無線通信基站系統在現場應用中會受到散熱、灰塵、油煙、濕度、腐蝕等環境因素的影響，而運營商降低建設成本和維護成本的考慮使得設備工作環境更加惡化。從實踐角度出發，基于實際部署經驗，系統性地分析了上述因素對設備可靠性的影響，提出綜合設備設計和應用環節統籌考慮以減輕影響的思路，并針對設備設計和部署給出了具體建議。

運營商降低TCO，主要包含降低建設成本（CAPEX）和維護成本（OPEX）兩方面。為了降低CAPEX，通信設備尤其是接入網設備的工作環境，從機房、空調方艙等被改變為包括室外柜、弱電井、樓道、車庫、鐵皮柜等各種復雜環境，同時對通信設備提出了體積小、重量輕、安裝成本低的要求，還要維持設備本身的低成本；為了降低OPEX，設備要盡量降低功耗、盡可能地被室外化、工作環境相對過去高溫化，以節省電費，同時還要求設備盡量減少維護，以降低維護人工的成本。接入網電信設備從精密、嬌貴的設備，已經變成無所不在的IT 化設備，甚至工作環境更為惡劣。簡易機房土坯墻面脫落，設備工作環境的惡劣情況如圖1 所示。

圖1 設備工作環境惡劣情況

在這個背景之下，電信設備近年來面臨各種新的環境適應性問題，設備設計的一些思路也需要有發生轉變，從遵從標準到理解標準，滿足應用場景，以適應不同的應用需求。

對設備在不同環境下工作以及設計約束的研究，傳統上屬于可靠性方面。但是，傳統的可靠性方法，并沒有針對實際工程應用給出足夠的指導意見。設備設計制造需要對環境適應力的深入理解和把握，以及從系統多個維度上進行平衡。

1、研發過程的可靠性方法

傳統的可靠性增長方法，主要從可靠性預計和可靠性指標分配開始，通過預算、設計、控制等過程，保證產品的質量[1]。

可靠性預計基于對器件失效模型的認識，通過概率與數理統計方法，首先對系統建立可靠性數學模型，然后評估其平均無故障時間（MTBF）、平均恢復前時間（MTTR）等指標。參照的方法很多來源于美國軍用手冊MIL-HDBK-217。但是，這些方法在實際應用中有非常大的局限性，存在估算數據不準確，參考意義不足等諸多問題[2-3]。

有一些人認為，這些方法估計不準確的主要原因是在于手冊制訂時間過早，電子工業經過多年的發展，手冊不符合實際的情況，有一些通過經驗進行修正盡量使得估計準確。但是仍然有很多因素使得估算不能準確進行：一個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，多為過應力使用、非設計場景的惡劣環境等，無法在模型里考慮充分；另外一個主要因素是系統模型異常復雜，實際的分析不可行。

以目前通信基站系統來看，一個系統中存在若干個單板，有一些故障模式并不能完全用串聯或者并聯描述，存在關聯性。每個單板中可能存在超過100~200 種、數千個物料，存在多種失效模式。失效模式、失效模式對應的器件范圍，甚至一種失效模式在不同的情況下對系統的影響均不相同。這樣，使得可靠性預計更加困難，難以有效實施。而且，隨著IT 化和商用貨架產品（COTS）的廣泛使用，可靠性分析對設計的指導作用更加有限。從設備設計和生產實際的經驗認為，主要的設備故障和異常往往來自于環境等外部不可控因素影響，而不是部件自身老化或者偶發失效，這也使得可靠性預計的準確度大大降低。

有一些更激進的觀點認為，可靠性預計已經變成數字游戲，對產品的質量和設計沒有指導意義。能夠保證設計系統可靠的是可靠性增長試驗和失效物理（可靠性篩選和監控屬于控制范疇，本文不討論）。

失效物理通過研究某一種因素對部件的影響，分析部件會在何時、何處、何種原因，發生何種類型的失效。通過研究擴散、相變、腐蝕、應力、靜電泄放等物理化學過程對器件的影響，來分析器件可能產生的問題。失效物理的分析為進一步的改進和增加可靠性提供了很好的基礎（分析的例子如圖2 所示）。

