IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)poe供電 - 全文

　　一、POE供電簡介

　　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)不作任何改動(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。

　　二、POE特點(diǎn)

　　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。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)于電源分配的國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　三、POE的系統(tǒng)構(gòu)成

　　poe供電一個(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， Powered 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。

　　四、POE供電工作過程

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

　　1. 檢測(cè)：一開始，POE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IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電端設(shè)備。

　　2.PD端設(shè)備分類：當(dāng)檢測(cè)到受電端設(shè)備PD之后，POE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。

　　3. 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。

　　4.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。

　　5.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。

　　五、POE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10M 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，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1和圖2所示。

　　圖1 通過空閑腳供電

　　圖2 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。

　　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?？梢灶A(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3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3 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。

　　六、IEEE 802.3af與IEEE 802.3at比較

　　與802.3af相比，802.3at可輸出2倍以上的電力，每個(gè)端口的輸出功率可在30W以上，因此可大幅拓寬PoE的應(yīng)用領(lǐng)域：雙波段接入，視頻電話，802.11接入，RFID接入，工業(yè)傳感器，POS終端等都將可以應(yīng)用PoE技術(shù)來給終端提供充足的電力。

　　就標(biāo)準(zhǔn)而言，兩者在功率、分級(jí)、線纜上有不同的定義，下表是兩者的比較：

　　802.3af與802.3at的對(duì)比

　　在802.3at制定之初，IEEE就目標(biāo)作過表述，以下可以參考：

　　The 802.3at Task Force objectives are along the following lines：

　　? 802.3at should operate on CAT5 and higher infrastructure， unlike 802.3af， that had take into account the CAT3 limitations

　　? 802.3at should follow the power safety rules and limitations pertinent to 802.3af

　　? A 802.3at PSE must be backwards compatible with 802.3af， being able to power both 802.3af and 802.3at PD‘s

　　? 802.3at should provide the maximum power to PD’s as allowed within practical limits， at least 30W

　　? 802.3at PDs， when connected to a legacy 802.3af PSE， will provide the user an indication that a 802.3at PSE is required.

　　? Research the operation of midspans for 1000BASE-T

　　? Research the operation of midspans and endspans for 10GBASE-T

　　七、POE+關(guān)鍵問題

　　當(dāng)該任務(wù)組開始著手制定一個(gè)更高功率的新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，很多人都認(rèn)為這將是一項(xiàng)可在短時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)，只需增加電流和電壓而已，至少40W的功率就唾手可得。但是，當(dāng)該任務(wù)組開始探究與較高功率有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)時(shí)，很多問題出現(xiàn)了，其中有些問題目前仍未解決。

　　1、電纜載流量與散熱問題

　　電纜載流量是最基本的問題之一，也最先被提出。而且，對(duì)于這一基本問題，直到近期電纜專家們才給出了答案。像所有電子組件一樣，電纜工作時(shí)也有最高環(huán)境溫度要求，令人關(guān)切的是，電纜過熱可能損壞絕緣材料，從而改變傳輸特性并縮短外部絕緣層的預(yù)期壽命。最近，美國電信行業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）發(fā)布了一些初步的指引，建議當(dāng)電纜制造廠每束電纜的根數(shù)被限制為100時(shí)，CAT5E可以支持每導(dǎo)線360mA的載流量（所有導(dǎo)體均處于運(yùn)行狀態(tài)）。在電纜環(huán)境溫度達(dá)到45℃時(shí)，這樣的工作電流是可以接受的，若要在更高的溫度條件下工作，則需要降額。

