PoE反向供電技術(shù)應(yīng)用研究

莊湛海，陳健康

（1.中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630；2.華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州310004）

1 引言

為落實(shí)“光網(wǎng)城市”戰(zhàn)略的實(shí)施，光接入網(wǎng)的部署已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?；A段。由于已有管道的限制，老舊小區(qū)的最后100 m光纜入戶存在較多困難，很多時(shí)候ONU設(shè)備只能在戶外安裝，即使ONU放置在入戶弱電箱內(nèi)，直接取電也存在用電安全以及強(qiáng)弱電干擾的隱患問(wèn)題，ONU設(shè)備的取電問(wèn)題很大程度上已經(jīng)成為光接入網(wǎng)進(jìn)一步規(guī)模發(fā)展的障礙。PoE（power over ethernet）反向供電技術(shù)利用五類線，從應(yīng)用終端反向?qū)NU進(jìn)行供電，是解決這一問(wèn)題的有效辦法。

2 PoE反向供電技術(shù)與應(yīng)用研究

2.1 PoE反向供電原理

一個(gè)完整的PoE 反向供電系統(tǒng)包括供電端設(shè)備（power sourcing equipment，PSE）、受 電 端 設(shè) 備（powered device，PD）及其中間的傳輸線路。PSE為客戶端設(shè)備提供電源，同時(shí)也是整個(gè)PoE反向供電過(guò)程的管理者；PD是接受供電的PSE負(fù)載；PSE和PD之間采用標(biāo)準(zhǔn)五類線完成信號(hào)傳送[1]。光接入網(wǎng)中典型的PoE反向供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，ONU內(nèi)置PD功能，放置在樓道，連接多個(gè)用戶，PSE放置在用戶家中，用戶PC通過(guò)PSE用標(biāo)準(zhǔn)五類網(wǎng)線連接ONU。當(dāng)用戶上線時(shí)，PSE接通220 V電源，將用戶PC發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)和電源信號(hào)耦合在一起后通過(guò)網(wǎng)線發(fā)送給ONU，具有PD功能的ONU將接收信號(hào)分流，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)ONU供電，另一方面將數(shù)據(jù)向上發(fā)送。

PoE反向供電采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)傳輸電纜輸送直流電定義的方法，即中間跨接法和末端跨接法。中間跨接法使用以太網(wǎng)電纜中沒(méi)有被使用的空閑線對(duì)（4/5，7/8）傳輸直流電，末端跨接法在數(shù)據(jù)線對(duì)（1/2，3/6）上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)和直流電信號(hào)。兩種供電方式的接口模型如圖2所示。

圖1 光接入網(wǎng)中一個(gè)典型的PoE反向供電系統(tǒng)

圖2（b）中，饋電傳輸方式利用數(shù)據(jù)線對(duì)1/2、3/6與電源信號(hào)耦合傳輸功率，從網(wǎng)口變壓器中心抽頭疊加-48 V直流饋電。直流電和數(shù)據(jù)信號(hào)采用不同的頻率傳送，互不干擾，在同一線對(duì)同時(shí)傳輸電流和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電流和數(shù)據(jù)的“復(fù)用”。

2.2 PoE反向供電應(yīng)用研究

對(duì)光接入網(wǎng)供電而言，PoE反向供電技術(shù)是一個(gè)很好的補(bǔ)充解決方案，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多問(wèn)題需要解決，如布放線纜要求、供電距離限制、多用戶平衡供電、供電對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響、安全和保護(hù)等。

（1）布放線纜要求

PoE反向供電系統(tǒng)通過(guò)RJ45接口以五類線線纜傳送電源信號(hào)，為了保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，傳輸線纜必須符合IEEE 802.3af/at要求，采用非屏蔽雙絞線對(duì)電纜或屏蔽雙絞線對(duì)電纜。電纜的具體技術(shù)要求應(yīng)符合GB/T 50311-2000《建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 50312-2000《建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，并支持TIA-568-B標(biāo)準(zhǔn)或者TIA-568-C標(biāo)準(zhǔn)。

（2）供電距離限制

PoE反向供電系統(tǒng)需考慮ONU到PSE間的線纜長(zhǎng)度，防止線纜過(guò)長(zhǎng)而影響電源信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送。根據(jù)IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，集線設(shè)備和網(wǎng)卡端口的PHY芯片只保證驅(qū)動(dòng)100 m以內(nèi)的銅線，對(duì)更遠(yuǎn)的傳輸距離則不能保證，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行并滿足可靠性要求，ONU到PSE間的五類線線纜長(zhǎng)度應(yīng)控制在100 m以內(nèi)。

