PoE布線技術(shù)研究及5G應(yīng)用初探

閻傳文，孫鳳軍

（浙江一舟電子科技股份有限公司）

1 PoE概述

PoE 全 稱(chēng) 為 Power over Ethernet，又被稱(chēng)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)，也被簡(jiǎn)稱(chēng)為以太網(wǎng)供電，這是利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了以太網(wǎng)傳輸電纜在傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)，又滿足供電的功率應(yīng)用要求，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。通過(guò)這種方式，可以為IP電話、IP攝像頭、無(wú)線AP以及數(shù)據(jù)采集終端等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中供電，不再需要考慮其電源系統(tǒng)布線的問(wèn)題。

隨著WLAN、VoIP、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控等新業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，大量的基于IP的終端出現(xiàn)在人們的日常生活中。這些設(shè)備通常數(shù)量眾多、位置特殊、布線復(fù)雜、設(shè)備取電困難，其實(shí)施部署不僅消耗大量人力、物力，增加建網(wǎng)成本，而且延長(zhǎng)了建設(shè)的時(shí)間。采用PoE，成為低風(fēng)險(xiǎn)、可靠，且具有成本效益的應(yīng)用，而且可使用與數(shù)據(jù)通信中相同的數(shù)字通信電纜來(lái)完成輸電，有利于信息的傳送和數(shù)據(jù)通信，從而提高了通信線纜的效用。

最初的PoE標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3af，由IEEE工作小組于2003年推出。該標(biāo)準(zhǔn)將供電功率限制在12.95W以下，當(dāng)前全新的IEEE P802.3bt標(biāo)準(zhǔn)于2018年9月獲批，將供電設(shè)備(PSE)的最大功率提升了3倍，從30W擴(kuò)展至90W，并將受電設(shè)備(PD)的功率水平提升至71.3 W（信道長(zhǎng)度100m）。新標(biāo)準(zhǔn)的推出以及多樣化的應(yīng)用將進(jìn)一步促進(jìn)PoE技術(shù)的應(yīng)用。遠(yuǎn)程供電的演變?nèi)鐖D1所示。

2 PoE技術(shù)在5G的應(yīng)用

統(tǒng)計(jì)表明，4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中有超過(guò)80%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)。伴隨著5G業(yè)務(wù)種類(lèi)的持續(xù)增加、行業(yè)邊界的不斷擴(kuò)展，業(yè)界預(yù)測(cè)未來(lái)更多的移動(dòng)業(yè)務(wù)將發(fā)生在室內(nèi)。因此，5G時(shí)代的室內(nèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，將成為運(yùn)營(yíng)商的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。5G應(yīng)用的高清視頻、AR/VR、遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)制造自動(dòng)化及現(xiàn)代物流管理等主要發(fā)生在建筑物室內(nèi)，需要更高的帶寬來(lái)承載。為了獲取更多帶寬，室內(nèi)5G引入了更高的頻段（C-Band和毫米波），意味著更大的傳輸及穿透損耗，以及更加密集的組網(wǎng)，采用傳統(tǒng)的4G建網(wǎng)方式可能導(dǎo)致室內(nèi)覆蓋不足，高密度的小基站建設(shè)將是5G室內(nèi)場(chǎng)景建設(shè)的必然。同時(shí)，5G時(shí)代海量的有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將會(huì)對(duì)運(yùn)維和系統(tǒng)的能耗管理帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，而大量的小基站設(shè)備的取電問(wèn)題將是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)單位必須解決的難題。

圖 1 PoE遠(yuǎn)程供電的演變

PoE技術(shù)利用一根網(wǎng)線同時(shí)滿足信號(hào)通信與設(shè)備供電，而無(wú)須再為小基站供電，在5G高密度的小基站覆蓋情況下，是較為理想的布線方案，可以滿足5G室內(nèi)覆蓋的應(yīng)用需求。

圖2是一種典型的PoE供電技術(shù),用于樓宇的小基站布放方案，BBU為整棟樓或某個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，Hub進(jìn)行樓層覆蓋，同時(shí)提供PoE供電，Hub之間的垂直布線通過(guò)單模光纖進(jìn)行連接，而Hub與小基站之間的水平布線通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行連接，同時(shí)進(jìn)行PoE供電，小基站則無(wú)須再次取電。此種方案具備如下優(yōu)勢(shì)：

1）成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：PoE是一種成熟的技術(shù)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3af/at/bt進(jìn)行了規(guī)范，各廠家可以按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝布放；

2）布線系統(tǒng)解決設(shè)備供電問(wèn)題：5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋相對(duì)4G而言，基站密度大幅提升，基站的取電問(wèn)題突出，而通過(guò)PoE供電，無(wú)須為小基站設(shè)備提供電源供應(yīng)，解決了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的取電難題；

3）供電功率可滿足應(yīng)用要求：最新發(fā)布的IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)將PoE應(yīng)用等級(jí)進(jìn)一步提升，可為受電設(shè)備（即此方案的小基站）提供高達(dá)71.3W的供電功率，可以滿足主流設(shè)備廠家的小基站供電需求；

