PoE技術在FTTH建設中的應用和創新：上海“城市光網”技術創新和應用實踐之一

張 軍，杜 喆

（中國電信股份有限公司上海分公司 上海200120）

1 傳統PoE技術及其應用

PoE（power over ethernet，以太網供電），其理念就是通過供電設備PSE將220 V交流電源信號轉換成直流電源信號后與數據信號在以太網線纜上混合傳輸，并在遠端通過受電設備PD將數據和電源信號分離，最終達到以太網遠程供電的目的。PoE標準定義了兩種以太網供電方法。

一種稱為“中間跨接(mid-span)法”，即使用以太網線纜中空閑線對傳輸直流電源。這種PoE設備被廣泛應用于網絡IP電話、IP視頻監控以及無線局域網等FTTB場景。具體組網方案是將一個專門的電源管理設備Mid-span PSE部署在傳統以太網交換機(不具備PoE功能)和遠端受電終端（如IP電話機、IP視頻攝像頭和無線AP）之間，負責將交換機的數據信號與轉換后的直流電信號一起通過以太網線纜傳輸給受電終端，實現遠程以太網供電。

另一種稱為“末端跨接(end-span)法”，即在以太網線纜的同一線對上傳輸數據和直流電。這種PoE設備通常是具有PoE功能的以太網交換機、路由器等其他網絡數據交換設備，在傳輸數據信號所用的以太網線對上同時傳輸直流電源，且采用與以太網數據信號不同的頻率。隨著無線AP等終端設備的大量使用，其位置特殊、取電困難，實施部署不僅消耗人力物力，而且增加建網成本，以太網線纜本身提供電力傳送的要求越來越迫切，因而“末端跨接法”由于其易安裝、易管理、簡便性被廣泛應用。但是，無論是“中間跨接法”，還是“末端跨接法”，這一類PoE設備的應用主要是從網絡側向終端側進行以太網供電，稱之為“正向PoE供電”。

2 PoE技術在FTTH場景中的應用

為進一步加快寬帶網絡的提速，支撐高帶寬應用的發展，中國電信股份有限公司上海分公司（以下簡稱上海電信）全面開展FTTH建設。在FTTH終端的規模安裝過程中發現存在兩種無法取電的場景：一是用戶的入戶暗管存在彎頭多、堵塞、接頭脫落等狀況，造成光纜無法穿入用戶家庭，此時的FTTH終端只能安裝在戶外的弱電井上，通過入戶五類線傳遞數據信號，但弱電井內無法取電；二是入戶光纖已布放至用戶戶內的家庭信息箱(多媒體智能終端盒)中，但信息箱內無供電電源，裝維人員若要引接220 V電源，費時費力。通過對PoE技術的深入研究，上海電信提出了FTTH PoE的方案。同樣是PoE，通過以太網線兩端的供電設備PSE把220 V的電源變壓為48 V低壓直流電源，與以太網數據信號共同在以太網線纜內進行傳輸，由受電設備PD接收，并DC/DC轉換，將48 V直流電轉換為12 V直流電供電給終端，達到以太網線供電的目的。但是，FTTH PoE方案則是利用用戶側室內的交流電源反過來向網絡側的終端設備供電，稱之為 “反向PoE供電”。這種PoE供電方法能有效地解決城市光網FTTH終端安裝過程中的取電難題。

針對上述兩個場景，上海電信制定了相應的FTTH PoE供電實施方案。

（1）場景一：弱電井PoE應用方案

光纖已布放至室外弱電井，但無法穿通入戶，此時將FTTH終端安裝在弱電井內的終端機箱中，利用弱電井至用戶家中的原有以太網線纜作傳輸媒質，在用戶家中安裝LAN上行家庭網關和PSE設備，將數據和電源通過PSE在以太網線纜上同時傳輸，把受電設備PD安裝在FTTH終端旁邊，PD將數據和電源分離，分別傳輸到FTTH終端的數據端口和電源端口。弱電井PoE應用方案連接如圖1所示。

（2）場景二：家庭信息箱PoE應用方案

光纖入戶至室內家庭信息箱的位置，FTTH終端放置在家庭信息箱內，家庭信息箱內的以太網線纜已與用戶PC、IPTV機頂盒等實現連接，此時可考慮在用戶家庭內PC機或IPTV機頂盒的位置安裝供電設備PSE，將數據和直流電源通過PSE在以太網線纜上同時傳輸；把受電設備PD放置在家庭信息箱內，將數據和電源分離，分別傳輸到FTTH終端的數據端口和電源端口。家庭信息箱PoE應用方案連接如圖2所示。

3 PoE設備的主要技術參數

目前，PoE技術普遍采用的標準為IEEE 802.3af，根據該標準規定PoE設備的主要技術參數為輸入電壓范圍44～57 V，典型工作電壓48 V（亦可適當調高至50 V，以便于獲得更好的輸出功率）、典型工作電流小于350 mA、輸出功耗0.44～12.95 W，最大不超過13 W。以上PoE設備技術參數中輸出功耗和工作電流對于PoE在FTTH中的應用尤為關鍵。

