)柜。

機(jī)柜中的BBU可直接借助設(shè)備中包含的風(fēng)扇完成物理散熱。本項(xiàng)目中，風(fēng)扇位于設(shè)備側(cè)面位置，風(fēng)的主要流入流出方向也是在側(cè)面進(jìn)行的。圖2中表明，該設(shè)備工作過(guò)程中，冷風(fēng)從右/左側(cè)進(jìn)入，待轉(zhuǎn)換為熱風(fēng)后從左/右側(cè)匯出，這和機(jī)柜前部進(jìn)風(fēng)、后部出風(fēng)的氣流流動(dòng)方向有所不同。所以，為了保障BBU設(shè)備的散熱工作正常開(kāi)展，維系設(shè)備的安全，決定將進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在機(jī)柜前門(mén)中進(jìn)入冷空氣的部位。

不僅BBU橫裝結(jié)構(gòu)的安裝方法和其豎裝結(jié)構(gòu)有所差異，導(dǎo)風(fēng)組件下橫裝導(dǎo)風(fēng)組件和豎裝導(dǎo)風(fēng)組件同樣有所不同。但是，不管是在橫裝時(shí)還是豎裝時(shí)，氣流流動(dòng)方向都將變化好幾次才能到達(dá)設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橫裝時(shí)氣流流動(dòng)方向變化次數(shù)為4次，豎裝時(shí)氣流則只會(huì)變動(dòng)2次。

在機(jī)柜散熱風(fēng)道下，若是風(fēng)道較窄，則氣流經(jīng)由時(shí)會(huì)出現(xiàn)摩擦力與靜壓損失，從而使得壓力變小、速度變小。要想計(jì)算出氣流經(jīng)由風(fēng)道產(chǎn)生的損耗，可以借助下式得出結(jié)果：

P=a（Vi/1277）2

上式中，P表示風(fēng)道靜壓損失（PA），a表示靜壓損失系數(shù)（具體取值視實(shí)際情況決定），Vi則表示風(fēng)速（cm/s）。

Vi=Q/Ai

上式中，Q表示風(fēng)量;Ai則表示風(fēng)道截面積大小。

結(jié)合BBU橫裝、豎裝實(shí)際情況可以發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目中橫裝時(shí)a取值為5，而豎裝時(shí)取值則為3。

若是環(huán)境因素保持不變，那么此時(shí)風(fēng)速值大小可以設(shè)計(jì)為218cm/s。

由此可以計(jì)算出橫裝、豎裝狀態(tài)下，靜壓損失P的大?。?/p>

首先，橫裝狀態(tài)下，P=5x（218/1277）2=141.7PA;其次，豎裝狀態(tài)下，P=3x（218/1277）2=85.3PA。

分析計(jì)算結(jié)果可以得知，相較于橫裝BBU，豎裝BBU冷風(fēng)進(jìn)氣效率明顯偏高。

二、5GBBU設(shè)備散熱分析

BBU設(shè)備工作過(guò)程中往往會(huì)散發(fā)很多熱量，要想這些熱量都可以完全流出設(shè)備，防止殘留在設(shè)備內(nèi)部對(duì)其產(chǎn)生危害，造成內(nèi)部器件的損壞，就必須要重視BBU設(shè)備的散熱性能。而影響該設(shè)備散熱能力的主要因素來(lái)源于BBU的排風(fēng)量，因此通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)所需風(fēng)量、風(fēng)壓、空間大小等參數(shù)即可計(jì)算出具體的風(fēng)扇風(fēng)量值。

具體計(jì)算公示如下所示：

Q=Wf（CPx△txP）

上式中，Q表示風(fēng)量大小，單位是m3/s;W表示功耗，單位是W;CP表示空氣定壓比熱，單位是[[J/（kg.K）];PT表示系統(tǒng)內(nèi)部和周?chē)h(huán)境的溫度差值;A則表示空氣密度。

分析上式可以發(fā)現(xiàn)，假設(shè)BBU的功耗值大小是600W，進(jìn)出口的溫度差值為10C，此時(shí)Q通過(guò)計(jì)算得出大小為0.04795m3/s。

研究表明：不管是橫裝BBU還是豎裝BBU，Q值的大小均恒定不變，都維持在0.04795m3/s的風(fēng)量。但是橫裝與豎裝具體方式有所不同，因此通過(guò)分析散熱風(fēng)道的靜壓損失可以發(fā)現(xiàn)，雖然Q的大小不變，但在橫裝是能達(dá)到114.7PA，而豎裝時(shí)則是85.3PA，這也表明，組裝方式的不同會(huì)導(dǎo)致氣流需要客服的靜壓損失有所差異，這也導(dǎo)致不同方式下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有所不同。