圖2 采用PoE供電的5G室內(nèi)小基站布線方案

4）帶寬能滿足5G室內(nèi)覆蓋需求：根據(jù)最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，ISO/IEC 11801：2017《信息技術(shù)——用戶建筑通用布纜》及ANSI/TIA 568.2-D《平衡雙絞線通用電纜及其組件的標(biāo)準(zhǔn)》（2018版），Cat 6A布線系統(tǒng)可提供高達(dá)10Gbit/s的有效帶寬，能滿足5G室內(nèi)覆蓋的應(yīng)用需求；

5）施工便利：相對(duì)光纜而言，銅纜施工更為簡(jiǎn)便，線纜不易損壞，無(wú)須光纖熔接或現(xiàn)場(chǎng)組裝光纖連接器、簡(jiǎn)單的網(wǎng)線端接工具即可完成現(xiàn)場(chǎng)端接頭的制作；

6）平滑升級(jí)到5G：支持5G NR和LTE，并可利用4G的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和安裝位置，做到“線不動(dòng)，點(diǎn)不增”，實(shí)現(xiàn)由4G向5G平滑演進(jìn)；

7）產(chǎn)業(yè)鏈成熟：主流設(shè)備廠家都具備室內(nèi)覆蓋的小基站產(chǎn)品，且都具備網(wǎng)線接口，運(yùn)營(yíng)商有充足穩(wěn)定的產(chǎn)品選型資源。

可以預(yù)見(jiàn)，基于PoE供電技術(shù)在5G室內(nèi)覆蓋將會(huì)迎來(lái)更大的機(jī)遇。

3 PoE應(yīng)用線纜溫升問(wèn)題

在PoE供電中，電流在線纜中傳輸，大部分的電能會(huì)傳送到受電設(shè)備（PD,Powered Device）中，但由于網(wǎng)絡(luò)布線的對(duì)絞電纜本身存在一定的電阻，在傳輸直流電流時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量將導(dǎo)致傳輸鏈路以及PD終端的溫度升高。溫度升高對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)具有非常大的影響，使得通道的衰減/插入損耗加大。同時(shí)在綜合布線系統(tǒng)中，電纜經(jīng)常成捆布放，會(huì)進(jìn)一步加劇溫升，一般而言，捆扎數(shù)越大，溫升越明顯，在一些嚴(yán)酷的條件下，溫度可能會(huì)超過(guò)規(guī)定的工作溫度，線纜長(zhǎng)期在高溫環(huán)境中工作會(huì)加快線纜老化，并帶來(lái)安全隱患，線纜工作溫度的控制不容忽視。

標(biāo)準(zhǔn)雙絞線定義的工作和儲(chǔ)藏溫度為60℃，而研究表明機(jī)柜內(nèi)的環(huán)境溫度可能因IT設(shè)備的散熱達(dá)到45℃。因此，ISO/IEC TS 29125：2017《信息技術(shù)終端設(shè)備遠(yuǎn)程供電的電信電纜敷設(shè)要求》[1]與TIA TSB 184-A：2017《支持動(dòng)力輸送平衡雙絞線應(yīng)用指南》[2]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TIA TSB 184-A：2017標(biāo)準(zhǔn)）中將線纜溫升的安全范圍定義為15℃，即假設(shè)機(jī)柜內(nèi)環(huán)境溫度為45℃的情況下，PoE引起的15℃溫升大幅度減小了線纜性能，存在潛在安全問(wèn)題的隱患。表1列出了在不同類(lèi)別的布線系統(tǒng)中，電纜的不同數(shù)量，在不同的安裝方式下，溫度的上升情況（數(shù)據(jù)基于 TIA TSB 184-A：2017標(biāo)準(zhǔn)）。表中的安裝條件導(dǎo)致溫度上升大于15℃時(shí)，建議不被采用。

電纜溫升的測(cè)試方法：取100m數(shù)據(jù)線樣品，電纜需要環(huán)繞和捆扎，盡量使電纜之間沒(méi)有空隙，可在密閉導(dǎo)管道條件下獲取最壞情況下的電纜溫升情況。為了確定特定線纜結(jié)構(gòu)和特定安裝方式的溫升影響，可通過(guò)對(duì)成束通電線纜監(jiān)測(cè)溫升程度，并取鏈路中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值作為評(píng)估溫升的嚴(yán)重程度的依據(jù)（溫升最大值一般位于成束電纜的幾何中心，如圖3所示）。典型的安裝方式為37根線纜成束，以及多個(gè)成束并排擺放（見(jiàn)圖4）。

圖3 成束電纜溫升模型

圖4 37根電纜成束排列

需要說(shuō)明的是，不同廠家的線纜產(chǎn)品，由于選材及工藝控制的差別，其溫升效應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)的理論模型會(huì)稍有差異，如針對(duì)SHIP?品牌的Cat 5e/Cat 6/Cat 6A分別進(jìn)行測(cè)試（包括不同電流：600mA/720mA/1000mA，不同安裝方式：敞開(kāi)/導(dǎo)管，不同捆扎數(shù)：7/19/37/61/91），測(cè)試環(huán)境如圖5所示，測(cè)試結(jié)果表明：

