新一代通信綜合接入戶外平臺的研究和應(yīng)用

陳旭東，李 衛(wèi)，黃曉明（中國聯(lián)通廣東分公司，廣東 廣州510627）

0 前言

據(jù)工信部統(tǒng)計，2010年我國通信行業(yè)耗電量達到332億kWh，其中基站的耗電量已占62%。中國三大電信運營商的基站總數(shù)已經(jīng)超過80萬個，隨著3G網(wǎng)絡(luò)的完善，未來幾年基站還將以20%左右的速度增加，基站節(jié)能成為運營商節(jié)能降耗和控制運營成本的重點。

當(dāng)前，基站有2類：一類是傳統(tǒng)的機房基站，另一類是戶外機柜一體化基站。傳統(tǒng)基站能耗高、占地大、租建費用高、選址或續(xù)租難。現(xiàn)有戶外一體化基站對環(huán)境的適應(yīng)性差，安全性差，動力環(huán)境監(jiān)控不完備，設(shè)備壽命縮短、能耗高。另外，機柜不統(tǒng)一，搬運安裝困難，無法規(guī)模化推廣應(yīng)用。針對這些問題，本文首先探討溫控、電源、機柜設(shè)計和智能監(jiān)控系統(tǒng)等與戶外機柜相關(guān)的技術(shù)，然后介紹集上述技術(shù)創(chuàng)新于一體的新一代通信綜合接入戶外平臺（下簡稱戶外平臺），最后簡述戶外平臺的實際應(yīng)用效果。

1 戶外機柜溫控技術(shù)

1.1 分區(qū)溫控

戶外機柜溫度控制主要有直通風(fēng)、熱交換、半導(dǎo)體或壓縮機空調(diào)制冷等方式（如圖1）。傳統(tǒng)戶外機柜一般采用單一的溫控方式，無法滿足電池等工作環(huán)境要求高的設(shè)備要求。初步統(tǒng)計，傳統(tǒng)戶外柜中的電池因溫度過高壽命縮短60%。

圖1 4種典型的分區(qū)溫控系統(tǒng)

分區(qū)溫控技術(shù)將戶外機柜分為設(shè)備倉、電池倉等，根據(jù)環(huán)境及設(shè)備功耗、設(shè)備工作溫度要求，將基站設(shè)備分區(qū)分倉安裝，不同設(shè)備采用不同溫控方式或幾種溫控手段相結(jié)合的方式，既滿足各種設(shè)備工作環(huán)境要求，同時有效降低溫控系統(tǒng)整體能耗。

1.2 空調(diào)、熱交換混合溫控

采用熱交換器和空調(diào)混合控溫，溫度高時空調(diào)工作，溫度低時熱交換器工作，空調(diào)、熱交換器一體化，互為備份。如圖2所示，機柜內(nèi)循環(huán)的風(fēng)路從上部吸入熱空氣，冷空氣從下部排出。外部循環(huán)中的空調(diào)循環(huán)部分，從下部吸入外界冷空氣，經(jīng)過冷凝器后熱空氣從上部排出；外部循環(huán)中的熱交換循環(huán)部分，從右側(cè)吸入外界冷空氣，經(jīng)過熱交換后熱空氣從前部排出。通過熱交換器散熱可以減少空調(diào)壓縮機的散熱負擔(dān)從而節(jié)能。

圖2 空調(diào)熱交換一體機原理

空調(diào)熱交換一體化混合溫控技術(shù)集成了空調(diào)、熱交換制冷技術(shù)，工作模式根據(jù)溫度自動倒換，空調(diào)和熱交換可單獨分別工作，需要大量散熱時可同時工作，交流掉電時熱交換器部分仍然可工作，既提高了溫控的可靠性，又節(jié)約能耗，散熱或制冷效果更佳。

模擬某地區(qū)春、夏、秋、冬4季24 h戶外環(huán)境溫度變化，空調(diào)熱交換一體化機柜和單純空調(diào)機柜內(nèi)部放置同樣的模擬負載，并正常通電，測試一體機能耗，測試結(jié)果見表1。

