新一代通信综合接入户外平台的研究和应用

2012-07-31陈旭东黄晓明中国联通广东分公司广东广州510627

邮电设计技术 2012年1期

陈旭东，李卫，黄晓明（中国联通广东分公司，广东广州510627）

0 前言

据工信部统计，2010年我国通信行业耗电量达到332亿kWh，其中基站的耗电量已占62%。中国三大电信运营商的基站总数已经超过80万个，随着3G网络的完善，未来几年基站还将以20%左右的速度增加，基站节能成为运营商节能降耗和控制运营成本的重点。

当前，基站有2类：一类是传统的机房基站，另一类是户外机柜一体化基站。传统基站能耗高、占地大、租建费用高、选址或续租难。现有户外一体化基站对环境的适应性差，安全性差，动力环境监控不完备，设备寿命缩短、能耗高。另外，机柜不统一，搬运安装困难，无法规模化推广应用。针对这些问题，本文首先探讨温控、电源、机柜设计和智能监控系统等与户外机柜相关的技术，然后介绍集上述技术创新于一体的新一代通信综合接入户外平台（下简称户外平台），最后简述户外平台的实际应用效果。

1 户外机柜温控技术

1.1 分区温控

户外机柜温度控制主要有直通风、热交换、半导体或压缩机空调制冷等方式（如图1）。传统户外机柜一般采用单一的温控方式，无法满足电池等工作环境要求高的设备要求。初步统计，传统户外柜中的电池因温度过高寿命缩短60%。

图1 4种典型的分区温控系统

分区温控技术将户外机柜分为设备仓、电池仓等，根据环境及设备功耗、设备工作温度要求，将基站设备分区分仓安装，不同设备采用不同温控方式或几种温控手段相结合的方式，既满足各种设备工作环境要求，同时有效降低温控系统整体能耗。

1.2 空调、热交换混合温控

采用热交换器和空调混合控温，温度高时空调工作，温度低时热交换器工作，空调、热交换器一体化，互为备份。如图2所示，机柜内循环的风路从上部吸入热空气，冷空气从下部排出。外部循环中的空调循环部分，从下部吸入外界冷空气，经过冷凝器后热空气从上部排出；外部循环中的热交换循环部分，从右侧吸入外界冷空气，经过热交换后热空气从前部排出。通过热交换器散热可以减少空调压缩机的散热负担从而节能。

图2 空调热交换一体机原理

空调热交换一体化混合温控技术集成了空调、热交换制冷技术，工作模式根据温度自动倒换，空调和热交换可单独分别工作，需要大量散热时可同时工作，交流掉电时热交换器部分仍然可工作，既提高了温控的可靠性，又节约能耗，散热或制冷效果更佳。

模拟某地区春、夏、秋、冬4季24 h户外环境温度变化，空调热交换一体化机柜和单纯空调机柜内部放置同样的模拟负载，并正常通电，测试一体机能耗，测试结果见表1。

表1 节能测试结果

由表1可见，在冬季，因环境温度低，空调不工作，机柜均处于自然散热状态，单纯空调与空调+热交换一体机的能耗一样，但在其他3季，单纯空调比空调+热交换一体机的能耗均高。全年的平均功耗为：单纯空调机柜199.4 W，空调+热交换一体机柜140.0 W。空调+热交换一体机柜比单纯空调机柜节能约29.8%。

1.3 设备仓、电池仓温控方式

设备仓中基站主设备、传输、电源和配套等对工作环境温度要求低，可以采用热交换器风扇散热。设备仓有内外2个风循环系统，舱门上或顶部安装热交换器，设置前后或左右循环风道，仓内热量通过内风循环传递给热交换器，然后通过外循环传递给户外大气（见图3）。电池仓中蓄电池对工作环境温度要求高，采用半导体空调（TEC）制冷器降温。

