大容量OTN設(shè)備高功耗原因分析及應(yīng)對措施研究

林何平，唐智飛，張卓（中國移動通信設(shè)計院有限公司，北京 100080）

?

大容量OTN設(shè)備高功耗原因分析及應(yīng)對措施研究

林何平，唐智飛，張卓
（中國移動通信設(shè)計院有限公司，北京 100080）

摘要本文介紹了干線網(wǎng)中應(yīng)用大容量OTN由于功耗過大導(dǎo)致機(jī)房安裝問題，并分析設(shè)備的功耗組成，從而在技術(shù)發(fā)展和施工安裝兩個方面提出應(yīng)對措施，以滿足設(shè)備安裝需求。

關(guān)鍵詞大容量OTN；高功耗；干線網(wǎng)

為滿足CMNet高帶寬的需求，某工程在東部、西部及東北網(wǎng)均大規(guī)模部署了100 G OTN設(shè)備。在實際網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)100 G OTN單機(jī)功耗遠(yuǎn)大于已有設(shè)備，給現(xiàn)網(wǎng)部署帶來了諸多困難；根據(jù)廠驗功耗測試結(jié)果，得出不同設(shè)備廠商單機(jī)最大功耗值如表1所示。

表1　某工程100G OTN設(shè)備功耗表

從以上數(shù)據(jù)可以看出，比已有的設(shè)備單機(jī)功耗（一般在3～5kW）大很多，現(xiàn)有機(jī)房的配套電源和機(jī)房裝機(jī)方式均無法滿足工程裝機(jī)需求。因此有必要對OTN設(shè)備高功耗的原因進(jìn)行分析，推動廠商降能節(jié)耗；并結(jié)合實際機(jī)房情況找出切實可行的安裝方案，為后期項目實施提供一些參考，保證100 G OTN的可持續(xù)發(fā)展。

1　OTN設(shè)備功耗細(xì)分及發(fā)展趨勢

1.1功耗組成

OTN系統(tǒng)由系統(tǒng)單元、交叉單元及業(yè)務(wù)單元組成。其中系統(tǒng)單元包括散熱系統(tǒng)、主控單元及電源模塊等，在整個OTN系統(tǒng)中的功耗占比約為6.9%（以某廠家的典型設(shè)備為例，以下功耗占比數(shù)據(jù)皆是）；交叉單元由交叉芯片、外圍芯片等組成，功耗占比約為8.1%；業(yè)務(wù)單元（以線路側(cè)OTU為例）包含有光器件、光模塊、成幀單元及其他部分，功耗占比約為85%。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，業(yè)務(wù)單元功耗是OTN系統(tǒng)功耗的主要組成部分，對業(yè)務(wù)單元功耗進(jìn)一步細(xì)化如表2。

表2　OTN設(shè)備功耗占比表

其中光模塊及成幀單元功耗約占業(yè)務(wù)單元功耗的75%，占設(shè)備整體功耗的63.75%，是OTN設(shè)備功耗的主要貢獻(xiàn)者。

1.2單位能效和單機(jī)功耗

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，OTN設(shè)備單位能效在不斷降低。納米制造工藝的提高，交叉芯片由130 nm提升到32 nm、業(yè)務(wù)處理芯片由65 nm提升到28 nm、光模塊達(dá)到由65 nm提升到40 nm。更小的尺寸意味著更小的電容和導(dǎo)通電壓，即更小的動態(tài)功耗，因此芯片尺寸的降低意味著功耗的降低。從某個公開的統(tǒng)計數(shù)據(jù)上看，制造工藝的提高使交叉芯片容量增長5倍，而功耗只增長了1倍；業(yè)務(wù)處理芯片容量增長了5倍，功耗增長了1.5倍；接口速率提升了2.5倍，光模塊功耗增長了60%。對應(yīng)到單位帶寬所需要的功耗則從1.5 W/Gbit下降目前的1 W/Gbit，未來還會進(jìn)一步的下降。

