以太网供电(POE)的关键技术解析

以太网供电(POE)概述POE(PowerOverEthernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作做何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。POE也被称为基于局域网的供电系统(POL,PoweroverLAN)或有源以太网(ActiveEthernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。IEEE802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。IEEE在1999年开始制定该标准，最早参与的厂商有3Com,Intel,PowerDsine,Nortel,Mitel和NationalSemiconductor。但是，该标准的缺点一直制约着市场的扩大。直到2003年6月，IEEE批准了802.3af标准，它明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项，并对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及无线LAN接入点等设备供电的方式进行了规定。IEEE802.3af的发展包含了许多公司专家的努力，这也使得该标准可以在各方面得到检验。一个典型的以太网供电系统如图1所示。在配线柜里保留以太网交换机设备，用一个带电源供电集线器(MidspanHUB)给局域网的双绞线提供电源。在双绞线的末端，该电源用来驱动电话、无线接入点、相机和其他设备。为避免断电，可以选用一个UPS。图1一个典型的以太网供电系统POE的关键技术1.POE的系统构成及供电特性参数一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE,PowerSourcingEquipment)和受电端设备(PD,PowerDevice)两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载，即POE系统的客户端设备，如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑(PDA)或移动电话充电器等许多其他以太网设备（实际上，任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力）。两者基于IEEE802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系，并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。POE标准供电系统的主要供电特性参数为：1.电压在44～57V之间，典型值为48V。2.允许最大电流为550mA，最大启动电流为500mA。3.典型工作电流为10～350mA，超载检测电流为350～500mA。4.在空载条件下，最大需要电流为5mA。5.为PD设备提供3.84～12.95W五个等级的电功率请求，最大不超过13W。2.POE供电的工作过程当在一个网络中布置PSE供电端设备时，POE以太网供电工作过程如下所示。1.检测：一开始，PSE设备在端口输出很小的电压，直到其检测到线缆终端的连接为一个支持IEEE802.3af标准的受电端设备。2.PD端设备分类：当检测到受电端设备PD之后，PSE设备可能会为PD设备进行分类，并且评估此PD设备所需的功率损耗。3.开始供电：在一个可配置时间(一般小于15μs)的启动期内，PSE设备开始从低电压向PD设备供电，直至提供48V的直流电源。4.供电：为PD设备提供稳定可靠48V的直流电，满足PD设备不越过15.4W的功率消耗。5.断电：若PD设备从网络上断开时，PSE就会快速地(一般在300～400ms之内)停止为PD设备供电，并重复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。在把任何网络设备连接到PSE时，PSE必须先检测设备是不是PD，以保证不给不符合POE标准的以太网设备提供电流，因为这可能会造成损坏。这种检查是通过给电缆提供一个电流受限的小电压来检查远端是否具有符合要求的特性电阻来实现的。只有检测到该电阻时才会提供全部的48V电压，但是电流仍然受限，以免终端设备处在错误的状态。作为发现过程的一个扩展，PD还可以对要求PSE的供电方式进行分类，有助于使PSE以高效的方式提供电源。一旦PSE开始提供电源，它会连续监测PD电流输入，当PD电流消耗下降到最低值以下，如在拔下设备时或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等，PSE会断开电源并再次启动检测过程。电源提供设备也可以被提供一种系统管理的能力，例如应用简单网络管理(SNMP)。这个功能可以提供诸如夜晚关机、远端重启之类的功能。研究POE的供电方式可以看出，在供电的过程中有两个关键的问题需要考虑，一个是对于PD设备的识别，另一个是系统中UPS的容量。3.POE通过电缆供电的原理标准的五类网线有四对双绞线，但是在l0MBASE-T和100MBASE-T中只用到其中的两对。IEEE802.3af允许两种用法如图2和图3所示。图2通过空闲脚供电图3通过数据脚供电应用空闲脚供电时，4、5脚连接为正极，7、8脚连接为负极。应用数据脚供电时，将DC电源加在传输变压器的中点，不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2和线对3、6可以为任意极性。标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备PSE只能提供一种用法，但是电源应用设备PD必须能够同时适应两种情况。该标准规定供电电源通常是48V、13W的。PD设备提供48V到低电压的转换是较容易的，但同时应有1500V的绝缘安全电压。POE标准还规范了传送电功率应使用的非屏蔽双绞线对电缆，即3、5、5e或6类电缆。明确了与其一起工作的现存电缆设施不需要任何改动，这其中包括3、5、5e或6类电缆、各种短接线与接线板、电源插座引线和连接的硬件等。POE标准与IEEE802.3标准系列兼容。4.POE的两种供电POE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的设备定义了两种方法：一种称作“中间跨接法”(Mid-Span)，使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电，相应的EndpointPSE支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。另一种方法是“末端跨接法”(End-Span)，是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电，其输电采用与以太网数据信号不同的频率。MidspanPSE是一个专门的电源管理设备，通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45插孔，一个用短线连接至交换机，另一个连接远端设备。可以预见，End-Span会迅速得到推广，这是由于以太网数据与输电采用公用线对，因而省去了需要设置独立输电的专用线，这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。图4是POE供电系统的一个实例，由供电设备PSE、受电设备PD和相关的配套设备及以太网传输电缆组成。图4符合IEEE802.3af标准的以太网供电系统实例当PD设备与POE标准兼容时就可直接通过RJ-45插座从以太网电缆供电，对于与POE不兼容的设备可以采用直流变换器或抽头分压装置的方法，将其电压变换成POE兼容的电压。这些装置有时也被称为有源以太网分裂器(Sputters)，它可以将太网电缆的直流电压取出来并通过常规的直流插座供PD设备使用。POE技术的优势以及拓展的应用使用以太网线供电的优势是明显的：1.POE只需要安装和支持一条电缆，简单而且节省空间，并且设备可随意移动。2.节约成本。许多带电设备，例如视频监视摄像机等，都需要安装在难以部署AC电源的地方，POE使其不再需要昂贵电源和安装电源所耗费的时间，节省了费用和时间。3.像数据传输一样，POE可以通过使用简单网管协议(SNMP)来监督和控制该设备。4.POE供电端设备只会为需要供电的设备供电，只有连接了需要供电的设备，以太网电缆才会有电压存在，因而消除了线路上漏电的风险。5.一个单一的UPS就可以提供相关所有设备在断电时的供电。6.用户可以自动、安全地在网络上混用原有设备和POE设备，这些设备能够与现有以太网电缆共存。7.使网络设备便于管理。因为当远端设备与网络相连后，才能够远程控制、重配或重设。8.在无线局域网中，POE可以简化射频测试任务，接入点能够被轻松地移动和接入。随着IEEE802.3af标准的确立，其他大量的应用也将快速涌现出来，包括蓝牙接入点、灯光工作、网络打印机、IP电话机、Web摄像机、无线网桥、建筑的保安系统如门禁读卡机与监测系统等。用户在当前的以太网设备上融合新的供电装置，就可以在现有的网线上提供48V直流电源，降低了网络建设的总成本，并且保护了投资。已经有制造商在市场上投放产品，例如带电源的MidspanHub。结束语以太网在线供电(POE)是一种革命性技术，它通过目前承载以太网数据的同一条五类/超五类双绞线电缆提供可靠的直流电源，扩展了以太网本已非常强大的功能。POE将改变网络设备供电的方式，网络管理员可以最大限度地利用现有的网络设施，并部署全新的一系列应用。参考文献1、刘明芳.POE－为供电插上翅膀.《智能建筑与城市信息》.2005,52、王廷尧。无线以太网性能与供电技术.《中国数据通信》.2005,2