郭丹旦,唐雄,崔卓

摘要：無(wú)線通信基站系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中會(huì)受到散熱、灰塵、油煙、濕度、腐蝕等環(huán)境因素的影響，而運(yùn)營(yíng)商降低建設(shè)成本和維護(hù)成本的考慮使得設(shè)備工作環(huán)境更加惡化。從實(shí)踐角度出發(fā)，基于實(shí)際部署經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)性地分析了上述因素對(duì)設(shè)備可靠性的影響，提出綜合設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮以減輕影響的思路，并針對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)和部署給出了具體建議。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；環(huán)境適應(yīng)性；熱設(shè)計(jì)；腐蝕；灰塵

Abstract： Environmental factors such as radiation， dust， lampblack， and corrosion affect wireless base station systems. With decreased capex and opex， there is a risk that the environment in which equipment operates deteriorates. In this paper， we draw on actual experiences in the field to discuss the effect of environmental factors on base station reliability. We suggest that environmental factors should be taken into consideration when designing network equipment， and we make specific recommendations about how equipment should be designed and deployed.

Key words： wireless communications； environmental adaptability； thermal design； corrosion； dust

運(yùn)營(yíng)商降低TCO，主要包含降低建設(shè)成本（CAPEX）和維護(hù)成本（OPEX）兩方面。為了降低CAPEX，通信設(shè)備尤其是接入網(wǎng)設(shè)備的工作環(huán)境，從機(jī)房、空調(diào)方艙等被改變?yōu)榘ㄊ彝夤?、弱電井、樓道、?chē)庫(kù)、鐵皮柜等各種復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)對(duì)通信設(shè)備提出了體積小、重量輕、安裝成本低的要求，還要維持設(shè)備本身的低成本；為了降低OPEX，設(shè)備要盡量降低功耗、盡可能地被室外化、工作環(huán)境相對(duì)過(guò)去高溫化，以節(jié)省電費(fèi)，同時(shí)還要求設(shè)備盡量減少維護(hù)，以降低維護(hù)人工的成本。接入網(wǎng)電信設(shè)備從精密、嬌貴的設(shè)備，已經(jīng)變成無(wú)所不在的IT化設(shè)備，甚至工作環(huán)境更為惡劣。簡(jiǎn)易機(jī)房土坯墻面脫落，設(shè)備工作環(huán)境的惡劣情況如圖1所示。

在這個(gè)背景之下，電信設(shè)備近年來(lái)面臨各種新的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，設(shè)備設(shè)計(jì)的一些思路也需要有發(fā)生轉(zhuǎn)變，從遵從標(biāo)準(zhǔn)到理解標(biāo)準(zhǔn)，滿足應(yīng)用場(chǎng)景，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

對(duì)設(shè)備在不同環(huán)境下工作以及設(shè)計(jì)約束的研究，傳統(tǒng)上屬于可靠性方面。但是，傳統(tǒng)的可靠性方法，并沒(méi)有針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用給出足夠的指導(dǎo)意見(jiàn)。設(shè)備設(shè)計(jì)制造需要對(duì)環(huán)境適應(yīng)力的深入理解和把握，以及從系統(tǒng)多個(gè)維度上進(jìn)行平衡。

1 研發(fā)過(guò)程的可靠性方法

傳統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)方法，主要從可靠性預(yù)計(jì)和可靠性指標(biāo)分配開(kāi)始，通過(guò)預(yù)算、設(shè)計(jì)、控制等過(guò)程，保證產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。

可靠性預(yù)計(jì)基于對(duì)器件失效模型的認(rèn)識(shí)，通過(guò)概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，首先對(duì)系統(tǒng)建立可靠性數(shù)學(xué)模型，然后評(píng)估其平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）、平均恢復(fù)前時(shí)間（MTTR）等指標(biāo)。參照的方法很多來(lái)源于美國(guó)軍用手冊(cè)MIL-HDBK-217。但是，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中有非常大的局限性，存在估算數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，參考意義不足等諸多問(wèn)題[2-3]。

