PoE反向供電方案破解“城市光網(wǎng)”FTTH取電難題

中國電信上海公司│朱俊 杜喆

PoE反向供電方案破解“城市光網(wǎng)”FTTH取電難題

中國電信上海公司│朱俊 杜喆

在“城市光網(wǎng)”大發(fā)展的今天，如何發(fā)展用戶、留住用戶至關(guān)重要。PoE反向供電解決方案既能挽留FTTH用戶，也能大大提高FTTH規(guī)模部署的安裝效率，值得業(yè)界推廣。

“城市光網(wǎng)”是中國電信上海公司（即上海電信）為擺脫銅纜接入技術(shù)的帶寬瓶頸，在城市化地區(qū)實現(xiàn)商務(wù)樓光纖到樓層、住宅小區(qū)光纖進門洞，滿足多業(yè)務(wù)高寬帶承載要求“三網(wǎng)融合”的寬帶光網(wǎng)絡(luò)。為進一步推進“城市光網(wǎng)”的寬帶接入網(wǎng)建設(shè)，支撐高帶寬應(yīng)用發(fā)展，提升網(wǎng)絡(luò)運營能力，上海電信決定大規(guī)模建設(shè)FTTH。

上海電信在進行大規(guī)模“城市光網(wǎng)”FTTH建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)，部分光纖入戶的位置FTTH終端設(shè)備取電十分困難，造成大部分用戶因為取電問題而無法安裝，即使勉強安裝也是裝維人員布放了220V電源線，不僅造成了大部分用戶流失，也帶來了安全隱患及安裝效率低下的問題。

為此上海電信對“城市光網(wǎng)”現(xiàn)網(wǎng)實際情況進行分析調(diào)研，提出了通過反向PoE技術(shù)解決FTTH終端設(shè)備供電的初步想法。通過深入研究，上海電信起草制定了技術(shù)規(guī)范、定制開發(fā)了PoE產(chǎn)品、制定了實驗室測試方案、組織進行了多次實驗室及現(xiàn)網(wǎng)測試。通過理論分析和實踐形成了一系列創(chuàng)新成果，最終形成了一整套完備的適合上海電信“城市光網(wǎng)”發(fā)展的F T TH反向PoE供電解決方案，有效解決了FTTH取電難問題，排除了電信裝維人員拉強電的安全隱患，同時提高了FTTH安裝效率。

圖1 弱電井場景PoE應(yīng)用模式示意圖

應(yīng)用場景不同，方案不同

PoE的理念就是通過以太網(wǎng)線傳輸電源，通過以太網(wǎng)線兩端的PSE、PD設(shè)備把220V的電源變壓為48V低壓直流電流，與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號共同在五類線內(nèi)進行傳輸，達到以太網(wǎng)線供電的目的。反向PoE指的是供電設(shè)備在受電設(shè)備的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)信號流方向下游，反過來向上游的終端設(shè)備供電。這樣的反向供電模式非常適合城市光網(wǎng)FTTH終端的實際應(yīng)用場景。

上海電信光纖入戶有多種方式，其中光纖到室外弱電井及光纖到室內(nèi)家庭信息箱(多媒體智能終端盒)這兩種應(yīng)用場景，由于存在施工設(shè)計時未考慮供電，造成FTTH用戶終端無法就近取電。針對上述兩種FTTH用戶終端取電困難的場景，我們相應(yīng)制定了PoE反向供電的實施方案。

● 場景一：弱電井PoE應(yīng)用方案

此方案中，光纖布放至室外弱電井，F(xiàn)TTH用戶終端放置在弱電井內(nèi)，弱電井至用戶家中已有五類線，只需在用戶家中安裝LAN上行家庭網(wǎng)關(guān)，從而完成“城市光網(wǎng)”業(yè)務(wù)的接入。這種場景光纖的布放只需到達弱電井，依靠原有的五類線入戶，解決了光纖入戶打洞、穿墻布設(shè)等難題，比較容易得到用戶的接受。

但是弱電井往往沒有220V電源可供FTTH用戶終端使用，因此可以借助于PoE設(shè)備。上海電信在用戶家庭內(nèi)部署PSE供電設(shè)備，將數(shù)據(jù)和電源通過PSE設(shè)備在五類線纜上同時傳輸；把PD受電設(shè)備放置在弱電井內(nèi)，將數(shù)據(jù)和電源分離，分別傳輸?shù)紽TTH用戶終端的數(shù)據(jù)端口和電源端口。弱電井PoE應(yīng)用方案如圖1所示。

圖2 室內(nèi)家庭信息箱場景PoE應(yīng)用模式示意圖

● 場景二：家庭信息箱PoE應(yīng)用方案

此方案中，光纖入戶至室內(nèi)家庭信息箱，F(xiàn)TTH用戶終端放置在家庭信息箱里，而通過家庭信息箱內(nèi)的入戶五類線連接用戶PC、IPTV機頂盒和話機，從而實現(xiàn)上網(wǎng)、IPTV和VoIP等業(yè)務(wù)。