圖5 電纜溫升測(cè)試環(huán)境

1）SHIP?品牌的電纜溫升效應(yīng)相較于TIA TSB 184-A：2017標(biāo)準(zhǔn)列出的數(shù)據(jù)偏小，以Cat 6A非屏蔽網(wǎng)線管道安裝為例，圖6是SHIP?品牌網(wǎng)線溫升測(cè)試數(shù)據(jù)與TIA標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，從數(shù)據(jù)可以看出，SHIP?網(wǎng)線在綁扎91根的情況下，四線對(duì)同時(shí)供電1000mA電流，其溫升低于15℃，低于標(biāo)準(zhǔn)要求的17.93℃；

2）高等級(jí)的線纜，由于具有較粗銅導(dǎo)體，電阻值更小，可以有效減小線纜溫升，如圖7所示，為每線對(duì)1000mA電流在管道安裝場(chǎng)景下，不同等級(jí)非屏蔽電纜的溫升情況，從數(shù)據(jù)可以看出，Cat 5e線纜在PoE應(yīng)用中有較大的風(fēng)險(xiǎn)，而Cat 6A明顯優(yōu)于Cat 5e與Cat 6。

表1 不同電纜類(lèi)別、不同安裝方式的電纜溫升情況

一舟股份積極進(jìn)行線纜溫升的研究與試驗(yàn)，與行業(yè)設(shè)備與布線廠家共同完成了《以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)與應(yīng)用白皮書(shū)》[3]編寫(xiě)，針對(duì)PoE的應(yīng)用，做了大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果建議：為了有效避免風(fēng)險(xiǎn)，PoE應(yīng)用中盡量采用Cat 6A及以上等級(jí)的線纜進(jìn)行PoE應(yīng)用。

4 PoE布線系統(tǒng)選用與安裝注意事項(xiàng)

PoE的終端設(shè)備（PD）目前有IP電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無(wú)線WiFi AP掌上電腦（PDA）或移動(dòng)電話充電器等，其中以網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和WiFi使用的AP為主。這些終端設(shè)備一般安裝在走道、 房間、公共區(qū)域、室外立桿等處，并用纜線（雙絞線）敷設(shè)到機(jī)房（數(shù)據(jù)中心、建筑物主機(jī)房、樓層弱電間等），匯入 PoE交換機(jī)。

在 PoE纜線敷設(shè)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮對(duì)散熱的影響，特別是在綁扎工藝和美觀的平衡考慮。 對(duì)于PoE布線系統(tǒng)選用與安裝，如下幾方面可綜合考慮，減少溫升：

1）線纜的選擇方面，盡量采用高等級(jí)的線纜，減少熱量的產(chǎn)生（如Cat 6A優(yōu)于Cat 5e和Cat 6）；

2）屏蔽線纜溫升控制比非屏蔽線纜好；

3）現(xiàn)場(chǎng)安裝，盡量以散放的方式布放，如果需要綁扎，應(yīng)盡量減小綁扎數(shù)量，并適當(dāng)增加線束間距，獲取良好的散熱效果，在全封閉線槽中應(yīng)更加重視；

4）橋架內(nèi)散熱情況與線纜敷設(shè)高度有直接關(guān)系，盡量減少線纜高度有助于散熱；

5）采用開(kāi)放式橋架比封閉的管槽散熱效果好，金屬線槽上的散熱孔有助于散熱；

圖6 TIA標(biāo)準(zhǔn)溫升與SHIP?電纜溫升比較

圖7 1000mA管道安裝不同線纜的溫升情況

6） PVC、PC/ABS等材質(zhì)的線槽的散熱效果要差于金屬線槽，故在考慮PoE應(yīng)用時(shí)，也需要考慮線槽材質(zhì)與溫升的關(guān)系；

7）機(jī)房、機(jī)柜內(nèi)的PoE雙絞線應(yīng)確保每個(gè)彎角處的線纜彎曲半徑符合規(guī)定（即彎曲半徑不小于線纜直徑的4倍）。

5 結(jié)語(yǔ)

近10年，以太網(wǎng)供電(PoE)已成為一項(xiàng)重要的供電策略。基于此技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)管理員、安裝人員和集成商能夠使用結(jié)構(gòu)化布線為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供電力和數(shù)據(jù)。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)期，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋需要大量小基站形成密集組網(wǎng)，而基于數(shù)字通信電纜的PoE技術(shù)能為5G網(wǎng)絡(luò)提供足夠帶寬的同時(shí)，為小基站供電，將會(huì)成為5G室內(nèi)組網(wǎng)的主流技術(shù)之一。在PoE應(yīng)用中，線纜溫升成為必須考慮的主題，基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了有效避免風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采用Cat 6A及以上等級(jí)的線纜進(jìn)行PoE應(yīng)用，為將來(lái)大功率設(shè)備的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。