核心機房電力電池區與設備區面積配比研究

張博文，張小龍，何云龍，祁永新

(1.江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇南京210006 2.中國移動通信集團甘肅有限公司，甘肅蘭州730070)

甘肅省的兩個核心節點機房分布在蘭州的東西兩個片區。隨著網絡擴容，設備用電需求的不斷增加，現有電力電池室可裝機面積已經基本用盡，而設備區仍有一定富余。如何更加合理規劃現有機房的使用功能，同時對新建大樓提出電源區和設備區面積配比關系是一個新課題。本文以蘭州的這兩個核心節點機房為基礎研究對象，同時結合未來設備用電發展趨勢對這一課題進行分析，最后給出合理化的建議。

1 機房用電現狀分析

甘肅省的兩個省級核心節點機房分布在蘭州的東西兩個片區，具體如表1、表2所示。

由表1可以發現，按照規劃初期各機房的使用功能來推算，電力電池室區域與機房總面積配比的結論是705:3159=1∶4.48。而根據現有各機房已經使用的面積來看，實際的配比關系為615∶2457=1∶4。目前主設備機房使用情況為75%，而電力電池室使用率為87%。

下面再來分析一下西片區機房的情況。

表1 東片區機房面積及功耗現狀

表2 西片區機房面積及功耗現狀

由表2可以發現，按照機房規劃初期各機房的使用功能來計算，電力電池室區域與機房總面積配比的結論為755∶4075=1∶5.39。根據目前設備擺放的面積占比分析電力區面積與機房面積的配比關系為700∶2 172=1∶4.1。目前機房使用情況為68%。電力電池室使用率為93%。由此可見如果未來不開辟新的電力電池區域，該機房發展到后期時電力電池室面積將嚴重不足。

通過對以上兩個機房的現狀分析，發現現有電力電池室的面積需求都比當初規劃的值要大。那么對于核心機房尤其是新建的核心機房大樓到底如何配置各機房面積的大小，這一問題有待深入的探討。

一般機房按照功能可以劃分為傳輸、交換(含少量無線設備)、數據這幾大類。因此，按各專業能耗占比對以上2個機房進行統計，見表3。

表3 各專業能耗占比(功耗:kW;功率密度:kW/m2)

通過以上兩個機房的分析:傳輸用電平均占比為5.45%，交換用電平均占比為45.91%，數據用電平均占比為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，數據平均為0.49 kW/m2。由此發現相同類型的大樓，用電結構應該是比較接近的。

2 設備用電發展趨勢

依照對未來各主設備用電發展趨勢的預測，下面將進一步分析其對用電量及面積的影響。

2.1 傳輸設備的發展

我國傳輸設備技術發展經歷了數個階段，見表4所示;表5為對傳輸設備功耗發展的預測;傳輸設備速率、功耗、平均速率的發展見圖1。

表4 傳輸設備技術與功耗發展歷程

由設備分類的發展的趨勢來看，PDH-SDH-PTN為發展路線之一，WDM-OTN是發展演進之二。

由圖1可以看出每Mbit/s的功耗已經下降到很低的水平，采用冪級數的趨勢外推法，可以看出未來每Mbit/s的功耗下降相對較小，變化最大的在傳輸速率與帶寬利用率上。通過對比SDH 10G的功耗在1.5 kW，而PTN 10GE的功耗為2.1 kW。單位機架的功率密度由原來的4.44 kW/m2，增加到5.83 kW/m2，增長比為1.31。所以未來傳輸設備區域的功率密度較現在必然增加。

表5 傳輸設備功耗發展預測

圖1 傳輸設備速率、功耗、平均速率發展圖

2.2 無線設備的發展

以某廠家無線設備為例，目前甘肅省使用的BSC主要是 BSC32、BSC6000，其中 BSC32將陸續由BSC6000替代。表6為設備配置及生產時間詳情，圖2為無線設備速率、功耗、平均速率發展圖。