（3）多用戶供電研究

在PoE反向供電系統(tǒng)中，通常ONU為多個(gè)用戶共享，當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)對(duì)ONU供電時(shí)，需實(shí)現(xiàn)：均衡供電，確保用戶用電公平性；ONU設(shè)備必須具有一定的頑健性，當(dāng)供電用戶改變時(shí)，可以保證對(duì)系統(tǒng)供電和其他用戶的業(yè)務(wù)無(wú)影響，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（4）對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響

在PoE反向供電系統(tǒng)中，五類線同時(shí)傳送數(shù)據(jù)信號(hào)和電源信號(hào)，而且由于用戶使用的任意性，隨時(shí)都有不同的用戶在上下線，因此需要綜合考慮以下兩個(gè)因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響：供電切換時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)功能的影響；用戶頻繁上下線的沖擊對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。理論上，供電功能與數(shù)據(jù)功能互不影響，同時(shí)具備抗擊電流頻繁沖擊的能力，即任何用戶的頻繁上下線都不應(yīng)對(duì)設(shè)備供電和其余用戶業(yè)務(wù)產(chǎn)生不良影響。

（5）安全和保護(hù)

PoE系統(tǒng)的布放環(huán)境極其復(fù)雜，為了最大限度地降低系統(tǒng)隱患故障，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，PoE反向供電系統(tǒng)運(yùn)行中必須考慮安全和保護(hù)方面的問(wèn)題，主要包括過(guò)功率保護(hù)和短路保護(hù)、欠壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和誤插入保護(hù)等。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)以上故障時(shí)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，在故障清除后能重新正常工作。

3 測(cè)試和分析

通過(guò)PoE反向供電設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證各廠商PoE反向供電設(shè)備的特性參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)性能，為現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用提供參考。

圖2 PoE反向供電接口模型

3.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試組網(wǎng)環(huán)境如圖3所示。PSE將用戶PC發(fā)送的數(shù)據(jù)和電源耦合在一起，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)五類線連接至PD，PD為集成PD功能的ONU設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳送；調(diào)試串口連接的PC用于查詢和下發(fā)各種網(wǎng)管命令[2]。

圖3 PoE反向供電技術(shù)測(cè)試組網(wǎng)

3.2 測(cè)試結(jié)果和分析

（1）反向PoE供電距離及其輸出電壓精度測(cè)試

該測(cè)試驗(yàn)證兩方面內(nèi)容：在線纜極限距離下，反向PoE供電系統(tǒng)的工作情況；PSE在交流電壓波動(dòng)（90～264 V交流）時(shí)，輸出電壓是否滿足PSE規(guī)格或反向PoE設(shè)備輸入電壓精度的要求。測(cè)試環(huán)境如圖4所示。

圖4 PSE電壓輸出精度測(cè)試組網(wǎng)

PSE在輸入220 V穩(wěn)定交流電的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與業(yè)務(wù)誤碼率情況見(jiàn)表1。

結(jié)果表明，各廠商設(shè)備在極限近距離（10 m以內(nèi)）和極限遠(yuǎn)距離（100 m左右）時(shí)，PoE系統(tǒng)均能正常供電、正常工作，對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)影響，誤碼率也滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。

在90～264 V交流電范圍內(nèi)改變PSE輸入電壓，測(cè)試PSE輸出電壓是否滿足PoE系統(tǒng)電壓精度要求，測(cè)試時(shí)PSE的受電設(shè)備以最大負(fù)載運(yùn)行，不同線纜長(zhǎng)度下的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，盡管不同廠商設(shè)備、不同線纜長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的PSE的輸出電壓各不相同，但均滿足PoE系統(tǒng)電壓要求，即44～57 V直流電。

