5GBBU竖装的可行性及竖装对降低能耗的影响

    王元元

    

    

    

    【摘要】? ? 本文将国内某5G设备的供应商设备作为研究对象进行分析,通过对其开展测试,获取相关参数数据,基于数据进行研究。同时结合理论分析,发现5GBBU竖装具备一定的可行性,能够在一定程度上控制基站能耗,改善设备的散热效能性能。

    【关键词】? ? 5G基站? ? BBU安装? ? 散热能效

    一、散热风道分析

    分析下图1,可以得知该设备机房主要使用的是工业级精密空调制冷,制造的冷空气经由下方或前门流入机柜内部,而机器散发的热量则可以从机柜后门流出到机房中。综上所述,机房中机柜散热风道主要是前进风、后出风。

    机柜内部前门部分主要是冷风区,外部冷空气从该区域流入机柜中,配合完成散热工作后,转为热空气,流出机柜。

    机柜中的BBU可直接借助设备中包含的风扇完成物理散热。本项目中,风扇位于设备侧面位置,风的主要流入流出方向也是在侧面进行的。图2中表明,该设备工作过程中,冷风从右/左侧进入,待转换为热风后从左/右侧汇出,这和机柜前部进风、后部出风的气流流动方向有所不同。所以,为了保障BBU设备的散热工作正常开展,维系设备的安全,决定将进风口设置在机柜前门中进入冷空气的部位。

    不仅BBU横装结构的安装方法和其竖装结构有所差异,导风组件下横装导风组件和竖装导风组件同样有所不同。但是,不管是在横装时还是竖装时,气流流动方向都将变化好几次才能到达设备进出风口,实验发现,横装时气流流动方向变化次数为4次,竖装时气流则只会变动2次。

    在机柜散热风道下,若是风道较窄,则气流经由时会出现摩擦力与静压损失,从而使得压力变小、速度变小。要想计算出气流经由风道产生的损耗,可以借助下式得出结果:

    P=a(Vi/1277)2

    上式中,P表示风道静压损失(PA),a表示静压损失系数(具体取值视实际情况决定),Vi则表示风速(cm/s)。

    Vi=Q/Ai

    上式中,Q表示风量;Ai则表示风道截面积大小。

    结合BBU横装、竖装实际情况可以发现,本项目中横装时a取值为5,而竖装时取值则为3。

    若是环境因素保持不变,那么此时风速值大小可以设计为218cm/s。

    由此可以计算出横装、竖装状态下,静压损失P的大小:

    首先,横装状态下,P=5x(218/1277)2=141.7PA;其次,竖装状态下,P=3x(218/1277)2=85.3PA。

    分析计算结果可以得知,相较于横装BBU,竖装BBU冷风进气效率明显偏高。

    二、5GBBU设备散热分析

    BBU设备工作过程中往往会散发很多热量,要想这些热量都可以完全流出设备,防止残留在设备内部对其产生危害,造成内部器件的损坏,就必须要重视BBU设备的散热性能。而影响该设备散热能力的主要因素来源于BBU的排风量,因此通过计算系统所需风量、风压、空间大小等参数即可计算出具体的风扇风量值。

    具体计算公示如下所示:

    Q=Wf(CPx△txP)

    上式中,Q表示风量大小,单位是m3/s;W表示功耗,单位是W;CP表示空气定压比热,单位是[[J/(kg.K)];PT表示系统内部和周围环境的温度差值;A则表示空气密度。

    分析上式可以发现,假设BBU的功耗值大小是600W,进出口的温度差值为10C,此时Q通过计算得出大小为0.04795m3/s。

    研究表明:不管是横装BBU还是竖装BBU,Q值的大小均恒定不变,都维持在0.04795m3/s的风量。但是横装与竖装具体方式有所不同,因此通过分析散热风道的静压损失可以发现,虽然Q的大小不变,但在横装是能达到114.7PA,而竖装时则是85.3PA,這也表明,组装方式的不同会导致气流需要客服的静压损失有所差异,这也导致不同方式下风扇转速有所不同。

    通过计算可以得出如下两点结论:首先,静压值P与风量Q是反向关系,随着静压值的上升,风量会随之减小;反之,静压值变小,风量会有所增加。其次,设备功率W的大小会跟随着静压P或风量Q的变化而变化。

    此外,通过实验还能得出,若是环境温度控制在25℃,维持其他条件不变,此时若BBU横装,则风扇功耗将达到25W;而若是在BBU竖装情况下,功耗只有12W。

    三、5GBBU竖装节能分析

    节能依旧是5G时代关注的重点,随着5G建设愈发完善,设备商、通信运营商要想打造品牌核心竞争力、扩大市场份额,必须提升产品的节能属性。而不同的BBU设备安装方法将在很大程度上改变设备的节能性能,通过研究BBU设备散热状况以及机房制冷量即可得到结果。

    Qt≥Q1+Q2

    上式中字母含义如下:Qt表示机房工作所需要的新增制冷量总和,单位是W;Q1表示室内设备新增总负荷,单位是W;Q2则表示环境热负荷,单位同样为W。通常情况下Q2值大小维持在100-180W/耐,因为受到地区间气候不同的影响,若是设备处于南方地区,此时估算取值应为180W/mz,而北方地区则取值为100W/mz。

