民航绿色云数据中心PUE控制

网络与信息工程民航绿色云数据中心PUE控制

杨健，王尧

(中国民航信息网络股份有限公司，北京，100027 )

摘要：绿色是新一代云数据中心建设的趋势和要求，设计时考虑越细致,节能减排优化得越好，运维成本就越低。在“绿色设计

和绿色运维’方面还有很多事情可以做，只要我们开始绿色的思考，并切实开始绿色的行动，就能取得好的节能效果，达到比较 理想的PUE值。本文探讨了民航建设绿色数据中心的控制策略和应用模型,通过分析网络搜索领域的数据中心，发现设备的 主要能耗来源及降耗的不足，对软件级能耗模型及节能方案进行了改进，为新数据中心降低PUE提供了多种节能手段。

关键词：云数据中心；民航；绿色；PUE

Civil Aviation Green Cloud Data Center PUE Control

Yang Jian, Wang Yao

(Travelsky Technology Limited, Beijing, 100027)

Abstract:Green is the trend and requirements for the construction of a new generation of cloud data

centers. The more detailed the design considerations, the better the energy saving and emission reduction optimization, and the lower the operation and maintenance costs. There are many things that can be done in terms of “green design and green operation and maintenance” . As long as we begin to think green and start green actions, we can achieve good energy-saving effects and reach a more ideal PUE value. This article discusses the control strategies and application models of the civil aviation construction green data center. By analyzing data centers in the field of network search, it finds the main sources of energy consumption and the insufficiency of consumption reduction, and improves the software-level energy consumption model and energy-saving scheme. Provides multiple energy-saving measures for reducing PUE for new data centers.Keywords: Cloud data centers; civil aviation; Green; PUE

1概述

通俗来讲\"碳指标’觉是国家对\"碳减排”所制定的要求，目的 是减少温室气体的排放。据互联网数据中心(IDG)统计，2017年 全球数据中心数量将达到840万座，主要集中分布在美国、欧洲、 日本和中国等地区[1]。互联网巨头谷歌公司2005年全球范围内 服务器数量约35万台，到2010年激增到约90万台，5年的时 间增长近两倍半。另一大型互联网公司Facebook的基础设施规 模每年都在以惊人的速度增长，从2008年到2010年服务器规 模翻了 6倍达到6万台。据全球性环保组织绿色和平组织预测， 2020年全球主要IT运营云数据中心的能耗会超过德国、法国、 加拿大和巴西四国总和，达到2万千瓦时。

尽的社会责任。据数据中心运营商的数据显示，n设备的电能 消耗主要分布在以下三个方面。

(1)

n主设备用电：占45% — 55%。（2)机房环境用电：照明、

制冷、制热等，空调用电占这部分绝大多数。（3)电源系统用电： 接近总用电量的10%。

2绿色数据中心的建设技术 2.1标准化、模块化

传统的数据中心从建立之初就面临着不断扩展的需求。数据 中心的电力与空调辅助设备需要建设之初进行规划，考虑扩大存 放设备的空间，为未来业务发展的需求提供空间。标准化、模块化 逐渐发挥重要的作用。如新建数据中心，只用关心水、电、网络接 入，除此之外的软件安装和部署都采用自动化的方式进行，可以 有效缩短整个部署的时间到几小时。

PUE是Power Usage Effectiveness的简写，是评价数据中

心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用 的能源之比。PUE值越接近于1,还表示一个数据中心的绿色化 程度越高[2]。在固定IT设备不变的条件下，其能耗主要由承载 的业务负荷值决定。国外领先的数据中心PUE值可达1. 6~1. 8[3], 其中Facebook公司在俄勒同州利用空气制冷替换空调制冷，专 有的不间断供电（UPS)等技术建立节能环保绿色数据中心，其

2.2虚拟化

虚拟化可最大化利用现有物理资源，提高硬件的使用效率, 有效减少物理服务器使用数量，进一步达到有效帮助减少额外能 源消耗的目标，实现绿色数据中心碳排放量的降低。

PUE值低至1. 07。建立绿色节能低PUE的数据中心是提高能源利

用效率、降低运营商能耗成本的根本解决途径。

从企业角度出发,电能开销是云数据中心运营的重要成本之 一；从环境角度出发，保护环境、降低能源消耗也是每个企业应

2.3自动化

为了提高效率，需要科学的分析数据中心能耗监控及资源管 理手段，数据中心运营企业商必须分析对能耗有影响的因素，研 宄对这些因素具备持续跟踪和分析调配技术和研发系统，辅助

