智能机柜在5G BBU集中部署的应用研究

李云蛟

（维谛技术有限公司，广东 深圳 518055）

0 引 言

面对网络通信的快速发展，5G正在打破传统的通信方式，衍生出更加开放、融合、创新的通信架构。5G的大带宽、高速率、低延迟为下游垂直行业提供了丰富的、可实现的、可持续的应用场景，为基于5G网络的创新应用提供了无限可能。现阶段，5G已经成为通信网络发展建设的重中之重，并逐渐向着高效、快速、精简运维的方向快速发展，对传统通信网络基建提出了更高的建设需求和挑战。其中，C-RAN已经成为5G网络建设的首要组网模式。

1 5G C-RAN组网的优势

1.1 C-RAN的定义

C-RAN（Centralized，Cooperative，Cloud and clean RAN）的基本定义是：基于分布式拉远基站，云接入网C-RAN集中所有或部分的基带处理资源形成一个基带资源池，并对其进行统一管理与动态分配，在提升资源利用率、降低能耗的同时，通过对协作化技术的有效支持提升网络性能。BBU C-RAN组网演进，如图1所示。

1.2 C-RAN的主要特点

C-RAN组网是5G网络建设的重要技术手段，其集中化、协作化、云化和绿色节能的4大特征[1]，正是5G网络未来多元化垂直应用的关键保障。

1.2.1 集中部署

5G C-RAN采用BBU集中放置的概念，实现物理层处理的集中，对降低站址选取难度、减少机房数量、共享配套设备（如电源、电池、空调）等具有显而易见的优势。根据相适应的应用场景，它还可以有选择地进行小规模集中或者大规模集中。

1.2.2 协作能力

可引入CoMP、D-MIMO等物理层技术，实现多小区、多数据发送节点间的联合发送和联合接收，提升小区边缘频谱效率和小区的平均吞吐量。同时，引入5G空口后，可实现多连接、无缝移动性管理、频谱资源高效协调等协作化能力。

1.2.3 无线云化

实现资源与应用的解耦，系统可以根据实际业务负载、用户分布、业务需求等实际情况，动态实时调整处理资源和空口资源，实现按需投入无线网络资源，提高新业务的快速部署能力。

1.2.4 绿色节能

利用集中化、协作化、无线云化等能力，可以减少运营商对无线接入机房的依赖，降低配套设备和机房建设的成本和综合能耗；可实现按需无线覆盖调整和处理资源调整，在优化无线资源利用率的条件下，提升全系统的整体效能比。

图1 BBU C-RAN组网演进

1.3 C-RAN BBU集中部署的优势

首先，通过集中部署和协作化技术，可以满足5G网络架构的快速建设，并在资源共享、协作能力、无线云化和绿色节能方面具有突出优势。其次，有利于降低基站选址难度，提高组网灵活性，有利于引入CoMP（协作多点）等协作化技术提升网络性能，有利于MEC（移动边缘计算）等技术的部署。最后，C-RAN采用BBU集中汇聚可以有效降低5G基站新建和改造成本，达到快速建站、精简运维的目的。分布式建设和集中式（C-RAN）建设TCO对比，如图2所示。

图2 分布式建设和集中式（C-RAN）建设TCO对比

如图3所示，BBU集中化部署通过将各个站点的BBU集中堆叠，利用高速低时延交换设备互联，BBU簇内资源统一协调管理、站间干扰协同处理，可有效降低密集小区间干扰，大幅提升小区边缘速率，达到低干扰、高速率、大带宽和低时延的目标。这是5G网络架构的基础保障，同时大幅降低了运营成本。

图3 BBU集中部署示意图

2 传统通信机房建设C-RAN的挑战

5G网络架构比传统4G网络相比发生了巨大变化，基站数量大幅增加，对机房空间、机房能耗、环境治理、新建和改造成本带来了巨大的资本投入压力，如图4所示。

空间不够，需要更加精细化的资产管理，以合理调配空间资源，明确5G核心设备BBU的部署方案。考虑5G信号覆盖范围，BBU集中部署为首选方案，以实现机房资源的共建共享。