（2）反向PoE的多用戶供電測(cè)試

該測(cè)試驗(yàn)證3個(gè)方面的內(nèi)容：供電與數(shù)據(jù)是否相互影響；供電用戶切換時(shí)，是否對(duì)系統(tǒng)供電和其他用戶業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，多用戶供電時(shí)用戶的供電均衡情況；單一PSE能否滿足ONU供電需求。測(cè)試時(shí)，有用戶端口業(yè)務(wù)正常收發(fā)，系統(tǒng)穩(wěn)定后，供電正常，流量發(fā)生儀的數(shù)據(jù)流量無(wú)分組丟失，系統(tǒng)功能穩(wěn)定，這表明數(shù)據(jù)功能與供電功能相互不產(chǎn)生影響。反復(fù)插拔其中任一端口，沒(méi)有引起設(shè)備重啟現(xiàn)象，系統(tǒng)供電正常，另一端口的業(yè)務(wù)正常，無(wú)分組丟失現(xiàn)象。兩個(gè)用戶采用不同長(zhǎng)度的線纜連接系統(tǒng)，并能正常發(fā)送和接收業(yè)務(wù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，由于線纜存在阻抗，長(zhǎng)的線纜輸出的電壓較低，而短的線纜輸出的電壓較高，在兩個(gè)用戶同時(shí)供電時(shí)，線纜距離短、電壓高的PSE承載大部分功率，電壓低的用戶只承擔(dān)極少甚至不承擔(dān)功率，因此對(duì)目前的設(shè)備技術(shù)而言，當(dāng)多個(gè)用戶供電時(shí)，系統(tǒng)不具備公平性，主要由高電壓用戶為系統(tǒng)供電。根據(jù)表3的測(cè)試結(jié)果，在測(cè)試單一PSE能否滿足系統(tǒng)供電需求時(shí)，選用IEEE 802.3規(guī)定的能保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的極限遠(yuǎn)距離100 m線纜進(jìn)行測(cè)試，其余端口連接流量產(chǎn)生儀，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表1 反向PoE供電距離極限測(cè)試結(jié)果

表2 GPON模式下PSE電壓輸出精度測(cè)試結(jié)果

表3 PoE系統(tǒng)兩個(gè)用戶同時(shí)供電時(shí)的測(cè)試結(jié)果

表4 單一PSE供電情況測(cè)試結(jié)果

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，即使在極限遠(yuǎn)距離的情況下，單一PSE仍能滿足ONU供電要求，其功耗在ONU額定功率范圍內(nèi)。

（3）反向PoE多用戶頻繁上下線沖擊測(cè)試

測(cè)試驗(yàn)證內(nèi)容包括：多用戶連接系統(tǒng)時(shí)，任意用戶頻繁上下線對(duì)系統(tǒng)供電的影響；單用戶連接系統(tǒng)時(shí)，頻繁上下線對(duì)系統(tǒng)供電的影響。測(cè)試時(shí)分別用1路PSE和多路PSE連接系統(tǒng)，反復(fù)插拔PSE線纜，測(cè)試ONU是否可以正常啟動(dòng)或工作，業(yè)務(wù)是否正常，多路PSE供電時(shí)監(jiān)控是否有明顯的電源倒換現(xiàn)象。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 反向PoE多用戶頻繁上下線沖擊測(cè)試

結(jié)果表明，反向PoE多用戶頻繁上下線時(shí)，對(duì)ONU啟動(dòng)、供電和業(yè)務(wù)均不產(chǎn)生影響。

（4）PSE供電線過(guò)功率測(cè)試

測(cè)試驗(yàn)證供電接口供電線對(duì)短接以后的影響。測(cè)試時(shí)單板上電啟動(dòng)，在PSE電源輸出端進(jìn)行短路，驗(yàn)證PSE電源能否進(jìn)行保護(hù)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

測(cè)試結(jié)果表明，各廠商設(shè)備均提供過(guò)功率保護(hù)，故障恢復(fù)后，設(shè)備均可恢復(fù)正常供電。

表6 PSE供電線過(guò)功率測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

PoE反向供電技術(shù)為光接入網(wǎng)中的設(shè)備供電提供了必要的補(bǔ)充，解決了ONU在特殊環(huán)境下取電難的問(wèn)題，與本地供電方案形成互補(bǔ)，可為光接入網(wǎng)建設(shè)提供靈活的補(bǔ)充供電方案，加快網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，支撐快速業(yè)務(wù)部署。目前國(guó)內(nèi)主流設(shè)備廠商已具備反向PoE產(chǎn)品，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，產(chǎn)品功能與性能都基本滿足現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的需求，可在光接入網(wǎng)建設(shè)中逐步推廣應(yīng)用。

1 IEEE Std 802.3af.IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange between Systems-Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements，Part 3：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(CSMA/CD)Access Method and Physical Layer Specifications,Amendment:Data Terminal Equipment(DTE)Power via Media Dependent Interface(MDI),2003

2 YDT 2280-2011.接入網(wǎng)設(shè)備基于以太網(wǎng)接口的反向饋電技術(shù)要求,2011