广电有线网络信息机房规划设计.doc

_广电有线网络信息机房规划设计的几点考虑 缪国凡摘要： 本文对机房建设的规划设计的重点问题进行了分析，并强调在机房建设中要充分考虑广电网络特点，而不应一味照搬电信的标准。提出既不可规划不足，也不可过度规划的观点。关键词： 广电机房独特性 机房标准 可用性 PUE 广电有线网络近年来发展迅速，数字化浪潮席卷全国，整体转换基本结束，后转换时代来临，“三网融合”的步伐日益加快。作为整个广电有线网络的神经中枢前端机房，面临更新换代、适应发展的要求。各地网络也在不断进行机房升级和重建。机房工程的技术发展快、牵涉面广、综合性强和复杂性高，在建设中，各种标准规范众多，但很少考虑广电网络特点。本文并不试图全面讨论机房建设，只是从一般的机房建设理念出发，紧扣广电有线网络，对机房规划设计中经常遇到的几点问题进行探讨。一、有线电视机房的独特性： 众所周知，广电有线网络在技术上属于信息通信，但和其它通信运行商有明显不同之处。首先，有线电视网络以广播式传输为主，一个城市只有一个总前端，一旦出现大的故障，势必影响全网运行。第二，有线电视网络具有公益性的特征，具有“普遍服务”的要求；并且电话停一会不要紧，电视节目停几分钟都有意见。第三，网络更是党和政府的喉舌，肩负着将党和政府的图像声音传到千家万户的政治责任。第四，有线机房常常有上级领导参观，较一般通信机房，有更高的美观要求。上述的几个特点，意味着广电有线电视机房建设标准，不仅不低、而且要高于其它电信运行商。因此，在机房的规划设计、建设运行上，有线网络应当充分考虑和满足其自身的特点。 广电总局早就提出“不间断、高质量、既经济、又安全”的十二字方针；这是整个广电的技术工作、也是机房工作的指导方针。近年来，有线网络从原来仅传输节目、双向宽带，发展到现在的面向“三网融合”的发展。使得有线网络机房的复杂性大为提高，需要考虑的因素较以往多出不少。例如，既要考虑传统的模拟电视，也要考虑现在为主业务的数字电视，还要考虑互联网的交换业务；同时，还须兼顾数据中心、云计算的未来发展；另外，还需特别防范敌特分子非法插播。这些，都为有线电视机房提出了更为严格的、具有挑战性的要求。二、广电网络机房发展简史在我国，真正意义上的有线电视网络，以1985年湖北沙市有线电视网络为标志，成立了城市级的邻频配置和长距离传输的有线电视网。1990年11月颁布的“有线电视管理暂行办法”为标志，中国有线电视进入了高速、规范、法制的发展轨道。机房建设同网络发展一起成长。90年代初的的有线机房，参照无线发射机房和播控机房，基本上就是静电地板+吊顶，有的机房甚至还采用木地板。散热则采用普通空调，局部使用电扇，走线以（地板）下走线为主。有的机房不采用UPS，甚至一个星期停播半天进行例行维护。90年代末至本世纪初，安全优质不间断播出深入人心，开始使用专业UPS，-48v直流也应用起来。机架内设备普遍使用后面排线，机架之间开始采用上走线方式（桥架）；但空调仍然以普通空调为主，缺乏专业设计，缺少专业机房建筑，常常遇到层高、承重不够的情况。现在，机房建设进入了一个新的阶段。目前，我们要建机房，涉及到很多相关标准，这些标准涉及了机房的方方面面：有国际标准、国家标准和行业标准，还有许多设备厂商的建议白皮书。在许多机房的技术方案中，“设计依据”会列出一大堆的这个那个标准，让人眼花缭乱。事实上，我们不可能全部阅读了解那么多的标准文件。在这许多标准中，有三部应当仔细研读，即：国家标准GB 50174电子信息系统机房设计规范、广电标准GY 5082-2010有线广播电视网络管理中心设计规范。如果要和国际接轨，还可以算上第三部：美国的TIA-942-2005数据中心通信基础设施标准。三、指导思想指导思想听上去似乎有些空泛，但这是我们机房的工作方针，具有提纲挈领、纲举目张的作用。机房功能日益复杂，新技术、新业务不断涌现。