另外，引入硅光技術(shù)將推動光模塊內(nèi)的光器件功耗快速下降，并使體積進(jìn)一步減小，在支路側(cè)由目前的CFP封裝提升為CFP2甚至CFP4封裝，業(yè)務(wù)處理芯片由FPGA分離架構(gòu)改進(jìn)為ASIC工藝單片SOC全集中架構(gòu)。

通過以上技術(shù)的提升，OTN支、線路卡功耗預(yù)計未來3年每年平均降幅在20%左右，同一交叉容量的設(shè)備功耗每年平均降幅在15%左右。

雖然OTN設(shè)備單位能效在不斷提升，但設(shè)備線路速率的提升和集成度的增加，單機(jī)功耗在突飛猛進(jìn)，單機(jī)架滿配功耗由4 kW已經(jīng)增至19.6 kW，即單機(jī)架功耗有了更大程度的提高，現(xiàn)有的機(jī)房條件無法滿足快速發(fā)展需求，因此，如何平衡能效和功耗之間的關(guān)系，是工程應(yīng)用中很重要的一個方面。

2　高單機(jī)功耗帶來工程應(yīng)用中的問題及解決方案

由于單機(jī)功耗的大幅度增加，在裝機(jī)時會遇到各種問題，具體來說，主要可以歸納為機(jī)房散熱增大和供電能力不足。

2.1散熱問題

由于大部分的機(jī)房都是利舊機(jī)房，因此散熱問題歸結(jié)起來有兩點(diǎn)。

2.1.1制冷量不足

假定目前現(xiàn)有機(jī)房的總制冷量為Po （指機(jī)房的制冷極限），與機(jī)房總熱負(fù)荷Pr關(guān)系為：Po≥1.3Pr。因此，隨著總功耗的增加而導(dǎo)致機(jī)房總制冷量不足，此時，可采取替換更大功率的空調(diào)或增多空調(diào)數(shù)量等方式解決。該方案需要替換或新增空調(diào)，如果采用新增方案時，需考慮機(jī)房的裝機(jī)位置是否滿足。

2.1.2機(jī)柜自身散熱超平均單機(jī)功耗

機(jī)柜自身散熱高，可能會造成自身工作可靠性降低及形成熱島從而影響鄰近設(shè)備的負(fù)面效果。

為減少這種影響，在工程中采取的措施有：將大功耗設(shè)備部署到空調(diào)較近或接近送風(fēng)口位置、大功耗設(shè)備盡量分散布局（設(shè)備間空余位置盡量安裝如光放設(shè)備、配線架等小功耗設(shè)備）、不同列間大功耗設(shè)備交錯安裝等，如圖1所示。對于還不能滿足裝機(jī)要求的，可以考慮將大交叉容量機(jī)架更換成低交叉容量的機(jī)架，以降低單機(jī)架功耗，但機(jī)架數(shù)量增加會導(dǎo)致總功耗增大。

另外，采用支線架合一板卡也可降低功耗，但由于失去了業(yè)務(wù)配置和調(diào)度靈活性以及智能保護(hù)功能，不建議采用。

2.2供電能力不足

2.2.1機(jī)房整體供電不足

圖1　機(jī)房設(shè)備布局建議

總供電能力又分為直流供電能力和交流供電能力。一般的，設(shè)備總功耗大于提供能力的80%，就可認(rèn)為供電能力不足。

交流供電不足又可以分成油機(jī)容量不足、UPS容量不足等情況，如果有擴(kuò)容改造條件，則需要對機(jī)房整體供電系統(tǒng)改造；如果不能再改造，則需要對某些系統(tǒng)下電搬遷，或者減少附屬設(shè)施的功耗等方式。

直流供電不足也可以分為電池放電時間不足和整流屏容量不足等原因，首選改造擴(kuò)容及新建直流系統(tǒng)，如果不能進(jìn)行改造，則需要搬遷某些設(shè)備。