供电、制冷也带来了巨大挑战。对比传统4G基站，5G设备功耗进一步加大，单站功耗预计达到4G的3～4倍（如图5所示），以往的供电容量设计已经不满足5G的供备电需求，固有机房的市电引入容量和电源容量、配电容量、电池容量均需要大规模改造，成本高，周期长。此外，高功耗设备还要考虑机房散热问题，需要更加节能的机房专用精密空调，以保障机房长期稳定运行的环境需求。

图4 C-RAN建设的挑战

图5 4G与5G基站设备功耗对比

3 智能机柜应用分析

3.1 智能机柜概述

智能机柜为满足5G C-RAN组网BBU汇聚的安全可靠运行提供的完整的、对外隔离的、具有独立的供电、配电、备电、环境制冷和动环管理系统的智能化一体式机柜系统，演变过程如图6所示。

图6 传统机房向智能机柜演变

理想的智能机柜可以满足高功耗5G BBU的集中汇聚，可有效解决由此带来的高密热点引起的基站宕机问题。同时，机柜内外应完全隔离，为BBU等设备运行提供稳定可靠的运行环境，提升整个5G网络接入汇聚层的可靠性。机柜本身具有极简的运维界面，是5G网络建设节能降耗的重要技术应用方案。同时，可兼容更多类型机房设备，是5G及未来机房建设的发展方向。传统机房和智能机柜的建设、运维对比，如图7所示。

图7 传统机房和智能机柜的建设、运维对比

3.2 智能机柜的特点分析

3.2.1 高度集成

集成供配电、空调制冷、电池备电、动环管理等，真正实现机柜即机房，如图8所示。独立的内外隔离设计，全面支持通信设备的集中汇聚。

图8 智能机柜的集成设计

3.2.2 内置电源系统注重高效节能

5G大规模的基站建设对于未来的基站节能也会提出要求，智能机柜集成的电源系统应考虑采用高效电源系统。基于目前的电源技术，ECO效率要大于96%以上，并具有智能节能休眠技术，同时应考虑引入超高效率整流模块实现极致节能，实现系统的超低能耗。通信电源休眠节能对比和高效节能对比，如图9所示。

3.2.3 注重精密定向制冷，按需制冷

智能机柜采用全封闭内外隔离设计，冷热解耦。如图10所示，内置的精密空调可以实现按冷量定向制冷，同时可以实现按需制冷，达到空调节能的目的。就近送风是解决BBU汇聚产生高密热点的最有效的温控方案。

图9 通信电源休眠节能对比和高效节能对比

图10 空调就近定向按需制冷

3.2.4 供电架构更加丰富，兼容改造和新建机房

5G网络建设70%以上将基于现网机房升级改造，电源改造和利旧将不可避免。所以，智能机柜应可以同时兼容多种供电解决方案，是5G机房供电方案的重点评估对象。它不限于-48 V直流供电，兼容支持HVDC、新能源、交流、储能等多种供电方案，才能适应机房供电对5G网络的基础承载需求。具体可主要归纳为以下4种供电方案：嵌入式电源一体化供电、组合式电源并柜供电、HVDC并柜供电和HVDC全链路高压直流供电，分别如图11～图14所示。

图11 嵌入式电源一体化供电

图12 组合式电源并柜供电

图13 HVD并柜供电

图14 HVDC全链路高压直流供电

3.2.5 集成智能监控管理系统

智能机柜为一套完全独立的模块化机房，内部集成智能监控管理系统，可以提供全方位机房环境管理和系统运行管理，实现机房无人值守，精简运维。智能机柜监控方案如图15所示。

图15 智能机柜监控方案

3.2.6 机柜模块化设计，更加节省占地资源

5G基站数量预计将是4G基站数量的1.5倍。因此，节地、缩减基站选址成本，提升机房利用率是必然的建设措施。目前，智能机柜单柜占地为0.8 m2，双柜占地1.6 m2（如图16所示），可以容纳5～15个基站BBU汇聚，可以大大降低5G机房的选址难度，有效降低5G网络建设周期，提升运维管理效率。

图16 智能机柜占地面积

4 结 论

综上所述，2020年5G建设步入快车道。5G网络建设面向接入层的汇聚机房，采用C-RAN组网是当下解决5G基站数量增长、功耗增加、面向垂直应用协同资源处理最行之有效的组网方式。BBU集中部署需要智能机柜提供完整的一体化解决方案，满足当下5G组网的快速部署和精简运维需求，是5G C-RAN BBU集中部署和通信机房建设的优选方案。