光接入終端PoE反向供電技術(shù)

關(guān)強(qiáng)華，羅森文，陳少川，談儒猛

（中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 引言

隨著中國(guó)電信“寬帶中國(guó)·光網(wǎng)城市”企業(yè)戰(zhàn)略的不斷深入，大量的光接入終端進(jìn)入用戶(hù)樓宇和居民家庭，但現(xiàn)有的大部分民居在裝修時(shí)只暗設(shè)了網(wǎng)線(xiàn)，沒(méi)有暗設(shè)光纜或預(yù)留光纜線(xiàn)管，光纖無(wú)法在不破壞民居裝修的情況下暗設(shè)入戶(hù)。因此，裝維人員只能將光纖布放在民居門(mén)口或同層弱電間，再連接光接入終端，終端無(wú)就近市電可接入，這就嚴(yán)重制約了光網(wǎng)的城市化進(jìn)程。目前有些地方嘗試使用PoE（power over Ethernet，以太網(wǎng)供電）設(shè)備連接用戶(hù)室內(nèi)市電，經(jīng)過(guò)AC/DC變換和網(wǎng)線(xiàn)合路后加載到另一根網(wǎng)線(xiàn)上反向供給戶(hù)外終端。光接入終端PoE供電示意如圖1所示。

圖1 光接入終端PoE反向供電示意

2 PoE

2.1 PoE簡(jiǎn)介

IEEE在2003年發(fā)布的IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)和2009年發(fā)布的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)PoE進(jìn)行了規(guī)定。PoE是指利用現(xiàn)有以太網(wǎng)線(xiàn)為IP終端傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，還為此類(lèi)設(shè)備提供直流電源的技術(shù)。一個(gè)完整的PoE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備（power sourcing equipment，PSE）和受電端設(shè)備（powered device，PD）兩部分。

2.2 PoE原理和分類(lèi)

標(biāo)準(zhǔn)的5類(lèi)網(wǎng)線(xiàn)有4對(duì)雙絞線(xiàn)，但在l0 Mbit/s/100 BASE-T中只用到其中兩對(duì)，IEEE規(guī)定了PoE的兩種用法。

（1）應(yīng)用數(shù)據(jù)線(xiàn)供電的PoE方法（alternative A）

利用數(shù)據(jù)腳供電，將DC電源加在傳輸變壓器的中點(diǎn)，不影響數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式下，線(xiàn)對(duì)1、2和線(xiàn)對(duì)3、6可以為任意極性。

（2）應(yīng)用空閑腳供電的PoE方法（alternative B）

應(yīng)用空閑腳供電的PoE方法如圖2所示，利用空閑腳供電，4、5腳為正極，7、8腳為負(fù)極。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，PSE只能提供其中一種用法，但PD必須能夠同時(shí)適應(yīng)兩種情況。目前在PSE為獨(dú)立設(shè)備（如光接入終端PoE供電）時(shí)，更多的是采用alternative B方式。因此，下文中所涉及的PoE均指alternative B方式。

圖2 空閑腳供電的PoE（end-span alternative B）

2.3 PoE供電的適應(yīng)性問(wèn)題

由于網(wǎng)線(xiàn)線(xiàn)芯較細(xì)，單位長(zhǎng)度電阻值（標(biāo)準(zhǔn)超5類(lèi)線(xiàn)單位電阻值約為9.5×10-2Ω/m）較一般電源線(xiàn)大得多，采用現(xiàn)有的PoE方式供電時(shí)，會(huì)在網(wǎng)線(xiàn)上形成較大的壓降，可能導(dǎo)致遠(yuǎn)端電壓過(guò)低，這限制了PoE供電的距離，甚至無(wú)法對(duì)PD正常供電。尤其當(dāng)用戶(hù)網(wǎng)線(xiàn)不合格、單位電阻值更大時(shí)，供電距離更短。目前的解決方案是：在采用PoE供電時(shí)，提高PSE輸出電壓以補(bǔ)償網(wǎng)線(xiàn)上的壓降，如PD額定工作電壓為12 V，根據(jù)設(shè)備功率和供電網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度估算，需要補(bǔ)償?shù)膲航凳? V，則PSE輸出電壓就選擇15 V。這種補(bǔ)償方案在設(shè)備功率變化不大、供電網(wǎng)線(xiàn)長(zhǎng)度已確定較短的情況下是可行的，但實(shí)際上，設(shè)備的功率變化范圍是比較大的（以中興通訊ZXHN F420光接入終端設(shè)備為例，忙時(shí)的最大功耗是閑時(shí)的4倍以上），而且用戶(hù)裝修時(shí)暗設(shè)的網(wǎng)線(xiàn)長(zhǎng)度難以測(cè)量，導(dǎo)致現(xiàn)有的恒定電壓輸出的PoE供電方式不能完全解決光接入終端的供電問(wèn)題。