广电总局提出了“功能齐全、技术先进、设施完善、适度超前”的机房指导思想。由此，提出以下几点原则：1、安全性： 谁也不会否认机房安全的极端重要性，机房安全无所不在，分布在机房的各个子系统中。但在具体问题上如何设定安全等级，如何进行规划设计和施工，绝非易事。一般来说，安全风险有三个阶段：无风险、风险隐患（轻度隐患、严重隐患）、风险发生后的应对措施。这些在机房安全设计和运行维护上都应予以充分考虑。2、灵活性与可扩展性： 增添设备、变换位置、扩容改建；这些活动经常在机房发生，甚至成为机房常态。作为机房工作人员，应当调整观念，接受和适应这种态势。因此，机房具有灵活的扩展能力，根据需求的变化及时进行调整和优化，是对现代机房的基本要求之一。3、绿色环保： 机房设备众多，又是常年不间断播出，电能消耗费用支出非常可观。因此，有效降低能耗，建设绿色机房成为业界共识；不仅为社会环保做贡献，同时节省费用。许多公司都推出了节能降耗产品和解决方案。衡量节能指标的PUE值成为机房的焦点之一。4、可维护性： 也称可管理性，机房日常维护管理日益繁重，在提高人员素质要求同时，应当建立机房监测系统；实时了解机房的运行状况。另外，也要考虑如果有外来人员参观、进入机房维护（如主机托管）等，有相应的通道和措施，以保障机房的安全运行。四、总体规划1、机房选址： 国家标准电子信息系统机房设计规范对机房选址提出了要求，比如距离机场、铁路、核电站距离，远离粉尘、水患、泥石流、电磁干扰等。对于许多有线网络而言，机房似乎没有多大选择余地；前端机房一般就在有线网络的办公大楼内。而且一般处于较高的楼层。此时应特别注意以下问题：（1）大楼的电力是否足够： 办公大楼一般面向人员的办公需要，属于轻载荷的供电设计。而数据中心的设备对电量的需求巨大。供电负荷和电缆线径能否符合标准。（2）是否有放置机房空调室外机的地方。（3）机房的净层高是否足够，国标规定：净高度不应小于2.6米，行业标准规定：新建机房不小于3.3米，扩建不小于3米。净层高应该大于3.2米。（4）楼层的承重能否满足。国标规定了主机房载重810KN/m2，（电池房16KN/m2），广电行业标准中规定为7.5KN/m2，采用密集机架，承重12KN/m2。建议机房承重一般按800kg/m2设计。（5）还需特别考虑的因素： 对于卫星天线，为有较大的功率储备，卫星天线面积一般较大，在高层建筑必须有安全的放置地方，并保证大风时的安全。另外，机房外界线路应有两个通道等等。2、总体机房指标：机房选址完成以后，面积和周围环境确定了，接下来要考虑的是：机房要建成什么水平，或者说按照什么标准建设。事实上，相关标准早就为我们考虑好了。美国TIA-942-2005标准，将机房安全分为四个等级。国家标准GB 50174电子信息系统机房设计规范，将机房确立了A、B、C三个等级，其中A级等级最高，并明确把广播电台、电视台机房列为A级机房。在广电行业标准GY 5082-2010有线广播电视网络管理中心设计规范中，把机房分为特级、甲级和乙级。业主应当按照自身实际情况，参照、了解相关标准，为自己设定机房建设的相关指标。当然，说到指标，可以列出长长一串，但在机房的规划阶段，涉及的指标并不多，主要有以下几点：（1）可用性指标： 是衡量机房工作可靠性的指标，对于有线机房，特别是前端机房，目标应达到五个9，即99.999%（年停机约5分钟）。 前面讲到，国家标准将机房设立了A(容错型)、B(冗余型)、C(基本型)三个等级，等级基本情况如表1所示。表1 机房可用性机房等级可用性指标年停机时间说 明A99.982%99.995%26.299.8分钟容错型。至少两套系统同时工作。B99.749%99.981%99.81319分钟冗余型。部分具有备份，平时使用一路，备路切换使用C99.671%99.749%13191729分钟基本型。无冗余或部件损坏时更换，表1中指标数据，国家标准并未列出，是实际运行的经验值。