光接入终端PoE反向供电技术

关强华，罗森文，陈少川，谈儒猛

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州510630）

1 引言

随着中国电信“宽带中国·光网城市”企业战略的不断深入，大量的光接入终端进入用户楼宇和居民家庭，但现有的大部分民居在装修时只暗设了网线，没有暗设光缆或预留光缆线管，光纤无法在不破坏民居装修的情况下暗设入户。因此，装维人员只能将光纤布放在民居门口或同层弱电间，再连接光接入终端，终端无就近市电可接入，这就严重制约了光网的城市化进程。目前有些地方尝试使用PoE（power over Ethernet，以太网供电）设备连接用户室内市电，经过AC/DC变换和网线合路后加载到另一根网线上反向供给户外终端。光接入终端PoE供电示意如图1所示。

图1 光接入终端PoE反向供电示意

2 PoE

2.1 PoE简介

IEEE在2003年发布的IEEE 802.3af标准和2009年发布的IEEE 802.3at标准中，对PoE进行了规定。PoE是指利用现有以太网线为IP终端传输数据信号的同时，还为此类设备提供直流电源的技术。一个完整的PoE系统包括供电端设备（power sourcing equipment，PSE）和受电端设备（powered device，PD）两部分。

2.2 PoE原理和分类

标准的5类网线有4对双绞线，但在l0 Mbit/s/100 BASE-T中只用到其中两对，IEEE规定了PoE的两种用法。

（1）应用数据线供电的PoE方法（alternative A）

利用数据脚供电，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，线对1、2和线对3、6可以为任意极性。

（2）应用空闲脚供电的PoE方法（alternative B）

应用空闲脚供电的PoE方法如图2所示，利用空闲脚供电，4、5脚为正极，7、8脚为负极。

标准规定，PSE只能提供其中一种用法，但PD必须能够同时适应两种情况。目前在PSE为独立设备（如光接入终端PoE供电）时，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。

图2 空闲脚供电的PoE（end-span alternative B）

2.3 PoE供电的适应性问题

由于网线线芯较细，单位长度电阻值（标准超5类线单位电阻值约为9.5×10-2Ω/m）较一般电源线大得多，采用现有的PoE方式供电时，会在网线上形成较大的压降，可能导致远端电压过低，这限制了PoE供电的距离，甚至无法对PD正常供电。尤其当用户网线不合格、单位电阻值更大时，供电距离更短。目前的解决方案是：在采用PoE供电时，提高PSE输出电压以补偿网线上的压降，如PD额定工作电压为12 V，根据设备功率和供电网络长度估算，需要补偿的压降是3 V，则PSE输出电压就选择15 V。这种补偿方案在设备功率变化不大、供电网线长度已确定较短的情况下是可行的，但实际上，设备的功率变化范围是比较大的（以中兴通讯ZXHN F420光接入终端设备为例，忙时的最大功耗是闲时的4倍以上），而且用户装修时暗设的网线长度难以测量，导致现有的恒定电压输出的PoE供电方式不能完全解决光接入终端的供电问题。

3 PoE供电衍生方案

由于现有的PoE供电技术在某些场景中无法得到可靠应用，因此需要在保证安全性的前提下，对现有的PoE技术进行升级。笔者在本文中介绍了3种PoE供电技术衍生方案（中国电信已申请相关专利，拥有其知识产权），相比现有的方法适用范围更广，均可以在网线较长、质量较差、设备功率变化范围大等不利条件下应用。

图3 远端稳压的PoE供电系统组成

3.1 远端稳压方案

（1）系统组成

系统由高输出电压PSE和远端安装的“无源”稳压器组成。其中，PSE输出电压较现有PoE供电方法高（如果PD额定工作电压是12 V，一般PSE输出电压选择25 V）；稳压器有两个RJ45接口，分别是网线输入端和网口输出端，其中线1/2、3/6为直通，线4/5、7/8间接入串联稳压电路，考虑成本因素，一般采用稳压二级管稳压电路。详细的系统组成如图3所示。

（2）原理

提高PSE的输出电压，使得输出电压在经过100 m长合格网线的压降后，远端电压仍不小于12 V，极限不得小于11 V；PD网口端安装12 V无源稳压器，保证PD输入电压为12 V。

（3）PD输入电压计算

仅计算两种极端情况，具体介绍如下。

·PSE输出电压25 V，PD最大功率为18 W[3]，最大电流0.72 A，如果网线极限长度为100 m、单线电阻9.5Ω，双线回路电阻仍为9.5Ω，则压降为6.8 V，远端电压大于12 V，稳压器工作，PD输入电压为12 V，PD可正常工作。

·PD最大功率为18 W，要求PD输入电压为12 V，则最大电流为1.5 A，如果网线长度为100 m，则压降为14 V，如果PSE输出电压25 V，则PD输入最低电压不小于11 V，稳压器不工作，PD可正常工作。

