通信汇聚机房配套建设浅析

2023-08-19豆晓雷瞿少凯丁一凡贺政李勇

广东通信技术 2023年7期

［豆晓雷瞿少凯丁一凡贺政李勇］

1 引言

汇聚机房作为城域传送网各类业务集中的重要节点，是通信运营商的重要战略资源。汇聚机房从网络架构分为重要汇聚机房、普通汇聚机房和业务汇聚机房，如图1 所示。其中重要汇聚机房用于多个综合业务接入区或多个汇聚区域内业务收敛及处理，并承担核心网转发面设备、数据承载网BRAS、内容分发网CDN 等设备下沉部署需求，为实现和核心机房“口”字型组网，需成偶数个部署，一般设置2 个，互为主备。普通汇聚机房用于所处汇聚区域的业务收敛，在城区及发达乡镇区域，每个综合业务区设置1 至2 个普通汇聚机房。业务汇聚机房用于业务集中、且距离普通汇聚机房较远区域的局部业务汇聚，以节省管线资源，一般是为满足综合业务接入区内特定区域（如大型社区、高校等）的有线或无线业务汇聚和疏导而设置的汇聚机房。

图1 各类机房分层示意图

随着核心网、内容分发网、数据承载网、无线网、传送网等网络建设部署，汇聚机房建设问题逐步显现。为响应国家“十四五”时期总体目标，构建基于5G+算力网络+智慧中台的“连接+算力+能力”的新型信息服务体系，需要持续提升汇聚机房等基础资源能力，助力国家“2030年碳达峰、2060 年碳中和”目标早日达成。

2 汇聚机房现状

2.1 机房可装机位不足

随着业务不断发展，汇聚机房要满足2G/4G/5G 基站、集客、家庭宽带、WLAN 等业务接入需求[1-2]。但早期机房建设时期对未来业务量规划不足、机位布局不合理以及退网设备不及时拆除等，导致机房面积偏小、机位布局利用率低，无法满足中远期业务发展要求，需持续提升汇聚机房等基础资源能力。

2.2 电源系统容量不足

当前绝大部分汇聚机房兼做C-RAN机房，相比D-RAN组网架构，减少对无线基站机房数量、管线配套资源占用[3]。伴随单站点BBU 资源池集中度增加，设备总功耗骤增[4]，且早期机房兼做C-RAN 机房时，缺乏对原有电源系统负载及中远期新增设备功耗有效预估，进一步导致原有机房电源系统无法满足现网业务要求，设备无法加电。

其次，随着局站负载增大和蓄电池超期服役，导致蓄电池组有效容量无法保障必要备电时长。一旦发生断电情况，无法保障维护人员到场，机房内设备宕机，覆盖区域业务大面积中断。

2.3 机房能耗大

汇聚机房收敛的业务种类直接决定通信设备种类和数量，不同厂家不同型号通信设备的散热方式各异，从而导致柜内冷热空气掺混，降温效果差。此外，机房内冷热通道规划混乱、大发热量设备集中部署、设备列超空调有效扬程部署、空调出回风方式不合理、空调未实现节能优化改造等也直接导致机房内温度居高不下，极端情况下导致设备过热宕机[5～6]。

目前，汇聚机房主要采用风冷型机房专用空调和舒适空调解决房间内设备散热需求，很少采用冷冻水型机房专用空调或新型空调末端，并且空调安装位置缺乏合理规划，大多部署在机房边缘或角落区域，无法实现对设备列均匀送风，远端设备获取冷空气少，导致空调远端的通信设备温度明显偏高。为解决设备持续散热需求，机房需要持续新增空调数量、下调空调温度，维护仅凭经验调整空调系统，无法合理设置空调运行参数，导致空调能耗增加，电能利用效率值（PUE）居高不下[7]。这种常规房间级降温方式只能通过冷却空气来实现设备降温，大量冷空气浪费，制冷效率低。

3 优化建设策略

3.1 机房机架优化

3.1.1 现有机房机架整合

充分梳理、挖潜现有汇聚机房资源，对装机面积、电力等配套资源紧张的汇聚机房及时安排优化改造。应通过对现网汇聚机房内空闲机架设备调整归并、不规则排列机架整改、空闲ODF 架整合、小芯数光缆割接至附近光交等方式挖潜机房可装机面积。

3.1.2 新增机房机位规划

对现有机房配套改造难度大的机房进行新建机房。新增机房应遵循“自建为主、购买为辅”方式，稳步提升机房自有率。此外，若采用租赁方式，为保障网络架构稳定、减少非必要搬迁，要求租赁机房期限不得少于10 年。新增汇聚机房面积可参考表1 要求进行建设。机房设备排列应保证基本的工程安装及维护空间，用于搬运设备的主通道净宽不应小于1.5 m，次搬运通道不宜小于1.0 m[8,14]。