基金项目：国家发改委2014年云计算工程项目：发改办高技[2014] 1799号：关于2014年云计算工程项目的复函。

SIMM 里

网络与信息工程数据中心运营进行节能减排工作。

2.4规模化

云计算应提供一系列透明的计算能力、存储能力也就是各种 各样的服务包括软件、硬件以及中间件或其他平台，而不应该把 服务具体化。设计软件应该做到符合设计标准的软件都可以提供 相应服务，分散在各地的硬件只要通过互联网相连就都可以提 供相关的运算；同时联系软硬件的各种中间件平台都可以为节 能软件所用，充分利用PAAS、SMS、IAAS实现规模化效应。

本文通过探讨民航建设绿色数据中心的控制策略和应用模 型，分析网络搜索领域的数据中心,发现了设备主要能耗来源及 降耗不足的原因,对软件级能耗模型及节能方案进行了改进，同 时在中航信新数据中心模拟采用多种节能手段降低PUE。针对云 计算项目的机房模块,通过采用自然冷却和热回收等节能方式可 实现PUE不高于1.5的目标。

3民航

PUE计算模型

中航信后沙峪新数据中心采用多种节能手段降低PUE。根据 绿色IT系统的节能减排要求以及软件层的特殊要求，我们在传 统IT设备节能形式外进行了能耗评价模型的设计，提高了能耗 评价体系的整体性以及评价标准的有效性。同时，在软件工程的 基础上,根据节能减排的要求，对软件本身节能提出了构件化设 计的概念，并同时提出对硬件能耗进行监控的方法以及资源调配 的算法,节能软件的安全及可靠是建立在多个廉价服务器的冗余 和虚拟化技术之上的。对于任何网络，节点的失效都不可避免。所 以，节点间的容错问题需在软件设计之初就进行考虑，因此采用 云环境就是再合适不过的了，云环境屏蔽了具体的节点,人们不 需要知道服务来自于哪里，这样即使某个节点失效了，只要服务 正常就可以了。针对云计算项目的机房模块，通过采用自然冷却 和热回收等节能方式可实现公共云服务平台所在模块PUE不高 于1. 5的目标。

数据中心的总能耗与IT设备能耗的比率PUE计算主要有4 个公式，如下4个公式的具体解释见[4]。

2018.11

i

______________________________________________________________E Power delivered to data center — pmechanical t ________+ P,electrical______other^

IT equipment power use(1)

.^mechanical

^ mechanical -

Pn⑵.

pelectricalelectrical -

⑶Pit

PUEother =• Either

P]T⑷

(1)本项目的整体PUE分析

本项目在节能设计方面采取多种措施，可使数据中心的能效有效降低，我们经过初步测算，PUE不大于1. 6。

空调系统(北京地区气象数据与自然冷却分析)

Beijing weather

WB(F)

WB(C)

Total Hrs

DB(F)

DB(C)

WS

年平均比例

8328.3588.231.28127.22587.130.67926. 18384.329. 1772522682.327.97523.927179.926.67322.830278.725.97121.72797825.66920.632075.824.36719.443275.624.2完全电6518.335374.723.7制冷

50, 30%

6317.239372.322.46116. 132370.721.5591528966.319. 15713.923865.518.65512.824765.318.55311.720462.416.95110.623259.515.3499.418758.714.84409478.321857.414.1457.222854.912.7部分自436. 122451.811然冷却12. 20%

41521149.59.7393.918948.39. 11070

372.821945,27.3351.723743.36.3330.622240.54.731-0.629738.63.729-1.734536.62.627-2.838533.91. 125-3.941031.4-0.323-534129. 1-1.6完全自

21-6. 125126.5-3.1然冷却

37. 50%

19-7.223123.6-4.717-8.314221.7-5.715-9.49019.6-6.913-10.66217.6-811-11.71915.7-9. 19-12.81413.2-10.47-13.91210.3-12. 15-15

4

8.2-13.2

3281

2018.11

由此通过不同制冷方式的运行时间年平均比例可以计算出 冷水机组的全年耗电功率：Pch=6870*0. 6*8760*50. 3%+6870*0. 6*8760*12.2*50%=20365318kWh。

机械系统

用电设备电 全年能全年耗电

功率/kW耗系数

(kwh)

