大容量OTN设备高功耗原因分析及应对措施研究

林何平，唐智飞，张卓（中国移动通信设计院有限公司，北京 100080）



大容量OTN设备高功耗原因分析及应对措施研究

林何平，唐智飞，张卓
（中国移动通信设计院有限公司，北京 100080）

摘要本文介绍了干线网中应用大容量OTN由于功耗过大导致机房安装问题，并分析设备的功耗组成，从而在技术发展和施工安装两个方面提出应对措施，以满足设备安装需求。

关键词大容量OTN；高功耗；干线网

为满足CMNet高带宽的需求，某工程在东部、西部及东北网均大规模部署了100 G OTN设备。在实际网络部署应用过程中，发现100 G OTN单机功耗远大于已有设备，给现网部署带来了诸多困难；根据厂验功耗测试结果，得出不同设备厂商单机最大功耗值如表1所示。

表1　某工程100G OTN设备功耗表

从以上数据可以看出，比已有的设备单机功耗（一般在3～5kW）大很多，现有机房的配套电源和机房装机方式均无法满足工程装机需求。因此有必要对OTN设备高功耗的原因进行分析，推动厂商降能节耗；并结合实际机房情况找出切实可行的安装方案，为后期项目实施提供一些参考，保证100 G OTN的可持续发展。

1　OTN设备功耗细分及发展趋势

1.1功耗组成

OTN系统由系统单元、交叉单元及业务单元组成。其中系统单元包括散热系统、主控单元及电源模块等，在整个OTN系统中的功耗占比约为6.9%（以某厂家的典型设备为例，以下功耗占比数据皆是）；交叉单元由交叉芯片、外围芯片等组成，功耗占比约为8.1%；业务单元（以线路侧OTU为例）包含有光器件、光模块、成帧单元及其他部分，功耗占比约为85%。

从以上数据可以看出，业务单元功耗是OTN系统功耗的主要组成部分，对业务单元功耗进一步细化如表2。

表2　OTN设备功耗占比表

其中光模块及成帧单元功耗约占业务单元功耗的75%，占设备整体功耗的63.75%，是OTN设备功耗的主要贡献者。

1.2单位能效和单机功耗

随着技术的发展和进步，OTN设备单位能效在不断降低。纳米制造工艺的提高，交叉芯片由130 nm提升到32 nm、业务处理芯片由65 nm提升到28 nm、光模块达到由65 nm提升到40 nm。更小的尺寸意味着更小的电容和导通电压，即更小的动态功耗，因此芯片尺寸的降低意味着功耗的降低。从某个公开的统计数据上看，制造工艺的提高使交叉芯片容量增长5倍，而功耗只增长了1倍；业务处理芯片容量增长了5倍，功耗增长了1.5倍；接口速率提升了2.5倍，光模块功耗增长了60%。对应到单位带宽所需要的功耗则从1.5 W/Gbit下降目前的1 W/Gbit，未来还会进一步的下降。

另外，引入硅光技术将推动光模块内的光器件功耗快速下降，并使体积进一步减小，在支路侧由目前的CFP封装提升为CFP2甚至CFP4封装，业务处理芯片由FPGA分离架构改进为ASIC工艺单片SOC全集中架构。

通过以上技术的提升，OTN支、线路卡功耗预计未来3年每年平均降幅在20%左右，同一交叉容量的设备功耗每年平均降幅在15%左右。

虽然OTN设备单位能效在不断提升，但设备线路速率的提升和集成度的增加，单机功耗在突飞猛进，单机架满配功耗由4 kW已经增至19.6 kW，即单机架功耗有了更大程度的提高，现有的机房条件无法满足快速发展需求，因此，如何平衡能效和功耗之间的关系，是工程应用中很重要的一个方面。

2　高单机功耗带来工程应用中的问题及解决方案

由于单机功耗的大幅度增加，在装机时会遇到各种问题，具体来说，主要可以归纳为机房散热增大和供电能力不足。

2.1散热问题

由于大部分的机房都是利旧机房，因此散热问题归结起来有两点。

2.1.1制冷量不足

假定目前现有机房的总制冷量为Po （指机房的制冷极限），与机房总热负荷Pr关系为：Po≥1.3Pr。因此，随着总功耗的增加而导致机房总制冷量不足，此时，可采取替换更大功率的空调或增多空调数量等方式解决。该方案需要替换或新增空调，如果采用新增方案时，需考虑机房的装机位置是否满足。

2.1.2机柜自身散热超平均单机功耗

机柜自身散热高，可能会造成自身工作可靠性降低及形成热岛从而影响邻近设备的负面效果。

为减少这种影响，在工程中采取的措施有：将大功耗设备部署到空调较近或接近送风口位置、大功耗设备尽量分散布局（设备间空余位置尽量安装如光放设备、配线架等小功耗设备）、不同列间大功耗设备交错安装等，如图1所示。对于还不能满足装机要求的，可以考虑将大交叉容量机架更换成低交叉容量的机架，以降低单机架功耗，但机架数量增加会导致总功耗增大。

另外，采用支线架合一板卡也可降低功耗，但由于失去了业务配置和调度灵活性以及智能保护功能，不建议采用。

2.2供电能力不足

2.2.1机房整体供电不足

图1　机房设备布局建议

总供电能力又分为直流供电能力和交流供电能力。一般的，设备总功耗大于提供能力的80%，就可认为供电能力不足。

交流供电不足又可以分成油机容量不足、UPS容量不足等情况，如果有扩容改造条件，则需要对机房整体供电系统改造；如果不能再改造，则需要对某些系统下电搬迁，或者减少附属设施的功耗等方式。