事实上，很多新建机房的设计建设标准已经超越了A级，朝更先进的目标迈进。或许有人觉得不解，难道我们花巨资精力建造的高水准机房，每年还要停几分钟。这似乎不符合我们的日常经验，因为即便是标准不高的机房，多少年都没有发生停播。 对此，做一个不大恰当的比喻，如果一个人活了八十岁，但由于车祸或疾病瘫痪在床一年，那么这个人的可用性是79/80（98.75%），即平均每年有4天是“不可用”的。机房可用性是一个概率指标。从故障发生概率来看，可用性符合“浴缸曲线”，即刚刚建成的一段时间、机房的寿命后期，容易发生各种问题。需要注意的是，“可用性”指标并不只和设备的硬件、软件以及机房环境有关，也与管理有关。比如人员的误操作、老鼠进入等。所以，对设备的系统可靠性的计算值，明显优于“可用性”数值。不少机房在设计文件时并不列出“可用性”指标。但作为机房的管理者，了解机房的可用性是非常必要的。就像建设防洪大坝，一大堆技术文件，其实都是按“百年一遇”标准建设的。当然，在实践中要使机房寿命期内都不出事故，是难以保证的。因此，有实力的地方，可以考虑异地容灾备份机房。即便不能全业务异地备份，也可考虑部分业务。（2）PUE值： PUE叫做电能使用效率(Power Usage Effectiveness)。2007年2月绿色网格组织（GREEN GRID）提出PUE概念，并很快被业界接收和推广。PUE计算公式为：PUE=机房总能耗/IT设备能耗。PUE是一个比率，基准是2，极限值是1，越接近1表明能效水平越好，越接近1表明机房内用于制冷、散热和其它环节的电力消耗越少。全球的数据中心在2010年共耗电2亿度，约占世界总发电量的1.1至1.5%。2011年，我国数据中心总耗电量约700亿千瓦时，占到全社会用电量的1.5%，相当于2011年天津市全年的总用电量。我国机房的PUE平均值，据测算约为2.5；特别是中小规模的机房，PUE值更高，测量数值普遍在3左右。PUE值的出现，使得建设机房的复杂性大为提高。PUE值现在受到重点关注，因为电力消耗是机房日常运行的最大成本，一个中等城市的有线电视机房（含分前端），各类设备加在一起，耗电量将有数百千瓦。如果PUE指标提高20%30%，每年将省下几十万元的电费。PUE值设计多少为好，是较为复杂的问题。一般认为新的数据机房PUE应当小于2，在1.8左右。在北方地区可以更低，如中国电信在内蒙古的云计算中心，PUE低至1.25。服务器大户如谷歌等，将数据中心建在高寒甚至北极圈地区，其PUE值可达1.1左右。建设机房要关注新技术、新理念，有一定的超前性，但也要适可而止。建议首先了解、测量现有的机房PUE值，然后向相关厂商咨询，设定一个值，比如设定PUE为2，然后计算出较低的PUE值可以每年节省多少资金。用约10-15年左右可以省下的资金进行这方面投入。可能有人认为十几年太长了，但是一方面机房本身就要跟上新技术发展，第二在机房投入使用后，设备还会大量增添，节能优势会不断体现。可能要防止这样的一种倾向。一方面在降低优化PUE上下大工夫，但却忽视了数据设备本身的节能降耗。（3）电力功率规划： 电力规划是机房规划建设的基础，虽然简单，但却是遇到的最普遍的问题。有好几种方法进行计算。有线电视机房和数据中心的电力规划有较大不同，本文只讨论下述两种：a、逐项计算法：首先确定机房总功率的组成，即：机房用电总功率=信息设备功率（含UPS+电池）+照明功率+空调功率+其它（监控、消防等）信息设备： 包含数字电视相关设备、有线电视传输设备、数据传输设备、交换设备以及路由器、服务器等。其中数字电视调制器复用器、光端机、省市骨干和城区数据网、数据接入设备等，可以确切知道功率，且功率基本不变。服务器和路由器的情况较为复杂，生产厂商的产品手册会给出功耗值，但这个功耗值是在最坏情况下的最大值；在绝大多数情况下，实际运行功耗远小于最坏值；如果按照这样的累计功率配置供电系统和空调系统进行累计，往往会得出一个很大的功率值，将产生巨大的投资浪费。