CRAN机房机柜热管理分析

高东健

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

科学研究结果表明，目前5G承载网络采用的5G BBU功耗相当大，可达到4G BBU的3倍以上，整体BBU功耗最高达到24 kW。因此，解决5G承载网络背景下的CRAN机房机柜散热问题成为关键。传统方法中采用多个机柜解决这一散热问题，但问题在于多机柜带来的高成本企业难以承受。一般5G BBU仅仅集中于1～2个机柜，因此研究其高效散热理论与应用实践成为重中之重。目前来看，采用仿真技术CFD配合数据中心微模块技术是可行的。

1 CRAN机房布局简述

1.1 CRAN机房布局

CRAN组网模式不同于传统DRAN分布式接入模式，所以它的机房布局更加复杂，对技术要求更苛刻，也存在较为明显的散热热管理问题。究其原因，在CRAN机房侧集中布局了大量BBU和射频单元模块。为了保证散热到位，它们均采用拉远模式进行设置，因此机房布局整体上对光纤资源的应用要求非常高。

具体来讲，在CRAN机房中会接入大量骨干光缆，骨干光缆主要衔接主干层和配线层，配合配线光缆预留多个光缆芯，最终构成一套完整的有线接入网络。它直接面向CRAN机房构建新的无线机制，同时实现了OLT下沉、新增MEC的需求。一般来说，在骨干接入光缆方面会配置144芯有效满足业务需求，同时考虑到后期扩容需求，可适当将光缆芯数量直接放大2倍到288芯，同时配线光缆方面采用最多96芯光缆。针对CRAN机房还要设计专门的前传拉远机制，5G前传目前公认的接口类型有CPRI接口和eCPRI接口两种，保证接口速率分别在100GE和25GE左右。基于这两种接口速率还能进一步提出两种CRAN机房设计解决方案，即光纤直驱和无源WDM+采光直驱方案。因为在CRAN机房设计模式下采用独立的BBU配合DU可直接收敛最多20个AAU，而在光纤直驱方案引导下则会消耗大量光纤资源，确保BBU/DU侧光纤管理要求到位，打破了传统中光缆资源出口管道瓶颈问题，提高了CRAN机房的整体建设效率。在20个AAU侧还专门配置了光合分波器OMD，该分波器同样具有较长波长和较大功耗，特别是前传光纤资源消耗方面。

综上所述，CRAN机房资源功耗大。在对资源的集中化处理方面，CRAN机房采用协作式无线电结构与实时云计算构架。目前，为了迎合国家绿色能源发展战略，CRAN机房还引入了绿色无线接入网络构架，最大限度地减少基站机房数量并降低能耗。它采用智能协作化虚拟技术，为资源共享与动态调度提供了有价值的技术参考。在设计布局CRAN机房过程中，需要主动提高频谱效率，追求高带宽、高灵活与低成本，以优化CRAN机房运营机制，保证从更多方面合理规划机房能耗、建设运维成本与频谱资源，为企业未来业务与利润增长创造有利条件。

1.2 CRAN基站建设

与传统DRAN机房基站模式建设手段、内容都不同，要明确CRAN基站模式建设。例如，在相同物理地点建设基站过程中，需要结合CRAN机房中的RRU优化光纤建设机制，构建全新的RRU光纤拉远方式，在不同建筑物上分别建设不同发射点，然后进行网络运维数据测算。在该过程中可最多收敛8个机房的BBU内容，有效控制CRAN初期投入运维成本，约在第5年后可保证CRAN机房的成本控制能力在DRAN机房的成本控制能力之上[1]。

2 CRAN机房布局中的CFD仿真技术应用与散热理论分析

在CRAN机房设计布局中采用CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真技术，被称之为“计算流体动力研究”，其中结合了大量数值数学和计算机数学知识内容。在CFD仿真计算过程中，它主要模拟机房IT设备、空调设备等展开技术运行过程，模拟建筑气流场、温度场优化机房布局效果，同时验证机房中的空气气流与散热组织状况。简言之，它利用CFD仿真技术构建机房中的气流组织图形内容，深度模拟机柜发热状况，并对机柜的整体运维安全性进行有效分析[2]。

基于CFD仿真技术，需要对CRAN机房机柜的散热理论进行模拟分析。假设如果存在一个CRAN机房共集成了4G BBU和5G BBU各5个，5G BBU的实际功耗为1.5 kW，4G BBU的实际功耗为0.5 kW。如果在机房布局过程中不采用任何散热保护措施，仅仅采用两种BBU的累积迭压，则可能无法达到合理的有效散热效果。以CRAN机房中的10 kW机柜为例，它在不进行任何处理状态下必须建立规范风道引流与阻断装置。可考虑在下层设备热量不断向上升腾累积过程中隔离机柜中的冷热通道，对机柜中环境进行仿真模拟。如果机柜设备出风区温度超过70 ℃，则会直接影响设备的安全运行状态，甚至可能由于温度过高导致出现宕机问题。此外，长期高温状态运行会加速设备系统老化，引发火灾等重大安全事故，造成严重的经济损失。