通過(guò)計(jì)算可以得出如下兩點(diǎn)結(jié)論：首先，靜壓值P與風(fēng)量Q是反向關(guān)系，隨著靜壓值的上升，風(fēng)量會(huì)隨之減小;反之，靜壓值變小，風(fēng)量會(huì)有所增加。其次，設(shè)備功率W的大小會(huì)跟隨著靜壓P或風(fēng)量Q的變化而變化。

此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)還能得出，若是環(huán)境溫度控制在25℃，維持其他條件不變，此時(shí)若BBU橫裝，則風(fēng)扇功耗將達(dá)到25W;而若是在BBU豎裝情況下，功耗只有12W。

三、5GBBU豎裝節(jié)能分析

節(jié)能依舊是5G時(shí)代關(guān)注的重點(diǎn)，隨著5G建設(shè)愈發(fā)完善，設(shè)備商、通信運(yùn)營(yíng)商要想打造品牌核心競(jìng)爭(zhēng)力、擴(kuò)大市場(chǎng)份額，必須提升產(chǎn)品的節(jié)能屬性。而不同的BBU設(shè)備安裝方法將在很大程度上改變?cè)O(shè)備的節(jié)能性能，通過(guò)研究BBU設(shè)備散熱狀況以及機(jī)房制冷量即可得到結(jié)果。

Qt≥Q1+Q2

上式中字母含義如下：Qt表示機(jī)房工作所需要的新增制冷量總和，單位是W;Q1表示室內(nèi)設(shè)備新增總負(fù)荷，單位是W;Q2則表示環(huán)境熱負(fù)荷，單位同樣為W。通常情況下Q2值大小維持在100-180W/耐，因?yàn)槭艿降貐^(qū)間氣候不同的影響，若是設(shè)備處于南方地區(qū)，此時(shí)估算取值應(yīng)為180W/mz，而北方地區(qū)則取值為100W/mz。

若是項(xiàng)目在北方地區(qū)試點(diǎn)，決定在6.5m2區(qū)域在添加1套5GBBU集中設(shè)備柜，柜中共計(jì)包含5套BBU，每套BBU基帶板功耗設(shè)為600W，此時(shí)若橫裝，則功率值為25W;若豎裝，則功率值為12W。此外，每臺(tái)BBU需3臺(tái)風(fēng)扇。此時(shí)通過(guò)計(jì)算可以得出兩種狀態(tài)下分別所需的制冷量大?。?/p>

在橫裝狀態(tài)下，具體計(jì)算方法為Qt=（600X5+25X5X3）+（100X6.5）=4025W，表示所需制冷量為4025W;而在豎裝狀態(tài)下，此時(shí)所需的制冷量計(jì)算方法則是Qt=（600x5+12X5X3）+（100X6.5）=3830W。

綜合對(duì)比計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方法下，要想節(jié)省制冷容量，可以選擇豎裝方法。

想要計(jì)算BBU設(shè)備的散熱功耗，可以借助下式：

Wt=W1+W2-W3

該式中各個(gè)字母含義如下：Wt表示BBU設(shè)備散熱工作中消耗的功耗大?。╓）;W1表示風(fēng)扇自身的功耗大小;W2表示新增機(jī)房部分產(chǎn)生的制冷量;W3表示負(fù)載功耗大小。由此可以計(jì)算出橫裝、豎裝兩種狀態(tài)下設(shè)備所消耗的功耗具體值：

橫裝狀態(tài)下，Wt=25X5X3+4025-600X5=1400W;豎裝狀態(tài)下，此時(shí)Wt的大小為Wt=12X5X3+3$30-600X5=1205W。對(duì)比計(jì)算結(jié)果可以得知：相較于橫裝方式，在豎裝狀態(tài)所需消耗的能耗更低，平均每個(gè)BBU設(shè)備柜能夠節(jié)省將近14%的能耗，折換成電費(fèi)金額可達(dá)1366元。

四、5GBBU橫豎裝測(cè)試

4.1測(cè)試環(huán)境搭建

5GBBU橫豎裝的測(cè)試主要是針對(duì)機(jī)柜功耗狀態(tài)以及溫度變化展開(kāi)的，通過(guò)搭建測(cè)試環(huán)境，計(jì)算出真實(shí)的功耗與進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)，從而通過(guò)真實(shí)數(shù)據(jù)證明豎裝方式能夠明顯控制能耗，達(dá)到節(jié)能效果。測(cè)試過(guò)程中，決定選擇目前非常普遍的5GBBU設(shè)備，具體環(huán)境搭建方法如下所示：

