光接入終端PoE反向供電技術

關強華，羅森文，陳少川，談儒猛

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 引言

隨著中國電信“寬帶中國·光網城市”企業戰略的不斷深入，大量的光接入終端進入用戶樓宇和居民家庭，但現有的大部分民居在裝修時只暗設了網線，沒有暗設光纜或預留光纜線管，光纖無法在不破壞民居裝修的情況下暗設入戶。因此，裝維人員只能將光纖布放在民居門口或同層弱電間，再連接光接入終端，終端無就近市電可接入，這就嚴重制約了光網的城市化進程。目前有些地方嘗試使用PoE（power over Ethernet，以太網供電）設備連接用戶室內市電，經過AC/DC變換和網線合路后加載到另一根網線上反向供給戶外終端。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簡介

IEEE在2003年發布的IEEE 802.3af標準和2009年發布的IEEE 802.3at標準中，對PoE進行了規定。PoE是指利用現有以太網線為IP終端傳輸數據信號的同時，還為此類設備提供直流電源的技術。一個完整的PoE系統包括供電端設備（power sourcing equipment，PSE）和受電端設備（powered device，PD）兩部分。

2.2 PoE原理和分類

標準的5類網線有4對雙絞線，但在l0 Mbit/s/100 BASE-T中只用到其中兩對，IEEE規定了PoE的兩種用法。

（1）應用數據線供電的PoE方法（alternative A）

利用數據腳供電，將DC電源加在傳輸變壓器的中點，不影響數據的傳輸。在這種方式下，線對1、2和線對3、6可以為任意極性。

（2）應用空閑腳供電的PoE方法（alternative B）

應用空閑腳供電的PoE方法如圖2所示，利用空閑腳供電，4、5腳為正極，7、8腳為負極。

標準規定，PSE只能提供其中一種用法，但PD必須能夠同時適應兩種情況。目前在PSE為獨立設備（如光接入終端PoE供電）時，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供電的適應性問題

由于網線線芯較細，單位長度電阻值（標準超5類線單位電阻值約為9.5×10-2Ω/m）較一般電源線大得多，采用現有的PoE方式供電時，會在網線上形成較大的壓降，可能導致遠端電壓過低，這限制了PoE供電的距離，甚至無法對PD正常供電。尤其當用戶網線不合格、單位電阻值更大時，供電距離更短。目前的解決方案是：在采用PoE供電時，提高PSE輸出電壓以補償網線上的壓降，如PD額定工作電壓為12 V，根據設備功率和供電網絡長度估算，需要補償的壓降是3 V，則PSE輸出電壓就選擇15 V。這種補償方案在設備功率變化不大、供電網線長度已確定較短的情況下是可行的，但實際上，設備的功率變化范圍是比較大的（以中興通訊ZXHN F420光接入終端設備為例，忙時的最大功耗是閑時的4倍以上），而且用戶裝修時暗設的網線長度難以測量，導致現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題。

3 PoE供電衍生方案

由于現有的PoE供電技術在某些場景中無法得到可靠應用，因此需要在保證安全性的前提下，對現有的PoE技術進行升級。筆者在本文中介紹了3種PoE供電技術衍生方案（中國電信已申請相關專利，擁有其知識產權），相比現有的方法適用范圍更廣，均可以在網線較長、質量較差、設備功率變化范圍大等不利條件下應用。

圖3 遠端穩壓的PoE供電系統組成

3.1 遠端穩壓方案

（1）系統組成

系統由高輸出電壓PSE和遠端安裝的“無源”穩壓器組成。其中，PSE輸出電壓較現有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）；穩壓器有兩個RJ45接口，分別是網線輸入端和網口輸出端，其中線1/2、3/6為直通，線4/5、7/8間接入串聯穩壓電路，考慮成本因素，一般采用穩壓二級管穩壓電路。詳細的系統組成如圖3所示。

（2）原理

提高PSE的輸出電壓，使得輸出電壓在經過100 m長合格網線的壓降后，遠端電壓仍不小于12 V，極限不得小于11 V；PD網口端安裝12 V無源穩壓器，保證PD輸入電壓為12 V。

（3）PD輸入電壓計算

僅計算兩種極端情況，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，如果網線極限長度為100 m、單線電阻9.5Ω，雙線回路電阻仍為9.5Ω，則壓降為6.8 V，遠端電壓大于12 V，穩壓器工作，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，如果網線長度為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，穩壓器不工作，PD可正常工作。