由于室內(nèi)家庭信息箱附近可能沒有電源可供FTTH用戶終端使用，同樣需要借助PoE設(shè)備。該方案在用戶家庭內(nèi)PC機或IPTV機頂盒的位置部署PSE供電設(shè)備，將數(shù)據(jù)和電源通過PSE設(shè)備在五類線纜上同時傳輸；而把PD受電設(shè)備放置在家庭信息箱內(nèi)，又將數(shù)據(jù)和電源分離，分別傳輸?shù)紽TTH用戶終端的數(shù)據(jù)端口和電源端口。家庭信息箱PoE應(yīng)用方案如圖2所示。

結(jié)合802.3af標(biāo)準(zhǔn)保障安全性

為保證PoE設(shè)備在使用過程中，不造成FTTH設(shè)備、用戶設(shè)備的損壞，杜絕一切使用安全隱患，上海電信創(chuàng)新地將符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3af的PoE檢測機制加入到FTTH的PoE產(chǎn)品中。

原理是通過在PSE、PD上加入802.3af芯片進行安全檢測，檢測機制包括：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(shè)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(shè)備是否存在，或者PD受電設(shè)備是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)檢測到PD阻抗在23.75kΩ～26.25kΩ之間或PD端并聯(lián)的輸入電容值小于0.12μF時，可以認為PD設(shè)備合法；當(dāng)?shù)玫絇D阻抗值小于12kΩ及大于45kΩ或者電容值大于10μF時，應(yīng)判定該PD設(shè)備不合法，不對其供電；另外當(dāng)PD阻抗大于500kΩ時，可認為PD端開路。為保證測量結(jié)果有效，PSE施加電壓應(yīng)該在2.7～10.1V之間，采用斜率技術(shù)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。多次測量間的電壓幅度差需要大于1V，測量間隔應(yīng)大于2ms。

一旦對端的PD受電設(shè)備不存在或為非法設(shè)備，PSE供電設(shè)備將不會輸出工作電流，而只有檢測到合法PD受電設(shè)備后才會進入到下一個工作模式——分級模式。由于PSE設(shè)備的供電資源有限，不能向用電設(shè)備提供任意大小的電能，所以在成功偵測到合法PD設(shè)備之后，PSE可選通過檢測電源輸出電流確定PD功率等級，從而可以確定出是否可以提供該設(shè)備所需要的能量。如果PD設(shè)備需要的電能超過PSE設(shè)備設(shè)定的輸出最大值范圍，PSE設(shè)備將不向其供電。如果在PSE設(shè)備的剩余可供電能不足時，停止繼續(xù)接受其他PD設(shè)備的接入。分級階段端口輸出電壓大小14.5V～20.5V。電壓極性與+48V輸出一致，之后檢測回路中的電流的峰值大小（不得大于100mA，以免對設(shè)備造成損害）。PSE設(shè)備根據(jù)該電流值進行判定相應(yīng)的PD設(shè)備屬于的功耗等級，本規(guī)范建議采用系統(tǒng)默認的分級模式0，PD設(shè)備功率范圍0.44W～12.95W。

當(dāng)偵測到端口下掛設(shè)備屬于合法的PD設(shè)備時，并且PSE設(shè)備完成對此PD設(shè)備的功率分級，PoE系統(tǒng)進入供電模式，PSE設(shè)備開始對該設(shè)備進行供電，輸出48V的電壓。而且在隨后的工作模式中實時進行監(jiān)控和電源管理，包括：監(jiān)視PD設(shè)備的“維持功率”特征、偵測PD設(shè)備是否已斷線、MPS信號的消失、檢測電流是否超過過載電流達到75ms，以及電流值達到短路電流在75ms等情況。一旦檢測到以上故障現(xiàn)象，PSE供電設(shè)備將關(guān)閉端口輸出電壓，端口狀態(tài)重新返回到偵測模式，正常情況下PSE會快速斷開停止供電前必須等到300～400ms，以便設(shè)備做出相應(yīng)處理。其中，針對PSE設(shè)備偵測PD設(shè)備是否已斷線，PoE系統(tǒng)將采用對PD進行交流阻抗偵測，即通過一個小幅度的共模交流電壓與數(shù)據(jù)信號和48V直流被同時送到以太網(wǎng)線纜上，然后測量交流電流并算出端口阻抗，如果PD設(shè)備還沒有被斷開，這個值應(yīng)該低于26.25kΩ，交流電壓的頻率應(yīng)該在1MHZ到100MHZ之間。另外，還有一種情況就是MPS信號的消失：在供電期間，PD設(shè)備應(yīng)放出的MPS（maintian power signature）信號，該信號兩個有效判斷依據(jù)是直流電流不得小于10mA以及500Hz以內(nèi)的所有頻率對應(yīng)的交流阻抗不得低于33kΩ。PSE根據(jù)這兩個依據(jù)判斷MPS信號，從而進行斷電處理。具體的工作流程如圖3所示。