表1 節(jié)能測試結(jié)果

由表1可見，在冬季，因環(huán)境溫度低，空調(diào)不工作，機柜均處于自然散熱狀態(tài)，單純空調(diào)與空調(diào)+熱交換一體機的能耗一樣，但在其他3季，單純空調(diào)比空調(diào)+熱交換一體機的能耗均高。全年的平均功耗為：單純空調(diào)機柜199.4 W，空調(diào)+熱交換一體機柜140.0 W。空調(diào)+熱交換一體機柜比單純空調(diào)機柜節(jié)能約29.8%。

1.3 設(shè)備倉、電池倉溫控方式

設(shè)備倉中基站主設(shè)備、傳輸、電源和配套等對工作環(huán)境溫度要求低，可以采用熱交換器風(fēng)扇散熱。設(shè)備倉有內(nèi)外2個風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，艙門上或頂部安裝熱交換器，設(shè)置前后或左右循環(huán)風(fēng)道，倉內(nèi)熱量通過內(nèi)風(fēng)循環(huán)傳遞給熱交換器，然后通過外循環(huán)傳遞給戶外大氣（見圖3）。電池倉中蓄電池對工作環(huán)境溫度要求高，采用半導(dǎo)體空調(diào)（TEC）制冷器降溫。

設(shè)備倉換熱能力測試數(shù)據(jù)見表2。

換熱能力=800 W/（53.96-44.5）℃≈84.5 W/℃，滿足要求。

從電池倉測試數(shù)據(jù)（見表2）看，滿足電池工作環(huán)境要求。

2 混合高效電源技術(shù)

圖3 采用分區(qū)溫控方式的戶外基站電源

表2 設(shè)備倉、電池倉測試數(shù)據(jù)

為解決傳統(tǒng)動力電源系統(tǒng)能耗高，環(huán)境適應(yīng)性差等問題，利用高效電路拓撲技術(shù)，選用高耐溫等級器件，研制出高效電源模塊。并增加智能監(jiān)控識別系統(tǒng)，解決高效和普通模塊混插公用和系統(tǒng)模塊智能休眠問題，較完整地解決了戶外電源應(yīng)用上的難題。

2.1 高效電源模塊

高效電源模塊采用了超級結(jié)器件+碳化硅 （Coolmos+SiC）三相維也納以及三電平全橋串聯(lián)諧振軟開關(guān)（LLC）和同步整流技術(shù)，形成了相關(guān)專利技術(shù)，并在電磁兼容 （EMC）及防雷控制等多個方面取得了技術(shù)突破，使高效電源模塊在大電流輸出時仍保持較高的工作效率，并保障了在戶外惡劣使用環(huán)境中的可靠應(yīng)用。由于高效模塊采用了高性能的器件和先進的電路拓撲結(jié)構(gòu)，工作效率比普通電源模塊高5%。

2.2 混合高效電源

混合高效電源系統(tǒng)采用LLC諧振拓撲技術(shù)，在額定工況全負載范圍內(nèi)的軟開關(guān)、自動識別電源模塊、智能監(jiān)控等控制模塊的運行狀態(tài)，實現(xiàn)高效和普通電源混插和休眠，在系統(tǒng)負載很輕時啟用節(jié)能功能（關(guān)掉部分模塊），可以降低損耗，使系統(tǒng)盡量工作在相對高效的狀態(tài)，獲得較優(yōu)的能耗曲線，提高整機工作效率，節(jié)能效果顯著。同時，在普通模塊組成的系統(tǒng)中增加部分高效模塊，提高了普通模塊的適用性和利用率，有效提高了整機的價格性能比。

測試結(jié)果表明，混合高效電源在負載率小于20%時節(jié)能效果十分明顯（見表3和圖4）。

在實際基站應(yīng)用中，混合高效電源系統(tǒng)效率隨著高效模塊的數(shù)量增大不斷提升（見圖5）。

表3 系統(tǒng)效率

圖4 系統(tǒng)效率隨負載變化曲線

圖5 引入高效模塊前后系統(tǒng)效率對比

3 柔性結(jié)構(gòu)技術(shù)