结合仿真结果初步判断，CRAN机房机柜中导风部件存在冷热区域隔离不到位问题。必须解决这一问题，才能满足机柜安全使用温度要求。如果采用单独的风道引流装置，再模拟安装导风部件可初步判断仿真结果，确保导风部件设计合理有效，同时必须结合CRAN机房机柜的实际散热应用实践展开分析[3]。

3 CRAN机房机柜的散热实践应用分析

结合上述CFD理论进行分析判读，确保设备安装中保留导热部件，并合理阻断冷热通道，进而有效改善机柜热环境，同时确保在设备正常安全温度下运行机柜。为了有效验证理论仿真成果，需要选择一个机柜站点进行深度测试，新建BBU集中模式，保证基站设备正常开启。在负荷相同的状况下，对比安装导风部件与未安装导风部件的实际效果，并对设备周边环境温度情况进行监测处理。实际测试结果显示，在导风装置安装前，需要将平均环境温度控制在55～65 ℃，并合理均衡个别出风口温度。正常安装导风装置后，可将温度调整下降到45 ℃左右，且避免同时记录同一记录点温度变化状况。一般来说，机柜中的导风装置可起到较强的引风引流效果，合理规避冷热气流混合状况，同时降低机柜设备温升温度。简言之，如果在45 ℃的设备环境中，必须规避机柜温升过高这一问题，才能确保机柜后续布局设计完善到位。另外，有必要在机柜出风口位置设计安装一套散流风扇，有效降低CRAN机柜的周边平均环境温度，以求达到最佳环境温度水平，为机柜长久持续稳定运行创造有利的空间条件。

在CRAN机房机柜散热设计布局过程中，必须考虑到它的光纤消耗巨大问题。一般来说，以6站18载波CRAN机房建设为例，采用传统的光纤直驱模式需要18芯光纤，而采用光源WDM+彩光直驱新模式，同样为6站，但是载波数量上升3倍达到54载波，且只需要6芯光纤，显然后者成本更低，能够实现一机房拖载6个AAU。它的部署难度更低，主要依靠传输设备进行扩容，同时搭载了无线设备CPRI管理功能，整体散热效果更佳。基于上述要点，可建立CRAN机房的理想散热模式，提升散热效率，保证机房健康运行，降低故障率和老化率。

基于光源WDM+彩光直驱新模式建立CRAN机房理想模式，其中需安装大量导流部件，确保CRAN机房机柜散热部分均衡优化。但是，如此操作仅仅能解决一部分问题，不能解决所有问题。实践结果表明，如此操作仅适用于空调状态良好、整体制冷量充足的某些基站场合，而并不适用于对某些功耗较高且设备制冷要求较高的CRAN机房。为了有效降低BBU基站整体能耗，还需要结合5G承载网络基站建设进度控制系统，做到对线上CRAN基站的快速设备与技术部署，解决CRAN机房机柜中制冷设备与数据中心的高功耗问题。这里可借鉴基站微型模块，以解决CRAN机房机柜热管理问题。

设计布局CRAN机房机柜的过程中可设计加入微模块，将电源、柜内空调以及机柜等融为一体，形成一体化设备体系，充分考虑到空调精确制冷模式的应用优势，最大限度地发挥CRAN机房机柜中微模块的强制冷能力和高能效，如图1所示[4]。

图1 CRAN机房机柜中的微模块设计概念图

考虑到微模块中的电源、空调、机柜已经构建了三位一体集成体系，因此设计对最大限度地节省基站开通时间是有利的，可有效规避单机柜体热量过高问题。具体来讲，它主要结合CFD仿真技术仿真模拟机柜中的空调，全方位提升其制冷效果，做到具体问题具体分析，具体问题具体解决。如果设计合理，可保证一台机柜中同时布局4G BBU和5G BBU各5台，满足高功耗设备制冷到位地的需求[5]。

4 结 论

目前，各国都迎来了5G承载网络建设布局重大任务，而基于5G承载网络CRAN机房建设可最大限度降低网络运营功耗，提高网络数据传输效率，为网络运营商节约大量功耗成本。文中基于5G承载网络建立了5G CRAN机房，并对其机房中的机柜BBU集中散热问题进行了研究分析，希望基于新技术、新设备优化机柜内部倒流装置，保证基站空调制冷量充足的情形下有效降低设备周边环境温度，减少热量集聚为设备带来的危害问题，结合基站微模块建设，实现节能减排发展目标，为CRAN机房机柜长久健康稳定运行奠定基础。