表6 無線設備功耗發展預測

圖2 無線設備速率、功耗、平均速率發展圖

由表6可以看出無線設備無論是機架面積、耗電量都有明顯的下降。近年來，設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。通過趨勢外推法可以看出，未來單位載頻耗電量仍將會繼續下降。不過隨著未來設備換型，G網的建設速度放緩，因此G網的BSC對電源區面積需求將減緩。

2.3 交換設備的發展

交換技術應用與傳輸技術應用明顯不同，在機房設備中沒有明顯的發展界限，從電路交換到IP電話再到軟交換設備都有，見表7。

表7 交換技術發展趨勢及設備典型功耗

現有交換網元有:DS/DM/GS/GM/HLR/SGSN/GGSN，CE和AR是IP承載網設備。在未來五年的時間里，存在變化的主要是IMS的出現和分布式HLR的演進。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FE和BE，FE功耗在3 kW左右，BE功耗為5 kW，一般BE將統一設置在省會城市，而FE將設置在各地市。目前各地市現有的HLR設備通過升級可以兼顧FE的功能，因此對于地市來說，功耗需求的增加主要是新增的IMS設備功耗。因此設備的占地面積需要增加，另外新增IMS設備的單架功耗在4.5～6 kW之間，而分布式HLR的單架功耗在5 kW左右，與現有交換機架平均3 kW左右的功耗有明顯增加。未來交換設備單架功耗將接近4 kW。因此對于機房功率密度也將接近0.69 kW/m2。

2.4 數據設備發展歷程

數據機房及功耗發展歷程:從服務器能耗最主要的來源，服務器CPU的設計趨勢看，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鐘頻率來提高性能;到1990年代末期，DEC和IBM意識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)，接著2003年以后AMD和Intel也朝著CMP的方向轉變，注重芯片和服務器系統的實際效能，具體見表8。

表8 數據機房發展歷程表

目前衡量服務器處理能力的指標為TPCC(業務處理系統)。表9為在不同時期下的 CPU數量及TPCC值對比。

由表9可以看出單架設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。因此數據機房的功率密度必然上升。

表9 不同時期下的CPU數量及TPCC值對比

BOSS機房:從2006年到2009年BOSS機房處理量增長了6倍左右，在過去5年當中，BOSS機房能耗翻了一倍。但是考慮到機架擴容以及機房制冷局限，未來機架的功耗不會無限制的增加。單個機架將可能會接近5～7 kW，較現有機架功耗提升40% ～90%。

3 核心機房電力電池室模型

為了能指導未來新建大樓的建設，首先要建立一個嚴格符合相關核心機房標準化建設指導意見的電力電池室模型，以便于研究機房的功率密度，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:內建6套2 000 A的開關電源，4套160 kVA的UPS，總面積為341 m2。該面積能提供662 kW，對應功率密度1.93 kW/m2。另外通過多次建模發現，如果按照相關標準化指導意見進行建設，不同電力電池室的功率密度應該是相似的。因此電力電池室的功率密度可以取值為1.93 kW。

4 結論

通過結合設備用電趨勢發展的分析，同時與相關指導意見的結合，傳輸和數據機房未來的功率密度將接近移動集團標準化指導意見的上限。而交換的功率密度0.69對應移動集團公司的0.8上限還有一些距離。因此本文給出的核心樞紐樓機房的功率密度如表10。

表10 核心樞紐樓機房的功率密度

同時對交換、數據、傳輸機房的用電需求占比進行統計，得表11。

表11 交換、數據、傳輸機房對用電需求占比

由表10，表11可以計算得出，1 m2電力電池室能提供 1.28 m2交換區，1.01 m2數據區，0.27 m2傳輸區設備用電需求，因此電力電池室面積與機房總面積配比為1∶3.56。考慮到機房內有ODF/DDF架等無源設備的占地需求，另外空調占地需求以及機房具體形狀對設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房面積配比最小不得小于1∶3.81，最大不超過 1∶3.56。