Stromversorgung und Kühlung für VoIP

In den meisten Etagenverteilern stehen weder unterbrechungsfreie Stromversorgungen noch Möglichkeiten zur Lüftung oder Kühlung zum Schutz vor Überhitzung zur Verfügung. Dieser Artikel beschreibt, welche Anforderungen von VoIP an Stromversorgung und Kühlung bei der Planung zu berücksichtigen sind, und zeigt einfache, schnelle, zuverlässige und kostengünstige Verfahren für die Aktualisierung älterer sowie den Bau neuer Anlagen auf.

Um herkömmliche Telekommunikationseinrichtungen und Telefonsysteme ersetzen zu können, müssen VoIP und IP-Telefonie eine vergleichbare oder höhere Verfügbarkeit aufweisen. Einer der Gründe für die hohe Verfügbarkeit des herkömmlichen Telefonsystems ist die eingebaute USV mit langer Überbrückungszeit, die den Strom für das Telefonieren von zentraler Stelle über die Telefonverkabelung an das Telefon liefert. Um die erwartete Verfügbarkeit zu erreichen, muss die IP-Telefonie das bewährte Prinzip übernehmen, dem Endgerät die Energie zusammen mit dem Signal bereitzustellen.

Typisches IP-Telefonie-Netzwerk

Der herkömmliche Etagenverteiler, der passive Geräte wie Patch-Felder und Hubs beherbergte, muss sich daher an die Anforderungen von Hochleistungs-Switches und -Routern sowie USV-Systemen mit langer Überbrückungszeit anpassen. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, werden Kühlung und Luftzirkulation in Etagenverteilern zu wichtigen Themen.

Ein typisches IP-Telefonie-Netzwerk ist aus Schichten aufgebaut, die jeweils aus den Komponenten einer von vier möglichen Räumlichkeiten bestehen. Die Anforderungen dieser vier Räumlichkeiten an die Stromversorgung und die Kühlung unterscheiden sich wie in den folgenden Abschnitten gezeigt.

Endgeräte

Typische Endgeräte sind IP-Telefone, WLAN Access Points sowie Laptops mit Softphone-Programmen, die Standardtelefoniefunktionen bieten. Solche IP-Telefone nehmen gewöhnlich sechs bis sieben Watt an Leistung auf, wobei einige Geräte jedoch auch mehr Strom ziehen können. Der neue Normentwurf IEEE 802.3af begrenzt den von solchen Geräten über CAT5-Kabel aufgenommenen Strom auf 350 mA und definiert, über welche Pins die Energie übertragen wird. Netzwerke, die diesem neuen Standard genügen, können ungefähr 15 Watt bis zu einer Entfernung von 100 Metern übertragen. Bei einer höheren Leistungsaufnahme müssen die Endgeräte externe Stromquellen verwenden, beispielsweise über externe Netzteile.

Endgeräte sind gewöhnlich auf Schreibtischen platziert oder an der Wand montiert. Bei neu eingerichteten oder aktualisierten Netzwerken erfolgt die Stromversorgung meistens über die Datenverbindung. In einigen Fällen kann jedoch auch eine Steckdose als Stromquelle dienen.

Probleme & Vorgehensweisen

IP-Telefone müssen normalerweise ebenso verfügbar sein wie die von ihnen ersetzten herkömmlichen Telefone. Das größte Problem, das es hierbei zu lösen gilt, besteht darin, ihren kontinuierlichen Betrieb selbst bei einem längeren Stromausfall sicherzustellen.

Den Strom über die Datenverbindung an die Telefone zu senden (so genannte In-Line-Stromversorgung), stellt die beste Möglichkeit zur Lösung dieses Problems dar. Auf diese Weise ist es nicht mehr notwendig, die Stromversorgung durch externe Netzteile auf dem Schreibtisch zu gewährleisten. Der Strom wird jetzt über den Netzwerk-Switch im Etagenverteiler in das Telefon eingespeist, wobei der Switch durch ein USV-System mit langer Überbrückungszeit versorgt wird. Für Endgeräte, die an eine Steckdose angeschlossen werden (die also keine In-Line-Stromversorgung nutzen) kann ein USV-System mit langer Überbrückungszeit (vier, sechs, acht Stunden oder mehr) bereitgestellt werden.