    若是项目在北方地区试点,决定在6.5m2区域在添加1套5GBBU集中设备柜,柜中共计包含5套BBU,每套BBU基带板功耗设为600W,此时若横装,则功率值为25W;若竖装,则功率值为12W。此外,每台BBU需3台风扇。此时通过计算可以得出两种状态下分别所需的制冷量大小:

    在横装状态下,具体计算方法为Qt=(600X5+25X5X3)+(100X6.5)=4025W,表示所需制冷量为4025W;而在竖装状态下,此时所需的制冷量计算方法则是Qt=(600x5+12X5X3)+(100X6.5)=3830W。

    综合对比计算结果发现,两种方法下,要想节省制冷容量,可以选择竖装方法。

    想要计算BBU设备的散热功耗,可以借助下式:

    Wt=W1+W2-W3

    该式中各个字母含义如下:Wt表示BBU设备散热工作中消耗的功耗大小(W);W1表示风扇自身的功耗大小;W2表示新增机房部分产生的制冷量;W3表示负载功耗大小。由此可以计算出横装、竖装两种状态下设备所消耗的功耗具体值:

    横装状态下,Wt=25X5X3+4025-600X5=1400W;竖装状态下,此时Wt的大小为Wt=12X5X3+3$30-600X5=1205W。对比计算结果可以得知:相较于横装方式,在竖装状态所需消耗的能耗更低,平均每个BBU设备柜能够节省将近14%的能耗,折换成电费金额可达1366元。

    四、5GBBU横竖装测试

    4.1测试环境搭建

    5GBBU横竖装的测试主要是针对机柜功耗状态以及温度变化展开的,通过搭建测试环境,计算出真实的功耗与进出口温度数据,从而通过真实数据证明竖装方式能够明显控制能耗,达到节能效果。测试过程中,决定选择目前非常普遍的5GBBU设备,具体环境搭建方法如下所示:

    1.选择安装机柜的场所必须保证室内温度稳定,周围不存在空调出风口等布置,以便干扰测试结果。

    2.每个BBU竖装机框容纳BBU设备的上限为5台,因此在测试的过程中不管是横装还是竖装都选择5台设备进行研究。

    3.不管是横装还是竖装的测试都应处于相同机柜,且高度要、温度等环境条件都应保持一致。

    4.因为测试条件有着很大的局限性,因此测试过程中BBU设备只需要和传输设备维持连接,不需要和射频设备等连接,且相关参数均选取的是BBU设备待机情况下的指标。

    4.2测试方法

    4.2.1温度测试

    同时在BBU设备的内外侧分别安放温度传感器,通过温度传感器实时检测设备进出风口、冷区热区、机柜整体环境等部位的温度变化情况。

    1.测试人员在BBU设备进出风口5cm的位置分别摆放五个以上的传感器,以便实时监控该部位的温度变化情况;

    2.对于冷区热区部位,同样在距离其5cm左右的位置摆放两个以上的传感器,以便实时监控冷区热区的温度变化情况;

    3.对于机柜整体环境温度检测时,可以在机柜外侧8cm的位置安放一个温度传感器,以便实时对整体温度进行监测。

    4.2.2功耗测试

    测试前先开启BBU设备使其进入工作状态2小时后,观察其是否趋于稳定,稳定后即可使用钳流表测试直流开关电源部位的电流、电压值大小,通过得到的结果,进行计算则可以得到总功耗大小。进行测试过程中,要想确保测试结果真实有效,需要先分析测试获得的数据指标是否具备真实性,确保其误差低于标准的2%。

    4.3测试结论

    在对机房实际测试过程中,不难发现当BBU设施横向摆放的时候,其进出风口都是向着内侧的,且与内壁间隔微乎其微,根本无法让外部冷空气顺畅的流入进来,同时机器散热产生的热空气也无法在第一时间流出机柜,导致内部温度不断升高。但是,如果纵向摆放的话,即可有效避免这一问题,纵向摆放情况下,BBU处于子柜中,进风口朝向机柜底部,此时便于冷空气涌入机柜中,而出风口朝向顶部,散热完成后的空气受到热胀冷缩原理的影响,能够在第一时间涌出机柜,带走热量。

    综合研究发现,BBU设备若是竖向摆放不仅阻力值变小,且转速更低、耗费的功耗更小,节能性能更佳。

    五、结束语

    由于5G基站相較于4G基站耗费的功耗更大,生产商对设备节能减排的性能要求更高。相较于传统横装,BBU设备竖装情况下更利于散热风道的流通,能够较好的提升设备节能效果,且对风扇等设备要求较低,生产成本、后期运维成本均得到了有效控制。

    参? 考? 文? 献

    [1]李鸿.基于C-RAN集中部署BBU池能力提升研究[J].电信快报,2021(01):38-42.

    [2]陈楚雄.5G系统接入网络性能优化研究[J].中国新通信,2021(01):69-70.

    [3]汪金萍.基于AI的5G基站节能技术探究[J].数字通信世界,2021(01):169-170.