2.2.2列頭柜及空開（熔絲）供電能力不足

如果是空開（熔絲）容量小于需求，可以更換大容量空開（熔絲）；若列頭柜供電能力不滿足要求，則需要新建列柜。如果是新增機(jī)架供電需求，則此設(shè)備從新列柜上引電；如果是擴(kuò)容設(shè)備供電需求，則需要根據(jù)情況將此設(shè)備或其他設(shè)備割接到新列柜。

由于大容量OTN設(shè)備單機(jī)架功耗大，需要的空開（熔絲）的數(shù)量也較多，而單個列柜提供的空開（熔絲）數(shù)量有限，會出現(xiàn)列柜空余端子數(shù)量不足的問題。針對這種問題，一般采用更換成100 A或125 A的空開（熔絲）（需要確認(rèn)列柜是否支持），以減少對數(shù)量的需求，或同時新增列柜以提供更多端子的方式。對于目前傳輸設(shè)備功耗普遍偏高的現(xiàn)狀，一般建設(shè)在新開列時，采用雙列頭柜背靠背安裝方式，其中一個列頭柜作為主用，另一列頭柜作為備用。

2.2.3直流電源部署建議

通信機(jī)房供電方式一般有集中供電方式及分散供電方式。在集中供電系統(tǒng)中，基礎(chǔ)電源設(shè)備置于大樓底層的電力室內(nèi)，在各層通過電源分支柜分配到各個列頭柜上；分散方式則會在通信大樓內(nèi)設(shè)置多套直流電源系統(tǒng)，按照分散的程度又可以分為半分散及全分散方式。全分散方式按列裝設(shè)直流電源系統(tǒng)，半分散方式則是把直流電源系統(tǒng)集中安裝機(jī)房內(nèi)同一區(qū)域（通信機(jī)房或鄰近房間）。

由于傳輸設(shè)備功耗的增大，若采用集中供電方式，則存在可靠性下降、大截面積電源線布放的困難及建設(shè)成本的提高（在同一負(fù)載情況下，供電距離越長需要電源線界面越大）、過長饋電回路上增加的電感量會影響電源及電路的穩(wěn)定性等問題，因此一般建議分散供電方式。

采用分散供電方式可能存在實際工程擴(kuò)容或改造的困難，如當(dāng)單一電源系統(tǒng)不能滿足要求而兩套或多套電源剩余容量之和可以滿足時，需慎重對待引電方式。傳輸設(shè)備一般為保證高可用性，會采用主備用供電方式，在正常工作時，主備間采用負(fù)荷分擔(dān)方式；如果同一設(shè)備的主備用引自不同的電源系統(tǒng)，由于其供電距離及負(fù)載等各方面的差異，會造成主備用間存在電壓差異，形成高壓降對低壓降電源系統(tǒng)反向充電的問題；因此建議同一套傳輸設(shè)備的主備用最好選用同一套電源系統(tǒng)，或電壓差異不大的兩套電源系統(tǒng)。

對于重要節(jié)點(diǎn)尤其是干線節(jié)點(diǎn)的傳輸設(shè)備，為保證通信安全，電源是不能中斷的；當(dāng)外市電斷電后，則需配置電池作為備用電源，更多的電池放電時間可提高電源系統(tǒng)的可用性，但也意味著更大的浮充電流，也即需要更大的整流容量。由于OTN設(shè)備都會部署在供電條件非常好的中心機(jī)房，一般會引入2路或更多路外市電，除去不可抗力，長時間市電中斷是基本不會出現(xiàn)的。因此建議中心機(jī)房按照2 h放電時間進(jìn)行電池配置。

3　工程部署新技術(shù)

IDC機(jī)房為應(yīng)對IT設(shè)備快速發(fā)展的問題而提出設(shè)置高密單元和高壓直流的方案，對于傳輸現(xiàn)在面臨的高功耗問題一樣有借鑒意義。

