PoE技術(shù)在FTTH建設(shè)中的應(yīng)用和創(chuàng)新：上海“城市光網(wǎng)”技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)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(tǒng)PoE技術(shù)及其應(yīng)用

PoE（power over ethernet，以太網(wǎng)供電），其理念就是通過供電設(shè)備PSE將220 V交流電源信號轉(zhuǎn)換成直流電源信號后與數(shù)據(jù)信號在以太網(wǎng)線纜上混合傳輸，并在遠端通過受電設(shè)備PD將數(shù)據(jù)和電源信號分離，最終達到以太網(wǎng)遠程供電的目的。PoE標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種以太網(wǎng)供電方法。

一種稱為“中間跨接(mid-span)法”，即使用以太網(wǎng)線纜中空閑線對傳輸直流電源。這種PoE設(shè)備被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)IP電話、IP視頻監(jiān)控以及無線局域網(wǎng)等FTTB場景。具體組網(wǎng)方案是將一個專門的電源管理設(shè)備Mid-span PSE部署在傳統(tǒng)以太網(wǎng)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(zé)將交換機的數(shù)據(jù)信號與轉(zhuǎn)換后的直流電信號一起通過以太網(wǎng)線纜傳輸給受電終端，實現(xiàn)遠程以太網(wǎng)供電。

另一種稱為“末端跨接(end-span)法”，即在以太網(wǎng)線纜的同一線對上傳輸數(shù)據(jù)和直流電。這種PoE設(shè)備通常是具有PoE功能的以太網(wǎng)交換機、路由器等其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換設(shè)備，在傳輸數(shù)據(jù)信號所用的以太網(wǎng)線對上同時傳輸直流電源，且采用與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號不同的頻率。隨著無線AP等終端設(shè)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(wǎng)成本，以太網(wǎng)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(yīng)用。但是，無論是“中間跨接法”，還是“末端跨接法”，這一類PoE設(shè)備的應(yīng)用主要是從網(wǎng)絡(luò)側(cè)向終端側(cè)進行以太網(wǎng)供電，稱之為“正向PoE供電”。

2 PoE技術(shù)在FTTH場景中的應(yīng)用

為進一步加快寬帶網(wǎng)絡(luò)的提速，支撐高帶寬應(yīng)用的發(fā)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(shè)。在FTTH終端的規(guī)模安裝過程中發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)信號，但弱電井內(nèi)無法取電；二是入戶光纖已布放至用戶戶內(nèi)的家庭信息箱(多媒體智能終端盒)中，但信息箱內(nèi)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(shù)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(wǎng)線兩端的供電設(shè)備PSE把220 V的電源變壓為48 V低壓直流電源，與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號共同在以太網(wǎng)線纜內(nèi)進行傳輸，由受電設(shè)備PD接收，并DC/DC轉(zhuǎn)換，將48 V直流電轉(zhuǎn)換為12 V直流電供電給終端，達到以太網(wǎng)線供電的目的。但是，F(xiàn)TTH PoE方案則是利用用戶側(cè)室內(nèi)的交流電源反過來向網(wǎng)絡(luò)側(cè)的終端設(shè)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(wǎng)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(yīng)的FTTH PoE供電實施方案。

（1）場景一：弱電井PoE應(yīng)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(nèi)的終端機箱中，利用弱電井至用戶家中的原有以太網(wǎng)線纜作傳輸媒質(zhì)，在用戶家中安裝LAN上行家庭網(wǎng)關(guān)和PSE設(shè)備，將數(shù)據(jù)和電源通過PSE在以太網(wǎng)線纜上同時傳輸，把受電設(shè)備PD安裝在FTTH終端旁邊，PD將數(shù)據(jù)和電源分離，分別傳輸?shù)紽TTH終端的數(shù)據(jù)端口和電源端口。弱電井PoE應(yīng)用方案連接如圖1所示。

（2）場景二：家庭信息箱PoE應(yīng)用方案

光纖入戶至室內(nèi)家庭信息箱的位置，F(xiàn)TTH終端放置在家庭信息箱內(nèi)，家庭信息箱內(nèi)的以太網(wǎng)線纜已與用戶PC、IPTV機頂盒等實現(xiàn)連接，此時可考慮在用戶家庭內(nèi)PC機或IPTV機頂盒的位置安裝供電設(shè)備PSE，將數(shù)據(jù)和直流電源通過PSE在以太網(wǎng)線纜上同時傳輸；把受電設(shè)備PD放置在家庭信息箱內(nèi)，將數(shù)據(jù)和電源分離，分別傳輸?shù)紽TTH終端的數(shù)據(jù)端口和電源端口。家庭信息箱PoE應(yīng)用方案連接如圖2所示。