1.選擇安裝機(jī)柜的場(chǎng)所必須保證室內(nèi)溫度穩(wěn)定，周?chē)淮嬖诳照{(diào)出風(fēng)口等布置，以便干擾測(cè)試結(jié)果。

2.每個(gè)BBU豎裝機(jī)框容納BBU設(shè)備的上限為5臺(tái)，因此在測(cè)試的過(guò)程中不管是橫裝還是豎裝都選擇5臺(tái)設(shè)備進(jìn)行研究。

3.不管是橫裝還是豎裝的測(cè)試都應(yīng)處于相同機(jī)柜，且高度要、溫度等環(huán)境條件都應(yīng)保持一致。

4.因?yàn)闇y(cè)試條件有著很大的局限性，因此測(cè)試過(guò)程中BBU設(shè)備只需要和傳輸設(shè)備維持連接，不需要和射頻設(shè)備等連接，且相關(guān)參數(shù)均選取的是BBU設(shè)備待機(jī)情況下的指標(biāo)。

4.2測(cè)試方法

4.2.1溫度測(cè)試

同時(shí)在BBU設(shè)備的內(nèi)外側(cè)分別安放溫度傳感器，通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口、冷區(qū)熱區(qū)、機(jī)柜整體環(huán)境等部位的溫度變化情況。

1.測(cè)試人員在BBU設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口5cm的位置分別擺放五個(gè)以上的傳感器，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控該部位的溫度變化情況;

2.對(duì)于冷區(qū)熱區(qū)部位，同樣在距離其5cm左右的位置擺放兩個(gè)以上的傳感器，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控冷區(qū)熱區(qū)的溫度變化情況;

3.對(duì)于機(jī)柜整體環(huán)境溫度檢測(cè)時(shí)，可以在機(jī)柜外側(cè)8cm的位置安放一個(gè)溫度傳感器，以便實(shí)時(shí)對(duì)整體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.2.2功耗測(cè)試

測(cè)試前先開(kāi)啟BBU設(shè)備使其進(jìn)入工作狀態(tài)2小時(shí)后，觀察其是否趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后即可使用鉗流表測(cè)試直流開(kāi)關(guān)電源部位的電流、電壓值大小，通過(guò)得到的結(jié)果，進(jìn)行計(jì)算則可以得到總功耗大小。進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，要想確保測(cè)試結(jié)果真實(shí)有效，需要先分析測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)指標(biāo)是否具備真實(shí)性，確保其誤差低于標(biāo)準(zhǔn)的2%。

4.3測(cè)試結(jié)論

在對(duì)機(jī)房實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)BBU設(shè)施橫向擺放的時(shí)候，其進(jìn)出風(fēng)口都是向著內(nèi)側(cè)的，且與內(nèi)壁間隔微乎其微，根本無(wú)法讓外部冷空氣順暢的流入進(jìn)來(lái)，同時(shí)機(jī)器散熱產(chǎn)生的熱空氣也無(wú)法在第一時(shí)間流出機(jī)柜，導(dǎo)致內(nèi)部溫度不斷升高。但是，如果縱向擺放的話(huà)，即可有效避免這一問(wèn)題，縱向擺放情況下，BBU處于子柜中，進(jìn)風(fēng)口朝向機(jī)柜底部，此時(shí)便于冷空氣涌入機(jī)柜中，而出風(fēng)口朝向頂部，散熱完成后的空氣受到熱脹冷縮原理的影響，能夠在第一時(shí)間涌出機(jī)柜，帶走熱量。

綜合研究發(fā)現(xiàn)，BBU設(shè)備若是豎向擺放不僅阻力值變小，且轉(zhuǎn)速更低、耗費(fèi)的功耗更小，節(jié)能性能更佳。

五、結(jié)束語(yǔ)

由于5G基站相較于4G基站耗費(fèi)的功耗更大，生產(chǎn)商對(duì)設(shè)備節(jié)能減排的性能要求更高。相較于傳統(tǒng)橫裝，BBU設(shè)備豎裝情況下更利于散熱風(fēng)道的流通，能夠較好的提升設(shè)備節(jié)能效果，且對(duì)風(fēng)扇等設(shè)備要求較低，生產(chǎn)成本、后期運(yùn)維成本均得到了有效控制。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]李鴻.基于C-RAN集中部署B(yǎng)BU池能力提升研究[J].電信快報(bào)，2021（01）：38-42.

[2]陳楚雄.5G系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化研究[J].中國(guó)新通信，2021（01）：69-70.

[3]汪金萍.基于AI的5G基站節(jié)能技術(shù)探究[J].數(shù)字通信世界，2021（01）：169-170.