有一些人認(rèn)為，這些方法估計(jì)不準(zhǔn)確的主要原因是在于手冊(cè)制訂時(shí)間過(guò)早，電子工業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，手冊(cè)不符合實(shí)際的情況，有一些通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正盡量使得估計(jì)準(zhǔn)確。但是仍然有很多因素使得估算不能準(zhǔn)確進(jìn)行：一個(gè)主要因素是失效模型受到諸多外界因素的影響，故障往往都不是模型中考慮的，多為過(guò)應(yīng)力使用、非設(shè)計(jì)場(chǎng)景的惡劣環(huán)境等，無(wú)法在模型里考慮充分；另外一個(gè)主要因素是系統(tǒng)模型異常復(fù)雜，實(shí)際的分析不可行。

以目前通信基站系統(tǒng)來(lái)看，一個(gè)系統(tǒng)中存在若干個(gè)單板，有一些故障模式并不能完全用串聯(lián)或者并聯(lián)描述，存在關(guān)聯(lián)性。每個(gè)單板中可能存在超過(guò)100～200種、數(shù)千個(gè)物料，存在多種失效模式。失效模式、失效模式對(duì)應(yīng)的器件范圍，甚至一種失效模式在不同的情況下對(duì)系統(tǒng)的影響均不相同。這樣，使得可靠性預(yù)計(jì)更加困難，難以有效實(shí)施。而且，隨著IT化和商用貨架產(chǎn)品（COTS）的廣泛使用，可靠性分析對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用更加有限。從設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，主要的設(shè)備故障和異常往往來(lái)自于環(huán)境等外部不可控因素影響，而不是部件自身老化或者偶發(fā)失效，這也使得可靠性預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確度大大降低。

有一些更激進(jìn)的觀點(diǎn)認(rèn)為，可靠性預(yù)計(jì)已經(jīng)變成數(shù)字游戲，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和設(shè)計(jì)沒(méi)有指導(dǎo)意義。能夠保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)可靠的是可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)和失效物理（可靠性篩選和監(jiān)控屬于控制范疇，本文不討論）。

失效物理通過(guò)研究某一種因素對(duì)部件的影響，分析部件會(huì)在何時(shí)、何處、何種原因，發(fā)生何種類型的失效。通過(guò)研究擴(kuò)散、相變、腐蝕、應(yīng)力、靜電泄放等物理化學(xué)過(guò)程對(duì)器件的影響，來(lái)分析器件可能產(chǎn)生的問(wèn)題。失效物理的分析為進(jìn)一步的改進(jìn)和增加可靠性提供了很好的基礎(chǔ)（分析的例子如圖2所示）。

目前可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中，應(yīng)用較為廣泛的包括四角測(cè)試、強(qiáng)加速壽命試驗(yàn)（HALT）等，還包括鹽霧、灰塵、濕塵、振動(dòng)、滲漏等。這些試驗(yàn)有意無(wú)意地采用失效物理分析的一些因素，例如HALT實(shí)際上考慮的是高低溫應(yīng)力、高低溫循環(huán)帶來(lái)的應(yīng)力、疊加強(qiáng)振動(dòng)等，來(lái)尋找系統(tǒng)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)；鹽霧考慮的是腐蝕的問(wèn)題；振動(dòng)主要評(píng)估結(jié)構(gòu)在應(yīng)力下的表現(xiàn)。因?yàn)樵O(shè)備壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于試驗(yàn)所能夠接受的周期，在可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，常常也采用加速的方法，加大應(yīng)力（電壓、溫度、濕度、溫變速率等），增加樣本數(shù)量，來(lái)評(píng)估系統(tǒng)實(shí)際工作中的壽命。圖3就是室內(nèi)無(wú)線基站設(shè)備的加強(qiáng)灰塵試驗(yàn)，評(píng)估極端灰塵環(huán)境對(duì)設(shè)備連接可靠性和散熱的影響。這些試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高實(shí)際應(yīng)用的可靠性起到了很大的作用，也是設(shè)計(jì)中保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的必要手段。但是為了控制分析的復(fù)雜度，試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)一般只針對(duì)某一類應(yīng)力、機(jī)理或者失效模式，和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境有所區(qū)別。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，要綜合考慮可靠性方法、電路設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)方法等，結(jié)合降低CAPEX和OPEX的要求，確保設(shè)備的可用性。