直流供电不足也可以分为电池放电时间不足和整流屏容量不足等原因，首选改造扩容及新建直流系统，如果不能进行改造，则需要搬迁某些设备。

2.2.2列头柜及空开（熔丝）供电能力不足

如果是空开（熔丝）容量小于需求，可以更换大容量空开（熔丝）；若列头柜供电能力不满足要求，则需要新建列柜。如果是新增机架供电需求，则此设备从新列柜上引电；如果是扩容设备供电需求，则需要根据情况将此设备或其他设备割接到新列柜。

由于大容量OTN设备单机架功耗大，需要的空开（熔丝）的数量也较多，而单个列柜提供的空开（熔丝）数量有限，会出现列柜空余端子数量不足的问题。针对这种问题，一般采用更换成100 A或125 A的空开（熔丝）（需要确认列柜是否支持），以减少对数量的需求，或同时新增列柜以提供更多端子的方式。对于目前传输设备功耗普遍偏高的现状，一般建设在新开列时，采用双列头柜背靠背安装方式，其中一个列头柜作为主用，另一列头柜作为备用。

2.2.3直流电源部署建议

通信机房供电方式一般有集中供电方式及分散供电方式。在集中供电系统中，基础电源设备置于大楼底层的电力室内，在各层通过电源分支柜分配到各个列头柜上；分散方式则会在通信大楼内设置多套直流电源系统，按照分散的程度又可以分为半分散及全分散方式。全分散方式按列装设直流电源系统，半分散方式则是把直流电源系统集中安装机房内同一区域（通信机房或邻近房间）。

由于传输设备功耗的增大，若采用集中供电方式，则存在可靠性下降、大截面积电源线布放的困难及建设成本的提高（在同一负载情况下，供电距离越长需要电源线界面越大）、过长馈电回路上增加的电感量会影响电源及电路的稳定性等问题，因此一般建议分散供电方式。

采用分散供电方式可能存在实际工程扩容或改造的困难，如当单一电源系统不能满足要求而两套或多套电源剩余容量之和可以满足时，需慎重对待引电方式。传输设备一般为保证高可用性，会采用主备用供电方式，在正常工作时，主备间采用负荷分担方式；如果同一设备的主备用引自不同的电源系统，由于其供电距离及负载等各方面的差异，会造成主备用间存在电压差异，形成高压降对低压降电源系统反向充电的问题；因此建议同一套传输设备的主备用最好选用同一套电源系统，或电压差异不大的两套电源系统。

对于重要节点尤其是干线节点的传输设备，为保证通信安全，电源是不能中断的；当外市电断电后，则需配置电池作为备用电源，更多的电池放电时间可提高电源系统的可用性，但也意味着更大的浮充电流，也即需要更大的整流容量。由于OTN设备都会部署在供电条件非常好的中心机房，一般会引入2路或更多路外市电，除去不可抗力，长时间市电中断是基本不会出现的。因此建议中心机房按照2 h放电时间进行电池配置。

3　工程部署新技术

IDC机房为应对IT设备快速发展的问题而提出设置高密单元和高压直流的方案，对于传输现在面临的高功耗问题一样有借鉴意义。

3.1高密单元

高密单元具备一体化的机柜空调及一体化机柜配电系统，设备所有发出的热量在高密单元内进行处理，对于高密单元外的环境不会产生影响。由于高密单元只集中处理箱体内的设备散热及供电，较容易解决高功耗带来的问题。高密单元可对老旧机房部分区域进行改造，以满足更高功耗需求。

3.2高压直流

对于高功耗所引起的空开（熔丝）端子数量增多及电源线截面积大等问题，可在传输设备中引入高压直流的应用，目前通信用高压直流电源一般采用的是336 V、240 V系统。但该方式需对现有机房内的直流供电系统进行改造，相应的设备供电模式也需修改，需经过研究验证后再考虑大面积引入。

4　结束语

总之，随着设备容量不断提升，机房电源供电问题成为目前传输网络建设的重点之一，对于目前来说，以上方案可暂时解决一部分问题，为了更合理地很好的进行机房部署和网络建设有必要制定更合理的设备能效分级标准，并在设备招标时执行。另外，在部署新传输机房时需要配置更大空调以满足传输设备的制冷需求。

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

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中国移动与诺基亚联合演示5G支持机器人超高速协作的应用

中国移动和诺基亚将在2016世界移动通信大会上联合演示5G支持机器人之间超高速协同工作的应用，表明新一代网络将为实现工业自动化和智能制造提供极低时延、极高可靠性的技术能力。5G将连接未来工厂，帮助塑造全自动化、高效灵活的生产系统，进而提升整个社会的生产和物流效率。

联合演示模拟了工业自动化时代机器和机器之间通信（M2M）的应用场景，通过“极低时延体系”作为通信平台连接机器人和中央服务器，使几个机器人实时协作，共同维持球体在一个运动平台上始终保持平衡并处于设定位置。参观者可将球移动向任何方向，而机器人始终保持球体不会掉落并回到设定区域。工业自动化的闭环控制要求通信网络具备极低时延和极高的可靠性。机器人之间的通信需要接近零时延，因为机器不需要反应，它们接收、分析、执行任务的速度比人类高得多；通信系统故障不仅可能造成设备瘫痪，影响生产，甚至还可能威胁生命，因此网络的高可靠性是避免发生故障的最重要因素。5G正是能够满足极低时延、极高可靠性需求的未来通信网络。相对于今天碎片化的工业网络标准，未来5G可以提供统一计算的网络基础设施，从而实现整个制造业生产效率的全面提升。

（摘自：C114中国通信网)

收稿日期：2015-02-03

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）03-0071-04