IDF (Intermediate Distribution Frame) - Etagenverteiler

IDF-Räumlichkeiten, Etagenverteiler genannt, enthalten Hubs, Layer-2 und -3 Zugriffs- und Verteilungs-Switches, Router, Patch-Felder, USV-Systeme mit Batterie und verschiedene andere Telekommunikationsgeräte, die in einem zweistrebigen Rack montiert sind. Viele neue Switches besitzen die eingebaute Fähigkeit, Strom über Datenverbindungen zu übertragen (so genannte Endspan-Netzteile), um die Kommunikationsgeräte (Endgeräte) zu speisen. Für Switches ohne diese Fähigkeit steht ein entsprechend dimensioniertes „Midspan“-Netzteil zur Einspeisung von In-Line-Strom zur Verfügung.

Solche IDFs oder Etagenverteiler sind gewöhnlich in einem abgelegenen Raum des Gebäudes mit wenig oder gar keiner Lüftung und Beleuchtung verborgen. Sofern der Kunde nicht in ein neues Gebäude umzieht, wird er diese Etagenverteiler wahrscheinlich wieder verwenden wollen. Herkömmliche Telekommunikationsnetzwerke haben Etagenverteiler gewöhnlich für Auflegeblöcke, Patch-Felder und einige wenige stapelbare Hubs oder Switches genutzt.

Moderne IP-Telefonie-Infrastrukturen mit IT-Telefonie-Switches verbrauchen deutlich mehr Strom und geben entsprechend mehr Wärme an die Umgebung ab. Diese neuen IP-Telefonie-Switches sind im Allgemeinen für 19-Zoll-Racks gebaut und weisen je nach Hersteller unterschiedliche Luftzirkulationsmuster auf, beispielsweise von Seite zu Seite oder von vorne nach hinten. Ein typischer Etagenverteiler besteht aus ein bis drei Racks und zieht 500 bis 4000 Watt einphasigen Wechselstrom.

Probleme & Vorgehensweisen

Bei der Bereitstellung von VoIP und IP-Telefonie erfordern diese IDFs die größte Aufmerksamkeit, was die Stromversorgung und die Kühlung angeht. Sie haben je nach Netzwerkarchitektur und der Art des verwendeten Switches eine Leistungsaufnahme im Bereich von 500 bis 4000 Watt einphasig bei 230 V Wechselstrom. Den richtigen Steckdosentyp (beispielsweise IEC320C13 / 14 oder IEC309) und die richtige Leistung mit den richtigen Sicherungen für sämtliche Netzwerkgeräte, USV und PDU im Etagenverteiler zur Verfügung zu stellen, ist eine Herausforderung. Kühlung und Luftzirkulation in diesen Etagenverteilern bereiten häufig größere Probleme, die aber oftmals ignoriert werden.

Die gesamte Ausstattung innerhalb des Etagenverteilers sollte durch ein USV-System geschützt sein. Die Auswahl des USV-Systems beruht auf den folgenden Faktoren:

• Gesamte erforderliche Leistungsaufnahme in Watt

• Erforderliche Überbrückungszeit in Minuten

• Gewünschte Stufe der Redundanz oder Fehlertoleranz

• Erforderliche Spannung und Steckdosen

Das USV-System wird nach der Summe der Watt-Zahlen aller Lasten dimensioniert. Ein übliches USV-System für die Rackmontage wie die APC Smart-UPS bietet eine Stromverfügbarkeit von ungefähr 99,99 Prozent. Ein N+1-redundantes USV-System mit integriertem Bypass wie die APC Symmetra RM erreicht mit einer Stunde Überbrückungszeit einen Wert von 99,999 Prozent. Solche Systeme genügen den Anforderungen der meisten Anwendungen. USV-Produkte sind mit Batterien für verschiedenste Überbrückungszeiten erhältlich.

