无线通信系统的环境适应性

灰尘试验，评估极端灰尘环境对设备连接可靠性和散热的影响。这些试验对改进设计、提高实际应用的可靠性起到了很大的作用，也是设计中保证设计指标的必要手段。但是为了控制分析的复杂度，试验剖面设计一般只针对某一类应力、机理或者失效模式，和现场应用的复杂环境有所区别。

图3 中兴通讯无线接入网设备的加强 应力灰尘试验

系统设计上，要综合考虑可靠性方法、电路设计方法、结构设计、环境设计方法等，结合降低CAPEX 和OPEX 的要求，确保设备的可用性。

2、设备常面临的环境问题

设备工作的环境情况非常复杂。北大西洋公约组织将全球的气候根据温度和湿度作了划分，作为设计指导的依据[4]。温度和湿度对设备存在一定的影响，但是设备的工作和更多的环境因素、人为操作因素相关联。美国军用标准MIL-HDBK-338B第7 部分，对环境因素和对设备的影响进行了一些描述，但是也没有给出设计指导意见[5]。

因为环境对设备的影响相互关联，很难独立的进行分析。本文尽量将关联的因素进行归类，分析对设备带来的影响以及设计应用中需要进行的考虑。

2.1 散热及相关

温度对设备有很多方面的影响，与散热相关的设计是设备最关注的方向之一，并且和包括灰尘等方向相关联。

从可靠性角度来看，温度影响着器件内粒子的扩散速度，过高的温度会加速迁移的速率，最终导致器件的失效。同时，温度还会加速腐蚀的进行。温度的昼夜、季节变化导致设备各个部件的热胀冷缩。热胀冷缩率的不同，对器件封装、组装等各个环节产生循环的应力。温度对设备寿命的影响在可靠性分析中已经有很多的研究，一般认为，温度每升高10度，设备的寿命缩短为原来一半。

从可靠性预计角度来看，为了延长设备寿命，应该使设备保持较低的温升。实际上，为了满足日益增长的处理复杂度需要，设备的集成度持续提升，设备比以往要耗散更多的电力。要把这些热散出去，需要增加设备的体积，或者增加设备的风流量，增加辅助的散热设施。这些措施的采用，直接抬高了CAPEX；降低设备温度，还意味着风扇/空调的转速更高，作为运动部件的风扇，比电子零部件更容易失效，这也就意味着降低温度实际使得设备更容易失效；更大的风流量，也意味着防尘网需要更频繁的清洗，增加了人力维护成本；更大的风流量，还意味着更多的耗电、更大的噪音。作为设计折中，系统设计中，比较倾向于让器件的工作温度在保证降额的情况下，贴近高温区，减少散热带来的电费增加以及风扇磨损、噪音等相关问题。不但如此，系统设计中让设备工作温度靠近高温区，还可以降低设备内湿度。但是，贴近高温区，也可能使半导体器件漏电导致设备消耗更多能量，需要平衡各因素进行考虑。

一般设备设计上已经考虑使得零部件在设计寿命内工作处于浴盆曲线的底部，在设计范围内工作时温度并不是设备发生故障的主要原因。设备损坏主要的原因常常来自于一些不可控制因素，使得工作环境超过设计能够支持的极限温度。从功能性能角度来看，温度会影响数字逻辑器件的工作频率，使得设计裕度被打破而导致功能异常；有的器件，例如恒温晶体振荡器（OCXO）内部具有加热恒温槽，在外部温度低于内部温度下才能起到恒温的作用，当温度范围超出标准时，时钟保持性能可能受到严重影响。这些都还是可恢复的异常。在更恶劣的情况下，芯片的漏电流随着温度升高以指数方式增大，在额定温度点附近功耗随温度快速增加，反过来带动芯片的温度进一步增加而导致热失效；高温下焊点、机械结构可能由于蠕变而失去强度；PCB 板可能发生碳化、分层等失效[6]。

设备设计上更关注的是如何使得这些外部的异常更不容易发生，异常发生的时候系统如何自动保护，同时兼顾越来越精细的OPEX 优化考虑。第一，对工作的环境提出了更明确的要求，根据实际的气候、业务模型等条件，把设备的工作环境作为一个系统来进行指标分配设计及综合成本评估，而不是只关注设备本身；第二，当服务质量许可的情况下，当出现异常状况时，系统通过自动降低负荷，甚至局部断电的方式进行自我保护，在异常解除时恢复工作，增强实际的可用性和可靠性。

随着多年的扩容、2G 向3G 换代以及多网多制式的共存，单个站点的容量密度也远高于过去。没有重新设计的机房或方舱，可能对设备的工作环境带来较大的影响。文献[7] 给出了机房换气设计的要求。如果机房达不到要求，则会导致设备过温。在实际应用中，因为空调设备被盗、损坏，通风装置损坏或者过滤网被堵塞等情况经常出现。有的站点建设时间较早，容量很低，经过长期运行通风设施存在