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以太網(wǎng)供電（POE）的關(guān)鍵技術(shù)解析(圖)
以太網(wǎng)供電 (POE) 概述
POE (Power Over Ethernet)指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作做何改動(dòng)的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。POE技術(shù)能在確保現(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時(shí)保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，最大限度地降低成本。
POE也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)(POL, Power over LAN )或有源以太網(wǎng)( Active Ethernet)，有時(shí)也被簡(jiǎn)稱為以太網(wǎng)供電，這是利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)是基于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)POE的新標(biāo)準(zhǔn)，它在IEEE 802.3的基礎(chǔ)上增加了通過網(wǎng)線直接供電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，也是第一個(gè)關(guān)于電源分配的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
IEEE在1999年開始制定該標(biāo)準(zhǔn)，最早參與的廠商有3Com, Intel, PowerDsine, Nortel, Mitel和National Semiconductor。但是，該標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)一直制約著市場(chǎng)的擴(kuò)大。直到2003年6月，IEEE批準(zhǔn)了802. 3af標(biāo)準(zhǔn)，它明確規(guī)定了遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的電力檢測(cè)和控制事項(xiàng)，并對(duì)路由器、交換機(jī)和集線器通過以太網(wǎng)電纜向IP電話、安全系統(tǒng)以及無線LAN接入點(diǎn)等設(shè)備供電的方式進(jìn)行了規(guī)定。IEEE 802.3af的發(fā)展包含了許多公司專家的努力，這也使得該標(biāo)準(zhǔn)可以在各方面得到檢驗(yàn)。
一個(gè)典型的以太網(wǎng)供電系統(tǒng)如圖1所示。在配線柜里保留以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備，用一個(gè)帶電源供電集線器(Midspan HUB)給局域網(wǎng)的雙絞線提供電源。在雙絞線的末端，該電源用來驅(qū)動(dòng)電話、無線接入點(diǎn)、相機(jī)和其他設(shè)備。為避免斷電，可以選用一個(gè)UPS。
圖1 一個(gè)典型的以太網(wǎng)供電系統(tǒng)
POE的關(guān)鍵技術(shù)
POE的系統(tǒng)構(gòu)成及供電特性參數(shù)
一個(gè)完整的POE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備(PSE, Power Sourcing Equipment)和受電端設(shè)備(PD, Power Device)兩部分。PSE設(shè)備是為以太網(wǎng)客戶端設(shè)備供電的設(shè)備，同時(shí)也是整個(gè)POE以太網(wǎng)供電過程的管理者。而PD設(shè)備是接受供電的PSE負(fù)載，即POE系統(tǒng)的客戶端設(shè)備，如IP電話、網(wǎng)絡(luò)安全攝像機(jī)、AP及掌上電腦( PDA)或移動(dòng)電話充電器等許多其他以太網(wǎng)設(shè)備（實(shí)際上，任何功率不超過13W的設(shè)備都可以從RJ45插座獲取相應(yīng)的電力）。兩者基于IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)建立有關(guān)受電端設(shè)備PD的連接情況、設(shè)備類型、功耗級(jí)別等方面的信息聯(lián)系，并以此為根據(jù)PSE通過以太網(wǎng)向PD供電。
POE標(biāo)準(zhǔn)供電系統(tǒng)的主要供電特性參數(shù)為：
- 電壓在44～57V之間，典型值為48V。
- 允許最大電流為550mA，最大啟動(dòng)電流為500mA。
- 典型工作電流為10～350mA，超載檢測(cè)電流為350～500mA。
- 在空載條件下，最大需要電流為5mA。
- 為PD設(shè)備提供3.84～12.95W五個(gè)等級(jí)的電功率請(qǐng)求，最大不超過13W。
POE供電的工作過程
當(dāng)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中布置 PSE供電端設(shè)備時(shí)，POE以太網(wǎng)供電工作過程如下所示。
- 檢測(cè)：一開始，PSE設(shè)備在端口輸出很小的電壓，直到其檢測(cè)到線纜終端的連接為一個(gè)支持IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電端設(shè)備。