所占比例

冷水机组68700.62036531823.40%冷冻水一次泵5500.628908003. 30%冷却水泵（清水）13200. 85982872011.30%开式冷却塔7400.8555100406.30%冷冻水二次泵11000.8581906009. 40%精密空调CRAH20000. 851489200017. 10%新风用冷水机组30000. 852233800025. 60%新风机组

2400.8517870402. 10%新风冷水机用水泵1760.46167040. 70%其他机械设备（如风盘、 排风机组等）1000. 85744600

0. 90%小计

16096

0.9

87163822

100. 00%

IT设备功耗（kw)23364rr设备全年耗电（kwh)204668640机械系统PUE (M)0.42587776

电气系统变压器损耗435.51

3814980

1.90%低压配电损耗

321.312814588

1.40%IT设备用的UPS损耗1869.1116373316

8%机械设备用的UPS损耗212. 10.851579296. 60. 77%

其它

7001

6132000

3%总的电损耗

35383071418115.

00%IT设备用电负荷23364

204668640100%电气系统PUE (E)

1.150067841

Spue

PUE(M)+ PUE(E) 1.58

(2)公共云服务平台项目所在模块的局部PUE分析

本项目将公共云服务平台项目置于T4模块,为使此模块的

PUE进一步降低，拟采用转轮热回收的节能方式。利用带转轮换

热器的AHU对机房回风进行预冷，从而降低精密空调负荷，当冬 季室外温度进一步降低时，可以完全靠室外空气冷却，停止冷冻 水盘管的冷冻水供应。转轮只进行显热交换，室内空气水分不会 散失，室外空气杂质和污染物也不会影响室内空气。AHU的技术 参数如下：

风量m3/h60000机外余压Pa300换热量kW280设备用电量（kW)18.5室外风进风温度t

15室外风出风温度-c29室内风进风温度n34室内风出风温度\"C

20使用数量8安装数量8机房楼一使用数量8机房楼一安装数量

8

北京地区全年使用转轮的时间分布如下：

mmm两络与信息工程北京地区全年使用转轮的时间分布

DBCC )WB(9C )hrs

Total hrsAnnual Pro

37. 2217.39436. 1118.61635.0020.941133.8921. 113432.7822,444631.6721.837030.5622.5016429.4422.2817928.3322.2220427. 2222. 3324126. 1121.5628040540. 4628

25. 0020. 7834623.8920. 1134022. 7819.0634121.6718.1733620. 5616.8345519.4415.7827718.3314.6123217.2213. 1722416. 1112.2226415. 0011.2222713. 899.8918512. 788.5020011.677.7219010. 566.283089. 445.061888. 334. 061867.222. 831796. 112. 001885.000. 722083.89-0. 502212.78-1.222891.67-2.063000.56-2. 9440247060.5372

-0.56-3.83258-1.67-4.50256-2.78-5,33221-3.89-6.28207-5.00-7.39156-6. 11-8.17124-7.22-9.11101-8.33-10.1752-9.44-11.3932-10. 56-12. 5612-11.67-13. 8310-12. 78-14. 565-13.89-15. 441

结合本项目整体PUE的计算方法，计算公共云服务平台项目 所在模块的局部PUE，具体计算结果见下表：

公共云服务平台项目所在模块的PUE计算表

全年使用 全年使用转

项目全年耗电 rr设备所 全年耗电

(kwh)占的比例(kwh)

转轮的时 轮少耗电

间比例

(kwh)机房楼rr设

备功率/kff23364

单模块IT设

备功率/kff

864

(下转第84页)

89 |

网络与信息工程区没有被配置为B小区的邻区，UE也能检测出A小区的PCI和

2018.11

息RRCConnectionReconfigurtion,然后，回看当前服务小区下 发的系统消息SIB4的内容，通过对UE接收到SIB4的系统信息 块内容分析，进一步确认是否存在邻区漏配的问题。

对待LTE无线网路中存在的切换问题，应采用逐一排除、逐 一确认的方法来进行分析。邻区切换问题的处理思路是：首先检 查基站告警、拥塞、干扰等问题，然后从信令入手，查看切换信令 流程具体到哪一步出问题了，再核对小区参数，査看是否配置了 邻区关系、切换参数设置是否合理。

PSRP等信息。UE根据测量配置所指示的频点测量出使用该频点

的小区,然后由UE高层对测量结果进行处理，得到切换候选列表 发给网络，由网络根据邻区列表选择小区发起切换。本例中，UE 检测到了开发区盛华心港湾49(PCI=23)小区信号，且该小区信 号约为 RSRP=-95dBm。

