以太網(wǎng)供電（POE）的關鍵技術解析

標簽：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布線基礎架構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) 絡攝像機等)傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術。POE技術能在確保現(xiàn)有結構化布線安全的同時保證現(xiàn)有網(wǎng)絡的正常運作，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)存標準以太網(wǎng)傳輸電纜的同時傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標準規(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標準是基于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)POE的新標準，它在IEEE 802.3的基礎上增加了通過網(wǎng)線直接供電的相關標準，是現(xiàn)有以太網(wǎng)標準的擴展，也是第一個關于電源分配的國際標準。

IEEE在1999年開始制定該標準，最早參與的廠商有3Com, Intel, PowerDsine, Nortel, Mitel和National Semiconductor。但是，該標準的缺點一直制約著市場的擴大。直到2003年6月，IEEE批準了802. 3af標準，它明確規(guī)定了遠程系統(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接入點等設備供 電的方式進行了規(guī)定。IEEE 802.3af的發(fā)展包含了許多公司專家的努力，這也使得該標準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，該電源用來驅動電話、無線接入點、相機和其他設備。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的關鍵技術

POE的系統(tǒng)構成及供電特性參數(shù)

一個完整的POE系統(tǒng)包括供電端設備(PSE, Power Sourcing Equipment)和受電端設備(PD, Power Device)兩部分。PSE設備是為以太網(wǎng)客戶端設備供電的設備，同時也是整個POE以太網(wǎng)供電過程的管理者。而PD設備是接受供電的PSE負載，即 POE系統(tǒng)的客戶端設備，如IP電話、網(wǎng)絡安全攝像機、AP及掌上電腦( PDA)或移動電話充電器等許多其他以太網(wǎng)設備(實際上，任何功率不超過13W的設備都可以從RJ45插座獲取相應的電力)。兩者基于IEEE 802.3af標準建立有關受電端設備PD的連接情況、設備類型、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標準供電系統(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

當在一個網(wǎng)絡中布置 PSE供電端設備時，POE以太網(wǎng)供電工作過程如下所示。

◆檢測：一開始，PSE設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標準的受電端設備。

◆PD端設備分類：當檢測到受電端設備PD之后，PSE設備可能會為PD設備進行分類，并且評估此PD設備所需的功率損耗。

◆開始供電：在一個可配置時間(一般小于15μs)的啟動期內(nèi)，PSE設備開始從低電壓向PD設備供電，直至提供48V的直流電源。

◆供電：為PD設備提供穩(wěn)定可靠48V的直流電，滿足PD設備不越過 15.4W的功率消耗。

◆斷電：若PD設備從網(wǎng)絡上斷開時，PSE就會快速地(一般在300～400ms之內(nèi))停止為PD設備供電，并重復檢測過程以檢測線纜的終端是否連接PD設備。

在 把任何網(wǎng)絡設備連接到PSE時，PSE必須先檢測設備是不是PD，以保證不給不符合POE標準的以太網(wǎng)設備提供電流，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 終端設備處在錯誤的狀態(tài)。作為發(fā)現(xiàn)過程的一個擴展，PD還可以對要求PSE的供電方式進行分類，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PD電流消耗下降到最低值以下，如在拔下設備時或遇到PD設備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負荷等，PSE會 斷開電源并再次啟動檢測過程。

電源提供設備也可以被提供一種系統(tǒng)管理的能力，例如應用簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SNMP)。這個功能可以提供諸如夜晚關機、遠端重啟之類的功能。

研究POE的供電方式可以看出，在供電的過程中有兩個關鍵的問題需要考慮，一個是對于PD設備的識別，另一個是系統(tǒng)中UPS的容量。

POE通過電纜供電的原理

標準的五類網(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

應用空閑腳供電時，4、5腳連接為正極，7、8腳連接為負極。

應用數(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。

標準不允許同時應用以上兩種情況。電源提供設備PSE只能提供一種用法，但是電源應用設備PD必須能夠同時適應兩種情況。該標準規(guī)定供電電源通常是48V、13W的。PD設備提供48V到低電壓的轉換是較容易的，但同時應有1500V的絕緣安全電壓。

POE 標準還規(guī)范了傳送電功率應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標準與IEEE 802.3標準系列兼容。

POE的兩種供電方法

POE標準為使用以太網(wǎng)的傳輸電纜輸送直流電到POE兼容的設備定義了兩種方法：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)絡交換設備。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備，通常和交換機放在一起。它對應每個端口有兩個RJ45插孔，一個用短線連接至交換機，另一個連接遠端設備?？梢灶A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準RJ -45插座意義特別重大。

圖4是POE供電系統(tǒng)的一個實例，由供電設備PSE 、受電設備PD和相關的配套設備及以太網(wǎng)傳輸電纜組成。

圖4 符合IEEE 802.3af標準的以太網(wǎng)供電系統(tǒng)實例

當PD 設備與POE標準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設備使用。

POE技術的優(yōu)勢以及拓展的應用

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，并且設備可隨意移動。

◆節(jié)約成本。許多帶電設備，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)督和控制該設備。

◆POE供電端設備只會為需要供電的設備供電，只有連接了需要供電的設備，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險。

◆一個單一的UPS就可以提供相關所有設備在斷電時的供電。

◆用戶可以自動、安全地在網(wǎng)絡上混用原有設備和POE設備，這些設備能夠與現(xiàn)有以太網(wǎng)電纜共存。

◆使網(wǎng)絡設備便于管理。因為當遠端設備與網(wǎng)絡相連后，才能夠遠程控制、重配或重設。

◆在無線局域網(wǎng)中，POE可以簡化射頻測試任務，接入點能夠被輕松地移動和接入。

隨著IEEE 802.3af標準的確立，其他大量的應用也將快速涌現(xiàn)出來，包括藍牙接入點、燈光工作、網(wǎng)絡打印機、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。用戶在當前的以太網(wǎng)設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)絡建設的總成本，并且保護了 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。

結束語

以太網(wǎng)在線供電(POE)是一種革命性技術，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，擴展了以太網(wǎng)本已非常強大的功能。POE將改變網(wǎng)絡設備供電的方式，網(wǎng)絡管理員可以最大限度地利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡設施，并部署全新的一系列應用。