PoE布线技术研究及5G应用初探

阎传文，孙凤军

（浙江一舟电子科技股份有限公司）

1 PoE概述

PoE 全 称 为 Power over Ethernet，又被称为基于局域网的供电系统(PoL,Power over LAN )或有源以太网( Active Ethernet)，也被简称为以太网供电，这是利用现存标准，规范了以太网传输电缆在传送数据的同时，又满足供电的功率应用要求，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。通过这种方式，可以为IP电话、IP摄像头、无线AP以及数据采集终端等设备进行远程集中供电，不再需要考虑其电源系统布线的问题。

随着WLAN、VoIP、网络视频监控等新业务的飞速发展，大量的基于IP的终端出现在人们的日常生活中。这些设备通常数量众多、位置特殊、布线复杂、设备取电困难，其实施部署不仅消耗大量人力、物力，增加建网成本，而且延长了建设的时间。采用PoE，成为低风险、可靠，且具有成本效益的应用，而且可使用与数据通信中相同的数字通信电缆来完成输电，有利于信息的传送和数据通信，从而提高了通信线缆的效用。

最初的PoE标准为IEEE 802.3af，由IEEE工作小组于2003年推出。该标准将供电功率限制在12.95W以下，当前全新的IEEE P802.3bt标准于2018年9月获批，将供电设备(PSE)的最大功率提升了3倍，从30W扩展至90W，并将受电设备(PD)的功率水平提升至71.3 W（信道长度100m）。新标准的推出以及多样化的应用将进一步促进PoE技术的应用。远程供电的演变如图1所示。

2 PoE技术在5G的应用

统计表明，4G移动网络中有超过80%的业务发生在室内。伴随着5G业务种类的持续增加、行业边界的不断扩展，业界预测未来更多的移动业务将发生在室内。因此，5G时代的室内移动网络至关重要，将成为运营商的核心竞争力之一。5G应用的高清视频、AR/VR、远程医疗、工业制造自动化及现代物流管理等主要发生在建筑物室内，需要更高的带宽来承载。为了获取更多带宽，室内5G引入了更高的频段（C-Band和毫米波），意味着更大的传输及穿透损耗，以及更加密集的组网，采用传统的4G建网方式可能导致室内覆盖不足，高密度的小基站建设将是5G室内场景建设的必然。同时，5G时代海量的有源网络设备，将会对运维和系统的能耗管理带来新的挑战，而大量的小基站设备的取电问题将是网络建设单位必须解决的难题。

图 1 PoE远程供电的演变

PoE技术利用一根网线同时满足信号通信与设备供电，而无须再为小基站供电，在5G高密度的小基站覆盖情况下，是较为理想的布线方案，可以满足5G室内覆盖的应用需求。

图2是一种典型的PoE供电技术,用于楼宇的小基站布放方案，BBU为整栋楼或某个区域进行网络覆盖，Hub进行楼层覆盖，同时提供PoE供电，Hub之间的垂直布线通过单模光纤进行连接，而Hub与小基站之间的水平布线通过网线进行连接，同时进行PoE供电，小基站则无须再次取电。此种方案具备如下优势：

1）成熟的标准规范：PoE是一种成熟的技术，以太网标准IEEE 802.3af/at/bt进行了规范，各厂家可以按照标准进行安装布放；

2）布线系统解决设备供电问题：5G网络覆盖相对4G而言，基站密度大幅提升，基站的取电问题突出，而通过PoE供电，无须为小基站设备提供电源供应，解决了网络建设的取电难题；

3）供电功率可满足应用要求：最新发布的IEEE 802.3bt标准将PoE应用等级进一步提升，可为受电设备（即此方案的小基站）提供高达71.3W的供电功率，可以满足主流设备厂家的小基站供电需求；

图2 采用PoE供电的5G室内小基站布线方案

4）带宽能满足5G室内覆盖需求：根据最新发布的标准，ISO/IEC 11801：2017《信息技术——用户建筑通用布缆》及ANSI/TIA 568.2-D《平衡双绞线通用电缆及其组件的标准》（2018版），Cat 6A布线系统可提供高达10Gbit/s的有效带宽，能满足5G室内覆盖的应用需求；

5）施工便利：相对光缆而言，铜缆施工更为简便，线缆不易损坏，无须光纤熔接或现场组装光纤连接器、简单的网线端接工具即可完成现场端接头的制作；

6）平滑升级到5G：支持5G NR和LTE，并可利用4G的网络基础设施和安装位置，做到“线不动，点不增”，实现由4G向5G平滑演进；

7）产业链成熟：主流设备厂家都具备室内覆盖的小基站产品，且都具备网线接口，运营商有充足稳定的产品选型资源。

可以预见，基于PoE供电技术在5G室内覆盖将会迎来更大的机遇。

3 PoE应用线缆温升问题

在PoE供电中，电流在线缆中传输，大部分的电能会传送到受电设备（PD,Powered Device）中，但由于网络布线的对绞电缆本身存在一定的电阻，在传输直流电流时将会产生一定的热量，这些热量将导致传输链路以及PD终端的温度升高。温度升高对数据传输的性能指标具有非常大的影响，使得通道的衰减/插入损耗加大。同时在综合布线系统中，电缆经常成捆布放，会进一步加剧温升，一般而言，捆扎数越大，温升越明显，在一些严酷的条件下，温度可能会超过规定的工作温度，线缆长期在高温环境中工作会加快线缆老化，并带来安全隐患，线缆工作温度的控制不容忽视。