上海電信常用的FTTH終端分為兩大類。

一類是普通單用戶終端SFU，根據其用戶側端口數量及類型不同，不同型號終端功耗會有很大差異。一般而言，單FE/GE端口的SFU終端功耗為2.0～3.0 W，而4FE+2POTS（4個以太網端口，2個話音端口）的SFU終端功耗為5～10 W。

另一類是PON上行家庭網關終端，而常用的AP外置型家庭網關普遍可以實現12 W以內的功耗。由此可見符合IEEE 802.3af標準的PoE設備12.95 W的輸出功耗基本可以滿足城市光網FTTH終端正常工作的需要。

另一個參數是工作電流，工作電流不但決定了PoE設備最終輸出功耗的大小，還會影響所使用以太網線纜的性能。對輸出功耗的影響不難理解，因為在工作電壓DC 48 V基本恒定時，工作電流越大輸出功耗也越大。但是，工作電流不是越大越好，因為以太網五類線不是按照傳輸電源信號來設計的，長期的大電流帶來的熱量會導致線纜絕緣層的老化，以致于出現短路等安全隱患和影響數據信號的正常傳輸。根據美制AWG線規標準，日常使用的以太網線纜芯徑為0.4～0.5 mm，其正常承載電流范圍不宜大于800 mA。為此，采用IEEE 802.3af標準的PoE設備限流350 mA在FTTH場景下應用是非常安全的。

4 簡易型PoE設備在FTTH中的應用探討

在分析完PoE設備的功能和性能滿足城市光網FTTH場景應用要求之后，影響到其規模部署的主要因素就是價格了。PoE設備的AC/DC（220 V轉48 V）電源模塊、DC/DC（48 V轉12 V）電源模塊以及PoE芯片在整套設備價格中占了很大比例，目前PoE設備的市場價格為150～200元人民幣。而FTTH一線的成本在1 200元人民幣左右，因此一旦使用PoE設備將使FTTH的成本再增加15%～20%。于是，在原有標準型PoE設備的基礎上，市場上也出現了簡易型PoE設備。簡易型PoE設備由合成器和分離器組成，合成器中沒有PoE芯片和AC/DC轉換模塊，而是利用FTTH終端原有電源適配器產生的12 V直流電源直接加載到以太網線纜上傳輸，分離器也沒有DC/DC轉換模塊，直接接收DC 12 V為FTTH終端供電。因此，簡易型PoE設備的市場價格只有幾十元人民幣左右。標準型和簡易型PoE系統的具體連接示意如圖3所示。

雖然簡易型PoE設備價格便宜，但是其不具備電流檢測、安全保護等功能，且DC 12 V供電電壓較低，因而在FTTH應用時還是存在不少問題，主要表現在以下幾方面。

第一，簡易型PoE設備由于不具備短路檢測功能，一旦以太網線纜存在短路故障，持續輸出的直流電流會產生很大的熱量，容易導致安全事故。

第二，由于DC 12 V電壓值較低，若要滿足負載供電的要求，需要提高供電電流，而五類線在長期的大電流信號傳輸中，產生的熱量將會降低線纜的絕緣性能，從而影響數據的正常傳輸。同時，DC 12 V的傳輸會在以太網線纜上產生較大的壓降，可能無法滿足FTTH終端供電要求，因此簡易型PoE的直流電信號的傳輸距離受到限制。

第三，簡易型PoE設備必須采用4/5、7/8線對傳輸直流電，只能滿足以太網100 Mbit/s以下的工作速率。而標準型PoE設備可以將數據信號和直流電信號同時在以太網線纜1/2和3/6線對上傳輸，4/5和7/8線對仍然可以傳輸數據信號，今后可以實現以太網吉比特的傳輸速率。

正因為簡易型PoE設備存在諸多問題，在城市光網FTTH建設中不建議采用簡易型PoE設備解決以太網供電問題。

5 FTTH場景下的PoE技術創新

為保證FTTH PoE設備在使用過程中不會造成FTTH終端、用戶設備的損壞，杜絕一切使用安全隱患，上海電信創新地將符合國際標準IEEE 802.3af的PoE檢測機制加入FTTH的PoE設備中，主要包括偵測模式、供電模式、工作模式和偵測斷開模式。具體檢測流程為PSE供電設備通過檢測電源輸出線對之間的電阻或電容值來判斷PD受電設備是否存在，或者PD受電設備是否符合標準要求。當檢測到PD阻抗為23.75～26.25 kΩ或PD端并聯的輸入電容值小于0.12 μF時，可以認為PD設備合法；當得到PD阻抗值小于12 kΩ或大于45 kΩ或者電容值大于10 μF時，應判定該PD設備不合法，不對其供電；另外，當PD阻抗大于500 kΩ時，可認為PD端開路。為保證測量結果有效，PSE施加電壓應該在2.7～10.1 V，采用斜率技術進行特征阻抗計算，且至少要進行2次以上的測量以便可以得到良好的V-I曲線。當偵測到端口下掛設備屬于合法的PD設備時，PoE系統進入供電模式，PSE設備開始對該設備進行供電，輸出48 V直流電壓。而且在隨后的工作模式中實時進行監控和電源管理，包括監視PD設備的“維持功率”特征、偵測PD設備是否已斷線、MPS信號是否消失、檢測電流是否超過過載電流達到75 ms以及電流值達到短路電流在75 ms等情況。一旦檢測到以上故障現象PSE供電設備將關閉端口輸出電壓，端口狀態重新返回到偵測模式，正常情況下PSE會快速斷開，注意停止供電前必須等到300～400 ms，以便設備做出相應處理。標準的工作流程如圖4所示。

