CC BY
48
Питание и охлаждение для устройств VoIP и IP-телефонии
Висвас Пурани,
директор отдела разработки новых технологий и приложений компании АРС,
Род-Айленд, США
ПРИ РАЗВЕРТЫВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ VOIP МОГУТ ВОЗНИКАТЬ НЕОЖИДАННЫЕ И НЕПРЕДВИДЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МОЩНОСТИ И ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДЛЯ КАБЕЛЬНЫХ ШКАФОВ И КАБЕЛЬНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ. ПОНИМАНИЕ ОСОБЫХ ПОТРЕБНОСТЕЙ В ОХЛАЖДЕНИИ И ОБЕСПЕЧЕНИИ ПИТАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПОЗВОЛЯЕТ СПЛАНИРОВАТЬ УСПЕШНОЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИ ВЫГОДНОЕ РАЗВЕРТЫВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ VOIP.
В СТАТЬЕ РАЗЪЯСНЯЕТСЯ, КАК СПЛАНИРОВАТЬ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПИТАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ VOIP, АТАКЖЕ ОПИСЫВАЮТСЯ ПРОСТЫЕ, БЫСТРЫЕ, НАДЕЖНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ СТРАТЕГИИ ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ СТАРЫХ И СОЗД АНИЯ НОВЫХ РЕШЕНИЙ.
При замене существующих телекоммуникаций и офисных телефонных систем технология VoIP и IP-телефония должны обеспечить аналогичную или более высокую доступность. Одной из главных причин высокой доступности традиционной системы является то, что в АТС встроена резервная батарея, рассчитанная на длительный срок эксплуатации, обеспечивающая питание телефонов в сети. В IP-телефонии должна использоваться испытанная временем концепция обеспечения питания вместе с сигналом для достижения ожидаемой доступности. Традиционный кабельный шкаф, в котором размешались пассивные устройства, например коммутационные панели и концентраторы, теперь должен вмещать высокомощные коммутаторы, маршрутизаторы и ИБП, рассчитанные на длительный срок эксплуатации. Охлаждение и воз-духоциркуляция в этих кабельных шкафах приобретают важное значение для обеспечения гарантии непрерывной работы.
Типичная сеть IP-телефонии строится по уровням, и каждый из них состоит из компонентов, которые размещаются в одном из четырех физических местоположений (рис. 1). Требования к мощности и охлаждающей способности для этих четырех местоположений варьируются, как это описано в последующих разделах.
Устройства связи
Типичными устройствами связи/конечными точками являются IP-телефоны и беспроводные концентраторы (рис. 2), а также переносные компьютеры с установленными на них программами телефонной связи, обеспечивающими стандартные функции телефонии. Эти IP-телефоны обычно потребляют 6-7 Вт, но некоторые устройства могут потреблять больше энергии. В новом проекте инструкции IEEE 802.3af
средний ток, потребляемый такими устройствами с кабелей САТ5, ограничен до 350 мА, а также указаны контакты, через которые может подаваться питание. Сеть, соответствующая этому новому стандарту, будет передавать электроэнергию мощностью 15 Вт на расстояние до 100 м. При более высокой потребляемой мощности устройства связи должны использовать другие источники питания наподобие подключаемых адаптеров.
Условия эксплуатации
Устройства связи размещаются на рабочих столах, иногда монтируются на стене и используются в офисе. В современных разворачиваемых или модернизированных сетях эти устройства, вероятнее всего, питаются от линий передачи данных Однако в некоторых случаях они должны питаться от розеток электросети.
Рис. 1. Уровни и местоположения типичной сети IP-телефонии
Проблемы
IP-телефоны, как правило, должны быть доступны, как и обычные телефоны, на смену которым они приходят. Главной проблемой, которая должна быть решена в этой ситуации, является непрерывная работа устройств даже во время длительных перерывов в энергоснабжении.
Оптимальные методы
Самый оптимальный способ решения этой проблемы — передача питания (так называемого линейного питания) на телефон по линии передачи данных. Тем самым устраняется проблема обеспечения питания в том месте, где располагается рабочий стол. Питание на телефон теперь подается с помощью сетевого коммутатора, расположенного в кабельном шкафу, для поддержки которого используется система ИБП, рассчитанная на продолжительное время автономной работы. Для устройств связи, которые питаются от розеток электросети (т.е. не используют линейное питание), можно предусмотреть систему ИБП с батареей, обеспечивающей резервное питание в течение продолжительного времени (четыре, шесть, восемь или более часов).