- PD端設(shè)備分類：當(dāng)檢測(cè)到受電端設(shè)備PD之后，PSE設(shè)備可能會(huì)為PD設(shè)備進(jìn)行分類，并且評(píng)估此PD設(shè)備所需的功率損耗。
- 開始供電：在一個(gè)可配置時(shí)間(一般小于15μs)的啟動(dòng)期內(nèi)，PSE設(shè)備開始從低電壓向PD設(shè)備供電，直至提供48V的直流電源。
- 供電：為PD設(shè)備提供穩(wěn)定可靠48V的直流電，滿足PD設(shè)備不越過 15.4W的功率消耗。
- 斷電：若PD設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)上斷開時(shí)，PSE就會(huì)快速地(一般在300～400ms之內(nèi))停止為PD設(shè)備供電，并重復(fù)檢測(cè)過程以檢測(cè)線纜的終端是否連接PD設(shè)備。
在把任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到PSE時(shí)，PSE必須先檢測(cè)設(shè)備是不是PD，以保證不給不符合POE標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備提供電流，因?yàn)檫@可能會(huì)造成損壞。這種檢查是通過給電纜提供一個(gè)電流受限的小電壓來檢查遠(yuǎn)端是否具有符合要求的特性電阻來實(shí)現(xiàn)的。只有檢測(cè)到該電阻時(shí)才會(huì)提供全部的48V電壓，但是電流仍然受限，以免終端設(shè)備處在錯(cuò)誤的狀態(tài)。作為發(fā)現(xiàn)過程的一個(gè)擴(kuò)展，PD還可以對(duì)要求PSE的供電方式進(jìn)行分類，有助于使PSE以高效的方式提供電源。一旦PSE開始提供電源，它會(huì)連續(xù)監(jiān)測(cè)PD電流輸入，當(dāng)PD電流消耗下降到最低值以下，如在拔下設(shè)備時(shí)或遇到PD設(shè)備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負(fù)荷等，PSE會(huì)斷開電源并再次啟動(dòng)檢測(cè)過程。
電源提供設(shè)備也可以被提供一種系統(tǒng)管理的能力，例如應(yīng)用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)。這個(gè)功能可以提供諸如夜晚關(guān)機(jī)、遠(yuǎn)端重啟之類的功能。
研究POE的供電方式可以看出，在供電的過程中有兩個(gè)關(guān)鍵的問題需要考慮，一個(gè)是對(duì)于PD設(shè)備的識(shí)別，另一個(gè)是系統(tǒng)中UPS的容量。
POE通過電纜供電的原理
標(biāo)準(zhǔn)的五類網(wǎng)線有四對(duì)雙絞線，但是在l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的兩對(duì)。IEEE80 2.3af允許兩種用法如圖2和圖3所示。
圖2 通過空閑腳供電
圖3 通過數(shù)據(jù)腳供電
應(yīng)用空閑腳供電時(shí)，4、5腳連接為正極，7、8腳連接為負(fù)極。
應(yīng)用數(shù)據(jù)腳供電時(shí)，將DC電源加在傳輸變壓器的中點(diǎn)，不影響數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式下線對(duì)1、2和線對(duì)3、6可以為任意極性。
標(biāo)準(zhǔn)不允許同時(shí)應(yīng)用以上兩種情況。電源提供設(shè)備PSE只能提供一種用法，但是電源應(yīng)用設(shè)備PD必須能夠同時(shí)適應(yīng)兩種情況。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定供電電源通常是48V、13W的。PD設(shè)備提供48V到低電壓的轉(zhuǎn)換是較容易的，但同時(shí)應(yīng)有1500V的絕緣安全電壓。
POE標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)范了傳送電功率應(yīng)使用的非屏蔽雙絞線對(duì)電纜，即3、5、5e或6類電纜。明確了與其一起工作的現(xiàn)存電纜設(shè)施不需要任何改動(dòng)，這其中包括3、5、5e或6類電纜、各種短接線與接線板、電源插座引線和連接的硬件等。POE標(biāo)準(zhǔn)與IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)系列兼容。
POE的兩種供電方法
POE標(biāo)準(zhǔn)為使用以太網(wǎng)的傳輸電纜輸送直流電到POE兼容的設(shè)備定義了兩種方法：一種稱作“中間跨接法”( Mid -Span )，使用以太網(wǎng)電纜中沒有被使用的空閑線對(duì)來傳輸直流電，相應(yīng)的Endpoint PSE支持POE功能的以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、集線器或其他網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。另一種方法是“末端跨接法”(End-Span)，是在傳輸數(shù)據(jù)所用的芯線上同時(shí)傳輸直流電，其輸電采用與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)不同的頻率。Midspan PSE是一個(gè)專門的電源管理設(shè)備，通常和交換機(jī)放在一起。它對(duì)應(yīng)每個(gè)端口有兩個(gè)RJ45插孔，一個(gè)用短線連接至交換機(jī)，另一個(gè)連接遠(yuǎn)端設(shè)備。可以預(yù)見，End-Span會(huì)迅速得到推廣，這是由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與輸電采用公用線對(duì)，因而省去了需要設(shè)置獨(dú)立輸電的專用線，這對(duì)于僅有8芯的電纜和相配套的標(biāo)準(zhǔn)RJ-45插座意義特別重大。