圖2 陶瓷電容橫貫裂紋、芯片ESD損毀形貌

目前可靠性增長試驗中，應用較為廣泛的包括四角測試、強加速壽命試驗（HALT）等，還包括鹽霧、灰塵、濕塵、振動、滲漏等。這些試驗有意無意地采用失效物理分析的一些因素，例如HALT 實際上考慮的是高低溫應力、高低溫循環帶來的應力、疊加強振動等，來尋找系統設計的薄弱環節；鹽霧考慮的是腐蝕的問題；振動主要評估結構在應力下的表現。因為設備壽命遠遠長于試驗所能夠接受的周期，在可靠性試驗設計中，常常也采用加速的方法，加大應力（電壓、溫度、濕度、溫變速率等），增加樣本數量，來評估系統實際工作中的壽命。圖3 就是室內無線基站設備的加強灰塵試驗，評估極端灰塵環境對設備連接可靠性和散熱的影響。這些試驗對改進設計、提高實際應用的可靠性起到了很大的作用，也是設計中保證設計指標的必要手段。但是為了控制分析的復雜度，試驗剖面設計一般只針對某一類應力、機理或者失效模式，和現場應用的復雜環境有所區別。

圖3 中興通訊無線接入網設備的加強 應力灰塵試驗

系統設計上，要綜合考慮可靠性方法、電路設計方法、結構設計、環境設計方法等，結合降低CAPEX 和OPEX 的要求，確保設備的可用性。

2、設備常面臨的環境問題

設備工作的環境情況非常復雜。北大西洋公約組織將全球的氣候根據溫度和濕度作了劃分，作為設計指導的依據[4]。溫度和濕度對設備存在一定的影響，但是設備的工作和更多的環境因素、人為操作因素相關聯。美國軍用標準MIL-HDBK-338B第7 部分，對環境因素和對設備的影響進行了一些描述，但是也沒有給出設計指導意見[5]。

因為環境對設備的影響相互關聯，很難獨立的進行分析。本文盡量將關聯的因素進行歸類，分析對設備帶來的影響以及設計應用中需要進行的考慮。

2.1 散熱及相關

溫度對設備有很多方面的影響，與散熱相關的設計是設備最關注的方向之一，并且和包括灰塵等方向相關聯。

從可靠性角度來看，溫度影響著器件內粒子的擴散速度，過高的溫度會加速遷移的速率，最終導致器件的失效。同時，溫度還會加速腐蝕的進行。溫度的晝夜、季節變化導致設備各個部件的熱脹冷縮。熱脹冷縮率的不同，對器件封裝、組裝等各個環節產生循環的應力。溫度對設備壽命的影響在可靠性分析中已經有很多的研究，一般認為，溫度每升高10度，設備的壽命縮短為原來一半。

從可靠性預計角度來看，為了延長設備壽命，應該使設備保持較低的溫升。實際上，為了滿足日益增長的處理復雜度需要，設備的集成度持續提升，設備比以往要耗散更多的電力。要把這些熱散出去，需要增加設備的體積，或者增加設備的風流量，增加輔助的散熱設施。這些措施的采用，直接抬高了CAPEX；降低設備溫度，還意味著風扇/空調的轉速更高，作為運動部件的風扇，比電子零部件更容易失效，這也就意味著降低溫度實際使得設備更容易失效；更大的風流量，也意味著防塵網需要更頻繁的清洗，增加了人力維護成本；更大的風流量，還意味著更多的耗電、更大的噪音。作為設計折中，系統設計中，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，減少散熱帶來的電費增加以及風扇磨損、噪音等相關問題。不但如此，系統設計中讓設備工作溫度靠近高溫區，還可以降低設備內濕度。但是，貼近高溫區，也可能使半導體器件漏電導致設備消耗更多能量，需要平衡各因素進行考慮。