2 設(shè)備常面臨的環(huán)境問(wèn)題

設(shè)備工作的環(huán)境情況非常復(fù)雜。北大西洋公約組織將全球的氣候根據(jù)溫度和濕度作了劃分，作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)的依據(jù)[4]。溫度和濕度對(duì)設(shè)備存在一定的影響，但是設(shè)備的工作和更多的環(huán)境因素、人為操作因素相關(guān)聯(lián)。美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-338B第7部分，對(duì)環(huán)境因素和對(duì)設(shè)備的影響進(jìn)行了一些描述，但是也沒(méi)有給出設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)[5]。

因?yàn)榄h(huán)境對(duì)設(shè)備的影響相互關(guān)聯(lián)，很難獨(dú)立的進(jìn)行分析。本文盡量將關(guān)聯(lián)的因素進(jìn)行歸類，分析對(duì)設(shè)備帶來(lái)的影響以及設(shè)計(jì)應(yīng)用中需要進(jìn)行的考慮。

2.1 散熱及相關(guān)

溫度對(duì)設(shè)備有很多方面的影響，與散熱相關(guān)的設(shè)計(jì)是設(shè)備最關(guān)注的方向之一，并且和包括灰塵等方向相關(guān)聯(lián)。

從可靠性角度來(lái)看，溫度影響著器件內(nèi)粒子的擴(kuò)散速度，過(guò)高的溫度會(huì)加速遷移的速率，最終導(dǎo)致器件的失效。同時(shí)，溫度還會(huì)加速腐蝕的進(jìn)行。溫度的晝夜、季節(jié)變化導(dǎo)致設(shè)備各個(gè)部件的熱脹冷縮。熱脹冷縮率的不同，對(duì)器件封裝、組裝等各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生循環(huán)的應(yīng)力。溫度對(duì)設(shè)備壽命的影響在可靠性分析中已經(jīng)有很多的研究，一般認(rèn)為，溫度每升高10度，設(shè)備的壽命縮短為原來(lái)一半。

從可靠性預(yù)計(jì)角度來(lái)看，為了延長(zhǎng)設(shè)備壽命，應(yīng)該使設(shè)備保持較低的溫升。實(shí)際上，為了滿足日益增長(zhǎng)的處理復(fù)雜度需要，設(shè)備的集成度持續(xù)提升，設(shè)備比以往要耗散更多的電力。要把這些熱散出去，需要增加設(shè)備的體積，或者增加設(shè)備的風(fēng)流量，增加輔助的散熱設(shè)施。這些措施的采用，直接抬高了CAPEX；降低設(shè)備溫度，還意味著風(fēng)扇/空調(diào)的轉(zhuǎn)速更高，作為運(yùn)動(dòng)部件的風(fēng)扇，比電子零部件更容易失效，這也就意味著降低溫度實(shí)際使得設(shè)備更容易失效；更大的風(fēng)流量，也意味著防塵網(wǎng)需要更頻繁的清洗，增加了人力維護(hù)成本；更大的風(fēng)流量，還意味著更多的耗電、更大的噪音。作為設(shè)計(jì)折中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，比較傾向于讓器件的工作溫度在保證降額的情況下，貼近高溫區(qū)，減少散熱帶來(lái)的電費(fèi)增加以及風(fēng)扇磨損、噪音等相關(guān)問(wèn)題。不但如此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中讓設(shè)備工作溫度靠近高溫區(qū)，還可以降低設(shè)備內(nèi)濕度。但是，貼近高溫區(qū)，也可能使半導(dǎo)體器件漏電導(dǎo)致設(shè)備消耗更多能量，需要平衡各因素進(jìn)行考慮。

