核心機(jī)房電力電池區(qū)與設(shè)備區(qū)面積配比研究

張博文，張小龍，何云龍，祁永新

(1.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇南京210006 2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)甘肅有限公司，甘肅蘭州730070)

甘肅省的兩個(gè)核心節(jié)點(diǎn)機(jī)房分布在蘭州的東西兩個(gè)片區(qū)。隨著網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，設(shè)備用電需求的不斷增加，現(xiàn)有電力電池室可裝機(jī)面積已經(jīng)基本用盡，而設(shè)備區(qū)仍有一定富余。如何更加合理規(guī)劃現(xiàn)有機(jī)房的使用功能，同時(shí)對(duì)新建大樓提出電源區(qū)和設(shè)備區(qū)面積配比關(guān)系是一個(gè)新課題。本文以蘭州的這兩個(gè)核心節(jié)點(diǎn)機(jī)房為基礎(chǔ)研究對(duì)象，同時(shí)結(jié)合未來(lái)設(shè)備用電發(fā)展趨勢(shì)對(duì)這一課題進(jìn)行分析，最后給出合理化的建議。

1 機(jī)房用電現(xiàn)狀分析

甘肅省的兩個(gè)省級(jí)核心節(jié)點(diǎn)機(jī)房分布在蘭州的東西兩個(gè)片區(qū)，具體如表1、表2所示。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，按照規(guī)劃初期各機(jī)房的使用功能來(lái)推算，電力電池室區(qū)域與機(jī)房總面積配比的結(jié)論是705:3159=1∶4.48。而根據(jù)現(xiàn)有各機(jī)房已經(jīng)使用的面積來(lái)看，實(shí)際的配比關(guān)系為615∶2457=1∶4。目前主設(shè)備機(jī)房使用情況為75%，而電力電池室使用率為87%。

下面再來(lái)分析一下西片區(qū)機(jī)房的情況。

表1 東片區(qū)機(jī)房面積及功耗現(xiàn)狀

表2 西片區(qū)機(jī)房面積及功耗現(xiàn)狀

由表2可以發(fā)現(xiàn)，按照機(jī)房規(guī)劃初期各機(jī)房的使用功能來(lái)計(jì)算，電力電池室區(qū)域與機(jī)房總面積配比的結(jié)論為755∶4075=1∶5.39。根據(jù)目前設(shè)備擺放的面積占比分析電力區(qū)面積與機(jī)房面積的配比關(guān)系為700∶2 172=1∶4.1。目前機(jī)房使用情況為68%。電力電池室使用率為93%。由此可見如果未來(lái)不開辟新的電力電池區(qū)域，該機(jī)房發(fā)展到后期時(shí)電力電池室面積將嚴(yán)重不足。

通過對(duì)以上兩個(gè)機(jī)房的現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有電力電池室的面積需求都比當(dāng)初規(guī)劃的值要大。那么對(duì)于核心機(jī)房尤其是新建的核心機(jī)房大樓到底如何配置各機(jī)房面積的大小，這一問題有待深入的探討。

一般機(jī)房按照功能可以劃分為傳輸、交換(含少量無(wú)線設(shè)備)、數(shù)據(jù)這幾大類。因此，按各專業(yè)能耗占比對(duì)以上2個(gè)機(jī)房進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3。

表3 各專業(yè)能耗占比(功耗:kW;功率密度:kW/m2)

通過以上兩個(gè)機(jī)房的分析:傳輸用電平均占比為5.45%，交換用電平均占比為45.91%，數(shù)據(jù)用電平均占比為48.65%。兩棟樞紐樓功率密度也非常相近，傳輸為 0.23 kW/m2，交換平均為 0.53 kW/m2，數(shù)據(jù)平均為0.49 kW/m2。由此發(fā)現(xiàn)相同類型的大樓，用電結(jié)構(gòu)應(yīng)該是比較接近的。

2 設(shè)備用電發(fā)展趨勢(shì)

依照對(duì)未來(lái)各主設(shè)備用電發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，下面將進(jìn)一步分析其對(duì)用電量及面積的影響。