Промежуточный коммутационный щит (IDF)
IDF или кабельные шкафы включают в себя сетевые уровни 2 и 3, коммутаторы доступа и распределения, концентраторы, маршрутизаторы, коммутационные панели, систему ИБП с батареей резервного питания, а также любое другое телекоммуникационное оборудование, смонтированное в стойке с двумя опорами (рис. 3). Для снабжения питанием устройств связи во многих новых коммутаторах имеется встроенная возможность передачи питания по линиям передачи данных (так называемые "оконечные" источники питания). Для коммутаторов, в которых отсутствует такая возможность, подача линейного питания осуществляется с помощью внешнего "врезного" источника питания соответствующих размеров.
Условия эксплуатации
Промежуточные коммутационные щиты или кабельные шкафы обычно скрыты в отдаленных частях помещения с минимальной или отсутствующей вентиляцией и освещением. До тех пор, пока потребитель не переедет в новое здание, он, скорее всего, захочет использовать существующие кабельные шкафы. В традиционных телекоммуникационных сетях кабельные шкафы обычно использовались в основном для монтажных блоков, коммутационных панелей и небольших наращиваемых концентраторов или коммутаторов, однако в большей части нового оборудования IP-телефонии используется
и рассеивается значительно большая мощность. Новые коммутаторы IP-телефонии являются главным образом устройствами для монтажа в 19-дюймовом монтажном шкафу. В них используются различные принципы воздухо-циркуляции в зависимости от изготовителя, например с поперечным воздушным потоком, прямо направленным воздушным потоком и т.д. Типичный промежуточный коммутационный щит вмещает оборудование, расположенное в 1-3 стойках, и потребляет от 500 до 4 000 Вт однофазного переменного тока.
Проблемы
При развертывании технологии VoIP и IP-телефонии особое внимание следует уделить питанию и охлаждению для промежуточных коммутационных щитов. Они потребляют мощность в диапазоне от 500 до 4000 Вт однофазного тока напряжением 208 В, что зависит от сетевой архитектуры и типа используемого коммутатора. Обеспечение разъемами нужного типа и соответствующего уровня мощности с необходимой защитой автоматическими предохранителями для всего сетевого оборудования, ИБП и устройств распределения электропитания (PDU) представляет собой сложную задачу. Охлаждение и воздушный поток в этих ка-
Промежуточный источник питания
Система
сетевой
телефонии
Сетевые комму та торы
Источник
бесперебойного
бельных шкафах часто являются серьезной проблемой, которой так же часто не придают значения.
Оптимальные методы
Все оборудование в промежуточном коммутационном щите должно быть защищено системой ИБП, выбор которой основывается на следующих факторах.
• общая требуемая мощность в ваттах;
• требуемое время работы в минутах;
• желательный уровень избыточности или отказоустойчивости;
• требуемые напряжения и разъемы.
Размеры системы ИБП определяются в соответствии с суммой номинальных значений нагрузок в ваттах.
Общераспространенный ИБП для монтажа в стойку, например АРС Smаrt-UPS (рис. 4а), обеспечит доступность примерно 99,99 %, тогда ИБП со встроенной обходной цепью (байпасом) и избыточностью N+1, например АРС Symmetra RM (рис. 4б), с одним часом автономной работы, обеспечит примерно 99,999 %, что может быть достаточно для многих видов применения. Устройства ИБП поставляются с комплектами батарей, обеспечивающими различное время автономной работы. Продукты,
Промежуточный коммутационный щит/ кабельный шкаф
Рис. 3. Типичное расположение промежуточного коммутационного щита
а
Рис. 4. APC Smart-UPS (а) и APC Symmetra RM (б)
изображенные на рис. 4, поставляются с дополнительными комплектами батарей, с помощью которых время автономной работы можно увеличить до 24 ч.
Высокие уровни доступности (99,9999 или 99,99999%) могут быть необходимы для критически важных служб, например 911. Такие требования можно осуществить, если установить сдвоенные сетевые коммутаторы с двойными блоками питания, два ИБП и одновременно параллельно работающие электрические линии с резервным питанием от генератора. Многие компании, как и корпорация American Power Conversion, создали консультационные службы по вопросам доступности, чтобы оценить и рекомендовать инфраструктуры энергоснабжения высокого уровня доступности для подобных критически важньх сетей.