一般設(shè)備設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮使得零部件在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)工作處于浴盆曲線的底部，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)工作時(shí)溫度并不是設(shè)備發(fā)生故障的主要原因。設(shè)備損壞主要的原因常常來(lái)自于一些不可控制因素，使得工作環(huán)境超過(guò)設(shè)計(jì)能夠支持的極限溫度。從功能性能角度來(lái)看，溫度會(huì)影響數(shù)字邏輯器件的工作頻率，使得設(shè)計(jì)裕度被打破而導(dǎo)致功能異常；有的器件，例如恒溫晶體振蕩器（OCXO）內(nèi)部具有加熱恒溫槽，在外部溫度低于內(nèi)部溫度下才能起到恒溫的作用，當(dāng)溫度范圍超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，時(shí)鐘保持性能可能受到嚴(yán)重影響。這些都還是可恢復(fù)的異常。在更惡劣的情況下，芯片的漏電流隨著溫度升高以指數(shù)方式增大，在額定溫度點(diǎn)附近功耗隨溫度快速增加，反過(guò)來(lái)帶動(dòng)芯片的溫度進(jìn)一步增加而導(dǎo)致熱失效；高溫下焊點(diǎn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)可能由于蠕變而失去強(qiáng)度；PCB板可能發(fā)生碳化、分層等失效[6]。

設(shè)備設(shè)計(jì)上更關(guān)注的是如何使得這些外部的異常更不容易發(fā)生，異常發(fā)生的時(shí)候系統(tǒng)如何自動(dòng)保護(hù)，同時(shí)兼顧越來(lái)越精細(xì)的OPEX優(yōu)化考慮。第一，對(duì)工作的環(huán)境提出了更明確的要求，根據(jù)實(shí)際的氣候、業(yè)務(wù)模型等條件，把設(shè)備的工作環(huán)境作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行指標(biāo)分配設(shè)計(jì)及綜合成本評(píng)估，而不是只關(guān)注設(shè)備本身；第二，當(dāng)服務(wù)質(zhì)量許可的情況下，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)降低負(fù)荷，甚至局部斷電的方式進(jìn)行自我保護(hù)，在異常解除時(shí)恢復(fù)工作，增強(qiáng)實(shí)際的可用性和可靠性。

隨著多年的擴(kuò)容、2G向3G換代以及多網(wǎng)多制式的共存，單個(gè)站點(diǎn)的容量密度也遠(yuǎn)高于過(guò)去。沒(méi)有重新設(shè)計(jì)的機(jī)房或方艙，可能對(duì)設(shè)備的工作環(huán)境帶來(lái)較大的影響。文獻(xiàn)[7]給出了機(jī)房換氣設(shè)計(jì)的要求。如果機(jī)房達(dá)不到要求，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)溫。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榭照{(diào)設(shè)備被盜、損壞，通風(fēng)裝置損壞或者過(guò)濾網(wǎng)被堵塞等情況經(jīng)常出現(xiàn)。有的站點(diǎn)建設(shè)時(shí)間較早，容量很低，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行通風(fēng)設(shè)施存在問(wèn)題。存在問(wèn)題的設(shè)施如圖4所示。當(dāng)進(jìn)行更換擴(kuò)容后，這樣的站點(diǎn)經(jīng)常頻繁出現(xiàn)高溫告警。

設(shè)備散熱設(shè)計(jì)通過(guò)仿真、測(cè)試驗(yàn)證的方法在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛使用。通信設(shè)備內(nèi)部相對(duì)環(huán)境均存在一定的溫升，基本不存在除設(shè)備本身發(fā)熱之外的其他熱負(fù)荷，所產(chǎn)生的熱量基本屬于顯熱，主要通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流進(jìn)行散熱，這樣使得我們?cè)诳紤]散熱的計(jì)算時(shí)候相對(duì)較為簡(jiǎn)單。在保持對(duì)流空氣溫升一定的情況下，單位功耗需要的空氣流量是一定的。這個(gè)是設(shè)備設(shè)計(jì)的物理限制，無(wú)法突破。散熱需要的空氣體積可用如下公式計(jì)算：L = Qs/（Cp×ρ×ΔT），其中L為空氣的體積，Qs為顯熱，Cp為空氣的平均比定壓熱容，在設(shè)備的工作范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是一個(gè)常量，ρ為空氣的比重。假設(shè)設(shè)備設(shè)計(jì)最高工作環(huán)境溫度為55℃，允許出風(fēng)口空氣溫度為65℃，溫升10℃，系統(tǒng)熱負(fù)荷為700 W，則系統(tǒng)一個(gè)小時(shí)需要的風(fēng)量約為200 m2。