2.1 傳輸設(shè)備的發(fā)展

我國(guó)傳輸設(shè)備技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)個(gè)階段，見表4所示;表5為對(duì)傳輸設(shè)備功耗發(fā)展的預(yù)測(cè);傳輸設(shè)備速率、功耗、平均速率的發(fā)展見圖1。

表4 傳輸設(shè)備技術(shù)與功耗發(fā)展歷程

由設(shè)備分類的發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，PDH-SDH-PTN為發(fā)展路線之一，WDM-OTN是發(fā)展演進(jìn)之二。

由圖1可以看出每Mbit/s的功耗已經(jīng)下降到很低的水平，采用冪級(jí)數(shù)的趨勢(shì)外推法，可以看出未來(lái)每Mbit/s的功耗下降相對(duì)較小，變化最大的在傳輸速率與帶寬利用率上。通過對(duì)比SDH 10G的功耗在1.5 kW，而PTN 10GE的功耗為2.1 kW。單位機(jī)架的功率密度由原來(lái)的4.44 kW/m2，增加到5.83 kW/m2，增長(zhǎng)比為1.31。所以未來(lái)傳輸設(shè)備區(qū)域的功率密度較現(xiàn)在必然增加。

表5 傳輸設(shè)備功耗發(fā)展預(yù)測(cè)

圖1 傳輸設(shè)備速率、功耗、平均速率發(fā)展圖

2.2 無(wú)線設(shè)備的發(fā)展

以某廠家無(wú)線設(shè)備為例，目前甘肅省使用的BSC主要是 BSC32、BSC6000，其中 BSC32將陸續(xù)由BSC6000替代。表6為設(shè)備配置及生產(chǎn)時(shí)間詳情，圖2為無(wú)線設(shè)備速率、功耗、平均速率發(fā)展圖。

表6 無(wú)線設(shè)備功耗發(fā)展預(yù)測(cè)

圖2 無(wú)線設(shè)備速率、功耗、平均速率發(fā)展圖

由表6可以看出無(wú)線設(shè)備無(wú)論是機(jī)架面積、耗電量都有明顯的下降。近年來(lái)，設(shè)備雖然在整架的功耗上沒有什么變化，不過在單位載頻功耗的耗電量上也有比較明顯的下降。通過趨勢(shì)外推法可以看出，未來(lái)單位載頻耗電量仍將會(huì)繼續(xù)下降。不過隨著未來(lái)設(shè)備換型，G網(wǎng)的建設(shè)速度放緩，因此G網(wǎng)的BSC對(duì)電源區(qū)面積需求將減緩。

2.3 交換設(shè)備的發(fā)展

交換技術(shù)應(yīng)用與傳輸技術(shù)應(yīng)用明顯不同，在機(jī)房設(shè)備中沒有明顯的發(fā)展界限，從電路交換到IP電話再到軟交換設(shè)備都有，見表7。

表7 交換技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及設(shè)備典型功耗

現(xiàn)有交換網(wǎng)元有:DS/DM/GS/GM/HLR/SGSN/GGSN，CE和AR是IP承載網(wǎng)設(shè)備。在未來(lái)五年的時(shí)間里，存在變化的主要是IMS的出現(xiàn)和分布式HLR的演進(jìn)。IMS主要在地市將新增CE，SBC以及防火墻，新增功耗在5～17 kW左右。分布式HLR將原有HLR分成兩個(gè)FE和BE，F(xiàn)E功耗在3 kW左右，BE功耗為5 kW，一般BE將統(tǒng)一設(shè)置在省會(huì)城市，而FE將設(shè)置在各地市。目前各地市現(xiàn)有的HLR設(shè)備通過升級(jí)可以兼顧FE的功能，因此對(duì)于地市來(lái)說(shuō)，功耗需求的增加主要是新增的IMS設(shè)備功耗。因此設(shè)備的占地面積需要增加，另外新增IMS設(shè)備的單架功耗在4.5～6 kW之間，而分布式HLR的單架功耗在5 kW左右，與現(xiàn)有交換機(jī)架平均3 kW左右的功耗有明顯增加。未來(lái)交換設(shè)備單架功耗將接近4 kW。因此對(duì)于機(jī)房功率密度也將接近0.69 kW/m2。

