IEEE802.3at标准poe供电 - 全文

　　一、POE供电简介

　　POE （Power Over Ethernet）指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，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也被称为基于局域网的供电系统（POL， Power over LAN ）或有源以太网（ Active Ethernet），有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准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。

　　二、POE特点

　　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。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3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。

　　三、POE的系统构成

　　poe供电一个完整的POE系统包括供电端设备（PSE， Power Sourcing Equipment）和受电端设备（PD， Powered Device）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IEEE 802.3af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。

　　四、POE供电工作过程

　　当在一个网络中布置 POE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，POE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，POE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。

　　五、POE供电的原理

　　标准的五类网线有四对双绞线，但是在10M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。IEEE80 2.3af允许两种用法，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l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。

　　IEEE80 2.3af允许两种用法如图1和图2所示。

　　图1 通过空闲脚供电

　　图2 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。

　　POE的两种供电方法

　　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Endpoint PSE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。Midspan PSE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3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3 符合IEEE 802.3af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。

　　六、IEEE 802.3af与IEEE 802.3at比较

　　与802.3af相比，802.3at可输出2倍以上的电力，每个端口的输出功率可在30W以上，因此可大幅拓宽PoE的应用领域：双波段接入，视频电话，802.11接入，RFID接入，工业传感器，POS终端等都将可以应用PoE技术来给终端提供充足的电力。

　　就标准而言，两者在功率、分级、线缆上有不同的定义，下表是两者的比较：

　　

　　802.3af与802.3at的对比

　　在802.3at制定之初，IEEE就目标作过表述，以下可以参考：

　　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+关键问题

　　当该任务组开始着手制定一个更高功率的新标准时，很多人都认为这将是一项可在短时间内完成的任务，只需增加电流和电压而已，至少40W的功率就唾手可得。但是，当该任务组开始探究与较高功率有关的技术细节时，很多问题出现了，其中有些问题目前仍未解决。

　　1、电缆载流量与散热问题

　　电缆载流量是最基本的问题之一，也最先被提出。而且，对于这一基本问题，直到近期电缆专家们才给出了答案。像所有电子组件一样，电缆工作时也有最高环境温度要求，令人关切的是，电缆过热可能损坏绝缘材料，从而改变传输特性并缩短外部绝缘层的预期寿命。最近，美国电信行业协会（TIA）发布了一些初步的指引，建议当电缆制造厂每束电缆的根数被限制为100时，CAT5E可以支持每导线360mA的载流量（所有导体均处于运行状态）。在电缆环境温度达到45℃时，这样的工作电流是可以接受的，若要在更高的温度条件下工作，则需要降额。

　　此外，由于电缆通常被匝成电缆束并置于配线柜中，因此线缆束的散热问题亦需要考量。

　　2、数据变压器（Data Transformer）

　　数据变压器是系统中第二个真正令人关切的组件。如大家所知，数据变压器用来将数据信号从PHY交流耦合到电缆中，同时注入用作PoE电源的直流电流。随着该变压器中直流电流的升高，并联电源通路中小的电阻不平衡在变压器中引起偏移电流，这会降低该变压器的电感。电感的这种减小将使数据传输特性发生劣化，而且，严重的时候还会导致很高的误码率（BER）或数据的完全丢失。早期报道认为，从物理上看，不可能开发出能同时传送较高电流并保持严格的千兆位以太网传输特性的数据磁性元件。不过，多个数据变压器公司已经证明，这在物理上是可能的。

　　3、分级机制

　　新的分级机制是需要仔细进行工程设计的领域之一，该机制使供电设备（PSE）和受电设备能够相互识别。有了这种相互识别能力，供电设备就可以恰当地向.af（又称为Type1硬件）和.at（Type2）受电设备供电，.af受电设备也可以由.at供电设备供电，而且.at受电设备能够知道它是否能得到其较大负载所需的全部功率。每种组合都需要有明确定义和一致的工作规则，这样才能保持被认为是802.3标准支柱的互操作性。802.3at采用了更加详尽的硬件分级机制和新的数据层机制，已经实现了这种相互识别。

　　802.3at硬件分级被称为“两事件分级”（2-event classification），并涉及那些基本上重复两次802.3af电压探测的PSE。每次对PD的电压探测都同时引起一个被吸收的电流脉冲（参见图），该电流脉冲对应一个特定的功率级。首先，PSE在数据或备用线上确定一个15.5V

　　至20.5V的电压脉冲。PD以高达40mA的电流响应，告诉PSE它是4个功率级中的哪一个。双脉冲是一个至PD的信号，告诉PD所连接的PSE确实是一个大功率PSE，能够提供802.3at规定的较高功率。802.3at PD以4级电流响应，告诉PSE它是一个大功率PD，需要29.5W功率。在802.3af中，Layer1分级方法是可选的方法，供PSE查询PD，以确定PD的功率需求。在802.3at规范中，命令PSE执行这种分级方法。

　　

　　除了上述的硬件分级之外，PoE+任务组还定义了一个新的数据层分级，称为“链路层发现协议”（Link Layer Discovery Protocol，LLDP），用于PSE和PD之间的通信。一旦链路受电，PSE和PD将能够采用LLDP来确定PD的功率需求。采用LLDP后，允许PSE重复查询PD，以了解PD状态及其功率需求。有了这个机制，就有可能实现动态功率分配，PSE可以不断向PD发布新级别的功率，PD也可以提出并在随后放弃功率请求。随着系统向更加环保的电源环境发展，这种新的动态功率分配一定会成为一种重要功能。这种新的Layer2分级机制对PSE而言是可选的，但是要求PD实施。图1显示了PoE+中使用的分级方法。802.3at任务组仍在研究有关这部分标准的细节，因此可以预期，随着该任务组逐步完成对该通信协议的定义，还会出现一些变化。