关于PoE技术的分析与应用

2015-03-15张韬

通信电源技术 2015年1期

张韬

（正德职业技术学院电子与信息技术系，江苏南京211106）

PoE（Power Over Ether net）是有源以太网供电的简称，有时也被简称为以太网供电，指的是在现有的以太网布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP协议的终端传输正常通信数据信号的同时，还能为这些网络设备提供直流供电的技术。这样不仅可以保证现有网络的正常通信，而且能够最大限度地降低成本。

简单描述PoE技术的话，其实就是指用一条双绞线同时传输以太网数据信号和直流电源。一般而言，PoE供电端的输出端口在非屏蔽双绞线上输出44～57 V的直流电压、350～400 mA的直流电流，为功耗在15.4 W以下的设备提供以太网供电。

1 PoE以太网供电技术概述

1.1 PoE技术发展简介

IEEE在1999年开始制定PoE技术规范，到2003年6月，IEEE正式批准了IEEE 802.3af标准，明确制订了远程系统中的电力检测和控制事项，并对网络设备通过标准以太网电缆向无线AP等设备供电的方式进行了规定［1，2］。802.3af是第一个关于电源分配的国际标准。

IEEE 802.3af的优势主要体现在以下两个方面：（一）它可以有效减少连入墙上电源插座的设备数量，方便使用，减少安全隐患。（二）省钱，支持以太网供电的用户可节省至少50%的总成本。在大规模部署WLAN和IP电话的现代办公环境中，应用802.af方案的性价比更加突出。

随着视频监控系统等高功率应用的出现，802.3af规定的供电功率显然不能满足需求，这就限制了以太网电缆供电的应用范围。为了克服PoE对功率的限制，IEEE又寻求提高该国际电源标准功率限值的方法，推出了最新的802.3at标准—增强型以太网供电（Power over Ethernet Plus，简称PoE＋），规定了PoE最大可以提供达到30 W的功率，超过了802.3af规定的15 W。802.3 at标准同时提供向下兼容能力，支持802.3 at的PoE交换机上也可以使用只支持802.3af的设备。

1.2 PoE技术原理

1.2.1 PoE供电原理

标准的双绞线有四对线，但在10BASET和100BASET中只用到其中两对，即1，2，3，6。802.3af允许两种使用双绞线线缆的方法供电，分别如图1和图2所示。

使用空闲脚供电方法时，可以用另外两对空闲线对来传输直流电，没有使用的4，5两根线连接为正极，没有使用的7，8两根线连接为负极，有时也称中间跨接法（Mid-Span）。

使用数据脚供电时，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1，2线对和3，6线对可以为任意极性，只要信号频率与以太网数据信号频率不同，就可以确保在同对电缆上能够同时传输直流电与数据，有时也称末端跨接法（End-Span）［3，4］。

图1 通过空闲脚供电

图2 通过数据脚供电

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。PoE标准还规范明确了相关一起工作的电缆设施不需要任何改动，包括5、5e或6类电缆、各种短接线与接线板、电源插座引线等。

由于现在吉比特以太网应用越来越广泛，为了保证1 000 M带宽环境需求，现在公司的许多产品采用End-Span供电方法，也就是采用在传输数据所用的电缆对（1&2和3&6）之上同时传输直流电，这样就确保交换机端口同时允许千兆带宽和PoE共存，这也是发展的趋势。

1.2.2 Po E系统组成

一个完整的PoE系统应该包括供电端设备（Power Source Equip ment，PSE）和受电端设备（Powered Device，PD）两部分，如图3所示。两者根据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，并以此来控制供电端设备通过以太网向受电端设备来供电［5～7］。

供电端设备PSE是指一个内置了PoE功能的以太网交换机或者传统以太网交换机和受电端设备PD之间具有PoE功能的设备（如PoE适配器）。PoE交换机由于受制于双绞线物理特性和传输限制，供电最远距离为100 m。而受电端设备是指具备PoE功能的终端设备，如无线AP等。