И наконец, следует упомянуть о типах вилок и розеток, необходимых для всего оборудования, включая ИБП в кабельном шкафу. В идеальных условиях все оборудование должно напрямую подключаться к задней панели ИБП или трансформатора; кроме того, следует избегать использования дополнительных удлинителей "пилотов" или устройств распределения электропитания (PDU) в стойке. Однако при большом количестве оборудования это может
быть нецелесообразно, и следует использовать шину с PDU для монтажа в стойку. В таком случае необходимо использовать высококлассное устройство, специально предназначенное для этой цели. В устройстве распределения электропитания должно быть достаточное число розеток для подключения всего текущего оборудования и несколько запасных розеток для будущих потребностей.
Предпочтительны PDU с функцией измерения, показывающие текущую потребляемую мощность, так как они снижают вероятность ошибок человеческого фактора, например таких, как случайная перегрузка и возникающие в результате падения нагрузки.
Для обеспечения непрерывной работы оборудования в кабельном шкафу (7*24*365) необходимо обязательно решить такие вопросы, как охлаждение и воздухоциркуляция. Чтобы определить наиболее экономичный способ решения этой проблемы (табл. 1), необходимо рассчитать рассеяние мощности в кабельном шкафу. Самым важным в данной ситуации является то, что многочисленные сетевые коммутаторы потребляют много электроэнергии, однако это не означает, что они рассеивают всю потребляемую мощность в кабельном шкафу. Например, коммутатор уровня 2 может потреб-
лять 1 800 Вт, но в кабельном шкафу может рассеиваться только 200-500 Вт. Остальная мощность подается по сети на многочисленные IP-телефоны, установленные во всех подразделениях офиса, и рассеяние мощности происходит по всему офису.
После того как мощность, рассеиваемая в кабельном шкафу, рассчитана, следуйте общим правилам, изложенным в табл. 2. Для этих кабельных шкафов настоятельно рекомендуется использовать блок контроля микроклимата (т.е. температуры и влажности), так как это позволит отслеживать отклонения от нормальных условий и обеспечит достаточное время для принятия превентивных мер, чтобы предотвратить простой.
Главный коммутационный щит (MDF)
Главные коммутационные щиты также называются главными аппаратными или точками присутствия. В них размещается самое важное оборудование VoIP и IP-телефонии, например маршрутизаторы уровня 3, коммутаторы и различное другое сетевое, телекоммуникационное и ИТ-оборудование (рис. 5). Телекоммуникационные линии T1 и T3 выходят на главные коммутационные щиты и обеспечивают связь с Интернет-магистралью.
Условия эксплуатации
Главные коммутационные щиты обычно располагаются на цокольном или первом этаже здания вместе с прочими служебными помещениями. Типичный главный коммутационный щит состоит из 4-12 стоек и потребляет от 4 до 40 кВт однофазного или трехфазного переменного тока 220 В. Кроме того, возможно размещение оборудования, для которого требуется 48 В постоянного тока. В большинстве случаев стойки в главном коммутационном щите являются открытыми стойками с двумя опорами, что позволяет выполнять монтаж разнообразного ИТ-оборудования и IP-телефонии. В этом оборудовании могут применяться различные схемы циркуляции воздушного потока, например поперечный воздушный поток, прямо направленный воздушный поток и т.д. Оборудование предназначено для монтажа в 19- или 23-дюймовом монтажном шкафу. Однако большая часть нового оборудования IP-телефонии и ИТ рассчитана для монтажа в 19- или 23-дюймовом монтажном шкафу.
Проблемы
Некоторые помещения главного коммутационного щита не оборудованы ИБП, во многих не обеспечено адекватное время работы от батареи, и зачастую они не имеют выделенной прецизионной системы охлаждения.