這只是一個(gè)指導(dǎo)性的結(jié)果，不能替代系統(tǒng)內(nèi)部的熱設(shè)計(jì)，但是綜合考慮設(shè)備風(fēng)速、通風(fēng)口面積等設(shè)計(jì)，如果不能達(dá)到這樣的風(fēng)量，則只能降低設(shè)備的熱負(fù)荷，增加允許的系統(tǒng)溫升，或者采用其他補(bǔ)充的散熱方式來(lái)滿足散熱要求。

在高海拔區(qū)域，因?yàn)闅鈮合陆担L(fēng)冷的效果會(huì)受到進(jìn)一步的影響。但是高原地區(qū)一般也不會(huì)出現(xiàn)高溫等環(huán)境，設(shè)備的散熱環(huán)境并不會(huì)將最差因素疊加。在整個(gè)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)實(shí)際情況，做出成本優(yōu)化又能保證可靠性的設(shè)計(jì)。

綜上所述，散熱的設(shè)計(jì)不僅僅涉及到器件的可靠性，而是要考慮整個(gè)系統(tǒng)的工作模式以及降低CAPEX、OPEX的需求，結(jié)合設(shè)備外運(yùn)行環(huán)境如噪聲要求等協(xié)同解決，在各種相互矛盾的限定因素中平衡優(yōu)化。在空間受限、集成密度高、空間局限的情況下，噪聲和風(fēng)扇的耗電相對(duì)就會(huì)較大，如果希望低噪音，就需要加大通風(fēng)口的面積，降低風(fēng)速，或者控制設(shè)備內(nèi)處理功耗，降低集成密度。對(duì)于環(huán)境溫度很高，甚至考慮采用壓縮機(jī)等制冷設(shè)備散熱，但是也可能會(huì)帶來(lái)更高的能耗和噪音，同時(shí)壓縮機(jī)熱端同樣也需要考慮如何散熱。

2.2 灰塵、油煙

灰塵、油煙對(duì)設(shè)備最主要的影響體現(xiàn)在散熱上?；覊m會(huì)堵塞防塵網(wǎng)或空氣過(guò)濾設(shè)備，附著在散熱器上的灰塵，還會(huì)直接影響器件散熱?；覊m還會(huì)帶來(lái)其他一些影響，例如在連接器上堆積的灰塵，可能影響到新插入組件的連接可靠性。一般情況下，連接器設(shè)計(jì)的滑動(dòng)行程和摩擦力已經(jīng)考慮了插入過(guò)程推開(kāi)灰塵，但是偶發(fā)的大顆粒灰塵堆積存在隱患。中興通訊軟基站設(shè)備采用了連接器保護(hù)一體式假單板設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多種試驗(yàn)分析，能夠有效防止這樣的問(wèn)題發(fā)生，同時(shí)還兼顧平衡風(fēng)阻的作用。

根據(jù)中國(guó)大氣監(jiān)測(cè)的情況，很多城市地區(qū)總懸浮顆粒物（TSP）平均保持在2級(jí)，即0.2 mg/m3的水平上[8-10]。新聞報(bào)道顯示在2006年4月沙塵暴天氣下，北京TSP達(dá)到0.35 mg/m3，峰值達(dá)到2 mg/m3。按照多地區(qū)平均水平0.2 mg/m3來(lái)算，根據(jù)上面散熱能力的計(jì)算，700 W系統(tǒng)散熱每小時(shí)氣流中所包含的顆粒物約為0.04 g，每年通過(guò)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的懸浮顆粒物約為350 g。如果對(duì)空氣過(guò)濾，這些灰塵會(huì)使得系統(tǒng)的維護(hù)周期大大縮短，維護(hù)工作量以及OPEX上升。實(shí)際上，如果不過(guò)濾，大部分顆粒物會(huì)直接穿過(guò)系統(tǒng)，只有一小部分會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)，主要在氣流受到阻礙的區(qū)域堆積，例如連接器。大量的分析認(rèn)為，這樣的顆?；覊m對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響并不大，系統(tǒng)防塵設(shè)計(jì)上，應(yīng)該讓這樣的灰塵無(wú)障礙的穿過(guò)系統(tǒng)。