2.4 數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)展歷程

數(shù)據(jù)機(jī)房及功耗發(fā)展歷程:從服務(wù)器能耗最主要的來(lái)源，服務(wù)器CPU的設(shè)計(jì)趨勢(shì)看，從過去30多年里單純追求摩爾定律，通過提高晶體管密度和時(shí)鐘頻率來(lái)提高性能;到1990年代末期，DEC和IBM意識(shí)到單純提高晶體管密度和降低制程即將面臨瓶頸，開始在Alpha和Power4上研究CMP(單芯片多處理器架構(gòu))，接著2003年以后AMD和Intel也朝著CMP的方向轉(zhuǎn)變，注重芯片和服務(wù)器系統(tǒng)的實(shí)際效能，具體見表8。

表8 數(shù)據(jù)機(jī)房發(fā)展歷程表

目前衡量服務(wù)器處理能力的指標(biāo)為TPCC(業(yè)務(wù)處理系統(tǒng))。表9為在不同時(shí)期下的 CPU數(shù)量及TPCC值對(duì)比。

由表9可以看出單架設(shè)備的最大功耗不斷提升，而單位功耗下的處理能力不斷上升。因此數(shù)據(jù)機(jī)房的功率密度必然上升。

表9 不同時(shí)期下的CPU數(shù)量及TPCC值對(duì)比

BOSS機(jī)房:從2006年到2009年BOSS機(jī)房處理量增長(zhǎng)了6倍左右，在過去5年當(dāng)中，BOSS機(jī)房能耗翻了一倍。但是考慮到機(jī)架擴(kuò)容以及機(jī)房制冷局限，未來(lái)機(jī)架的功耗不會(huì)無(wú)限制的增加。單個(gè)機(jī)架將可能會(huì)接近5～7 kW，較現(xiàn)有機(jī)架功耗提升40% ～90%。

3 核心機(jī)房電力電池室模型

為了能指導(dǎo)未來(lái)新建大樓的建設(shè)，首先要建立一個(gè)嚴(yán)格符合相關(guān)核心機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)指導(dǎo)意見的電力電池室模型，以便于研究機(jī)房的功率密度，如圖3所示。

圖3 電力電池室模型

樞紐樓電池室面積參考模型:內(nèi)建6套2 000 A的開關(guān)電源，4套160 kVA的UPS，總面積為341 m2。該面積能提供662 kW，對(duì)應(yīng)功率密度1.93 kW/m2。另外通過多次建模發(fā)現(xiàn)，如果按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)意見進(jìn)行建設(shè)，不同電力電池室的功率密度應(yīng)該是相似的。因此電力電池室的功率密度可以取值為1.93 kW。

4 結(jié)論

通過結(jié)合設(shè)備用電趨勢(shì)發(fā)展的分析，同時(shí)與相關(guān)指導(dǎo)意見的結(jié)合，傳輸和數(shù)據(jù)機(jī)房未來(lái)的功率密度將接近移動(dòng)集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)意見的上限。而交換的功率密度0.69對(duì)應(yīng)移動(dòng)集團(tuán)公司的0.8上限還有一些距離。因此本文給出的核心樞紐樓機(jī)房的功率密度如表10。

表10 核心樞紐樓機(jī)房的功率密度

同時(shí)對(duì)交換、數(shù)據(jù)、傳輸機(jī)房的用電需求占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得表11。

表11 交換、數(shù)據(jù)、傳輸機(jī)房對(duì)用電需求占比

由表10，表11可以計(jì)算得出，1 m2電力電池室能提供 1.28 m2交換區(qū)，1.01 m2數(shù)據(jù)區(qū)，0.27 m2傳輸區(qū)設(shè)備用電需求，因此電力電池室面積與機(jī)房總面積配比為1∶3.56。考慮到機(jī)房?jī)?nèi)有ODF/DDF架等無(wú)源設(shè)備的占地需求，另外空調(diào)占地需求以及機(jī)房具體形狀對(duì)設(shè)備擺放的限制等多方面原因綜合判定電力電池室面積與機(jī)房面積配比最小不得小于1∶3.81，最大不超過 1∶3.56。