在15:07: 56. 163时刻，UE使用开发区茂华国际10号楼 50(PCI=142)的小区的信号时,通过对UE接收到SIB4的系统信 息块进行分析，发现SIB4中同频邻区列表中并没有PCI=23的邻 区，如图4所示，也就是说，开发区茂华国际10号楼50(PCI=142) 的同频邻区中并没有PCI=25的小区。

综上所述,可以判断本次切换失败主要是由于开发区茂华国 际10号楼50(PCI=142)的同频邻区中并没有配置开发区盛华心 港湾49(PCI=23)的小区。出现了邻区漏配，从而导致切换失败。

(3)解决措施

增加开发区盛华心港湾49(PCI=23)的小区与开发区茂华国 际10号楼50(PCI=142)的小区之间的邻区关系。

参考文献

[1] 孟莹.TD-LTE系统切换优化方法的研究[J].信息通信,2017(7):183-185.[2] 孙照宇.TD-LTE切换问题优化研究[J].数字技术与应

用.2017(7):54-55.

[3] 张玲.TD-LTE基于RSRP/RSRQ的小区切换算法优化丨J].数

字通信.2013(40):54-58.

⑷王永斌.TD-LTE网络优化方法的研究和实[Dj.山东大

学.2016.

[5]徐彤，丁胜高等编著.LTE无线网络优化技术[M].北京：电

子工业出版社.2018.

5结束语

在移动通信网络中，只有配置为邻区关系的两个小区才会发 生切换。在LTE网络中，即使两个邻近小区没有配置为邻区关系，

作者简介

徐彤（1973-),男，汉族，江苏泗阳人，硕士研究生，讲师，主要研

究领域为无线通信技术、移动通信技术与系统。

袁耀（1983--),男，江苏淮安人，硕士研究生，工程师，主要研究

方向为LTE移动通信技术与系统。

UE也能检测出未定义为邻区关系的小区信号的强度，随着UE越

来越靠近未定义邻区的临近小区，UE检测到临近小区的信号越 来越强。从路测软件的信令分析窗口可以看出，UE会不停地上 报Measurement Report消息，但是eNodeB不会下发切换执行消

(上接第89页)

单模块IT设 备全年耗电

公共云服务平台项目所在的数据中心模块PUE值降到不大于1. 5。

7568640753108. 83106901.69363465. 76203761.11302888.14550705. 70

53%

(kwh)

20365318

冷冻水一次泵2890800

9828720冷却水泵

开式冷却塔5510040冷冻水二次泵8190600

14892000精密空调

冷水机组

4结束

本文探讨了民航建设绿色数据中心的控制策略和应用模型，

56657. 90

192636. 85107993. 39160530. 71437811.03

通过分析网络搜索领域的数据中心，发现设备的主要能耗来源 及降耗的不足，对软件级能耗模型及节能方案进行了改进，为满 足通信业十二五规划的要求，在中航信后沙峪新数据中心采用多 种节能手段降低PUE。针对云计算项目的机房模块，通过采用自 然冷却和热回收等节能方式可实现PUE不高于1. 5的目标。绿色

新风用冷水 04826058. 223380000. 55

机组

178704066084. 68新风机组

新风冷水机

61670422805. 69

用水泵其他机械设

27535. 29备（如风盘、 744600

排风机组等）

304672. 8转轮换热器小计

机械系统

IT是新一代数据中心建设的主旋律，因此在数据中心的机房设

计时候考虑的越细，绿色节能减排优化做得越好，今后的运维成 本就越低。在“绿色设计和绿色运维”方面还有很多事情可以做， 只要我们开始绿色的思考，并切实开始绿色的行动，就能取得好 的节能效果，达到比较理想的PUE值。

12087. 02

参考文献

2560271. 35

[1] IDC新闻观察者网综合，全球数据中心建设：美国45%位列第1

中国 8%位第 2.http://newsJdcquaiicom/gjzx/123193shtmL[2] 王洪锁.基于PUE评价指标的数据中心的绿色IT技术[J].

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[3] 虚拟化与云计算小组，数据中心能效分析(Ml.电子工业出版社.[4] 尹晓竹，PUE分析与数据中心节能[J].机房技术与管

理.2013 (6):29-34.

mmm3527988. 25

0. 341. 151.49

PUE(M)

电气系统PUE

(E)总PUE

综合以」匕计算结果表明,通过使用转轮热回收的方式可以将

84