CRAN 模式下5B BBU 供电及散热浅析（1）—问题及思路

侯福平

（中国电信广州研究院，广东 广州 510000）

1 问题的提出

1.1 现 状

目前，5G 网络的建设已经全面开展，无线接入采用BBU+AAU 形式成为当前的主流，如图1 所示[1]。

5G 的BBU（Base Band Unit）布置有D-RAN（Distributed Radio Access Network） 和 C-RAN（Centralized Radio Access Network）两种模式，如图2 所示。中国电信目前采用C-RAN 模式，并在室内集中部署，形成BBU集中池化。未来，C-RAN 在室内集中部署模式应用将成为发展趋势。

图1 4G、5G 网络的无线接入形式

5G BBU 设备与4G BBU 相比，在处理能力大幅提升的同时，功耗也大大增加[2]。现场试验测试结果对比显示，5G BBU 的功耗已经由原来4G BBU 的150 ～ 300 W 增长到 500 ～ 1 200 W，即 5G BBU 功耗是 4G BBU 功耗的 3 倍以上[1,3]。

现用5G BBU 产品仍延用4G BBU 的工装工艺，按照D-RAN 模式应用场景进行设计，设备内部的气流组织设计和工艺没有改变。若采用C-RAN 模式室内集中部署，需要布置在机柜内且为堆叠安装，如图3所示[1,3]。

图2 无线接入网络的D-RAN 与C-RAN 模式

按C-RAN 模式室内集中部署投入运行后的BBU，实际运行后发现，常规下工作温度超过50 ℃，影响设备的正常运行，给机房建设、电源供给和制冷通风带来了巨大压力。

表1 各类机房安装BBU 的需求

1.2 各类机房安装BBU 的需求

在C-RAN 模式下，不同类型的5G BBU 机房基础设施规划建设中，考虑安装BBU 的需求如表1 所示。

图3 C-RAN BBU 模式室内集中部署的机柜实景

1.3 BBU 产品技术参数

目前，主流生产厂家在国内已经投入运行的5G BBU 设备一般都是按照D-RAN 模式进行设计制造，可以适应室内外不同的应用模式。它的外形、尺寸和结构如图4 所示。

图4 5G BBU 设备的外形结构、前后视图及面板

1.4 BBU 产品技术参数

根据相关厂家提供的资料，单台BBU 的换风量至少需要达到320 CFM（立方英尺/分钟，1 CFM=0.028 m3/min），相当于537.6 m3/h，才能保证设备的有效散热需求。

1.5 气流组织形态

目前，国内已经投入运行的主流厂家5G BBU 设备的散热气流组织形态如下[4]。

（1）“左进右出”，见图5。

图5 “左进右出”的散热气流组织

（2）“右进左出”，见图6。

图6 “右进左出”的散热气流组织

（3）“前进后出”，见图7。

图7 “前进后出”的散热气流组织

2 问题和影响程度

2.1 设备功耗大

传统的4G BBU 单板功耗通常在100 ～200 W，甚至更低，发热量不大，BBU 集中度相对较低。集中安装时，对机柜工艺、空调配置的要求均不高[2]。

根据ITU（国际电信联盟）近期正式发布ITUTL.1210（12/2019）《5G网络可持续供电标准》[5]的描述，相比4G 无线接入，5G 的功耗将大幅提升。以64T64R AAU 为例，最大功耗预计为1 000 ～1 400 W，BBU 最大功耗预计为1 200 ～1 500 W。此外，ITU 在该标准文件中指出，单站多频将成为5G 站点的典型配置。预计到2023年，5 频以上的站点比例将提升到45%。而在2016年，这个数据仅为3%。因此，典型站点最大功耗将超过10 kW，而10 个以上频段的站点最大功耗将超过20 kW。

实测5G BBU 设备的功耗要普遍远大于4G BBU 设备（3 倍以上[3]），如表2 所示[2]，最大达到2 000 W以上，发热量的增加非常明显。

表2 5G 和4G 无线接入设备的功耗对比

2.2 电源系统容量难以满足要求

目前，各厂家提供的5G BBU 设备均采用标准的通信用-48 V 直流电源供电，并在直流母排上并联蓄电池组作为不间断保障。

传统的直流供电解决方案如图8 所示。

图8 传统的直流-48 V 供电方案

根据YD/T 1058-2015《通信用高频开关电源系统》[6]的要求，通信用-48 V 高频开关电源“系统的容量配置不宜超过3 000 A”。对于大、中型C-RAN 机房，仅5G BBU 设备所需要的工作电流已经超过单套系统容量，因此需要设置多套系统，而这带来投资和机房空间的困难。

2.3 直流电缆大幅增加

由于采用直流-48 V 供电且供电功率大，直流电缆所需要的过流量也大。目前，最大直径的直流电缆为240 mm2，故需要的电缆数量必然大幅增加，如图9所示，带来了电缆槽道、走线架及其承重能力、电缆维护工作量的困难。

图9 BBU 机房中240 mm2 的直流-48 V 电缆

2.4 机柜功率密度高

参照各厂家提供的典型电气技术参数资料，5G BBU 设备满配功率一般约1 200W/台。若按照每个机柜布置10 台BBU 满配功率设备考虑，则将会达到1.2 kW/柜的功率密度。在设计规划中，电源系统配置功率应按2 000 W/台进行配置，则单机柜需要按照20 kW/柜来考虑。这样的功率密度在IDC 数据中心，必然属于高功率密度机柜。