Таблица 1
Расчет теплоотдачи в кабельном шкафу VoIP
Обозначение Необходимые данные Расчет теплоотдачи
Коммутаторы без линейного питания; другое оборудование ИТ (кроме промежуточных блоков питания) Коммутатор с возможностью подачи линейного питания Суммарная входная номинальная мощность в ваттах Номинальная входная мощность в ваттах Такая же, как общая полезная выходная мощность ИТ в ваттах 0,6 х номинальную входную мощность
Промежуточные блоки питания Номинальная входная мощность в ваттах 0,4 х номинальную входную мощность
Освещение Номинальная мощность любых постоянно включенных осветительных устройств в ваттах Номинальная мощность
Система ИБП Номинальная мощность системы ИБП (не нагрузка) в ваттах 0,09 х номинальную мощность ИБП
Итого Вышеуказанные промежуточные суммы Общая сумма вышеуказанных промежуточных сумм теплоотдачи
Оптимальные методы
Так как эти главные коммутационные щиты питают множество критических сетей и оборудования для ИТ и телефонии, их необходимо рассматривать как небольшие центры обработки данных или машинные залы. Чтобы обеспечить практически подачу питания с уровнем надежности 99,999%, помещения с главными коммутационными щитами должны иметь модульный резервный ИБП с внутренней обходной цепью (байпасом) со временем работы от батареи не менее тридцати минут. Большего времени работы с более высокими уровнями доступности (99,9999 или 99,99999%) можно достичь за счет использования сдвоенных сетевых коммутаторов с двойными кабелями питания, сдвоенных ИБП и параллельно работающих электрических линий с резервным питанием от генератора. Такие компании, как корпорация American Power Conversion, создали консультационные службы по вопросам доступности, чтобы оценить и рекомендовать архитектуру высокого уровня доступности для подобных критически важных сетей.
Главные коммутационные щиты должны иметь собственные прецизионные блоки кондиционирования воздуха с контролем микроклимата. Для критических устройств, требующих увеличения доступности, рекомендуется установить резервные установки кондиционирования воздуха. Для предотвращения образования "горячих" точек в стойках высокой мощности (> 3 кВт/стойка) следует использовать дополнительные устройства распределения и отвода воздуха. В отличие от серверов и систем хранения во многих используется поперечный воздушный поток. Это создает особые проблемы при установке в помещениях с закрытыми стойками.
Центр обработки донных или группа серверов
Центр обработки данных или группа серверов (рис. 6) включает все серверы приложений IP-телефонии, а также их программное обеспечение, например Call Managers, Unified Messaging и т.д. Кроме того, в зависимости от сетевой архитектуры и размера организации сюда же могут входить главные коммутаторы (уровень 3) и коммутаторы распределения (уровень 2). В зависимости от их размера (малый, средний или большой) стандартный центр обработки данных или группа серверов могут включать от нескольких десятков до нескольких сотен стоек, заполненных десятками или сотнями серверов и различных ИТ, сетевых и компьютерных систем, на которых работают такие критические приложения, как ERF, CRM и другие web-службы.
Таблица 2
Решения охлаждения кабельного шкафа VoIP
Общая Условие Анализ Решение
тепловая
нагрузка в
кабельном
шкафу
<100 Вт Остальная часть здания является кондиционируемым пространством Проводимость и инфильтрация стен будет достаточной Нет
<100 Вт Остальная часть здания является неблагоприятной средой; система нагоевания. Свежий воздух снаружи помещения нельзя рассматривать как безопасный для использования из-за температуры или загрязненности Установка автономного кондиционера с компьютерным управпением в шкафу рядом с оборудованием
вентиляции и кондиционирования воздуха отсутствует
100 • 500 Вт 100-500 Вт Над подвесным потолком имеется система нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха; остальная часть здания является кондиционируемым пространством Отсутствие доступа из шкафа к системе нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха. Остальная часть здания является кондиционируемым пространством Свежего воздуха снаружи кабельного шкафа будет достаточно, если он будет проникать внутрь, однако дверь может быть преградой для попадания воздуха. Попадание воздуха через дверь и вывод через обратный воздуховод системы нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха Свежего воздуха снаружи кабельного шкафа будет достаточно, если он будет проникать внутрь, однако дверь может быть преградой для попадания воздуха. Попадание воздуха через нижнюю часть двери и вывод через верхнюю часть двери Установка рециркуляционной решетки в системе вентиляции в верхней части шкафа; обеспечение вентиляционного проема в нижней части двери шкафа. Установка вытяжной решетки в верхней части двери шкафа; обеспечение воздухозаборника в нижней части двери шкафа.
500 -1000 Вт Над подвесным потолком имеется система нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха; остальная часть здания является кондиционируемым пространством Свежего воздуха снаружи кабельного шкафа будет достаточно, если он будет проникать внутрь постоянно, однако дверь может быть преградой для попадания воздуха, и потребуется непрерывная работа вентилятора, хотя и это не дает полной гарантии Установка рециркуляционной решетки с дополнительным вентилятором в верхней части шкафа; обеспечение вентиляционного проема в нижней части двери шкафа.
