用于运营商应用的以太网供电和 HDBaseT供电

前言

自1998年美高森美公司发明Power over LAN以来，以太网供电(PoE)已经被世界各地的企业用于部署IP电话、WLAN基础设施、网络安全摄像头，以及可靠性和安装灵活性非常重要的其它技术领域，在已经部署非PoE交换机或设备位于难以接触的位置的现有安装设施中，PoE可大幅降低资本支出。通过将电源转化为智能电源，PoE可按照预先计划的时间及通过远程设备调度进行设备掉电，从而降低运营支出。

虽然企业所应对的挑战不尽相同，但是，服务提供商都面临着有关设备位置(及是否有AC)和中央设备备份支持的类似问题。
本白皮书简要介绍现有以太网供电和HDBaseT供电的标准，以及服务提供商如何在不同的无线和有线接入应用中使用PoE和PoH。

以太网供电：技术和标准

PoE技术

一般说来，以太网供电是通过同一根CAT-5(或更好)电缆在不超过100m (333ft)范围内传输功率和数据的技术。它包括兼容设备检测机制，意味着仅这些兼容设备可获得供电。能量传输的工作电压总是小于60V，功率总是小于100W，而且电源有防短路保护，因此PoE 对人和设备都安全。与采用现场AC PoE电源适配器相比，PoE的主要优点有：

a)        受电设备(PD)可以位于距离电源设备(PSE)100m半径范围内的任何地方
b)        PD可以远程复位，不需要实际上接触它(通过管理PSE)
c)        所有与单个PSE连接的PD都可以通过单一不间断电源(UPS)获得备份电源支持，毋须每台设备都配备一个UPS
d)        RJ45连接器是通用的，在所有国家都通用
e)        PoE PD设备可以长时间远程关机 (采用管理PSE)

PoE标准

原来的PoE标准IEEE802.3af-2003定义了向功耗不超过12.95W的设备进行安全供电的方法。2009年9月，IEEE802.3工作小组对IEEE802.3at-2009规范进行了定稿，针对通过2线对向受电设备传输不超过25.5W功率，以及通过单一CAT5或更好的电缆向设备传输不超过51W功率进行了定义(未清楚规定如何实现)。现时IEEE802.3bt工作组正在对通过4线对传输25.5W以上功率进行明确定义。

HDBaseT供电

HDBaseT是HDBaseT联盟建立的标准，包括5Play，采用标准RJ-45连接器，可以实现向共享同一电缆的所有设备以高达8 Gb/s速率传输未压缩的视频和音频内容、100BaseT以太网、控制信号和功率，传输距离高达100 m。由于电视通常需要51W以上功率，而HDBaseT技术着眼于与音频和视频设备连接，因此满足了传输更高功率的要求。

HDBaseT供电(PoH)于2011年9月获得批准，扩展了PoE的能力，通过CAT5e或更好的电缆可以传输高达95W功率。HDBaseT联盟已经选择美高森美的4线对检测方法来插入电源，并且在更低功率水平下实现更高的能效，同时降低成本。

中跨与交换机的比较

部署大功率PoE技术的方法有两种：升级网络交换机，或者在现有的网络基础设施中安装中跨。带有PoE功能的交换机具有集成式解决方案的优点，网络连接仅需要一根电缆。但是，这并不一定是最佳选择。除非现有数据网络基础设施不足应用，要求更换交换机，增加容量或提升性能，以及需要低功耗水平，否则的话，中跨才是PoE部署的最佳选择。中跨可以简化部署、管理和维护，具有良好的灵活性、可靠性、安全性和能效。中跨通过对网络基础设施的功率和数据部分进行解耦，从而简化了网络扩展和升级，并为电源基础设施的低端口数目增量升级提供了更大的灵活性。

采用PoE和PoH技术的运营商应用部署

多种运营商应用能够从PoE或PoH技术受益，下面列举几种不同的配置。

室内企业或公共空间小型蜂窝和Wi-Fi热点

由于要实现更大的覆盖，小型蜂窝通常部署在较高、难以到达的地方。一般说来，它们的功耗是10W(用于话音的短距离毫微微蜂窝)至可能包括IEEE802.11ac支持的50W（用于距离更远、带宽更高的蜂窝）。这些小半径蜂窝通常通过1000BaseT(铜缆以太网)与网络连接。在企业毫微微蜂窝需要同时向10个以上用户提供100Mb/s带宽的极端情况中，可以采用2.5Gb/s连接，如NBase-T或10GBaseT上行链路。


