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简单而高效,“冰箱”式一体化站点渐行渐近

文章附图

                      文/中国铁塔有限公司高健 华为技术有限公司章异辉

摘要:

站点基础设施部件现场集成模式存在着天然的质量管控劣势,是站点建设工期长、隐患多、能耗大的主要原因。通过基础设施整体设计、制造、验证和交付,实现主设备和电池收容功能,设备舱和电池舱分别如同冰箱的冷藏室和冷冻室,成为集成FSU机柜电源系统的一体化“冰箱”站点。采用“冰箱”站点,安装即部署,上电即上线,能有效避免误告警,实现站点级节能、整体高可靠、运维简单等用户期望,是未来通信网络建站的趋势。


传统建站模式工期长、隐患多、能耗大


随着LTE规模部署,通信网络迎来又一个快速发展时期,基站数量持续增长。为了获得较低的设备采购成本,当前国内主要采用部件分开采购、现场组装集成模式,部件包括机柜、电源、FSU(现场监控单元,Field Supervision Unit)、无线通信模块等。由于站点现场集成,受部件规格、场地条件、工程队伍能力制约,普遍存在部署后的站点集成度低、部件不匹配、机柜温控能力不满足主设备需求等问题,不但安装调测时间长、误告警多、能耗大,还影响主设备运行,甚至开门运行才能保证主设备不产生过温告警。同时,多个部件供应商存在维护责任界面不清淅隐患,在影响维护效率的同时,也是站点中断时长增加的重要因素之一。根据20156月对全国23省现场集成室外站点不完全数据调查,存在隐患的比例超过50%,后续通过启动全面整改进行改善。举几个典型建站实例:


  • 例一,由于部件品牌不同,需要半天时间安装和调试FSU,调试工作需要现场测试,由于技术水平、仪器设备和时间等限制,部分问题不能发现,隐患较多,如停电后产生大量无效告警、工作状态改变时出现错误信息等。

  • 例二,施工队伍从仓库分别领取空机柜、设备安装支架、嵌入式电源、FSU、蓄电池、无线通信模块及天线等,空机柜温控方式为TECThermoelectric Cooler),制冷能力仅满足电池需求,但被错误地当作设备与电池一体柜使用,结果设备和电池均发生过温告警,只能开门运行,将影响网络设备长期运行。

  • 例三,现场先安装电源系统,后安装主设备。由于电源被安装在位置较低的低温区,主设备只能在高温区死角安装,导致主设备运行过温。

  • 例四,两个设备完全相同的站点,由于温度传感器安装位置不同,其中一台温度传感器安装在设备出风口附近,结果导致实际温度低的站点反而产生了过温告警。

  • 例五,站点通信模块引出的天线从机柜底部出线后,随意放置,裸露线缆、随时可能落地的天线毫无可靠性可言。


此外,基础设施能耗不容忽视,即使采用高效电源和高效温控部件,由于与主设备匹配度不佳、风道及布局不合理、温控方式单一等,系统耗电量大,站点能效SIEE[1]低于80%的非常普遍,很多空调型站点能效仅60%左右,显著增加运营成本。以平均实际功率为3kW的站点为例,站点能效分别为60%80%两个站点每年总用电量相差1.1万度。


集成FSU机柜电源一体化,成为“冰箱”站点


基础设施设计依据是主设备需求,包括电压、最大功率、平均功率、允许温度范围、防护等级、尺寸、备电时长及管理需要等,解决方案要兼顾运维需要,如易损件标准化、部件可更换等。当重量超过一般运输要求时,电池应独立出来作为标准可收容部件。据此设计的基础设施整体就是一个“冰箱”,收容主设备的空间有如冰箱的冷藏室,收容电池的空间有如冰箱的冷冻室,分别满足主设备和标准化电池收容要求,在极端环境下保障内部环境满足要求。


“冰箱”站点包括机柜、电源、温控和FSU等功能部件,有室外型“冰箱”和室内型“冰箱”两种,室内型“冰箱”站点也称为室内微模块。如同家电企业为家庭提供冰箱产品一样,“冰箱”站点由供应商整体设计、制造、测试,可以整体运输,也可能需要像组合家具一样,在现场按图纸组装,以适合复杂安装场景,如高山、屋顶站点等,现场组装不同于现场集成,是不需要现场调试工作的。对于较大功率主设备,“冰箱”站点可能有多柜,需能直接拼装,成为多门“冰箱”。