500-1000 Вт Отсутствие доступа из шкафа к системе нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха. Остальная часть здания является кондиционируемым пространством Свежего воздуха снаружи кабельного шкафа будет достаточно, если он будет проникать внутрь постоянно, однако воздух не попадает внутрь. Установка вытяжной решетки с допопнитепьным вентипятором в верхней части двери; обеспечение вентипяционной решетки в нижней части двери шкафа.
>1000 Вт Над подвесным потолком имеется система нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха с открытым доступом; остальная часть здания является кондиционируемым пространством Свежего воздуха снаружи кабельного шкафа будет достаточно, если он будет проникать непосредственно через оборудование, а горячий отработанный воздух от оборудования не рециркулируется в воздухозаборник для оборудования Установка оборудования в закрытую стойку с системой вывода горячего отработанного воздуха; обеспечение вентиляционной решетки в нижней части двери шкафа.
>1000 Вт Система нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха отсутствует; остальная часть здания является кондиционируемым пространством Воздуха, проникающего через дверь, недостаточно; требуется местное охлаждение отработанного воздуха из оборудования Установка автономного кондиционера с компьютерным управлением в шкафу рядом с оборудованием
Рис. 5. Главный коммутационный щит (MDF)
Условия эксплуатации
Центры обработки данных обычно расположены в корпоративном офисе, потребляя от 10 кВт однофазного питания 220 В до сотен киловатт 3-фазного питания 380 В. Для подключения некоторых телекоммуникационных устройств может требоваться некоторое число розеток для подключения питания -48 В, но это скорее исключение. В большинстве центров обработки данных имеется ИБП с резервным аккумулятором, генератор и блоки прецизионных кондиционеров.
Проблемы
Серверы и коммутаторы 1Р-телефонии, как правило, создают неожиданно увеличивающую-
ся нагрузку для центра обработки данных, и могут требовать большего времени автономной работы, избыточности и доступности по сравнению с другим оборудованием ИТ или сети.
Оптимальные методы
Несмотря на то, что в центре обработки данных может быть собственный ИБП и генератор, во многих случаях для оборудования 1Р-телефо-нии, возможно, потребуется установить отдельный, резервный ИБП с большим временем автономной работы от батареи. Определите оборудование 1Р-телефонии, для которого требуется большее время работы и доступность, и соберите его в отдельном месте, в выделенных стойках центра обработки данных. При необ-
Рис. 6. Типичный центр обработки данных или группа серверов
ходимости установите отдельный ИБП с большим временем автономной работы и избыточностью N+1 или N+2. Концепция "выделенной доступности" позволяет увеличивать доступность важного для бизнеса оборудования 1Р-те-лефонии без больших затрат на модернизацию всего центра обработки данных. В центрах обработки данных и сетях с высокой доступностью рекомендуется устанавливать более мощные резервные системы, например двойные источники с дублированными генераторами, а также два ИБП N+1 с двумя путями подачи питания к серверу и другому важному оборудованию в стойке.Убедитесь, что прецизионное оборудование для кондиционирования воздуха центра обработки данных имеет охлаждающую способность, достаточную для охлаждения дополнительного оборудования 1Р-телефо-нии. Для увеличения доступности рекомендуется установить резервные установки кондиционирования воздуха. Для предотвращения образования "горячих" точек в стойках высокой мощности (> 3 кВт/ стойка) следует использовать дополнительные устройства распределения и отвода воздуха. Можно избежать типичных ошибок, которые допускаются при установке систем охлаждения и стоек в центрах обработки данных и помещениях для сетевого оборудования и уменьшают доступность, увеличивая расходы.
Выводы
С устройствами связи не возникает никаких проблем, поскольку они используются в офисных помещениях. Соответственно, не существует серьезных проблем с центрами обработки данных или группами серверов, поскольку увеличивающаяся нагрузка оборудования для 1Р-телефонии добавляется случайным образом. Однако для важных серверов и коммутаторов 1Р-телефонии можно обеспечить "выделенную доступность". При наличии главных коммутационных щитов могут возникнуть небольшие проблемы, связанные с доступным временем работы, которые можно решить, подключив генератор или большую батарею с ИБП. Самые серьезные проблемы, которые могут возникнуть в связи с питанием и охлаждением, касаются, прежде всего, кабельных шкафов. Небольшой, отдельный ИБП с увеличенным временем работы остается более экономичным решением по сравнению с крупным, централизованным ИБП, который подает питание на все кабельные шкафы. Охлаждение — это особая проблема, возникающая при эксплуатации кабельных шкафов; зачастую одной вентиляции недостаточно. В некоторых случаях требуется точечное кондиционирование воздуха.