3 PoE供電衍生方案

由于現(xiàn)有的PoE供電技術(shù)在某些場(chǎng)景中無(wú)法得到可靠應(yīng)用，因此需要在保證安全性的前提下，對(duì)現(xiàn)有的PoE技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。筆者在本文中介紹了3種PoE供電技術(shù)衍生方案（中國(guó)電信已申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利，擁有其知識(shí)產(chǎn)權(quán)），相比現(xiàn)有的方法適用范圍更廣，均可以在網(wǎng)線(xiàn)較長(zhǎng)、質(zhì)量較差、設(shè)備功率變化范圍大等不利條件下應(yīng)用。

圖3 遠(yuǎn)端穩(wěn)壓的PoE供電系統(tǒng)組成

3.1 遠(yuǎn)端穩(wěn)壓方案

（1）系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由高輸出電壓PSE和遠(yuǎn)端安裝的“無(wú)源”穩(wěn)壓器組成。其中，PSE輸出電壓較現(xiàn)有PoE供電方法高（如果PD額定工作電壓是12 V，一般PSE輸出電壓選擇25 V）；穩(wěn)壓器有兩個(gè)RJ45接口，分別是網(wǎng)線(xiàn)輸入端和網(wǎng)口輸出端，其中線(xiàn)1/2、3/6為直通，線(xiàn)4/5、7/8間接入串聯(lián)穩(wěn)壓電路，考慮成本因素，一般采用穩(wěn)壓二級(jí)管穩(wěn)壓電路。詳細(xì)的系統(tǒng)組成如圖3所示。

（2）原理

提高PSE的輸出電壓，使得輸出電壓在經(jīng)過(guò)100 m長(zhǎng)合格網(wǎng)線(xiàn)的壓降后，遠(yuǎn)端電壓仍不小于12 V，極限不得小于11 V；PD網(wǎng)口端安裝12 V無(wú)源穩(wěn)壓器，保證PD輸入電壓為12 V。

（3）PD輸入電壓計(jì)算

僅計(jì)算兩種極端情況，具體介紹如下。

·PSE輸出電壓25 V，PD最大功率為18 W[3]，最大電流0.72 A，如果網(wǎng)線(xiàn)極限長(zhǎng)度為100 m、單線(xiàn)電阻9.5Ω，雙線(xiàn)回路電阻仍為9.5Ω，則壓降為6.8 V，遠(yuǎn)端電壓大于12 V，穩(wěn)壓器工作，PD輸入電壓為12 V，PD可正常工作。

·PD最大功率為18 W，要求PD輸入電壓為12 V，則最大電流為1.5 A，如果網(wǎng)線(xiàn)長(zhǎng)度為100 m，則壓降為14 V，如果PSE輸出電壓25 V，則PD輸入最低電壓不小于11 V，穩(wěn)壓器不工作，PD可正常工作。

（4）系統(tǒng)優(yōu)劣對(duì)比

該方案需在遠(yuǎn)端增加穩(wěn)壓器，但成本很低。穩(wěn)壓器工作時(shí)，會(huì)有一定的能耗，但能耗較低。當(dāng)戶(hù)外終端安裝在弱電間時(shí)，穩(wěn)壓器會(huì)在遠(yuǎn)端占用一定的空間，但占用空間非常小。本方案在遠(yuǎn)端增加穩(wěn)壓器，有可能會(huì)增加維護(hù)、檢修工作量。

3.2 遠(yuǎn)端電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)方案

（1）系統(tǒng)組成

本方案對(duì)PSE進(jìn)行了改造，增加電壓檢測(cè)模塊和反饋電路，同時(shí)將線(xiàn)4/5、7/8供電改為用線(xiàn)4、8供電，線(xiàn)5、7在PSE內(nèi)與線(xiàn)4、8斷開(kāi)，連接新增的電壓檢測(cè)模塊（可以將電壓檢測(cè)模塊加線(xiàn)5、7理解為一個(gè)電壓檢測(cè)表）。詳細(xì)的系統(tǒng)組成如圖4所示。

（2）原理

只要能做到PoE遠(yuǎn)端輸出電壓（即PD端輸入電壓）的實(shí)時(shí)測(cè)量，就能較易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端恒壓輸出功能，所以本方案將原有PoE技術(shù)中PSE使用以太網(wǎng)端口的線(xiàn)4/5、7/8供電，改為用線(xiàn)4、8供電、線(xiàn)5、7連接新增的電壓檢測(cè)模塊，電壓檢測(cè)模塊通過(guò)線(xiàn)5、7測(cè)量遠(yuǎn)端輸出電壓，并反饋給Vport。Vport將實(shí)際的遠(yuǎn)端電壓與期望的遠(yuǎn)端穩(wěn)壓值（12 V）進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)整輸出電壓使實(shí)際遠(yuǎn)端電壓與期望的遠(yuǎn)端穩(wěn)壓值一致，達(dá)到遠(yuǎn)端恒壓輸出的目的。

（3）系統(tǒng)優(yōu)劣對(duì)比

該方案需在PSE內(nèi)增加電壓檢測(cè)模塊和反饋電路，但成本很低。由于僅用一條線(xiàn)路進(jìn)行供電（線(xiàn)4、8供電），回路電阻增大導(dǎo)致線(xiàn)路壓降增大，會(huì)增加一定的能耗。本方案不需要占用遠(yuǎn)端空間，不增加維護(hù)、檢修工作量。