厂商和一些标准组织已经注意到这个问题。研究显示，大多数服务器、路由器设备的实际功耗，不大于标称值67%。因此，可以将厂家的标称VA值，乘以0.67以估计设备的实际功率。UPS不间断电源： UPS现在分为高频和工频两大阵营。高频UPS工作能效高、重量轻，目前发展势头很猛，是UPS的发展方向；但工频UPS也有其过载能力强等优点，两者各有千秋，技术上也是见仁见智。一般认为，能量工作效率高频UPS 可达90%以上，工频UPS能效大致为85%（高频UPS输入功率因子能到0.99，工频能到0.95）。在实际工作时能效还达不到这个值。电池： 在充满时基本不耗电能，但在部分或者完全放电后（外部停电或者对电池例行放电维护），需要对电池充电，如果设电池后备时间为t小时，对电池充电时间为T小时，则电池充电功率大致为电池负载功率的(t/T)%（如后备时间1小时，充电按5小时，则充电功率为负载功率20%）。机房照明： 相关标准有照度要求。综合起来，可按照18-21.5W/m2计算。取20W/m2计算。表2序号项 目数 值说 明1信息设备有线电视设备实际功率功率不随数据量变化服务器、路由器标称值0.67功率会不断变化2预留发展3UPS功率损耗（1+2）工作效率高频效率约90%，工频效率约85%4监控、消防实际功率5制冷设备总功率(1+2+3+环境热负荷)/能耗系数能耗系数：2.5-3.5环境热负荷：0.150.18 KW/m2机房面积)6照明设施功率0.020面积7电池充电（1+2）0.1电池后备时间1小时机房电力总功率(1+2+3+4+5+6+71.251.25是设计余量空调制冷系统： 空调制冷方式有多种，如风冷、冷冻水、水冷、自然冷却等。一般都采用DX（直接制冷）。在计算时，制冷负荷功率等于设备功率（实际测试表明，电子设备的功耗的97%左右转化为热量）。也有的公司手册把设备功率的60%80%作为制冷值。即：制冷符合功率信息设备功率（0.6-0.8） 这个公式，对于服务器为主的数据中心是适合的。服务器、路由器在业务量高峰和低谷期，其计算量变化很大，功耗也随之不断变化。所以，0.6-0.8的系数是指功率在不断变化（其意义和上述的0.67类似）。而有线电视设备，如QAM调制器。光端机、EPON、数据传输等设备，其功率较为恒定，基本不随所传输的数据量变化而发生功耗变化。因此，这些设备的耗电功率基本等于其制冷负荷，不再乘以0.6-0.8系数。需要注意的是，空调的制冷量（制冷负荷）和空调耗电量并不相同（空调本身并不制造冷或热，只是将冷热空气进行交换、转移）。制冷量/耗电量是空调的能耗系数，这个比值一般在2.53.5之间。环境热负荷： 主要指围护装置如墙壁、隔断等，这些装置本身会吸热和放出热量。计算方法为0.150.18 KW/m2机房面积其它热负荷： 如人体、室外侵入、电缆热负荷等，但热负荷较小。b、功率密度算法：上述计算较为繁琐，在规划初期可用更为简便方法。第一步，确定机柜数量：机柜数量=机房面积/F（F：单台设备占用面积，取值范围3.55.5台/m2）。大机房取大数字，小机房取小数字。第二步，确定机柜功率密度：一般新建机房的机柜功率密度大致在1.5-2KW/m2。第三步，确定机房信息设备用电量。用电量=机柜机柜功率密度这种算法更为简便，可在机房规划初期进行框算。五、规划设计的几个问题：1、机房布局： 机房布局看来简单，实际操作起来却非常复杂和纠结。因为有很多因素综合在一起。虽然有不少设计单位可以咨询，但这些设计单位的经验局限于电信业务，往往最后选定的方案让人不满意。在机房布局上，必须充分考虑有线电视的业务特点。目前有线电视的业务，主要是数字（模拟）电视、数据专线和互联网业务。因此，有线电视机房，必须将主业务的数字或模拟电视设备，主要是卫星接收机、DVB编码器复用器、QAM调制器等放置在同一个区域，以便于主业务的独立安全运行。