C-RAN机房过热问题分析及改造方案应用

胡 涛，宋嘉皓，郑骏文

（中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

随着移动互联网的迅速发展，用户对数据业务的需求量越来越多，为了满足用户的需求，提供覆盖更好、速度更快、时延更小的移动通信服务，运营商在网络建设的投资越来越高[1]。基于5G网络面向全国部署的政策，5G基站建设成为“新基建”的核心重点领域，但是5G基建成本高和能耗高的问题让运营商难以承受。在这样的背景下，中国移动提出了基于云计算的无线接入网构架（Cloud-Radio Access Network，C-RAN），有利于减少基站机房数量和能耗、降低基站选址难度和提高资源共享调度效率[2]。

C-RAN组网采用BBU集中部署方式，将现网汇聚机房作为室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）集中机房，由于存在大量BBU高度集中和BBU之间无空隙安装等现象，使得C-RAN机房功耗急剧增加、设备局部热点问题加重，最终导致供电和制冷系统出现一系列问题[3]。

由于汇聚机房一般采用房间级空调制冷的形式，把机房空调放置在机房周围，通过高架地板和地板打孔把冷风送到机柜周围，进而达到降温的效果。随着C-RAN机房不断建设，设备密集度越来越高，对机房空调提出更高的需求，不仅不能解决设备过热问题，还会增加耗电量和经济成本。

针对上述背景和问题，本文提出一种新的机柜级制冷方案，可以根据汇聚机房现状和供冷需求有效解决机房过热问题，降低了能耗、建设和运维成本，同时追求未来可持续的节能路线。

1 C-RAN机房过热问题及解决思路

1.1 机房设备高密度问题

由于C-RAN机房汇聚大量BBU，占据了机房机柜原有设备的空间，使得BBU与其他设备集中安装。若机柜内部没有空间，还会选择柜顶放置。随着机房设备增多，发热量逐渐增大，导致机房设备密度高，出现设备局部过热的问题，机柜表面过热温度可能超过64 ℃，机柜内部过热温度可能超过65 ℃，如图1所示。如果为了考虑过热问题将设备分散部署，空间浪费的问题会进一步加重。

图1 机柜内外温度示意

1.2 房间级空调制冷问题

房间级空调制冷利用了冷热空气交换原理，空调送出冷风，通过流通传递给机柜设备进行冷却，将热量带出设备。这种制冷方式为先冷环境、后冷设备，设备排出的热量会扩散在环境中，在冷却环境时增加了大量能耗[4]。此外，机房门窗漏冷严重、墙洞缝隙透风、空调位置不均和空调老旧损坏无效运行等情况使得空凋冷却效率不高，容易出现局部热点温度过高的问题。

1.3 气流组织混乱问题

汇聚机房在使用过程中会受到气流组织因素的制约和限制，由于IT设备是靠机房空调送入的低温风与其散热充分交换带走热量，降低机架内温度，气流组织起到热交换媒介纽带作用，当机房内空调送风距离远、设备安装在角落和设备背对空调时，热交换的纽带不顺畅，空调送风受阻[5]。此外，机房内设备进出风口不一致，BBU和分组传送网（Packet Transport Network，PTN）采用左进右出的通风方式，光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）采用下进上出的通风方式，电源采用前进后出的通风方式，使得机柜内外气流组织混乱，设备四周气流受阻，冷热气流掺混，如图2所示。

图2 机柜内外气流示意

气流组织不合理时，现状只能是机房空调设备容量配置远远大于实际需求量，以满足机房需要，造成空调设备投资增大、运行费用增高，机房电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE ）值增大。

1.4 C-RAN机房过热解决思路

C-RAN机房设备长期高温运行会增加运行风险，热涨效应会导致设备出错率和失效率增高，温度过高还可能使服务器硬盘损坏、计算机可靠性和使用寿命降低，亟需针对机房设备过热问题提出新的解决思路。