　　此外，由于電纜通常被匝成電纜束并置于配線柜中，因此線纜束的散熱問題亦需要考量。

　　2、數(shù)據(jù)變壓器（Data Transformer）

　　數(shù)據(jù)變壓器是系統(tǒng)中第二個(gè)真正令人關(guān)切的組件。如大家所知，數(shù)據(jù)變壓器用來將數(shù)據(jù)信號(hào)從PHY交流耦合到電纜中，同時(shí)注入用作PoE電源的直流電流。隨著該變壓器中直流電流的升高，并聯(lián)電源通路中小的電阻不平衡在變壓器中引起偏移電流，這會(huì)降低該變壓器的電感。電感的這種減小將使數(shù)據(jù)傳輸特性發(fā)生劣化，而且，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)導(dǎo)致很高的誤碼率（BER）或數(shù)據(jù)的完全丟失。早期報(bào)道認(rèn)為，從物理上看，不可能開發(fā)出能同時(shí)傳送較高電流并保持嚴(yán)格的千兆位以太網(wǎng)傳輸特性的數(shù)據(jù)磁性元件。不過，多個(gè)數(shù)據(jù)變壓器公司已經(jīng)證明，這在物理上是可能的。

　　3、分級(jí)機(jī)制

　　新的分級(jí)機(jī)制是需要仔細(xì)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的領(lǐng)域之一，該機(jī)制使供電設(shè)備（PSE）和受電設(shè)備能夠相互識(shí)別。有了這種相互識(shí)別能力，供電設(shè)備就可以恰當(dāng)?shù)叵?af（又稱為Type1硬件）和.at（Type2）受電設(shè)備供電，.af受電設(shè)備也可以由.at供電設(shè)備供電，而且.at受電設(shè)備能夠知道它是否能得到其較大負(fù)載所需的全部功率。每種組合都需要有明確定義和一致的工作規(guī)則，這樣才能保持被認(rèn)為是802.3標(biāo)準(zhǔn)支柱的互操作性。802.3at采用了更加詳盡的硬件分級(jí)機(jī)制和新的數(shù)據(jù)層機(jī)制，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種相互識(shí)別。

　　802.3at硬件分級(jí)被稱為“兩事件分級(jí)”（2-event classification），并涉及那些基本上重復(fù)兩次802.3af電壓探測(cè)的PSE。每次對(duì)PD的電壓探測(cè)都同時(shí)引起一個(gè)被吸收的電流脈沖（參見圖），該電流脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的功率級(jí)。首先，PSE在數(shù)據(jù)或備用線上確定一個(gè)15.5V

　　至20.5V的電壓脈沖。PD以高達(dá)40mA的電流響應(yīng)，告訴PSE它是4個(gè)功率級(jí)中的哪一個(gè)。雙脈沖是一個(gè)至PD的信號(hào)，告訴PD所連接的PSE確實(shí)是一個(gè)大功率PSE，能夠提供802.3at規(guī)定的較高功率。802.3at PD以4級(jí)電流響應(yīng)，告訴PSE它是一個(gè)大功率PD，需要29.5W功率。在802.3af中，Layer1分級(jí)方法是可選的方法，供PSE查詢PD，以確定PD的功率需求。在802.3at規(guī)范中，命令PSE執(zhí)行這種分級(jí)方法。

　　除了上述的硬件分級(jí)之外，PoE+任務(wù)組還定義了一個(gè)新的數(shù)據(jù)層分級(jí)，稱為“鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議”（Link Layer Discovery Protocol，LLDP），用于PSE和PD之間的通信。一旦鏈路受電，PSE和PD將能夠采用LLDP來確定PD的功率需求。采用LLDP后，允許PSE重復(fù)查詢PD，以了解PD狀態(tài)及其功率需求。有了這個(gè)機(jī)制，就有可能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率分配，PSE可以不斷向PD發(fā)布新級(jí)別的功率，PD也可以提出并在隨后放棄功率請(qǐng)求。隨著系統(tǒng)向更加環(huán)保的電源環(huán)境發(fā)展，這種新的動(dòng)態(tài)功率分配一定會(huì)成為一種重要功能。這種新的Layer2分級(jí)機(jī)制對(duì)PSE而言是可選的，但是要求PD實(shí)施。圖1顯示了PoE+中使用的分級(jí)方法。802.3at任務(wù)組仍在研究有關(guān)這部分標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)節(jié)，因此可以預(yù)期，隨著該任務(wù)組逐步完成對(duì)該通信協(xié)議的定義，還會(huì)出現(xiàn)一些變化。