供电端设备PSE与受电端设备PD的连接参数按照IEEE802.3af的规范，如图4所示。

图3 PoE系统构成

图4 PSE和PD的互连

IEEE802.3af以太网供电标准定义了一些必须遵循的规则：

（1）操作电压一般为48 V，也可以在44～57 V之间，但一定不能超过60 V。

（2）供电端设备产生的最大电流一般在350～400 mA之间，这样可以保证以太网电缆不会由于其本身的阻抗而导致过热。

（3）以上两个规定使得供电端设备在其端口输出时会产生最小15.4 W的功率输出，同时考虑到经过以太网电缆后损耗，受电端设备所能接受到的最大功率为12.95 W。

1.2.3 PoE系统供电工作过程

供电端设备PSE是整个PoE以太网供电过程的管理者，PoE供电主要包括以下几个工作过程。

（1）检测过程：一开始，PSE设备在端口只输出很小的电压，直到检测到其线缆连接到一个支持IEEE802.3af标准的PD终端设备。

（2）PD端设备分类：当检测到PD设备之后，PSE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：在一个可配置的时间（一般小于15μs）的启动期内，PSE设备开始从低电压开始向PD设备供电，直至提供到48 V的直流电源。

（4）供电：为PD设备提供稳定可靠的48 V直流电，满足PD设备不超过15.4 W的功率消耗。

（5）断电：如果PD设备从网络上断开时，供电端设备会快速地（约300～400 ms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。

在整个过程中，如果出现PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE供电负荷等情况，就会造成整个过程在中间中断，然后又开始从第一步检测过程开始，802.3af供电机制如图5所示。

图5 802.3af标准定义的供电机制

1.2.4 Po E供电端设备电源管理

如果一个24端口使用End-span供电技术的PoE交换机在每个端口都提供15.4 W的电源输出，整个交换机则要求提供高达370 W的功率输出，这可能导致交换机出现过热的问题。而在一个企业应用中，有时可能需要连接10个IP电话（每个约4～5 W），6个无线AP（每个约8～10 W），2个网络摄像机（每个约10～13 W），总计共约需要136 W。考虑到成本因素和其它方面，因此一般的End-span方式PoE交换机的输出功率都设计在150～200 W之间。另外也可以根据各种情况对各个不同端口的输出直流电进行管理以满足用户的不同需要。

1.3 PoE技术的优势

（1）节约成本：不用为大量网络设备提供本地电源，不仅大大降低建设成本，并且简化管理。

（2）易于安装：客户能够自动、安全地在网络上混用原有设备和PoE设备，能够与现有以太网线缆共存。

（3）安全：因为PoE供电端设备只会为需要供电的设备供电，所以只有连接了需要供电的设备，以太网电缆才会有电压存在，这样就消除了线路上漏电的风险。

（4）便于设备管理：当远端设备与网络相连后，将能够远程控制和重设。

2 PoE技术的配置与实现

2.1 开启PoE交换机端口的供电功能

这里以支持802.3at技术的锐捷S5750E-P交换机配置方法为例（以下相同），开启交换机1号端口的PoE功能。

Ruijie（config-if）＃poe enable

2.2 设置PoE供电管理模式

供电管理模式指的是为设备连接的PD分配功率的方式。PoE交换机支持的供电管理模式有自动模式和节能模式两种。

自动模式下，根据检测出的端口PD分级类型来分配功率。设备对0～3类的PD设备是按以下关系来分配功率的：Class0为15.4 W，Class1为4 W，Class2为7 W，Class3为15.4 W，Class4为30 W。在该模式下，如有一台分配为Class3的设备，即使消耗的功率只有11 W，PoE供电设备也会按照15.4 W的功率为端口分配功率。

节能模式下，设备按照PD设备实际的消耗来动态的调整功率分配。当PoE交换机设置为该模式后，可以为更多的PD设备供电，但是也可能由于部分PD功率的波动影响到其他PD设备的供电情况，并不是所有交换机都支持节能模式。

锐捷Po E交换机默认供电管理模式为auto模式，修改为节能模式配置如下。

Ruijie（config）＃poe mode energy-saving