Hohe Verfügbarkeit

Hohe Verfügbarkeitswerte mit vier oder fünf Neunen hinter dem Komma können beispielsweise für lebenserhaltende Anwendungen wie Notrufdienste erforderlich sein. Solche Anforderungen können durch redundante Netzwerk-Switches mit redundanten Netzteilen, redundanten USV-Systemen und parallel zu wartenden elektrischen Anlagen mit Notstromgeneratoren erfüllt werden. Viele Unternehmen wie die American Power Conversion Corporation bieten eigens Beratungsdienste für Verfügbarkeitslösungen an, um Hochverfügbarkeitsinfrastrukturen für solche kritischen Netzwerke zu bewerten und zu empfehlen. Schließlich müssen Sie die erforderlichen Stecker und Steckdosen des Etagenverteilers für sämtliche Geräte einschließlich der USV ermitteln.

Im Idealfall sollten sämtliche Geräte direkt an der Rückseite der USV angeschlossen werden. Vermeiden Sie die Verwendung von zusätzlichen Steckdosenleisten oder Rack-PDUs. Bei vielen Geräten ist dies jedoch nicht immer möglich, so dass in diesem Fall eine Rack-PDU-Leiste verwendet werden sollte. Nehmen Sie in diesem Fall eine ausdrücklich für diesen Zweck entworfene Rack-PDU von hoher Qualität. Die PDU sollte über genügend Steckdosen verfügen, um sämtliche vorhandenen Geräte anzuschließen, und zusätzlichen Platz für zukünftige Erweiterungen bieten. PDUs mit einer Anzeige der aktuellen Leistungsaufnahme sind zu bevorzugen, da sie Fehler durch menschliches Versagen, beispielsweise versehentliche Überlastung und daraus resultierenden Lastabfall, zu vermeiden helfen.

Um einen kontinuierlichen Betrieb (7 x 24 x 365) der Geräte im Etagenverteiler zu gewährleisten, müssen Probleme bei der Kühlung und Luftzirkulation erkannt und behoben werden. Der Energieverlust innerhalb des Etagenverteilers muss berechnet werden, um eine kostengünstige Lösung für das Problem zu finden. Ein entsprechendes Arbeitsblatt finden Sie am Ende des Artikels. Besonders wichtig ist hierbei, zu erkennen, dass viele Netzwerk-Switches eine Menge Strom ziehen, was aber nicht bedeutet, dass sie ihn innerhalb des Etagenverteilers umsetzen. Ein IP-Telefonie-Switch mit Inline Power kann zum Beispiel eine Leistung von 1800 Watt aufnehmen, davon aber nur 200 bis 500 Watt innerhalb des Etagenverteilers umsetzen. Der Rest der Energie wird über das Netzwerk in die verschiedenen im Büro verteilten IP-Telefone eingespeist. Entsprechend wird deren Leistungsaufnahme am Arbeitsplatz in Wärme umgesetzt.

MDF (Main Distribution Frame)

MDFs werden auch als MERs (Main Equipment Rooms) oder POPs (Point of Presence) bezeichnet. Sie enthalten besonders wichtige VoIP- und IP-Telefoniegeräte wie Layer-3-Switches, Router und verschiedene andere Netzwerk-, IT- und Telekommunikationsausstattung. Die typischen E1- und E3-Leitungen enden in MDFs und gewähren Anschlussmöglichkeiten an das Internet-Backbone.

