以太網(wǎng)供電（POE）的關(guān)鍵技術(shù)解析

標(biāo)簽：POE  IEEE

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)不作做何改動的情況下，在為一些基于IP的終端(如IP電話機、無線局域網(wǎng)接入點AP、網(wǎng) 絡(luò)攝像機等)傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，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?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運作，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)，有時也被簡稱為以太網(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，也是第一個關(guān)于電源分配的國際標(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)的缺點一直制約著市場的擴(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)中的電力檢測和控制事項，并對路由器、交換機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。

一個典型的以太網(wǎng)供電系統(tǒng)如圖1所示。在配線柜里保留以太網(wǎng)交換機設(shè)備，用一個帶電源供電集線器(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)動電話、無線接入點、相機和其他設(shè)備。為避免斷電，可以選用一個UPS。

圖1 一個典型的以太網(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，同時也是整個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、AP及掌上電腦( PDA)或移動電話充電器等許多其他以太網(wǎng)設(shè)備(實際上，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，最大啟動電流為500mA。

◆典型工作電流為10～350mA，超載檢測電流為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五個等級的電功率請求，最大不超過13W。

POE供電的工作過程

當(dāng)在一個網(wǎng)絡(luò)中布置 PSE供電端設(shè)備時，POE以太網(wǎng)供電工作過程如下所示。

◆檢測：一開始，PSE設(shè)備在端口輸出很小的電壓，直到其檢測到線纜終端的連接為一個支持IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電端設(shè)備。

◆PD端設(shè)備分類：當(dāng)檢測到受電端設(shè)備PD之后，PSE設(shè)備可能會為PD設(shè)備進(jìn)行分類，并且評估此PD設(shè)備所需的功率損耗。

◆開始供電：在一個可配置時間(一般小于15μs)的啟動期內(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，PSE就會快速地(一般在300～400ms之內(nèi))停止為PD設(shè)備供電，并重復(fù)檢測過程以檢測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，PSE必須先檢測設(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，因為這可能會造成損壞。這種檢查是通 過給電纜提供一個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現(xiàn)的。只有檢測到該電阻時才會提供全部的48V電壓，但是電流仍然受限，以免 終端設(shè)備處在錯誤的狀態(tài)。作為發(fā)現(xiàn)過程的一個擴(kuò)展，PD還可以對要求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，它會連續(xù)監(jiān)測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 斷開電源并再次啟動檢測過程。

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)用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)。這個功能可以提供諸如夜晚關(guān)機、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關(guān)鍵的問題需要考慮，一個是對于PD設(shè)備的識別，另一個是系統(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)線有四對雙絞線，但是在l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的兩對。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，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，將DC電源加在傳輸變壓器的中點，不影響數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式下線對1、2和線對3、6可以為任意極性。

標(biāo)準(zhǔn)不允許同時應(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，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、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)所用的芯線上同時傳輸直流電，其輸電采用與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號不同的頻率。Midspan PSE是一個專門的電源管理設(shè)備，通常和交換機放在一起。它對應(yīng)每個端口有兩個RJ45插孔，一個用短線連接至交換機，另一個連接遠(yuǎn)端設(shè)備。可以預(yù)見， End-Span會迅速得到推廣，這是由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與輸電采用公用線對，因而省去了需要設(shè)置獨立輸電的專用線，這對于僅有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)的一個實例，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)實例

當(dāng)PD 設(shè)備與POE標(biāo)準(zhǔn)兼容時就可直接通過RJ-45插座從以太網(wǎng)電纜供電，對于與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)勢以及拓展的應(yīng)用

使用以太網(wǎng)線供電的優(yōu)勢是明顯的：

◆POE只需要安裝和支持一條電纜，簡單而且節(jié)省空間，并且設(shè)備可隨意移動。

◆節(jié)約成本。許多帶電設(shè)備，例如視頻監(jiān)視攝像機等，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的時間，節(jié)省了費用和時間。

◆像數(shù)據(jù)傳輸一樣，POE可以通過使用簡單網(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)電纜才會有電壓存在，因而消除了線路上漏電的風(fēng)險。

◆一個單一的UPS就可以提供相關(guān)所有設(shè)備在斷電時的供電。

◆用戶可以自動、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。因為當(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可以簡化射頻測試任務(wù)，接入點能夠被輕松地移動和接入。

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、燈光工作、網(wǎng)絡(luò)打印機、IP電話機、Web攝像機、無線網(wǎng)橋、建筑的保安系 統(tǒng)如門禁讀卡機與監(jiān)測系統(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)有制造商在市場上投放產(chǎn)品，例如帶電源的Midspan Hub。

結(jié)束語

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。