2.5 机柜内部散热空间不足

在传统的通信机房中，多600 mm×600 mm（宽×深）设备机柜进行设计和布置（如图10 所示），且一般每机柜的设备功耗都在1 000 W 以内。

图10 传统通信机房中600 mm×600 mm（宽×深）设备机柜

在通信运营商发布的5G BBU 机房基础设施建设指导书中要求：“BBU 机柜采用19 英寸的标准机柜，机柜高度一般选择1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm 三种，具体按照机房的层高和走线架设置情况选择。”但是，指导书却没有关注机柜的深度问题。按照目前的配置，每个机柜内至少可以堆叠布放10 套BBU 设备，其每机柜的功耗已经不低于IDC数据中心的网络机柜。参考企业《数据设备用网络机柜技术规范》[7]等相关规范“IDC 数据中心中采用的网络设备机柜其深度应为800 ～1 200 mm”的要求，单机柜设备的功率密度必然大大超过一般的通信机房设备机柜，甚至还大于IDC 数据中心机房内的网络机柜，造成机柜内散热能力不足而无法满足设备要求。

2.6 气流组织不合理

BBU 设备“左进风，右出风”和“右进风，左出风”的通风散热方式，都与机房内空调的气流组织不协调，会导致机柜内气流组织混乱，开路、短路严重，散热冷量无法有效利用。若在同一机柜内安装有多个厂家BBU 设备，不同厂商设备进出风方式不一，气流紊乱情况将更严重。

同时，各厂家BBU 设备的宽度为450 mm。BBU 设备安装在外形宽度为600 mm、内部为19 英寸的标准机架内使用时，由于左右两侧散热空间不足，造成设备进出风不畅。加上机柜安装立柱、侧板加强筋、电缆走线均对侧面风口有遮挡作用，并列安装机柜侧板热量聚集的相互影响，最终导致BBU 设备运行温度偏高，易形成其本身高温宕机，也会影响周边其他设备的正常运行。

相比之下，设计为“前进后出”的BBU 设备，加上散热风扇的作用，其气流组织与机房内空调的气流组织比较协调，相对是合理的。

多台BBU 设备在机柜内的层层堆叠，隔热措施不到位，加剧了BBU 设备的发热问题。

虽然针对BBU 堆叠安装带来的散热问题有厂家提供了1U 的导风板，如图11 所示，但鉴于现实机柜条件分析，导风板的作用十分有限。实际测试证明，改进效果并不明显，甚至在某些情况下起反作用。

图11 厂家提供的1U 导风板

2.7 无法满足网络发展设备扩容需求

各厂家现有5G BBU 设备按照D-RAN 模式进行设计。在C-RAN 模式下应用时，早期按D-RAN 模式给出的5G 设备性能参数数据带来的不确定性，存在严重的供电能力尤其散热能力问题，目前只能采用降容使用的应急措施，减少BBU 设备插槽中的板卡数量。原本可以“1+4”的板卡配置只能减少为“1+2”配置，因此无法按最大额定功率达到在机房开展BBU 集中池化的设计规划。由于产品规划设计与应用模式不协调而产生的上述问题，使得未来5G 网络发展设备扩容需求无法实现，需要占用更多的机房基础设施资源。

若市电供电可用性能够满足要求或者BBU 设备不需要不间断保障，可以采用市电直供方式或者采用“一路市电+交流UPS”或“一路市电+直流240 V”的供电方式。

采用交流UPS 或直流240 V 的供电方案，可以有效解决系统容量不足以及直流电缆用量大的问题。特别是其工作电压升高为原来48 V 的5 倍以后，其工作电流仅为原来的1/5。理论上来说，直流电缆的使用量可以减少80%，可以大大降低工程中电缆的投资，减轻规划设计、工程施工以及运营维护的压力。

3 解决方案思路

从前面的分析可以看到，要解决C-RAN 模式下BBU 设备及其机柜的供电和散热问题，应该做好顶层设计，综合考虑实际应用情况，采用合理的解决方案。

3.1 不间断供电保障

（1）BBU 设备采用高电压供电是未来的发展方向。对于大、中型C-RAN 模式的BBU 设备机房，应该采取“提高供电电压、减小负载电流、增加电源设备大功率供电能力”的思路，优先选择交流UPS 或直流240 V 供电，应鼓励BBU 设备采用直接接受“交流220 V+直流240 V”兼容性受电的供电方式。

（2）需要进行降压转换时，应选择设备端就近转换的模式。可以在BBU 设备机房配置开关电源系统，甚至采用嵌入式开关电源的方式，以满足设备的大功率供电需求，并有效减少直流电缆的投资。

（3）在基站或小型C-RAN 模式机房，一般只有1 个BBU 设备机柜。可以充分利用现场的供电条件，采用传统的直流-48 V 供电。有条件的情况下，也可以采用交流UPS 或直流240 V 供电。

3.2 设备散热

（1）机房、机柜、设备三位一体，统筹兼顾，形成协调一致的合理气流组织，努力减少散热气流的短路和开路。

（2）将BBU 设备调整为竖装，有效实现合理组织气流，改善散热条件的效果。建立合理的进出风方式，并具备有效、隔离的冷热通道空间。

（3）优先选用就近制冷，精确送风。

（4）有条件的情况下，尽量采用精确送风制冷模式；优先采用列间空调制冷。

3.3 设备机柜

（1）应逐步要求通信机房设备机柜列按照1 000 ～1 200 mm 列宽进行机房平面规划设计，并优先采用1 000 ～1 200 mm 机柜，有效降低单机柜功率密度。

（2）BBU 设备竖装需要专用的机柜或增加专用BBU 插框，通过插框实现设备的合理布放。

（3）在C-RAN 模式下，5G BBU 的专用设备机柜如图12 所示。

图12 C-RAN 5G BBU 设备机柜