表1 汇聚机房可使用面积明细

3.2 电源系统优化

3.2.1 老旧设备退网或改造

将承载业务量较低的老旧设备及时下电退网，腾退电源系统配电资源。例如：SDH 设备、早期型号容量偏小的OLT 设备等。对于存在功能重叠的设备，应进行承载业务的归并整合，避免浪费配套资源。例如：PTN 汇聚设备和接入设备在同一站点内的不合理堆叠。

3.2.2 电源系统整合改造

若现网机房存在多套低容量开关电源系统情况，可采用高容量开关电源系统替换多套低容量开关电源系统[9]，将设备割接至高容量开关电源系统，原有低容量开关系统拆除处理。例如：采用1 架容量-48 V/1 000 A 组合开关电源系统替换原机房内2 架简配容量-48 V/400 A 组合开关电源系统，新增蓄电池部署2 组500 Ah 铁锂电池，腾退原有电源系统。亦可部署铁锂电池替换原有低容量铅酸电池，实现同等容量电池备电时长更久、空间占用少（例如1 组500 Ah 电池仅需1 个标准机位（600 mm* 600 mm））的优点。同时针对现网铅酸电池组摆放方式进行优化，充分考虑机房机房承重或根据实际情况增加槽钢进行承重改造，将双层双列摆放改成4 层双列摆放，使用面积可节省一半。

对于机房开关电源系统需报废更新或扩容改造，且机房剩余机位少于5个，建议部署一体化能源柜，如图2所示，其具备智能多输入多输出（MIMO）电源单元、智能锂电池、高密集成度等产品特性，实现多种能源供应、多种规格交直流输出、支持市电削峰、叠光、错峰用电等功能，通过存量电源接入模块可实现新旧电池混用、不同类型电池混用等功能，打破电池不同厂家、不通批次、不通规格电池不可混用的技术壁垒。一体化能源柜模块化设计，实现一柜式收容电源、电池、通信设备，并根据设备数量快速并柜，极大程度节省空间资源。

图2 一体化能源柜系统布局图

3.2.3 新增机房电源系统规划

汇聚机房的供电类型主要为直流-48 V，根据专业划分的机房等级、机房面积的不同，电源的配置应有所区别。开关电源要综合考虑设备对电源端子及容量的需求。电池容量配置要满足近期负荷，并考虑中期发展负荷需求，需满足不同场景下备电时长要求。

重要汇聚机房，市电引入需考虑中远期配置的要求，要求使用二类市电，市电容量不低于247 kW，可配备固定油机，分立式开关电源容量建议不低于-48 V/2 000 A，铅蓄/铁锂电池容量不低于2 000 Ah，对于配备固定油机的机房，后备时长满足30 分钟[10]，进出局方式应具备管道双路由；另外，需要根据实际业务需求规划UPS 系统，满足核心网、CDN、数据承载网等专业交流用电需求。

针对普通汇聚机房，要求市电级别不得低于三类市电，市电容量不低于97 kW，预留移动油机接口箱，组合式开关电源容量建议不低于-48 V/600 A，铁锂电池容量不低于1 000 Ah，后备时长要求市区4～5 小时、郊县5～6 小时、乡镇7～8 小时，进出局方式尽量采用管道双路由。

针对业务汇聚机房，市电容量不低于42 kW，预留移动油机接口箱，组合式开关电源容量不低于600 A，铁锂电池容量不低于1 000 Ah，蓄电池后备时长控制在4～5 小时，进出局方式力争双路由，若无法满足时，应确保出局第一个人口井后具有两个不同的物理路由，保证网络安全。详细配套原则如表2 所示。

表2 三类汇聚机房配套原则

3.3 机房能耗优化

空调系统按照“满足环境指标、重点解决散热、推广节能技术、保证运行稳定、绿色环保、安全可靠”的原则配置。围绕通信主设备及电源设备工作环境指标，主要解决散热需求，个别季节性高湿地区兼顾除湿功能，干旱地区兼顾加湿功能。因地制宜采用节能环保新技术，合理选型、科学设计，确保机房运行稳定[11]。

3.3.1 机柜级制冷

汇聚机房能耗主要由通信设备、空调、照明系统等能耗组成，通信设备运行耗能占机房总能耗一半以上，其次是空调制冷耗能，占比达到40%，此外照明系统和电源系统耗能仅占比很小。由此可见，降低空调能耗占比对提高汇聚机房的建设意义重大。可运用新型节能改造技术、气流组织优化、机房温度均匀性提升等手段可有效降低机房PUE 值。

针对现网运行机柜内设备较难进行大范围改造、设备集中度高、局部高温、机房不具备气流优化改造条件，可部署一体化节能柜门，如图3 所示，将集成节能热管的空调集中在柜门上——背板空调，可直接替换既有机柜柜门，利用柜门上空调把柜内热空气排至机房外，无需设备割接，节约割接搬迁成本。