对于有线电视的光纤设备，如下行光发射机、上行光接收机、CMTS头端、EPON 等设备，则设立专用有线电视接入机房。数据专线业务，如果业务量较大，应当设立专门机房。以便于专线业务独立运行。即便业务量不大，也应有设立专用区域。其中传输交换设备如MSTP等，也在数据专线机房内。对于互联网业务的服务器、主干路由器等，应当也设立专用机房。但是对于边缘交换机、路由器可以放置在其它机房。对于骨干传输设备如国家、省市干线设备，可放置在同一机房。上述的机房分区，是一个原则，实际操作中允许交叉放置设备。但特别注意是，不同业务的设备机柜之间，要有一定的间隔，比如间隔两个机柜。是否要有专门的光纤配线分区，鉴于有线电视光纤使用量越来越大，光节点覆盖用户只有几十户。一个机房将有好几十根光缆和数千芯光纤。因此，以设立专门的接入机房为宜。这样可以和有源设备机房进行隔离。如果没有专门分区，光缆就会分散在各个机房，光纤尾纤来回穿梭，管理起来较为麻烦。在光纤接入中，应一次到位。即机房的ODF（光纤分配架）出纤后，直接到相关设备，不宜在中间再有转接环节。有些机房为方便使用，在接入设备前再加装一个小型ODF，进行二次光纤分配，这样会明显增加故障概率（但对于同轴电缆和双绞线，可视情况设立几次跳接）。配电区域经常放在较为靠边的地方，这是值得商榷的。靠边可能是为了机柜的统一安排，或者是机房美观。但带来的问题是，远端设备的线路压降增大，特别是直流-48V更为显著，只好一再加大铜排尺寸。因此，在机房布局时，要充分考虑这一点，尤其是面积较大、或者长度较长的房间，配电室应当设在离负载较近、机房较为中间的位置。2、机柜： 机柜的角色在工程人员的心目中，就是一个放置设备的“架子”，只要比较结实就行了。但是仔细想想，机柜才是设备的地方。机柜在未来机房中的地位会显得越来越突出，有人提出了“机柜即机房”、“IT微环境”和“模块机房”的理念。现代数据设备向高密度发展，一个机架内热密度越来越大。一般来讲，热密度3KW/m2为低密度，36KW/m2为中密度，615KW/m2为高密度级别，15KW/m2以上为超高密度。如IBM公司机柜热密度达到了30KW/m2。在狭小的机柜空间，要通过机房集中空调来制冷，浪费能源且收效甚微。机柜的发展方向是机架定位单元(RLU)，在机柜中集成电源、制冷、监控等功能，每个机柜就像一个微机房。这样，我们不必事先配置许多空的机柜放在机房，当需要时，给出机柜设备的相应参数，再向厂家订货。这样，做到机柜定制，减少浪费，真正做到“点对点应答”。这样，机柜可以理解为被“模块化的机房”。 当然，目前广电有线机房，热密度和业务发展水平，还远没有到需要RLU机柜的程度。而在目前，选择机柜时，宜采用较高较大的机柜，有利于机柜的布线、散热、并可提高机房空间利用率，建议在机房净高运行情况下，机柜高度尽量高一些，起码不小于2.2米，深度1米至1.2米甚至更深机柜。这样尺寸既可提高面积利用率，利于机柜内布线和安装作业，又不至太高而增加操作难度。3、精密空调还是普通空调： 在目前许多有线机房中，还采用了不少普通空调，这些空调运行多年，为机房的正常运行立下汗马功劳。因此，在建设新机房时，总有一种观点认为，不妨考虑普通空调。精密空调当然好，优点很多。归纳起来主要有温度控制精度高、可靠性高和送风量大。另外精密空调还有一个不大为人注意的优点，就是显热比高，高的显热比可以在制冷的同时，不至于过度除湿，使机房的湿度保持在适度水平，也有利于节能。机房湿度人们不大重视，国际标准要求50%左右。A级和B级机房的温度范围要求是231，普通空调难以达到这个水平。但是，即便是较大的温度范围，如C级机房要求是1828，也能保证设备运转。精密空调可靠性高，MTBF可以达到15年，而一般空调仅为2-3年；但机房中普通空调数量较多，坏一个对影响机房运转影响甚小。至于精密空调送风量大的优点，可以使设备热量散出快，特别是在热密度较高时，使机柜