圖4是POE供電系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例，由供電設(shè)備PSE 、受電設(shè)備PD和相關(guān)的配套設(shè)備及以太網(wǎng)傳輸電纜組成。
圖4 符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)供電系統(tǒng)實(shí)例
當(dāng)PD設(shè)備與POE標(biāo)準(zhǔn)兼容時(shí)就可直接通過RJ-45插座從以太網(wǎng)電纜供電，對(duì)于與POE不兼容的設(shè)備可以采用直流變換器或抽頭分壓裝置的方法，將其電壓變換成POE兼容的電壓。這些裝置有時(shí)也被稱為有源以太網(wǎng)分裂器(Sputters)，它可以將太網(wǎng)電纜的直流電壓取出來并通過常規(guī)的直流插座供PD設(shè)備使用。
POE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及拓展的應(yīng)用
使用以太網(wǎng)線供電的優(yōu)勢(shì)是明顯的：
- POE只需要安裝和支持一條電纜，簡(jiǎn)單而且節(jié)省空間，并且設(shè)備可隨意移動(dòng)。
- 節(jié)約成本。許多帶電設(shè)備，例如視頻監(jiān)視攝像機(jī)等，都需要安裝在難以部署AC電源的地方，POE使其不再需要昂貴電源和安裝電源所耗費(fèi)的時(shí)間，節(jié)省了費(fèi)用和時(shí)間。
- 像數(shù)據(jù)傳輸一樣，POE可以通過使用簡(jiǎn)單網(wǎng)管協(xié)議(SNMP)來監(jiān)督和控制該設(shè)備。
- POE供電端設(shè)備只會(huì)為需要供電的設(shè)備供電，只有連接了需要供電的設(shè)備，以太網(wǎng)電纜才會(huì)有電壓存在，因而消除了線路上漏電的風(fēng)險(xiǎn)。
- 一個(gè)單一的UPS就可以提供相關(guān)所有設(shè)備在斷電時(shí)的供電。
- 用戶可以自動(dòng)、安全地在網(wǎng)絡(luò)上混用原有設(shè)備和POE設(shè)備，這些設(shè)備能夠與現(xiàn)有以太網(wǎng)電纜共存。
- 使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備便于管理。因?yàn)楫?dāng)遠(yuǎn)端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連后，才能夠遠(yuǎn)程控制、重配或重設(shè)。
- 在無線局域網(wǎng)中，POE可以簡(jiǎn)化射頻測(cè)試任務(wù)，接入點(diǎn)能夠被輕松地移動(dòng)和接入。
隨著IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的確立，其他大量的應(yīng)用也將快速涌現(xiàn)出來，包括藍(lán)牙接入點(diǎn)、燈光工作、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、IP電話機(jī)、Web攝像機(jī)、無線網(wǎng)橋、建筑的保安系統(tǒng)如門禁讀卡機(jī)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。用戶在當(dāng)前的以太網(wǎng)設(shè)備上融合新的供電裝置，就可以在現(xiàn)有的網(wǎng)線上提供48V直流電源，降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的總成本，并且保護(hù)了投資。已經(jīng)有制造商在市場(chǎng)上投放產(chǎn)品，例如帶電源的Midspan Hub。
結(jié)束語(yǔ)
以太網(wǎng)在線供電(POE)是一種革命性技術(shù)，它通過目前承載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的同一條五類/超五類雙絞線電纜提供可靠的直流電源，擴(kuò)展了以太網(wǎng)本已非常強(qiáng)大的功能。POE將改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電的方式，網(wǎng)絡(luò)管理員可以最大限度地利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，并部署全新的一系列應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
- 劉明芳. POE－為供電插上翅膀. 《智能建筑與城市信息》. 2005,5
- 王廷堯。 無線以太網(wǎng)性能與供電技術(shù). 《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》. 2005,2
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