3 PoE設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

目前，PoE技術(shù)普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3af，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PoE設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)為輸入電壓范圍44～57 V，典型工作電壓48 V（亦可適當(dāng)調(diào)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(shè)備技術(shù)參數(shù)中輸出功耗和工作電流對于PoE在FTTH中的應(yīng)用尤為關(guān)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(jù)其用戶側(cè)端口數(shù)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(wǎng)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(wǎng)關(guān)終端，而常用的AP外置型家庭網(wǎng)關(guān)普遍可以實現(xiàn)12 W以內(nèi)的功耗。由此可見符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PoE設(shè)備12.95 W的輸出功耗基本可以滿足城市光網(wǎng)FTTH終端正常工作的需要。

另一個參數(shù)是工作電流，工作電流不但決定了PoE設(shè)備最終輸出功耗的大小，還會影響所使用以太網(wǎng)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(wǎng)五類線不是按照傳輸電源信號來設(shè)計的，長期的大電流帶來的熱量會導(dǎo)致線纜絕緣層的老化，以致于出現(xiàn)短路等安全隱患和影響數(shù)據(jù)信號的正常傳輸。根據(jù)美制AWG線規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，日常使用的以太網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)的PoE設(shè)備限流350 mA在FTTH場景下應(yīng)用是非常安全的。

4 簡易型PoE設(shè)備在FTTH中的應(yīng)用探討

在分析完P(guān)oE設(shè)備的功能和性能滿足城市光網(wǎng)FTTH場景應(yīng)用要求之后，影響到其規(guī)模部署的主要因素就是價格了。PoE設(shè)備的AC/DC（220 V轉(zhuǎn)48 V）電源模塊、DC/DC（48 V轉(zhuǎn)12 V）電源模塊以及PoE芯片在整套設(shè)備價格中占了很大比例，目前PoE設(shè)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(shè)備將使FTTH的成本再增加15%～20%。于是，在原有標(biāo)準(zhǔn)型PoE設(shè)備的基礎(chǔ)上，市場上也出現(xiàn)了簡易型PoE設(shè)備。簡易型PoE設(shè)備由合成器和分離器組成，合成器中沒有PoE芯片和AC/DC轉(zhuǎn)換模塊，而是利用FTTH終端原有電源適配器產(chǎn)生的12 V直流電源直接加載到以太網(wǎng)線纜上傳輸，分離器也沒有DC/DC轉(zhuǎn)換模塊，直接接收DC 12 V為FTTH終端供電。因此，簡易型PoE設(shè)備的市場價格只有幾十元人民幣左右。標(biāo)準(zhǔn)型和簡易型PoE系統(tǒng)的具體連接示意如圖3所示。

雖然簡易型PoE設(shè)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(yīng)用時還是存在不少問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

第一，簡易型PoE設(shè)備由于不具備短路檢測功能，一旦以太網(wǎng)線纜存在短路故障，持續(xù)輸出的直流電流會產(chǎn)生很大的熱量，容易導(dǎo)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(chǎn)生的熱量將會降低線纜的絕緣性能，從而影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。同時，DC 12 V的傳輸會在以太網(wǎng)線纜上產(chǎn)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(shè)備必須采用4/5、7/8線對傳輸直流電，只能滿足以太網(wǎng)100 Mbit/s以下的工作速率。而標(biāo)準(zhǔn)型PoE設(shè)備可以將數(shù)據(jù)信號和直流電信號同時在以太網(wǎng)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(shù)據(jù)信號，今后可以實現(xiàn)以太網(wǎng)吉比特的傳輸速率。