傳統(tǒng)戶外機柜一體化基站標(biāo)準(zhǔn)化程度低，設(shè)備適應(yīng)性及環(huán)境適應(yīng)性差。戶外平臺機柜采用了模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化、拼裝結(jié)構(gòu)靈活、適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)緊湊的機柜，可以滿足不同廠家、不同制式的設(shè)備內(nèi)置要求，同時滿足未來擴容和網(wǎng)絡(luò)演進要求。

機柜采用All-in-one設(shè)計理念，統(tǒng)一機柜外形尺寸，內(nèi)設(shè)19英寸標(biāo)準(zhǔn)機架，所有基站設(shè)備放裝可根據(jù)需要任意組合，結(jié)構(gòu)緊湊，擴容簡單。設(shè)備倉采用單層熱鍍鋅鋼板，散熱性能良好；蓄電池倉采用熱鍍鋅鋼板，內(nèi)層貼厚度40 mm的優(yōu)質(zhì)保溫棉，表面有錫箔反射層，能夠有效防止以輻射、傳導(dǎo)等方式形成的熱量交換，隔熱性能良好。倉體采取了密封、防腐、防風(fēng)、防盜、防震和降噪技術(shù)手段，安全可靠，設(shè)計使用壽命8~15年。

4 綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)戶外機柜一體化基站監(jiān)控簡單、戶外惡劣環(huán)境適應(yīng)性差、無能耗管理等要求。戶外平臺開發(fā)了專門針對戶外環(huán)境的綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)，具備電源監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、智能防盜監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等功能，其主要有以下特點。

a）采集器具備底層數(shù)據(jù)分析能力，可有效減少監(jiān)控數(shù)據(jù)流量，降低無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)量，有效提高傳輸質(zhì)量。

b）專業(yè)的掉電信息存儲技術(shù)，實現(xiàn)停電瞬間完成采集數(shù)據(jù)的傳輸。

c）全端口高標(biāo)準(zhǔn)防雷，能夠適應(yīng)惡劣的戶外柜現(xiàn)場環(huán)境。

d）采用免調(diào)試和少調(diào)試解決方案，減少工程費用。

5 新一代通信綜合接入平臺與應(yīng)用效益

戶外平臺集成分區(qū)溫控、混合高效電源、柔性結(jié)構(gòu)和智能監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新成果，適應(yīng)各種電信網(wǎng)絡(luò)布點和統(tǒng)一綜合接入需要。平臺分為設(shè)備倉外尺寸為：650 mm（W）×600 mm（D）×1 200 mm（H），可以安裝BTS、傳輸?shù)然驹O(shè)備及電源、配套等設(shè)備。電池倉分為立式與臥式2種，立式電池倉與設(shè)備倉外形尺寸一樣，可與設(shè)備倉同列組合，倉內(nèi)3層結(jié)構(gòu)，可安放2組12 V/150 Ah蓄電池；臥式電池倉外形尺寸為：1 500 mm（W）×850 mm（D）×700 mm（H），可安裝 1 組 2 V/300 Ah蓄電池。圖6為一體化基站建設(shè)效果圖。

目前，戶外平臺已在中國聯(lián)通廣東、上海、陜西、吉林、廣西等?。ㄊ校┮?guī)模應(yīng)用，在其他電信運營商也有應(yīng)用。

圖6 一體化基站建設(shè)效果圖

戶外平臺在溫控、動力電源、機柜結(jié)構(gòu)、智能監(jiān)控等方面取得了突破，適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演進需要，成本低、節(jié)能減排效果顯著。實際應(yīng)用結(jié)果顯示，可節(jié)約33%~38%的建設(shè)費用，節(jié)省39%運營費用，大大減少了運營商的建設(shè)成本和運營成本，有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］陳旭東.一體化基站節(jié)能探討［J］.電信科學(xué)，2010（12）.

［2］牛威.淺談通信行業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2011（7）.

［3］徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)［M］.2版.上海：上海交通大學(xué)出版社，1998.

［4］尉遲斌.實用制冷與空調(diào)工程手冊 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.