“冰箱”站点简单高效,可靠性有保障


冰箱站点是一个整体系统,部署和维护管理简单,同时具备站点级高效、站点级可靠特性。


1.部署和维护管理简单


“冰箱”站点是根据站点实际需求设计的,需求来自于主设备,对于供应商来说,需要与主设备匹配设计、测试和验证,有匹配问题或误告警将不能出厂。由于“冰箱”站点是一体化产品,安装时只需要外部接线,不存在内部部件之间的连接和调试工作,包括动环监控系统都是已内置且出厂调试好的,安装及部署;插入SIM卡或连接网线后,上电即上线,部署非常简单。由于现场安装调试工作的大幅简化,工程成本大幅降低,如FSU安装成本就不再是支出项目,单站节省500元左右。


由于一个“冰箱”站点产品对应一个站点,因而具有站点级可靠性,用户只需面向一个供应商,责任界面清晰,技术支持易到位,故障后不会因为供应商推责产生维护效率低下、管理成本浪费。对于“冰箱”站点来说,当出现告警时,要么是真有告警,要么就是设备故障,整体可靠性好,维护管理变得简单,运行质量有保障。


运营商或塔商在网设备数以百万计,供应商上千,资产管理复杂,对站点设备监控及后评估带来难度和更多工作量。采用“冰箱”站点,一个站点就是一个网元,大幅减少动环设备管理数量,提高综合管理效率。


2.站点级高效


在传统现场集成模式下,即使全部采用高效部件组装,站点能源效率也不一定高,可能因为机柜内置设备布局和风道设计不合理、温控不匹配等浪费电能,温度控制单元、电源监控模块、FSU等多个控制器本身也浪费电能。采用“冰箱”站点,用户只需关注整站能源效率,只要对“冰箱”站点提出效率要求,就能实现站点级高效。


“冰箱”站点可以只需要一个控制器,并根据主设备工作要求,从设备布局、风道设计、温控匹配等方面将各高效部件进行优化设计,使各部件以最佳组合状态运行,确保站点能效达到最高,以满足用户招标要求。当站点能效低于基线时,动环监控系统可通过告警方式提示,作为故障处理,与设备故障处理方式相同,整网能效将得到有效保障。


用户无需关注供应商是如何实现高效的,只需要比拼和后评估站点能效指标,就能采购到高效“冰箱”站点。随着太阳能部件价格越来越低、应用越来越广,可以要求“冰箱”站点兼容太阳能输入,优先利用可再生能源,进一步降低站点能耗,并减少应急发电成本[2]


中国铁塔最先与华为合作在多地部署室内和室外一体化机柜电源系统,也就是“冰箱”站点,如福建MTS室外一体化站点负载2kW左右,五天连续测试,平均站点能效90.77%,比对比站点63.93%的平均站点能效高近27个百分点,5天省电118kWh,推算全年可节省约8600kWh,节电率29.8%;广东试点测试的室内微模块一体化站点平均站点能效89.4%,比对比站点高17.6个百分点,节能也非常显著;山东、新疆等北方站点测试的站点能效更高,室内站点能效都在90%以上。从一体化“冰箱”站点部署结果看,站点能效能得到保证。


3.站点级可靠


设备的可靠性与产品质量直接相关,可靠性差表现为故障率高。对于通信站点而言,一方面要求设备故障率低,降低运维成本,另一方面还需要保障主设备运行。站点能保障主设备可靠运行的能力称为站点级可靠性。“冰箱”站点整体设计和测试,比无法充分优化和测试的现场集成站点具备天生的可靠性优势,不会有误告警,故障率显著降低。例如,即使电源、空调质量没有问题,但由于设备匹配问题导致设备或电池过温,就会直接导致站点故障。“冰箱”站点在研发阶段有充分的测试,不会产生这样的问题。


在现场集成模式下,一些设备故障被设备匹配问题所掩盖,质量不佳的设备不被现形淘汰。“冰箱”站点作为一个单一产品,可统计故障率,通过后评估等手段淘汰高故障率品牌或型号,能进一步提高站点可靠性。


“冰箱”站点将更紧凑、更高效、更智能、更多创新


用户追求的是低成本、高保障。低成本并非指最低的采购成本,而是综合成本或总成本,如更节电、少维护、省租金等,也包括降低其它配套成本。分别采购部件时,由于部件指标的存在,技术变化被约束,各生产厂家只需要按用户指定的技术指标生产设备,不需要也无法采用新技术。当“冰箱”站点功能与特性需求明确时,创新性研发将得到显著发展,让“冰箱”站点更紧凑、更高效、更智能。