3.3 復(fù)用載波電流方案

（1）系統(tǒng)組成

本方案對(duì)PSE進(jìn)行了改造，增加了遠(yuǎn)端檢測(cè)控制器和反饋電路，遠(yuǎn)端檢測(cè)控制器具有對(duì)PSE直流輸出電流的檢測(cè)功能，并具有提供方波電流復(fù)用的功能。詳細(xì)的系統(tǒng)組成如圖5所示。

（2）原理

只要做到PoE遠(yuǎn)端輸出電壓的實(shí)時(shí)測(cè)量，就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端的恒壓輸出功能。本方案在PSE設(shè)備內(nèi)增加了遠(yuǎn)端檢測(cè)控制器，其對(duì)PSE直流輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，并強(qiáng)制提供（復(fù)用）一個(gè)電流峰——峰值振幅等于10%的方波電流（在輸出電流的95%～105%輪流變化，頻率25 kHz），該方波電流被PD內(nèi)的濾波電容C（在100～1 000μF，戶(hù)外終端多數(shù)為470μF）短路，所以遠(yuǎn)端檢測(cè)控制器提供的方波電流產(chǎn)生的電壓（該值等于線(xiàn)上直流電壓的1/10）全部加載在供電線(xiàn)上，遠(yuǎn)端檢測(cè)控制器將方波電壓值反饋給Vport。Vport將輸出電壓減去線(xiàn)上直流電壓（該值等于方波電壓的10倍），即可得出遠(yuǎn)端電壓，將實(shí)際的遠(yuǎn)端電壓與期望的遠(yuǎn)端穩(wěn)壓值進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)整輸出電壓，使實(shí)際遠(yuǎn)端電壓與期望遠(yuǎn)端穩(wěn)壓值一致，最終達(dá)到遠(yuǎn)端穩(wěn)壓的目的。

圖4 遠(yuǎn)端電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)的PoE供電系統(tǒng)組成

圖5 復(fù)用載波電流的PoE供電系統(tǒng)組成

表1 幾種PoE供電方案的比較

（3）方波電流頻率計(jì)算

根據(jù)濾波公式C≥（3～5）T/2，推導(dǎo)出Cf≥（3～5）/2，取極限值，則Cf≥2.5。濾波電容C的范圍為100～1 000μF，當(dāng)C為100μF時(shí)，f應(yīng)不小于25 kHz；當(dāng)C=1 000μF時(shí)，f應(yīng)不小于2.5 kHz，所以本方案中方波電流頻率選擇25 kHz。

（4）系統(tǒng)優(yōu)劣對(duì)比

該方案需在PSE內(nèi)增加遠(yuǎn)端檢測(cè)控制器和反饋電路，相對(duì)于以上兩種衍生方案，成本較高；該方案幾乎不增加能耗，不需要占用遠(yuǎn)端空間，不增加維護(hù)、檢修工作量。

4 方案比較與選擇

4.1 各種PoE供電方案比較

本節(jié)將現(xiàn)有末端跨接空閑腳供電的PoE方法與其3種衍生方案進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

4.2 應(yīng)用選擇

由于現(xiàn)有的末端跨接空閑腳供電的PoE供電技術(shù)在成本、能耗和維護(hù)檢修工作量上具有一定優(yōu)勢(shì)，所以當(dāng)居民網(wǎng)線(xiàn)質(zhì)量較好、反向供電網(wǎng)線(xiàn)距離較短時(shí)，優(yōu)先選用現(xiàn)有PoE供電方法。當(dāng)現(xiàn)有PoE方法不適用時(shí)，由于遠(yuǎn)端穩(wěn)壓PoE方案具有成本低、能耗高的優(yōu)點(diǎn)，若遠(yuǎn)端空間足夠，優(yōu)先選擇遠(yuǎn)端穩(wěn)壓PoE方案；若遠(yuǎn)端空間不足，則可從遠(yuǎn)端電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)PoE方案和復(fù)用載波電流PoE方案中選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于居民固有裝修條件的限制，引發(fā)了光接入終端的供電問(wèn)題，限制了中國(guó)電信“光網(wǎng)城市戰(zhàn)略”的發(fā)展，本文介紹了光接入終端無(wú)法入戶(hù)時(shí)，采用的PoE供電技術(shù)及幾種中國(guó)電信擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衍生方案，并比較了各種方案的優(yōu)劣，提出了選擇的優(yōu)先級(jí)，如果PoE供電技術(shù)及其衍生方案得以實(shí)施，相信用戶(hù)端光纖布線(xiàn)難題可以得到較好的解決。同時(shí)，以上方案進(jìn)行適當(dāng)修改后，可應(yīng)用于AP、IP攝像機(jī)、樓道交換機(jī)等其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的反向供電。

1 IEEE 802.3af.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 IEEE 802.3at.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 3:Data Terminal Equipment(DTE)Power Via the Media Dependent Interface(MDI)Enhancements,2009

3 中國(guó)電信集團(tuán)公司.中國(guó)電信EPON上行e8-C終端技術(shù)規(guī)范書(shū),2011