设备仓换热能力测试数据见表2。

换热能力=800 W/（53.96-44.5）℃≈84.5 W/℃，满足要求。

从电池仓测试数据（见表2）看，满足电池工作环境要求。

2 混合高效电源技术

图3 采用分区温控方式的户外基站电源

表2 设备仓、电池仓测试数据

为解决传统动力电源系统能耗高，环境适应性差等问题，利用高效电路拓扑技术，选用高耐温等级器件，研制出高效电源模块。并增加智能监控识别系统，解决高效和普通模块混插公用和系统模块智能休眠问题，较完整地解决了户外电源应用上的难题。

2.1 高效电源模块

高效电源模块采用了超级结器件+碳化硅（Coolmos+SiC）三相维也纳以及三电平全桥串联谐振软开关（LLC）和同步整流技术，形成了相关专利技术，并在电磁兼容（EMC）及防雷控制等多个方面取得了技术突破，使高效电源模块在大电流输出时仍保持较高的工作效率，并保障了在户外恶劣使用环境中的可靠应用。由于高效模块采用了高性能的器件和先进的电路拓扑结构，工作效率比普通电源模块高5%。

2.2 混合高效电源

混合高效电源系统采用LLC谐振拓扑技术，在额定工况全负载范围内的软开关、自动识别电源模块、智能监控等控制模块的运行状态，实现高效和普通电源混插和休眠，在系统负载很轻时启用节能功能（关掉部分模块），可以降低损耗，使系统尽量工作在相对高效的状态，获得较优的能耗曲线，提高整机工作效率，节能效果显著。同时，在普通模块组成的系统中增加部分高效模块，提高了普通模块的适用性和利用率，有效提高了整机的价格性能比。

测试结果表明，混合高效电源在负载率小于20%时节能效果十分明显（见表3和图4）。

在实际基站应用中，混合高效电源系统效率随着高效模块的数量增大不断提升（见图5）。

表3 系统效率

图4 系统效率随负载变化曲线

图5 引入高效模块前后系统效率对比

3 柔性结构技术

传统户外机柜一体化基站标准化程度低，设备适应性及环境适应性差。户外平台机柜采用了模块化、标准化、柔性化、拼装结构灵活、适应性强、结构紧凑的机柜，可以满足不同厂家、不同制式的设备内置要求，同时满足未来扩容和网络演进要求。

机柜采用All-in-one设计理念，统一机柜外形尺寸，内设19英寸标准机架，所有基站设备放装可根据需要任意组合，结构紧凑，扩容简单。设备仓采用单层热镀锌钢板，散热性能良好；蓄电池仓采用热镀锌钢板，内层贴厚度40 mm的优质保温棉，表面有锡箔反射层，能够有效防止以辐射、传导等方式形成的热量交换，隔热性能良好。仓体采取了密封、防腐、防风、防盗、防震和降噪技术手段，安全可靠，设计使用寿命8~15年。

4 综合智能监控系统

传统户外机柜一体化基站监控简单、户外恶劣环境适应性差、无能耗管理等要求。户外平台开发了专门针对户外环境的综合智能监控系统，具备电源监控、环境监控、智能防盗监控和数据采集等功能，其主要有以下特点。

a）采集器具备底层数据分析能力，可有效减少监控数据流量，降低无线网络的传输数据量，有效提高传输质量。

b）专业的掉电信息存储技术，实现停电瞬间完成采集数据的传输。

c）全端口高标准防雷，能够适应恶劣的户外柜现场环境。

d）采用免调试和少调试解决方案，减少工程费用。

5 新一代通信综合接入平台与应用效益

户外平台集成分区温控、混合高效电源、柔性结构和智能监控等关键技术和创新成果，适应各种电信网络布点和统一综合接入需要。平台分为设备仓外尺寸为：650 mm（W）×600 mm（D）×1 200 mm（H），可以安装BTS、传输等基站设备及电源、配套等设备。电池仓分为立式与卧式2种，立式电池仓与设备仓外形尺寸一样，可与设备仓同列组合，仓内3层结构，可安放2组12 V/150 Ah蓄电池；卧式电池仓外形尺寸为：1 500 mm（W）×850 mm（D）×700 mm（H），可安装 1 组 2 V/300 Ah蓄电池。图6为一体化基站建设效果图。

目前，户外平台已在中国联通广东、上海、陕西、吉林、广西等省（市）规模应用，在其他电信运营商也有应用。