1.更紧凑


机柜尺寸决定了站点基础设施所用空间。长期以来现场集成模式,机柜需要满足最大尺寸设备的安装,因此都是标准化的、较大的尺寸。如同样容量和功能的电源系统,有些设计需要9U空间,有些仅需4U空间;50Ah锂电有些需要5U空间,有些只需要3U空间;配电一般需要3U空间,但也有供应商可提供仅占1U空间的产品;动环监控可能需要需要占用3U以上空间用于摆放FSU和通信设备等,也有仅需1U空间的紧凑型一体化FSU设备。事实上,对于同样的站型,主设备尺寸要求是确定的,其它尺寸应是在满足安装、维护的要求下越小越好。越小的尺寸,使用的结构件就越少,重量越轻,还可能获得成本竞争优势,最终“冰箱”站点越来越紧凑。大多数室外“冰箱”站点只需要单柜空间,室内“冰箱”站点也难超过三柜。紧凑的产品能降低安装条件,为用户节省场地租金与建设成本。


2.更高效


站点能效是“冰箱”站点的一个重要指标,为了提高效率,新技术、新材料、新工艺将得到更广泛的应用,如相变材料、新隔热工艺、微风道技术等,使站点在极低的温控能耗下达到设备允许的温度范围,甚至完全去温控系统。如华为公司发布的分布式刀片电源系统就是一个零温控能耗的典型,站点能效与电源效率相等,远高于普遍站点。


对于较大功率站点,当前技术虽还达不到去温控效果,只要较高的能效指标要求,供应商将投入研发力量优化温控系统,采用更节能的制冷和加热方案,如多种温控智能调度,使空调工作时长最小化,直至去常规空调。


3.更智能


由易损件导致的站点故障占70%以上,易损件包括风扇、电容、防雷器等,也包括蓄电池。据某运营商对汛期九省站点网络中断故障原因分析,56%与电池直接相关,39%与电池间接相关。随着人工成本越来越高,维护频率可能成为“冰箱”站点的一个指标,一方面产品需要优化设计降低故障率,更重要的是对易损件进行智能管理,预测易损件故障,在故障发生前进行预防性维护。如准确的电池健康度管理功能,使“冰箱”站点能准确预报电池状况,提前进行维护,不但能预防停电后来不及应急发电导致的网络中断,还能依据电池健康度调度应急发电,降低应急发电成本。支持预防性维护的“冰箱”站点对巡检要求降低,常规站点巡检要求每月一次可以降至每年一次,智能化特性将直接转化为用户价值。


由于人工成本持续上升趋势,系统设置与控制工作将由人工方式变为远程方式,如人工下站进行的电池测试工作由电池健康度智能上报代替;更智能的配电系统也将在站点得到普遍应用,如由于雷击和浪涌引发的设备误跳闸就可远程进行复位,更多的智能功能应用会不断涌现。


4.更多创新


分部件采购模式下,对部件规定越来越细,实际上限制了新技术的应用,每个部件都约束了技术规格,严重制约了供应商研发基于双方均有利的技术创新,甚至用户支出的总成本上升。例如,站点普遍存在多个控制器、多套传感器、独立的通信设备、独立的智能电表、外置的天线等,单个硬件并非用户需要,实际只是需要相应的功能,不但为这些设备支付了更高的成本,同时也因为现场安装调试带来更多的故障和隐患。


将“冰箱”站点作为整体研发时,大多数功能可以整合,更多地用软件代替硬件、用硅代替铜,降低方案成本。采用创新技术整合功能的厂家将取得竞争优势,供应商与用户获得双赢。


智能“冰箱”站点渐行渐近


主设备向室外化、小型化快速发展,小站越来越多,能耗与站点运维成本持续快速增长。在互联网企业差异化竞争下,网络流量每年以翻番的速度增长,但运营商收入增长仅为个位数甚至为负值,向能耗和运维成本要效益成为运营商的方向,塔商也直接承接降本增效压力。基站能耗占全网能耗的60%以上,现网站点能效仅为60%左右,还有较大的提升空间。


海外主要运营商采用整体交付的“冰箱”站点为主,加上短名单对供应商的限制,站点运维管理的困扰很少,以至于动环监控仍以干接点形式为主流,刚开始向模拟量监控方向演进。中国铁塔在湖南专门组织试点验证了一体化建站的优势,并在福建、广东、河北、重庆、山东、新疆等多地部署了室内或室外集成FSU的一体化机柜电源系统,节能效果显著,也未出现误告警等现象。


站点能效指标是一体化“冰箱”站点关键指标,采用“冰箱”站点模式,站点能效普遍可以达到90%以上。以全国站点电耗270亿度计,站点能效从60%提升至90%,一年电耗有90亿度节省空间。一体化“冰箱”站点部署快、节能、维护成本低,将成为建站的主流方案,“冰箱”站点也将成为一种新的产品类型,成为新建站点的较优选择。

参考文献:

[1]通信网络能效定义及其对全网节能管理的价值,章异辉、孟繁涛,C114技术,2015.4.13

[2]叠光创新,低成本实现基站动力高保障,高健,章异辉,C114技术,2016.2.19