在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集的灰塵分析中，很多灰塵呈現(xiàn)絮狀、纖維狀，來(lái)源可能是植物（如楊樹(shù)、柳樹(shù)飄絮）、摩擦脫落的衣物纖維、植物焚燒產(chǎn)生的飄浮物等，這些纖維狀灰塵吸附在空氣過(guò)濾設(shè)備上，積累后就會(huì)增加系統(tǒng)風(fēng)阻，影響系統(tǒng)散熱，同時(shí)，隨著空氣過(guò)濾系統(tǒng)的網(wǎng)孔堵塞，更小顆粒的灰塵會(huì)被過(guò)濾，系統(tǒng)堵塞速度變快。因?yàn)闅饬髂Σ廉a(chǎn)生靜電的關(guān)系，絮狀及顆粒狀灰塵也會(huì)吸附在包括風(fēng)扇扇葉、單板上，部分影響到系統(tǒng)的散熱（如圖5、圖6所示）。在這種環(huán)境條件下，要通過(guò)過(guò)濾、隔離等手段，盡量避免灰塵進(jìn)入設(shè)備，在防護(hù)設(shè)施上，也需要考慮增加通風(fēng)面積、定期除塵等方式，保證整個(gè)環(huán)境的散熱通暢。

灰塵中存在的鹽類會(huì)吸收空氣中的水分引起腐蝕。如果現(xiàn)場(chǎng)存在高濕度、甚至油煙，如老式建筑居民樓道、地下車(chē)庫(kù)、農(nóng)村民房等，灰塵會(huì)更容易黏附在設(shè)備上。在個(gè)別地方，甚至出現(xiàn)過(guò)設(shè)備防水百葉窗開(kāi)口以及通風(fēng)孔全部被灰塵及油煙混和物堵塞的現(xiàn)象。在這種場(chǎng)合下，往往結(jié)合腐蝕危害，需要整體考慮，采用例如熱交換器柜等防護(hù)設(shè)備，在存在難以清理的油煙等環(huán)境條件下，應(yīng)盡量避免安裝設(shè)備，如不得不安裝，應(yīng)盡量采用密閉型的自然散熱設(shè)備。

工業(yè)上對(duì)灰塵的處理有很多經(jīng)驗(yàn)，包括慣性除塵、噴淋、過(guò)濾、靜電吸附等多種方式得到應(yīng)用[11]。對(duì)于通信設(shè)備，灰塵沒(méi)有工業(yè)環(huán)境惡劣，而能夠提供的動(dòng)力、空間都非常有限；設(shè)備分散安裝在各個(gè)站點(diǎn)，維護(hù)周期長(zhǎng)甚至希望能夠免維護(hù)，同時(shí)不允許出現(xiàn)高噪音、強(qiáng)烈振動(dòng)?？梢圆捎玫闹饕褪菓T性除塵、過(guò)濾等方法，減少一部分進(jìn)入設(shè)備的灰塵。

從上面的分析可以看出，對(duì)于系統(tǒng)的防塵設(shè)計(jì)，也需要結(jié)合實(shí)際環(huán)境因素以及降低CAPEX和OPEX的需求。對(duì)很多室內(nèi)應(yīng)用，可以允許灰塵直接進(jìn)入和穿過(guò)設(shè)備，減少維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)；對(duì)于部分惡劣環(huán)境，考慮增加過(guò)濾裝置，但需要考慮裝置的容塵能力以及維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)；對(duì)于部分運(yùn)營(yíng)商愿意進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，不希望灰塵進(jìn)入設(shè)備的，可以使用防塵網(wǎng)；對(duì)于存在腐蝕性物質(zhì)等的環(huán)境，要考慮采用內(nèi)外環(huán)境隔離的設(shè)備。

2.3 濕度和腐蝕

從功能和性能角度，濕度和溫度一起影響到空氣和板材的介電常數(shù)，有可能減少高速設(shè)計(jì)的裕度，引發(fā)設(shè)備誤碼率增加等異常。從設(shè)備可靠性來(lái)看，濕度會(huì)加速腐蝕的發(fā)生，使得灰塵、有害氣體等對(duì)設(shè)備的損害加劇。對(duì)于部分工藝不良的器件，空氣中的水汽可能帶來(lái)破壞性的后果。例如當(dāng)半導(dǎo)體芯片鈍化層不良時(shí)，在潮濕空氣中可能發(fā)生內(nèi)部分層，通過(guò)非偏置的高度加速應(yīng)力測(cè)試（uHAST）試驗(yàn)可以識(shí)別此類工藝缺陷；密封不良的電阻器可能因?yàn)榭諝庵泻?，發(fā)生硫化而損壞，需要通過(guò)選型規(guī)避。