加入了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(wǎng)線內(nèi)才會有48V電壓的電流輸出，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。

PoE產(chǎn)品測試與規(guī)范制定

在實驗室測試中，上海電信結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)部署的操作細節(jié)、物理環(huán)境、安全問題等因素創(chuàng)新地提出多個測試項目。首先針對現(xiàn)網(wǎng)使用環(huán)境中存在的復(fù)雜布網(wǎng)情況，分別測試了3米、30米、80米網(wǎng)線情況下的PoE供電能力，并且長網(wǎng)線采用網(wǎng)線延長轉(zhuǎn)接頭拼接而成，盡可能模擬出最復(fù)雜的網(wǎng)線連接情況。在功能測試部分驗證了PoE設(shè)備啟動電流、電壓是否滿足FTTH用戶終端的實時開啟，是否滿足網(wǎng)關(guān)全業(yè)務(wù)使用情況下對于穩(wěn)定功率的要求；性能測試部分驗證了PoE供電的最大傳輸距離和最小安全傳輸距離；通過反復(fù)上電/斷電模擬用戶實際的操作行為，檢驗PoE設(shè)備的可靠性。

同時，上海電信對Po E設(shè)備進行了48小時的長時間穩(wěn)定性測試，通過SMARTBITS打流，檢查PoE供電的網(wǎng)關(guān)設(shè)備在48小時內(nèi)的丟包率為多少，以此來檢測PoE設(shè)備供電的穩(wěn)定性。針對現(xiàn)網(wǎng)部署PoE設(shè)備最關(guān)鍵的安全性，我們設(shè)計了反線序供電、線纜短路、線纜帶電連接用戶終端等多項安全性測試項目，排除一切可能造成用戶設(shè)備損壞等安全性問題。另外，對于五類線上傳輸電流造成的五類線發(fā)熱老化問題，我們進行了長時間測試并計算網(wǎng)線發(fā)熱功率，保證48V電流在五類線上傳輸?shù)陌踩榱吮ＷCPoE設(shè)備環(huán)境及電氣特性滿足室內(nèi)/室外部署的需求，我們通過專業(yè)實驗室對PoE設(shè)備進行了防雷、防靜電及高低溫等電器特性的測試。

經(jīng)過實驗室測試后，我們還到現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中進行多次驗證和試用。在得到大量的一手測試數(shù)據(jù)后，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用需求以及PoE技術(shù)特點，上海電信制定了《中國電信上海公司基于FTTH的PoE產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范》，詳細地制定了適用于上海電信的PoE設(shè)備的各項技術(shù)指標(biāo)和性能要求，用于指導(dǎo)設(shè)備廠商的定制開發(fā)和生產(chǎn)；同時，還制定了《中國電信上海公司POE設(shè)備應(yīng)用技術(shù)規(guī)范V1.0》，定義了上海電信PoE設(shè)備的使用場景、布線方式、安裝方法，用來指導(dǎo)電信裝維人員的規(guī)范操作，并組織開展了城市光網(wǎng)培訓(xùn)基地內(nèi)的培訓(xùn)操作。

6大測試

上海電信定制開發(fā)出FTTH的PoE產(chǎn)品后起草了詳細的測試方案，測試方案包括功能測試、性能測試、穩(wěn)定性測試、安全性測試、環(huán)境及電氣特性測試等部分。

圖3 PoE系統(tǒng)工作流程圖

PoE供電方案助力“城市光網(wǎng)”快速發(fā)展

在“城市光網(wǎng)”大發(fā)展的今天，如何發(fā)展用戶，留住用戶至關(guān)重要。反向PoE方案在解決FTTH終端供電難問題的同時，挽回了大量由于無法供電而不得不退單的用戶。由于PoE設(shè)備小巧靈活，不影響用戶家庭美觀，因此贏得了相當(dāng)一部分潛在FTTH用戶。

在挽回FTTH用戶的同時，通過PoE供電解決方案也大大提高了“城市光網(wǎng)”FTTH規(guī)模部署的安裝效率。據(jù)統(tǒng)計，采用引電方案2名裝維人員每天只能完成2戶FTTH用戶的安裝部署，而通過PoE供電解決方案后，每天可以完成6戶FTTH用戶的安裝部署，安裝效率得到了成倍的提高。

2000年后建成的房屋是FTTH的主力軍，這批房屋樓內(nèi)設(shè)有弱電井并且五類線入戶的情況較為普遍，因此如若這部分用戶光纖入戶存在困難的情況下，PoE供電方案不失為一種較好的補充技術(shù)手段，可以助力“城市光網(wǎng)”FTTH高速發(fā)展。

編輯｜刁興玲 diaoxingling@bjxintong.com.cn