表1 RJ-45端口引腳序列的定義

加入了IEEE 802.3af安全機制后，可以確保只有在真正需要供電的時候，以太網線纜內才會有48 V的電流輸出，在錯接、斷線、短路等非正常情況下是不會供電的，因此確保了供電的安全。此外，上述工作流程中“分類模式”作為可選模式，考慮到城市光網FTTH終端功耗基本恒定，FTTH PoE設備可不提供該功能。

除了加入IEEE 802.3af的安全機制外，上海電信對于城市光網應用的FTTH PoE設備還提出新的要求。為滿足功耗較高的家庭網關終端開機啟動的需求，提高了PoE設備啟動電流；為保證PoE設備在復雜環境中的應用，提出了與FTTH終端要求保持一致的防雷、防靜電、高低溫等環境及電氣特性等。

6 FTTH建設中PoE設備部署要點

在城市光網FTTH建設中除了要規范PoE設備的技術要求外，作為PoE傳輸媒質的以太網線纜也是一個重要環節。在PoE設備的安裝過程中，必須對以太網線纜進行檢測，以保證PoE系統的正常和穩定運行，主要包括接線圖、長度、阻抗、衰減、近端串擾、回波損耗等指標的檢測。

（1）接線圖

PoE設備采用的以太網線纜應符合EIA/TIA-568B標準，線纜以RJ-45端口引腳1～8排列的連接要求見表1。

其中，標準型PoE設備推薦采用1/2和3/6線對傳輸48 V直流電和數據信號。簡易型PoE設備必須采用4/5和7/8線對傳輸 12 V直流電，1/2和 3/6線對傳輸數據信號。

（2）長度

通過測試，在標準型PoE設備應用場景中，0.5 mm線徑標準以太網線纜的傳輸極限為105 m(推薦以太網線纜控制在80 m以內)；在簡易型PoE設備應用場景中，0.5 mm線徑標準以太網線纜傳輸極限為33.6 m。

（3）電阻

標準線纜雙線對供電時電阻直流環路電阻是一對線纜環路電阻之和，在標準型PoE系統中規定直流環路電阻不大于25Ω(工程測試值)，在簡易型PoE系統中規定直流環路電阻不得大于5Ω(工程測試值)。

（4）其他參數

在滿足接線圖、長度和電阻的要求后，為了保證以太網數據傳輸性能（五類線達到100 Mbit/s、超五類線達到1 000 Mbit/s速率），線纜的衰減、近端串擾、回波損耗等指標必須符合EIA/TIA-568B標準要求。對于五類線衰減和近端串擾必須符合規定，而對于超五類線除衰減和近端串擾外，回波損耗、衰減串擾比、綜合近端串擾和綜合衰減串擾比也必須符合EIA/TIA-568B標準。

對于簡易型PoE設備上電后是持續供電的，要求電源適配器必須具有過流保護功能，當回路中電流超過過流保護值后，電源適配器將截止輸出或進行限流，建議電源適配的過流保護點最大限制電流不大于1.2 A。

7 結束語

在城市光網大發展的今天，如何發展用戶、留住用戶至關重要。上海電信采用PoE技術解決FTTH終端供電難問題的同時，還挽回了大量由于無法供電而不得不退單的用戶。由于PoE設備小巧靈活，不影響用戶家庭美觀，因此贏得了相當一部分潛在FTTH用戶，為運營商長遠發展打下了堅實的基礎。據統計，上海電信現網已規模部署了近萬套標準型PoE設備，且設備運行穩定、性能良好。總之，FTTH PoE設備的應用在推動“城市光網”FTTH接入網建設過程中，提高了FTTH終端的安裝效率。但是，標準PoE產品價格相對較高，占比FTTH建設成本也較大，筆者撰寫本文的目的是要推動PoE產業鏈的快速成熟，以便盡早降低成本，推動FTTH的規模發展。

1 IEEE 802.3af.Data Terminal Equipment（DTE）Power via Media Dependant Interface（MDI）.IEEE Computer Society,2003

2 中國電信股份有限公司上海分公司.中國電信股份有限公司上海分公司基于FTTH的反向PoE產品技術規范V2.0（試行），2010

3 中國電信股份有限公司上海分公司.中國電信股份有限公司上海分公司基于FTTH的反向PoE產品安裝指導意見V2.0(試行)，2010