标准双绞线定义的工作和储藏温度为60℃，而研究表明机柜内的环境温度可能因IT设备的散热达到45℃。因此，ISO/IEC TS 29125：2017《信息技术终端设备远程供电的电信电缆敷设要求》[1]与TIA TSB 184-A：2017《支持动力输送平衡双绞线应用指南》[2]（以下简称TIA TSB 184-A：2017标准）中将线缆温升的安全范围定义为15℃，即假设机柜内环境温度为45℃的情况下，PoE引起的15℃温升大幅度减小了线缆性能，存在潜在安全问题的隐患。表1列出了在不同类别的布线系统中，电缆的不同数量，在不同的安装方式下，温度的上升情况（数据基于 TIA TSB 184-A：2017标准）。表中的安装条件导致温度上升大于15℃时，建议不被采用。

电缆温升的测试方法：取100m数据线样品，电缆需要环绕和捆扎，尽量使电缆之间没有空隙，可在密闭导管道条件下获取最坏情况下的电缆温升情况。为了确定特定线缆结构和特定安装方式的温升影响，可通过对成束通电线缆监测温升程度，并取链路中不同监测点的最大值作为评估温升的严重程度的依据（温升最大值一般位于成束电缆的几何中心，如图3所示）。典型的安装方式为37根线缆成束，以及多个成束并排摆放（见图4）。

图3 成束电缆温升模型

图4 37根电缆成束排列

需要说明的是，不同厂家的线缆产品，由于选材及工艺控制的差别，其温升效应与标准的理论模型会稍有差异，如针对SHIP®品牌的Cat 5e/Cat 6/Cat 6A分别进行测试（包括不同电流：600mA/720mA/1000mA，不同安装方式：敞开/导管，不同捆扎数：7/19/37/61/91），测试环境如图5所示，测试结果表明：

图5 电缆温升测试环境

1）SHIP®品牌的电缆温升效应相较于TIA TSB 184-A：2017标准列出的数据偏小，以Cat 6A非屏蔽网线管道安装为例，图6是SHIP®品牌网线温升测试数据与TIA标准数据的对比，从数据可以看出，SHIP®网线在绑扎91根的情况下，四线对同时供电1000mA电流，其温升低于15℃，低于标准要求的17.93℃；

2）高等级的线缆，由于具有较粗铜导体，电阻值更小，可以有效减小线缆温升，如图7所示，为每线对1000mA电流在管道安装场景下，不同等级非屏蔽电缆的温升情况，从数据可以看出，Cat 5e线缆在PoE应用中有较大的风险，而Cat 6A明显优于Cat 5e与Cat 6。

表1 不同电缆类别、不同安装方式的电缆温升情况

一舟股份积极进行线缆温升的研究与试验，与行业设备与布线厂家共同完成了《以太网供电（PoE）技术与应用白皮书》[3]编写，针对PoE的应用，做了大量的测试实验，根据测试结果建议：为了有效避免风险，PoE应用中尽量采用Cat 6A及以上等级的线缆进行PoE应用。

4 PoE布线系统选用与安装注意事项

PoE的终端设备（PD）目前有IP电话、网络摄像机、无线WiFi AP掌上电脑（PDA）或移动电话充电器等，其中以网络摄像机和WiFi使用的AP为主。这些终端设备一般安装在走道、 房间、公共区域、室外立杆等处，并用缆线（双绞线）敷设到机房（数据中心、建筑物主机房、楼层弱电间等），汇入 PoE交换机。

在 PoE缆线敷设中，应重点考虑对散热的影响，特别是在绑扎工艺和美观的平衡考虑。 对于PoE布线系统选用与安装，如下几方面可综合考虑，减少温升：

1）线缆的选择方面，尽量采用高等级的线缆，减少热量的产生（如Cat 6A优于Cat 5e和Cat 6）；

2）屏蔽线缆温升控制比非屏蔽线缆好；

3）现场安装，尽量以散放的方式布放，如果需要绑扎，应尽量减小绑扎数量，并适当增加线束间距，获取良好的散热效果，在全封闭线槽中应更加重视；

4）桥架内散热情况与线缆敷设高度有直接关系，尽量减少线缆高度有助于散热；

5）采用开放式桥架比封闭的管槽散热效果好，金属线槽上的散热孔有助于散热；

图6 TIA标准温升与SHIP®电缆温升比较

图7 1000mA管道安装不同线缆的温升情况

6） PVC、PC/ABS等材质的线槽的散热效果要差于金属线槽，故在考虑PoE应用时，也需要考虑线槽材质与温升的关系；

7）机房、机柜内的PoE双绞线应确保每个弯角处的线缆弯曲半径符合规定（即弯曲半径不小于线缆直径的4倍）。

5 结语

近10年，以太网供电(PoE)已成为一项重要的供电策略。基于此技术，网络管理员、安装人员和集成商能够使用结构化布线为网络设备提供电力和数据。在5G网络建设时期，室内网络覆盖需要大量小基站形成密集组网，而基于数字通信电缆的PoE技术能为5G网络提供足够带宽的同时，为小基站供电，将会成为5G室内组网的主流技术之一。在PoE应用中，线缆温升成为必须考虑的主题，基于大量实验数据。为了有效避免风险，应采用Cat 6A及以上等级的线缆进行PoE应用，为将来大功率设备的应用做好准备。