图3 一体化节能柜门

针对现网运行机柜割接改造难度较小、现有空调送风距离长、不具备气流优化改造条件，可部署一体化节能柜，如图4 所示，空调模块在柜侧面不占用柜内空间，工作原理同一体化柜门，并且可实现多柜并柜，实现冷量共享，同时减少机房内空调总数量，降低机房PUE 值。

图4 一体化节能柜

同时为解决机柜内多种设备散热气流紊乱问题，机柜级制冷可通过增加导风组件、隔离组件构建气流组织，实现冷热通道隔离，提升设备进风和散热效率如图5 所示。例如：华为BBU 设备左侧进风右侧出风，通过增加导风组件，进风方向为前面吸收、背面排出，即可实现冷热通道隔离，避免冷热空气混杂，提高柜内设备控温效果。

图5 构建气流组件示意图

一体化节能柜门和一体化节能柜的制冷系统集成重力热管节能技术[15]，利用自然冷源实现应急散热，工作原理如图6 所示，当机房外环境温度低于设置阈值，压缩机关闭，仅启用热管技术降温，柜内空气温度较高，热管通过蒸发器气化吸收柜内热量，利用热空气密度小于冷空气密度原理，热空气上升至屋顶或高于室内机0.5 m 处部署的室外机，通过室外机冷凝器实现液化散热降温，再利用重力作用热管内液体重新流入机柜内，以此循环工作。当机房外气温较高时，室外机的热管和压缩机同时工作，其中压缩机辅助制冷，提升冷量。若遇到市电中断，空调压缩机停止工作，此时依靠热管技术对柜内设备散热，降低因设备高温宕机的隐患。

图6 制冷系统工作原理示意图

以信阳某机房测试为例[12]，机房内2 个网络柜共计部署20 台BBU 设备（华为5300），总功耗6.5 kW。柜内最高温度出风温度已超过65 ℃（根据欧洲电信标准协会的相关标准，BBU 出风温度不能高于55 ℃，相关湿度应在40～70%，并以此作为检验设备是否处于安全工作状态[13]），机房配置2 台3P 柜式空调，空调设置温度26 ℃。但由于机房温度长期处于32 ℃左右，导致压缩机全天持续运行，空调能耗高，单日空调耗电96 kWh。使用一体化节能柜门替换原有网络综合柜门。经过改造后，温度控制效果显著，BBU 最高出风温度控制在50 ℃以下。同时考虑机房主要散热设备由柜门空调处理，仅有少量设备需要由原有柜式空调降温，因此原有2 台空调更改为仅启动其中1 台间接运行12 小时。如图7 所示，空调能耗降低50%，每日空调节余电费62 kWh，单站PUE 降低至1.2。

图7 空调运行功率

3.3.2 房间级制冷

原则上城域传送网汇聚层设备、有线接入网设备、无线设备、IT 设备等宜按设备功能分架分列集中设置。

为了优化设备温度、空调冷气利用率，采用双冷源空调替换机房既有风冷型舒适空调，该空调集成氟泵与压缩机系统，可根据室外温度变化及机房内负载情况进行自调控，实现低温环境节能运行、高温环境高频运行、故障情况自动切换、正常情况自动巡检等运行模式。双冷源空调具备3 种工作模式，如表3 所示。其中：模式1 仅开启氟泵系统，适用于外界气温低；模式2 同时开启氟泵系统和空调，氟泵系统承担主要冷量，压缩机系统补充，适用于外界气温较高，房间内设备热量较大；模式3 仅开启空调制冷，适用于外界气温高，房间内设备热量大。

表3 双冷源空调工作模式

传统机房风冷型柜式空调采用上部送风下部回风方式，由于重力作用，房间内空气呈“∞”型运动，机房内温度偏高、热风流回困难且顶部温度偏高，机房内仿真结果如图8 所示。双冷源空调室送回风方式与常规风冷型柜式空调相反，采用空调下半部分送风上半部分回风方式，房间内空气呈“O”型逆时针运动，机房内温度偏低、热风流回顺畅且顶部温度较低，更顺应汇聚机房冷热气流组织，同时可提升送风距离以保障机房间内温度均匀性，优化后仿真结果如图9 所示。对比气流结果可见，双冷源空调在控温、节能方面效果更好。

图8 传统空调工作气流图

图9 双冷源空调工作气流图

以北京朝阳区某机房为例，机房整体设备功耗为 14 kW，机房机位分布如图10 所示。机房内原有3 台5P柜式空调，设置空调温度25℃。经测量机房内各机柜周边环境平均温度31.4℃，如图11 所示，空调回风温度高于设定的制冷温度，压缩机持续性工作。使用双擎双冷源3P空调替换其中1 台5P 柜式空调C，如图12 所示。经过改造，机房内各机柜周边环境温度平均下降1.5 ℃，每日空调节余电费17.5 kWh，单站PUE 降低至1.15。以上实测足以证明双冷源空调可近一步提升机房整体能效，降低机房PUE 值，助力国家“碳达峰、碳中和”目标早日达成。