3.1高密單元

高密單元具備一體化的機(jī)柜空調(diào)及一體化機(jī)柜配電系統(tǒng)，設(shè)備所有發(fā)出的熱量在高密單元內(nèi)進(jìn)行處理，對于高密單元外的環(huán)境不會產(chǎn)生影響。由于高密單元只集中處理箱體內(nèi)的設(shè)備散熱及供電，較容易解決高功耗帶來的問題。高密單元可對老舊機(jī)房部分區(qū)域進(jìn)行改造，以滿足更高功耗需求。

3.2高壓直流

對于高功耗所引起的空開（熔絲）端子數(shù)量增多及電源線截面積大等問題，可在傳輸設(shè)備中引入高壓直流的應(yīng)用，目前通信用高壓直流電源一般采用的是336 V、240 V系統(tǒng)。但該方式需對現(xiàn)有機(jī)房內(nèi)的直流供電系統(tǒng)進(jìn)行改造，相應(yīng)的設(shè)備供電模式也需修改，需經(jīng)過研究驗證后再考慮大面積引入。

4　結(jié)束語

總之，隨著設(shè)備容量不斷提升，機(jī)房電源供電問題成為目前傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)之一，對于目前來說，以上方案可暫時解決一部分問題，為了更合理地很好的進(jìn)行機(jī)房部署和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有必要制定更合理的設(shè)備能效分級標(biāo)準(zhǔn)，并在設(shè)備招標(biāo)時執(zhí)行。另外，在部署新傳輸機(jī)房時需要配置更大空調(diào)以滿足傳輸設(shè)備的制冷需求。

Research of high power consumption of large capacity OTN

LIN He-ping, TANG Zhi-fei, ZHANG Zhuo
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractThe problems of transmission room overheating caused by high power consumption of large capacity OTN is introduced in this paper, and the power consumption of OTN modules is analyzed, the countermeasures are proposed in both OTN technology development and equipment room cooling to satisfy the requirement of equipment installation.

Keywordslarge capacity OTN; high power consumption; backbone network

News

中國移動與諾基亞聯(lián)合演示5G支持機(jī)器人超高速協(xié)作的應(yīng)用

中國移動和諾基亞將在2016世界移動通信大會上聯(lián)合演示5G支持機(jī)器人之間超高速協(xié)同工作的應(yīng)用，表明新一代網(wǎng)絡(luò)將為實現(xiàn)工業(yè)自動化和智能制造提供極低時延、極高可靠性的技術(shù)能力。5G將連接未來工廠，幫助塑造全自動化、高效靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，進(jìn)而提升整個社會的生產(chǎn)和物流效率。

聯(lián)合演示模擬了工業(yè)自動化時代機(jī)器和機(jī)器之間通信（M2M）的應(yīng)用場景，通過“極低時延體系”作為通信平臺連接機(jī)器人和中央服務(wù)器，使幾個機(jī)器人實時協(xié)作，共同維持球體在一個運(yùn)動平臺上始終保持平衡并處于設(shè)定位置。參觀者可將球移動向任何方向，而機(jī)器人始終保持球體不會掉落并回到設(shè)定區(qū)域。工業(yè)自動化的閉環(huán)控制要求通信網(wǎng)絡(luò)具備極低時延和極高的可靠性。機(jī)器人之間的通信需要接近零時延，因為機(jī)器不需要反應(yīng)，它們接收、分析、執(zhí)行任務(wù)的速度比人類高得多；通信系統(tǒng)故障不僅可能造成設(shè)備癱瘓，影響生產(chǎn)，甚至還可能威脅生命，因此網(wǎng)絡(luò)的高可靠性是避免發(fā)生故障的最重要因素。5G正是能夠滿足極低時延、極高可靠性需求的未來通信網(wǎng)絡(luò)。相對于今天碎片化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，未來5G可以提供統(tǒng)一計算的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從而實現(xiàn)整個制造業(yè)生產(chǎn)效率的全面提升。

（摘自：C114中國通信網(wǎng))

收稿日期：2015-02-03

中圖分類號TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1008-5599（2016）03-0071-04