以太网供电技术的研究与应用

随着新技术的不断出现和发展, 数据网络正在提供越来越多的新应用和新服务: 如ADSL 宽带接入、无线局域网技术(WLAN )、IP 电话(Vo IP) 和Web 摄像与监测系统等。  

这些应用中的大部分设备需要有自己的外接电源, 对于大型的网络而言, 尤其是有比较多的无线网络A P (A ccess Po int) 或者IP 网络摄像机等设备的网络,由于这些设备一般安置在距中心机房比较远的地方,不但加大了整个网络组建的成本, 同时, 加大了网络故障的风险。为了尽可能解决因电源引起的网络故障,IEEE 推出了一项新的以太网供电标准(PoE, Powerover Ethernet) IEEE 802. 3af, 确保用户能够利用现有的结构化布线为此类应用设备提供供电能力。  

以太网供电技术分析  

以太网供电PoE (Power over Ethernet) 是指在现有的以太网布线基础架构下, 除了能够保证为基于以太网的终端设备(如IP 电话机、无线局域网接入点A P、安全网络摄像机等) 传输数据信号的同时, 不作任何改动就同时可以为此类设备提供直流供电的能力。PoE 系统主要包括供电设备( Power SourceEquipment, PSE) 和用电设备(Powered Device, PD)两部分, 两者基于IEEE2802.3af 标准确定有关用电设备PD 的连接情况、设备类型、功耗级别等信息联系, 并以这些信息为根据控制供电设备PSE 通过以太网级向用电设备PD 供电。  

供电设备PSE 通常和网络设备结合在一起, 主要进行PD 设备的信息检测、控制和监测供电状况。供电设备可以用两种方式进行供电: 中跨方式(M idspan) , 在交换机外部加一个扩展设备, 将从交换机来的以太网线接入该设备, 保持原有信号线对不变,该设备通过双绞线中未使用的备用线对给用电设备供电; 端跨方式(Endspan) , 将供电控制电路集成到以太网交换机中, 在以太网供电控制电路的控制下, 供电既可以从以太网端口隔离变压器的中芯抽头, 也可以从备用线对注入到以太网的信号线对中, 对终端用电设备供电。  

IEEE-802.3af 标准中定义了设计PoE 网络时必须遵循的参数, 包括: 操作电压为48V DC, 波动范围可以在44～ 57V 之间; 由PSE 产生的电流在350～400mA 之间, 以确保以太网电缆不会由于其自身的阻抗而导致过热。因此PSE 在其端口输出的最大功率是15.4W。考虑到电缆损耗, 受电端设备PD 所能获得的最大的功率为12.95W。同时, IEEE-802.3af 标准定义了一个可选的供电分级机制, 以方便对用电设备消耗功率的控制和管理。其关系如表1 所示。  

  
供电设备PSE 是整个PoE 以太网供电过程的管理者。当在一个网络当中布置PSE 供电端设备时, PoE 以太网供电工作过程如下: (1) 检测过程。PSE 通过测量伏安特性曲线上的两个点, 并计算电阻以判断受电设备的端口特性。只要两个电压的差大于1V 且都在218～10V 的范围内, PSE 就能执行强制电流或强制电压测量, 直到其检测并确定线缆的终端连接设备是一个支持或者不支持IEEE-802.3af 标准的用电设备。(2) PD 端设备分级(可选)。在成功完成检测后, PSE对端口提供15.5～20.5V 的电压, 并可以根据需要将PD 置于分级模式(分级关系见表1) , 并且评估此PD 设备所需的功率损耗。PSE 在对PD 进行分级(测量端口电流) 前会给它10m s 的时间使它稳定下来。(3) 开始供电。在一个可配置的时间(一般小于15Ls) 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48V DC 直流电源。(4) 供电。为PD 设备提供稳定可靠的48VDC 级直流电, 满足PD 设备不超过15.4W的功率消耗。(5) 断电。IEEE-802.3af 标准规定了PSE用DC 断接(DC disconnect ) 和AC 断接(ACdisconnect) 两种方法来判断是否与一个PD 保持连接。DC 断开决定于PD 至少取用10mA 的电流, 如果电流降到5mA 到10mA 之间的最小阈值以下, 且时间超过设定值(一般300m s 到400m s) , PSE 就切断电源; PSE也可以通过测量端口阻抗来确定AC 是否断开, 如果阻抗大于设定值, 表示PD 不再连接, 端口就会在设定的时间间隔后断电。  

以太网供电技术的应用  

以太网供电技术应用在IP 电话(VoIP)、无线局域网访问点AP (A ccess Po int)、小型企业ADSL 宽带接入路由器以及基于Web 的摄像监控等系统中有着非常明显的优势。因为数据中心通常都有U PS 或者备用电源, 这样即使外接设备的电源出现故障, 通过以太网供电, 仍然可以保证IP 电话能够工作, 保证连接在WLAN 上的计算机能够访问到数据中心, 保证ADSL 能够连接到Internet, 也可以保证Web 监控系统的正常工作。  

通过以太网供电技术可以集中配电、增加冗余性,同时减少因为电源故障而引起数据网络故障的机会。但在网络中部署以太网供电还应该考虑几个主要问题: 一是布线系统以及网络设备产生热量的问题; 二是电源功率问题。  

采用PoE 技术, 电源系统将交流电转换成交换机工作所需的直流电, 效率损耗会使双绞线的温度升高,同时也会使集成了POE 的以太网交换机产生更多的热量, 因而导致布线间内的设备产生更多的热量, 使其温度升高, 所以要考虑布线间结构和系统散热问题, 保证系统的温升在设定值以下。  

具有PoE 功能的交换机需要更多的电功率, 因为每个PoE 端口都必须保证能提供15.4W 功率。如果具有100 个PoE 用户的中等规模的布线间要同时提供1540W 的功率, 加上交换机平均需要1000W , 功率为2540W 的交换机所需电流大于通常布线间提供的最大电流。如果供电设备可以支持供电分级工作方式, 就可以有效地减少功率消耗, 布线间内的原有电源就有可能保证设备所需的功率。另外, 也可以考虑在布线间内采用直流电源供电, 并采用中跨方式(Midspan) 工作。采用直流供电的优点在于: 可以消除电压转换部分的发热; 可以将电源配置成具有集中式容余功能, 节省了每个布线间的建设成本; 使用蓄电池来作后备电源,这样数据网络的布线间就不需要不间断电源(UPS) ,从而减少了发热量。
  
结论  

随着IEEE-802.3af 标准的确立和网络应用的不断发展, 以太网供电技术将会使数据网络的范围更加扩大。它不但方便了现有的IP 电话和无线局域网接入设备的推广, 同时大量新的应用也将快速涌现出来, 包括蓝牙接入点、网络打印机、Web 摄像机、无线网桥、门禁读卡机与监测系统等。PoE 技术支持点到多点的电力分配设备, 用户只需在网络核心部位配备一套U PS 设备就可以为本地网内多种分散设备提供电力备份, 并且PoE 技术还提供基于Web 控制的SNM P 远程访问和管理。这样的供电方式除了在实施上方便外, 也增加了数据网络的健壮性。