MDFs befinden sich im Allgemeinen im Keller oder im Erdgeschoss, um einen optimalen Service-Zugang zu gewähren. Ein typischer MDF hat ungefähr vier bis zwölf Racks für Geräte und zieht vier bis 40 kW ein- oder dreiphasigen Wechselstrom von 230 V. Manche Geräte erfordern unter Umständen auch 48 V Gleichstrom. Die Mehrzahl der Racks im MDF sind offene zweistrebige Modelle, in denen sich verschiedene IP-Telefonie-Switches und IT-Geräte montieren lassen. Diese Geräte können unterschiedliche Luftzirkulationsmuster aufweisen, beispielsweise von einer Seite zur anderen oder von vorne nach hinten, und eignen sich für die Montage in 19- oder 23-Zoll-Racks. Die Mehrzahl der neuen IP-Telefonie- und IT-Geräte ist jedoch für die Montage in 19-Zoll-Racks gedacht.

Probleme & Vorgehensweisen

Einige MDF-Räume weisen keine USV auf, viele verfügen nicht über ausreichende Überbrückungszeit und oftmals gibt es auch kein dediziertes, präzises Luftkühlungssystem. Da MDFs eine Vielzahl verschiedener kritischer Netzwerk-, IT- und Telefoniegeräte beherbergen, sollten sie wie kleine Datencenter oder Computerräume behandelt werden. Um eine Stromverfügbarkeit von ungefähr 99,999 Prozent zu erreichen, sollte der MDF-Raum durch eine modulare, redundante USV mit internem Bypass und mindestens 30 Minuten Überbrückungszeit geschützt sein.

Höhere Überbrückungszeiten mit höherer Verfügbarkeit (vier oder fünf Neunen hinter dem Komma) lassen sich durch redundante Switches mit redundanten Netzwerk-Switches mit redundanten Netzteilen, redundanten USV-Systemen und parallel zu wartenden elektrischen Anlagen mit Notstromgenerator erreichen. Unternehmen wie die American Power Conversion Corporation bieten eigens Beratungsdienste für Verfügbarkeitslösungen an, um Hochverfügbarkeitsarchitekturen für solche kritischen Netzwerkinfrastrukturen zu bewerten und zu empfehlen. MDFs sollten über eigene Präzisionsklimaanlagen mit Überwachung der Umgebungsbedingungen verfügen. Für kritische Anwendungen mit höherer Verfügbarkeit werden redundante Klimaanlagen empfohlen. Racks mit hoher Leistungsdichte (> 3 kW / Rack) sollten zusätzliche Luftumwälz- und -absaugeinheiten verwenden, um „Hotspots“ zu vermeiden. Anders als Server- und Storage-Systeme weisen Switches eine Luftzirkulation von einer Seite zur anderen auf. Dies führt bei der Installation in Umgebungen mit geschlossenen Racks zu besonderen Problemen.

Datencenter und Server-Farmen

Datencenter oder Server-Farmen beherbergen sämtliche Anwendungs-Server für die IP-Telefonie mit ihrer Software, beispielsweise Callmanager, Unified Messaging usw. Je nach Netzwerkarchitektur und Größe der Organisation enthalten sie auch die Core Switches (Layer 3) und die Distribution Switches (Layer 2). Je nach Größe (klein, mittel oder groß) kann ein typisches Datencenter Dutzende oder gar Hunderte von Racks umfassen, in denen wiederum Dutzende oder Hunderte von Servern montiert sind und verschiedene IT-, Netzwerk- und Rechnersysteme geschäftsentscheidende Anwendungen wie ERP, CRM und andere webbasierte Dienste ausführen.

Datencenter befinden sich im Allgemeinen in der Zentrale des Unternehmens und nehmen mindestens 10 kW ein- oder dreiphasigen Wechselstrom von 400 V auf. Die Werte können jedoch bis auf Hunderte von Kilowatt dreiphasigen Wechselstroms von 480 V ansteigen. Auch wenn einige Telekommunikationslasten 48 V Gleichstrom verlangen, sind hauptsächlich Wechselstromlasten anzutreffen. Die Mehrzahl der Datencenter ist mit batteriegepufferten USVs, Notstromgeneratoren und geeigneten Klimaanlagen ausgerüstet.