（1）高密设备收容。随着BBU集中部署，机房设备呈现高密度化。高功耗BBU设备热点高温严重影响到其他设备散热，可以将BBU设备单柜极简收容，多类型发热设备整站收容，既可以减少设备占用空间，还可以缓解设备高密度冗杂的情况。

（2）空调精确制冷。由于机房空调给环境降温制冷效率低下，带来高额的电费问题，可以将高密设备和高发热设备收容后进行集中精确制冷，利用机柜空调进行有针对性的近端封闭降温，有效解决设备送风不均的情况，降低空调能耗[6]。

（3）引导气流组织。机柜内部设备进出风方式不一致，导致柜内气流组织混乱，产生高温过热问题，可以在高密设备收容和空调精确制冷的前提下，加上隔离组件和导风组件，引导冷热气流有序流动，多个设备共享冷量，提高散热效率。

2 机柜级制冷改造方案

基于5G时代通信设备的供冷需求以及机房设备过热问题解决思路，使用机柜级制冷方案，提出新的一体化节能柜产品。节能柜将空调、电源、电池、BBU和PTN等设备进行整站收容，将原有机柜和空调柜门组合成节能机柜单元，将隔离组件和导风组件整合至柜内，实现高效降温，如图3所示。通过精确制冷、热管换热和气流组织构建等技术，可以有效增大空气流量、自动调节空调设定温度、提高设备稳定性和扩容能力。

图3 一体化节能柜产品外观

2.1 单柜高密集成

汇聚机房及基站建设过程中，设备逐渐高密度化，为了精确高效制冷，一体化节能柜高密集成化和模块化，保证在有限的空间内收容更多数量、更多类型的设备，共享冷量。传统的机房配置一般具备电源柜、电池柜、BBU柜、PTN柜和光纤配线架（Optical Distribution Frame，ODF）柜等，存在散热不均和浪费空间的问题，一体化节能柜单柜高密集成了电源、电池、BBU和空调模块等，不仅可以集中处理高热设备，还能同时满足多种类型设备的散热需求，单柜高密集成改造方案如图4所示。

图4 单柜高密集成改造方案

2.2 气流组织构建

汇聚机房设备密集导致冷热气流混杂，为了对高功耗设备精确送风，构建良好的气流组织，一体化节能柜通过增设隔离组件和导风组件，在柜内构建了冷热通道，可以将“前进后出”“左进右出”和“下进上出”的多类型设备气流引导为统一的“冷风前部送入，热风后部集中”方式，达到气流转向和冷热隔离的目的，达到散热效果，如图5所示。

图5 机柜气流组织构建

2.3 热管切换换热

为了提升传热能力，消除局部设备热点问题，一体化节能柜充分利用了热管换热技术[7]。热管是利用介质在室内机热端蒸发吸热后在室外机冷端冷凝放热的过程，将热量快速传导，达到冷却效果，如图6所示。

图6 热管换热原理图

热管可以达到切换换热的效果，当出现极端炎热天气，热管能够分担散热，压缩机压缩蒸汽，起到辅助供冷作用；当天气比较凉爽，热管模式运行，压缩机只提供气体流动的动力，空调能耗降低；当市电发生中断，风机能够持续运转，继续利用热管散热，实现应急散热[8]。

3 机柜级制冷方案应用

将机柜级制冷方案应用于金华市某试点汇聚机房，对传统机房建设模式进行改造，如图7所示。机房内将5台BBU设备密集布设于1台一体化节能柜中，BBU综合柜1有4台BBU设备，BBU综合柜2有3台BBU设备，其他设备包括1台FAN、3台PTN、5 台 OLT、1 台光交换网络（Optical Switch Network，OSN）、1台3P空调和1台5P空调，搭建成新型机房建设模式，如图8所示。