一般認(rèn)為，金屬在潔凈大氣中，在相對(duì)濕度小于60%～70%的干燥大氣中，發(fā)生腐蝕的速度非常慢，當(dāng)相對(duì)濕度大于60%～70%時(shí)，腐蝕速度大大加快。如果空氣中存在H2S、SO2等氣體時(shí)，腐蝕速度也會(huì)加快。臨界濕度隨著空氣成分、金屬成分不同而有差異，積塵中的粒子也會(huì)增加吸附而導(dǎo)致腐蝕速度增加。但是總體上可以認(rèn)為，通過(guò)控制使相對(duì)濕度小于60%，可以防止大部分大氣腐蝕的發(fā)生[12]。

控制濕度的一個(gè)重要手段就是控制溫度。設(shè)備中空氣被加熱時(shí)主要是顯熱增加，飽和水氣壓增大，絕對(duì)水氣壓并沒(méi)有變化，導(dǎo)致空氣的相對(duì)濕度降低。假設(shè)設(shè)備入口處的空氣濕度接近飽和，設(shè)備內(nèi)空氣溫升達(dá)到10度左右，即可以使得空氣相對(duì)濕度降低到60%以下，避免腐蝕的發(fā)生。這個(gè)方法存在局限性：第一，為了保證低濕度，對(duì)空氣進(jìn)行加熱，使得設(shè)備工作的溫度升高，對(duì)于需要高溫運(yùn)行的設(shè)備，相當(dāng)于惡化了設(shè)備的工作溫度環(huán)境；第二，空氣在設(shè)備中是逐漸被加熱的，在進(jìn)風(fēng)口附近，濕度較高，灰塵堆積也較多，更容易發(fā)生腐蝕。

因?yàn)樯鲜鲈颍话阏J(rèn)為，大部分單板上因?yàn)樽詿釡厣?，可以認(rèn)為正常環(huán)境腐蝕發(fā)生很慢。通過(guò)濕塵試驗(yàn)也可以對(duì)設(shè)備的自身對(duì)灰塵、濕度、鹽分的抵抗能力進(jìn)行預(yù)評(píng)估。對(duì)于腐蝕更容易發(fā)生的位置，如風(fēng)扇、設(shè)備進(jìn)風(fēng)口等部件，要考慮防護(hù)。當(dāng)環(huán)境十分惡劣時(shí)，需要考慮增加隔離等防護(hù)措施。對(duì)于維護(hù)要求低的部件，可考慮三防工藝，但是三防工藝會(huì)增加成本，加長(zhǎng)加工周期，影響維修，噴涂還會(huì)增加對(duì)環(huán)境的污染。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，化工廠、港口、地下車(chē)庫(kù)等，濕度很大，存在大量有害氣體或鹽霧，甚至機(jī)房環(huán)境在蓄電池使用不當(dāng)?shù)那闆r下，也會(huì)出現(xiàn)漏酸等情況，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備帶來(lái)危害（如圖7所示）。無(wú)防護(hù)的設(shè)備的腐蝕尤易發(fā)生在通風(fēng)部件，對(duì)腐蝕的部件進(jìn)行成分分析顯示，腐蝕物主要的成分為硫和氯（如圖8所示）。

目前的基站設(shè)計(jì)電路組裝密度很高，中興通訊軟基站室外產(chǎn)品一般都采用純自然散熱或者熱交換器柜，避免直通風(fēng)場(chǎng)景。雖然直通風(fēng)或者透氣過(guò)濾膜能夠降低設(shè)備成本，但是灰塵堵塞（透氣膜產(chǎn)品）、對(duì)進(jìn)氣預(yù)加熱以降低濕度的設(shè)計(jì)降低了散熱能力，加之有害氣體、灰塵、鹽霧直接進(jìn)入設(shè)備等問(wèn)題，降低了產(chǎn)品的適用范圍。對(duì)于環(huán)境潔凈、抗腐蝕能力強(qiáng)、成本敏感，或者內(nèi)部有蓄電池的設(shè)備，可考慮使用直通風(fēng)設(shè)備。