（4）系统优劣对比

该方案需在远端增加稳压器，但成本很低。稳压器工作时，会有一定的能耗，但能耗较低。当户外终端安装在弱电间时，稳压器会在远端占用一定的空间，但占用空间非常小。本方案在远端增加稳压器，有可能会增加维护、检修工作量。

3.2 远端电压实时检测方案

（1）系统组成

本方案对PSE进行了改造，增加电压检测模块和反馈电路，同时将线4/5、7/8供电改为用线4、8供电，线5、7在PSE内与线4、8断开，连接新增的电压检测模块（可以将电压检测模块加线5、7理解为一个电压检测表）。详细的系统组成如图4所示。

（2）原理

只要能做到PoE远端输出电压（即PD端输入电压）的实时测量，就能较易实现远端恒压输出功能，所以本方案将原有PoE技术中PSE使用以太网端口的线4/5、7/8供电，改为用线4、8供电、线5、7连接新增的电压检测模块，电压检测模块通过线5、7测量远端输出电压，并反馈给Vport。Vport将实际的远端电压与期望的远端稳压值（12 V）进行比较，通过调整输出电压使实际远端电压与期望的远端稳压值一致，达到远端恒压输出的目的。

（3）系统优劣对比

该方案需在PSE内增加电压检测模块和反馈电路，但成本很低。由于仅用一条线路进行供电（线4、8供电），回路电阻增大导致线路压降增大，会增加一定的能耗。本方案不需要占用远端空间，不增加维护、检修工作量。

3.3 复用载波电流方案

（1）系统组成

本方案对PSE进行了改造，增加了远端检测控制器和反馈电路，远端检测控制器具有对PSE直流输出电流的检测功能，并具有提供方波电流复用的功能。详细的系统组成如图5所示。

（2）原理

只要做到PoE远端输出电压的实时测量，就能实现远端的恒压输出功能。本方案在PSE设备内增加了远端检测控制器，其对PSE直流输出电流进行检测，并强制提供（复用）一个电流峰——峰值振幅等于10%的方波电流（在输出电流的95%～105%轮流变化，频率25 kHz），该方波电流被PD内的滤波电容C（在100～1 000μF，户外终端多数为470μF）短路，所以远端检测控制器提供的方波电流产生的电压（该值等于线上直流电压的1/10）全部加载在供电线上，远端检测控制器将方波电压值反馈给Vport。Vport将输出电压减去线上直流电压（该值等于方波电压的10倍），即可得出远端电压，将实际的远端电压与期望的远端稳压值进行比较，通过调整输出电压，使实际远端电压与期望远端稳压值一致，最终达到远端稳压的目的。

图4 远端电压实时检测的PoE供电系统组成

图5 复用载波电流的PoE供电系统组成

表1 几种PoE供电方案的比较

（3）方波电流频率计算

根据滤波公式C≥（3～5）T/2，推导出Cf≥（3～5）/2，取极限值，则Cf≥2.5。滤波电容C的范围为100～1 000μF，当C为100μF时，f应不小于25 kHz；当C=1 000μF时，f应不小于2.5 kHz，所以本方案中方波电流频率选择25 kHz。

（4）系统优劣对比

该方案需在PSE内增加远端检测控制器和反馈电路，相对于以上两种衍生方案，成本较高；该方案几乎不增加能耗，不需要占用远端空间，不增加维护、检修工作量。

4 方案比较与选择

4.1 各种PoE供电方案比较

本节将现有末端跨接空闲脚供电的PoE方法与其3种衍生方案进行比较，见表1。

4.2 应用选择

由于现有的末端跨接空闲脚供电的PoE供电技术在成本、能耗和维护检修工作量上具有一定优势，所以当居民网线质量较好、反向供电网线距离较短时，优先选用现有PoE供电方法。当现有PoE方法不适用时，由于远端稳压PoE方案具有成本低、能耗高的优点，若远端空间足够，优先选择远端稳压PoE方案；若远端空间不足，则可从远端电压实时检测PoE方案和复用载波电流PoE方案中选择。

5 结束语

由于居民固有装修条件的限制，引发了光接入终端的供电问题，限制了中国电信“光网城市战略”的发展，本文介绍了光接入终端无法入户时，采用的PoE供电技术及几种中国电信拥有自主知识产权的衍生方案，并比较了各种方案的优劣，提出了选择的优先级，如果PoE供电技术及其衍生方案得以实施，相信用户端光纤布线难题可以得到较好的解决。同时，以上方案进行适当修改后，可应用于AP、IP摄像机、楼道交换机等其他网络设备的反向供电。

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 中国电信集团公司.中国电信EPON上行e8-C终端技术规范书,2011