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

5 FTTH場景下的PoE技術(shù)創(chuàng)新

為保證FTTH PoE設(shè)備在使用過程中不會造成FTTH終端、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FTTH的PoE設(shè)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(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阻抗為23.75～26.25 kΩ或PD端并聯(lián)的輸入電容值小于0.12 μF時，可以認為PD設(shè)備合法；當(dāng)?shù)玫絇D阻抗值小于12 kΩ或大于45 kΩ或者電容值大于10 μF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500 kΩ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2.7～10.1 V，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。當(dāng)偵測到端口下掛設(shè)備屬于合法的PD設(shè)備時，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48 V直流電壓。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(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，注意停止供電前必須等到300～400 ms，以便設(shè)備做出相應(yīng)處理。標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)線纜內(nèi)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(wǎng)FTTH終端功耗基本恒定，F(xiàn)TTH PoE設(shè)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(wǎng)應(yīng)用的FTTH PoE設(shè)備還提出新的要求。為滿足功耗較高的家庭網(wǎng)關(guān)終端開機啟動的需求，提高了PoE設(shè)備啟動電流；為保證PoE設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)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(huán)境及電氣特性等。

6 FTTH建設(shè)中PoE設(shè)備部署要點

在城市光網(wǎng)FTTH建設(shè)中除了要規(guī)范PoE設(shè)備的技術(shù)要求外，作為PoE傳輸媒質(zhì)的以太網(wǎng)線纜也是一個重要環(huán)節(jié)。在PoE設(shè)備的安裝過程中，必須對以太網(wǎng)線纜進行檢測，以保證PoE系統(tǒng)的正常和穩(wěn)定運行，主要包括接線圖、長度、阻抗、衰減、近端串?dāng)_、回波損耗等指標(biāo)的檢測。

（1）接線圖

PoE設(shè)備采用的以太網(wǎng)線纜應(yīng)符合EIA/TIA-568B標(biāo)準(zhǔn)，線纜以RJ-45端口引腳1～8排列的連接要求見表1。

其中，標(biāo)準(zhǔn)型PoE設(shè)備推薦采用1/2和3/6線對傳輸48 V直流電和數(shù)據(jù)信號。簡易型PoE設(shè)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(shù)據(jù)信號。

（2）長度

通過測試，在標(biāo)準(zhǔn)型PoE設(shè)備應(yīng)用場景中，0.5 mm線徑標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線纜的傳輸極限為105 m(推薦以太網(wǎng)線纜控制在80 m以內(nèi))；在簡易型PoE設(shè)備應(yīng)用場景中，0.5 mm線徑標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線纜傳輸極限為33.6 m。

（3）電阻

標(biāo)準(zhǔn)線纜雙線對供電時電阻直流環(huán)路電阻是一對線纜環(huán)路電阻之和，在標(biāo)準(zhǔn)型PoE系統(tǒng)中規(guī)定直流環(huán)路電阻不大于25Ω(工程測試值)，在簡易型PoE系統(tǒng)中規(guī)定直流環(huán)路電阻不得大于5Ω(工程測試值)。

（4）其他參數(shù)

在滿足接線圖、長度和電阻的要求后，為了保證以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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?dāng)_、回波損耗等指標(biāo)必須符合EIA/TIA-568B標(biāo)準(zhǔn)要求。對于五類線衰減和近端串?dāng)_必須符合規(guī)定，而對于超五類線除衰減和近端串?dāng)_外，回波損耗、衰減串?dāng)_比、綜合近端串?dāng)_和綜合衰減串?dāng)_比也必須符合EIA/TIA-568B標(biāo)準(zhǔn)。

對于簡易型PoE設(shè)備上電后是持續(xù)供電的，要求電源適配器必須具有過流保護功能，當(dāng)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(jié)束語

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。上海電信采用PoE技術(shù)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(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，為運營商長遠發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，上海電信現(xiàn)網(wǎng)已規(guī)模部署了近萬套標(biāo)準(zhǔn)型PoE設(shè)備，且設(shè)備運行穩(wěn)定、性能良好。總之，F(xiàn)TTH PoE設(shè)備的應(yīng)用在推動“城市光網(wǎng)”FTTH接入網(wǎng)建設(shè)過程中，提高了FTTH終端的安裝效率。但是，標(biāo)準(zhǔn)PoE產(chǎn)品價格相對較高，占比FTTH建設(shè)成本也較大，筆者撰寫本文的目的是要推動PoE產(chǎn)業(yè)鏈的快速成熟，以便盡早降低成本，推動FTTH的規(guī)模發(fā)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(chǎn)品技術(shù)規(guī)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(chǎn)品安裝指導(dǎo)意見V2.0(試行)，2010