2.4 其他問(wèn)題

設(shè)備及相關(guān)配件在長(zhǎng)期工作中，還會(huì)面臨各種其他問(wèn)題，例如雷擊、水浸（水滴）、日曬、人為因素等等。

在夏季，雷擊和水浸的問(wèn)題相對(duì)較多。光纜加強(qiáng)筋、動(dòng)力線引雷，加上有的機(jī)房接地裝置安裝不良甚至被竊，導(dǎo)致設(shè)備接地不良，可能使設(shè)備造成雷擊傷害。設(shè)備工作環(huán)境的控制是一方面，另一方面室內(nèi)設(shè)備的一些防護(hù)指標(biāo)，按照標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求，實(shí)際控制要在標(biāo)準(zhǔn)上有所提升，但是又不需要達(dá)到室外的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，形成對(duì)實(shí)際工作環(huán)境理解后的設(shè)計(jì)要求。設(shè)備設(shè)計(jì)上也往往會(huì)根據(jù)使用的經(jīng)驗(yàn)，做高于標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)。

有的機(jī)房存在滲漏滴水，在6—7月雨季，雨水從機(jī)房屋頂滲漏，進(jìn)入室內(nèi)設(shè)備并可能在設(shè)備內(nèi)部形成局部積累，造成短路，設(shè)備設(shè)計(jì)上要盡量做到防滴，但是這樣又可能增加設(shè)備尺寸、并對(duì)上下直通風(fēng)道等熱設(shè)計(jì)方式帶來(lái)影響。

室外安裝設(shè)備長(zhǎng)期暴露在日光下，日曬會(huì)為帶來(lái)設(shè)備額外的熱負(fù)荷，需要使用遮陽(yáng)棚/罩等方法避免日光直曬；日光照射導(dǎo)致的冷熱循環(huán)盈利，以及紫外線對(duì)漆面分解，可能使得漆皮老化剝裂，塑膠套管脆化。

這些因素和設(shè)備相關(guān)，但很多已經(jīng)不屬于設(shè)備設(shè)計(jì)解決的范圍，需要從多方面分析和解決。運(yùn)營(yíng)商和施工單位在進(jìn)行機(jī)房設(shè)計(jì)建設(shè)的時(shí)候，需要考慮實(shí)際應(yīng)用的不確定因素，控制施工質(zhì)量，根據(jù)實(shí)際環(huán)境需要進(jìn)行合理的輔料選材，為設(shè)備提供接近于設(shè)計(jì)指標(biāo)的工作環(huán)境。綜合設(shè)備異常損壞維修以及業(yè)務(wù)中斷的成本，而不是一味的考慮材料成本，進(jìn)行成本優(yōu)化的工程設(shè)計(jì)與施工。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通信設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，在可靠性物理的基礎(chǔ)上，涉及到材料學(xué)、熱力學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多專業(yè)配合，需要結(jié)合很多實(shí)際工程環(huán)境和設(shè)備工作場(chǎng)景研究的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮運(yùn)營(yíng)商降低CAPEX和OPEX的需求，在一系列相互沖突的限定條件之中進(jìn)行優(yōu)化平衡。同時(shí)，通信設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，在日益復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景面前，無(wú)法只考慮設(shè)備自身，而是對(duì)環(huán)境也需要提出精細(xì)的要求，研究設(shè)備和環(huán)境的交互作用，通過(guò)設(shè)備制造商與運(yùn)營(yíng)商的共同配合與努力，確保整體方案的優(yōu)化和可靠。

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作者簡(jiǎn)介

郭丹旦，北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)；中興通訊股份有限公司系統(tǒng)架構(gòu)師，從事無(wú)線通信軟基站BBU硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

唐雄，中興通訊股份有限公司BBU系統(tǒng)部部長(zhǎng)；從事無(wú)線通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作。

崔卓，吉林大學(xué)碩士畢業(yè)；中興通訊股份有限公司系統(tǒng)架構(gòu)師，從事無(wú)線通信軟基站軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)工作。