图7 传统机房建设模式

图8 新型机房建设模式

一体化节能柜中，BBU设备高密集中，具体集中配置模型和实际布置，如图9所示。

图9 BBU集中配置模型和实际布置

门式柜级空调采用机柜级制冷方式，将空调室内机集成于机柜，对机柜进行封闭，将柜内设备热量通过空调室外机排放到机房外部环境中。集成于机柜的空调室内机由制冷模块与回风模块2个部分构成，制冷模块置于机柜柜门，将柜内热空气通过热交换处理为冷空气，回风模块置于柜内，将柜内热空气回风送入换热模块。具体空调架构如图10所示。

图10 门式柜级空调架构

一体化节能柜增设热管切换换热方式，在外墙放置1台室外机，在墙上打孔，引入联机管与室内机连接，联机管与冷凝水管贴近地面布置，并对管槽进行固定及防护，具体热管换热布置实景如图11所示。

图11 热管换热布置实景

对比房间级和机柜级制冷方案的供冷效果，如图12所示。机柜级制冷方案可以有效解决设备局部过热问题，使机房内温度均匀，设备保持高效运行，降低空调能耗。

图12 不同方案供冷效果对比图

为了更好地验证机柜级制冷方案的有效性，于7月份进行产品应用效果实测，测试了柜内BBU进出风温度、机房内温度、设备及空调能耗等。进行柜内制冷加冷热气流隔离的效果测试。测试时关闭机柜前门与后门对机柜进行封闭，柜内热量不会排放至机房，开启机柜空调对机柜内部的5个5G BBU进行精确制冷。由于机房内还存在其他发热设备以及外部环境透过围护结构向室内的热量传递，因此还需要开启房间空调对机房内其他设备散热。

共有3种测试方案，如表1所示。具体的测试数据如表2所示。

表1 测试方案

表2 测试方案数据

机房、节能柜、BBU综合柜和传输柜温度变化，如图13所示。

图13 温度变化曲线

通过以上结果可以得出，开启节能柜后使得BBU出风温度由改造前最高65 ℃降低为最高50 ℃，机柜级制冷方案的温控效果明显。机房空调也由无法控制室内温度的状态转变为室内温度可控，空调温度可降低至空调设定温度。仅开启1台机房空调即可满足室内散热需求。机房空调回风温度由35 ℃降低至25～30 ℃。机房空调温度设定在26 ℃，机房内温度可控制在25～27 ℃，当设定温度为28℃时，机房内温度可控制在27～30 ℃。整个机房温度更加均匀，房间空调对机房空间的控温效果明显改善，空调能耗明显降低。

按照方案一改造，节能柜和BBU综合柜1温度始终大于50 ℃，机房PUE为1.3；按照方案二改造，节能柜温度小于50 ℃，BBU综合柜1温度大于50 ℃，机房PUE为1.18；按照方案三改造，虽然节能柜温度小于50 ℃，但是机房PUE显著上升，若关闭5P空调，传输综合柜列温度高温影响较大，故不考虑。

最终选取方案二，开启节能柜、关闭机房3P空调，传输综合柜列温度不受影响，机房整体PUE较方案C从1.3降至1.18。目前节能柜剩余2个BBU位，可将BBU综合柜2中的2个5G BBU割接至节能柜，解决BBU综合柜2高温问题。通过节能柜对机房高发热设备进行收容，有效控制设备运行温度。

4 结 论

本文分析了C-RAN机房建设过程中设备密集导致局部过热的问题，根据设备供冷需求，提出相应的解决思路，采用机柜级制冷改造方案并应用于实际工程中。

5G时代通信设备数量增多、功耗增大、发热量剧增，势必导致设备高密堆叠，出现局部过热问题。单柜高密集成、空调精确降温、气流组织构建和热管切换换热是顺应5G发展和解决过热问题的关键技术。

机柜级制冷方案可以实现设备收容和动态精确制冷，减少冷量损耗，打破PUE限值，降低空调能耗。机柜级制冷方案测试结果表明，节能柜可以增加设备散热效率，控温效果良好，显著降低空调能耗和空调耗电量，降低机房PUE。