（4）系統優劣對比

該方案需在遠端增加穩壓器，但成本很低。穩壓器工作時，會有一定的能耗，但能耗較低。當戶外終端安裝在弱電間時，穩壓器會在遠端占用一定的空間，但占用空間非常小。本方案在遠端增加穩壓器，有可能會增加維護、檢修工作量。

3.2 遠端電壓實時檢測方案

（1）系統組成

本方案對PSE進行了改造，增加電壓檢測模塊和反饋電路，同時將線4/5、7/8供電改為用線4、8供電，線5、7在PSE內與線4、8斷開，連接新增的電壓檢測模塊（可以將電壓檢測模塊加線5、7理解為一個電壓檢測表）。詳細的系統組成如圖4所示。

（2）原理

只要能做到PoE遠端輸出電壓（即PD端輸入電壓）的實時測量，就能較易實現遠端恒壓輸出功能，所以本方案將原有PoE技術中PSE使用以太網端口的線4/5、7/8供電，改為用線4、8供電、線5、7連接新增的電壓檢測模塊，電壓檢測模塊通過線5、7測量遠端輸出電壓，并反饋給Vport。Vport將實際的遠端電壓與期望的遠端穩壓值（12 V）進行比較，通過調整輸出電壓使實際遠端電壓與期望的遠端穩壓值一致，達到遠端恒壓輸出的目的。

（3）系統優劣對比

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

3.3 復用載波電流方案

（1）系統組成

本方案對PSE進行了改造，增加了遠端檢測控制器和反饋電路，遠端檢測控制器具有對PSE直流輸出電流的檢測功能，并具有提供方波電流復用的功能。詳細的系統組成如圖5所示。

（2）原理

只要做到PoE遠端輸出電壓的實時測量，就能實現遠端的恒壓輸出功能。本方案在PSE設備內增加了遠端檢測控制器，其對PSE直流輸出電流進行檢測，并強制提供（復用）一個電流峰——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內的濾波電容C（在100～1 000μF，戶外終端多數為470μF）短路，所以遠端檢測控制器提供的方波電流產生的電壓（該值等于線上直流電壓的1/10）全部加載在供電線上，遠端檢測控制器將方波電壓值反饋給Vport。Vport將輸出電壓減去線上直流電壓（該值等于方波電壓的10倍），即可得出遠端電壓，將實際的遠端電壓與期望的遠端穩壓值進行比較，通過調整輸出電壓，使實際遠端電壓與期望遠端穩壓值一致，最終達到遠端穩壓的目的。

圖4 遠端電壓實時檢測的PoE供電系統組成

圖5 復用載波電流的PoE供電系統組成

表1 幾種PoE供電方案的比較

（3）方波電流頻率計算

根據濾波公式C≥（3～5）T/2，推導出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C為100μF時，f應不小于25 kHz；當C=1 000μF時，f應不小于2.5 kHz，所以本方案中方波電流頻率選擇25 kHz。

（4）系統優劣對比

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

4 方案比較與選擇

4.1 各種PoE供電方案比較

本節將現有末端跨接空閑腳供電的PoE方法與其3種衍生方案進行比較，見表1。

4.2 應用選擇

由于現有的末端跨接空閑腳供電的PoE供電技術在成本、能耗和維護檢修工作量上具有一定優勢，所以當居民網線質量較好、反向供電網線距離較短時，優先選用現有PoE供電方法。當現有PoE方法不適用時，由于遠端穩壓PoE方案具有成本低、能耗高的優點，若遠端空間足夠，優先選擇遠端穩壓PoE方案；若遠端空間不足，則可從遠端電壓實時檢測PoE方案和復用載波電流PoE方案中選擇。

5 結束語

由于居民固有裝修條件的限制，引發了光接入終端的供電問題，限制了中國電信“光網城市戰略”的發展，本文介紹了光接入終端無法入戶時，采用的PoE供電技術及幾種中國電信擁有自主知識產權的衍生方案，并比較了各種方案的優劣，提出了選擇的優先級，如果PoE供電技術及其衍生方案得以實施，相信用戶端光纖布線難題可以得到較好的解決。同時，以上方案進行適當修改后，可應用于AP、IP攝像機、樓道交換機等其他網絡設備的反向供電。

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 中國電信集團公司.中國電信EPON上行e8-C終端技術規范書,2011