Probleme & Vorgehensweisen

IP-Telefonie-Server und -Switches bilden im Grunde genommen inkrementelle Lasten für das Datencenter, die höhere Überbrückungszeiten, Redundanz und Verfügbarkeit erfordern als andere IT- und Netzwerkgeräte. Auch wenn viele Datencenter über ihre eigenen USVs und Generatoren verfügen, kann es notwendig sein, eine separate, redundante USV mit langer Überbrückungszeit für die IP-Telefoniegeräte zur Verfügung zu stellen.

Ermitteln Sie die IP-Telefoniegeräte, die längere Überbrückungszeiten und eine höhere Verfügbarkeit benötigen, und platzieren Sie sie zusammen in einem eigenen Bereich des Datencenters und in eigenen Racks. Statten Sie sie mit einer eigenen USV mit längerer Betriebsdauer und je nach Bedarf mit einer N+1-, einer 2N- oder einer 2(N+1)-Verfügbarkeit aus. Dieses Prinzip der „gezielten Verfügbarkeit“ hilft, die Verfügbarkeit von geschäftskritischen IP-Telefoniegeräten zu erhöhen, ohne große Investitionen für das gesamte Datencenter treffen zu müssen. Höhere Ebenen der Redundanz wie redundante Einspeisungen, redundante Generatoren und redundante N+1-USV-Systeme stellen eine redundante Stromversorgung bis hin zum Endgerät (beispielsweise Server, andere wichtige Geräte im Rack) sicher, und sollten für hochgradig verfügbare Datencenter und Netzwerke eingesetzt werden.

Stellen Sie sicher, dass die Klimaanlage des Datencenters ausreichend Kapazität für die neuen zusätzlichen IP-Telefoniegeräte aufweist. Redundante Klimaanlagen können eingesetzt werden, um eine höhere Verfügbarkeit zu erzielen. Racks mit hoher Leistungsdichte (> 3 kW / Rack) sollten zusätzliche Luftumwälz- und -absaugeinheiten verwenden, um „Hotspots“ zu vermeiden. Vermeidbare Fehler, die bei der Installation von Kühlsystemen und Racks in Datencentern oder Netzwerkräumen regelmäßig gemacht werden, gefährden die Verfügbarkeit und erhöhen die Kosten.

Fazit

Die Verwendung von Kommunikationsgeräten in Büroumgebungen ruft keine Probleme hervor. Ebenso gibt es keine größeren Probleme in Datencentern oder Server-Farmen, da IP-Telefoniegeräte nur geringfügige Lasten hervorrufen. Es kann jedoch für eine „gezielte Verfügbarkeit“ für kritische IP-Telefonie-Server und -Switches gesorgt werden. Bei MDFs können begrenzt Probleme bezüglich der erforderlichen Überbrückungszeit auftreten, die sich aber durch die Bereitstellung eines Generators oder einer größeren Batterie in einer USV lösen lassen. Die größten Probleme bezüglich der Stromversorgung und Kühlung treten in Etagenverteilern auf.

Kleine, dedizierte USV-Systeme mit erweiterter Überbrückungszeit bilden im Vergleich zu einer großen, zentralen USV, die alle Etagenverteiler versorgt, eine kostengünstige Lösung. Die Kühlung bereitet in Etagenverteilern besondere Probleme, wobei zuweilen eine einfache Lüftung ausreicht. In manchen Fällen ist eine gezielte punktuelle Kühlung notwendig. (mje)

Dieser Artikel basiert auf einem Whitepaper von APC, American Power Conversion. Der Autor Viswas Purani ist Director Emerging Technologies and Applications bei APC.

Berechnung der Abwärme

Das folgende Arbeitsblatt soll eine Hilfestellung bei der Berechnung der Abwärme in einem VoIP-Kabelschrank bieten.

Lösungen für Etagenverteiler

In der folgenden Tabelle finden Sie Lösungsvorschläge für die richtige Kühlung von Etagenverteilern. Für jede Wärmelast-Kategorie sind zwei unterschiedliche Beispielzustände angeführt.