图1 采用PoE的小型蜂窝簇部署

对于采用以太网基础设施传输数据和功率的部署，PoE允许把系统部署于方便的地方，且安装简单。管理PoE还允许进行远程功率管理，包括功率监测、远程复位和按照预定计划关机，节约功率和优化功率使用。在需要管理的情况下，还可以提供支持IPv6和SNMPv3的能力。对于向客户提供合约服务的设备，可以利用单个PoE中跨或开关供电，这一点使其适合于支持冗余电源。

在非运营商所拥有的地点进行运营商联网设备部署，考虑网络划分和部署的问题是非常重要的。许多企业已经拥有与PoE交换机连接的WLAN接入点。同一地点部署多个小型蜂窝，增加了蜂窝覆盖率并提高了Wi-Fi带宽，但是，所需要的功耗也大幅提高，从而带来了以下问题：是否可以采用PoE交换机实现？大多数情况下，现有PoE交换机只支持15.4W，某些情况下支持30W。由于交换机由负责该地点的IT经理管辖和维护，因而更换交换机比较复杂。因此，理想的解决方案是采用中跨，中跨可以添加到到网络中，并不需要中断或重新配置现有的交换机。
         
PoE作为基础设施的一部分

PoE中跨的其它优点是个体性/独立性：中跨可提供1、4、6、12和24端口配置，可以：

a)        与一个端口数量很多的交换机配对
b)         两个交换机之间共享

这意味着仅在真正需要时才购买PoE，PoE刷新周期从以太网交换机刷新周期解耦。由于美高森美管理室内中跨的有限使用寿命保证时间是16年，这意味着完全跳过一个刷新周期。实际上PoE成为了电缆连接基础设施的一部分。

能效和PoE

仅在需要时才部署PoE还能实现更高能效。如果部署每个端口都有PoE的PoE交换机，但未完全填充，则交换机中的PoE电源将有许多闲置能力，意味着从PoE交换机安装那刻起，功率损失更高。PoE中跨允许仅针对需要供电的设备安装PoE，最大程度地减少备用功率损失。

美高森美的PD-55xx、PD-95xx和PD-96xx系列包括美高森美独有的EEPoE(Energy Efficient PoE)技术，通过利用CAT5(或更好的电缆)中的所有铜，将功率传输给IEEE802.3at 25.5W(或以下)设备，进一步降低了功耗。与其它美高森美PoE中跨相比，采用EEPoE使得每个端口电缆上的功率损耗减少高达2.25W。

室外小型蜂窝或 Wi-Fi热点

室外蜂窝位于电力难以到达的地方，此外还有另一个缺点，就是要求IP66或IP67气象防护等级，这意味着减少输入端口数量非常重要。再一次，PoE可通过以下方法传输功率：

a)从具有PoE能力的光纤回程网关传输功率
b)利用室外中跨
c)        利用距离小型蜂窝或Wi-Fi不到100 m的室内单端口中跨
d)        利用室外额定PoE中心(连接小型蜂窝+回程或IP摄像机+ Wi-Fi网状热点及为它们供电)
e)        利用管理PoE开关，它将连接多台室外 PoE设备，如IP摄像机+小型蜂窝+无线/光纤回程，或IP摄像机+Wi-Fi热点 + 回程


图2 以室外中跨部署传输功率给小型蜂窝+回程


图3 室内至室外小型蜂窝/Wi-Fi热点


图4 利用带管理PoE开关的PoE中心，进行小型蜂窝+回程部署


图5 带IP摄像头部署的Wi-Fi网状热点
         
在PoE+ 和PoH面世之前建立的旧的小型蜂窝或回程设备，或许具有在Telecom 电压工作的独立DC输入，这将是额外的输入，因此，从成本和设计复杂性来说，它的效率不高，正被小型蜂窝生产商逐渐抛弃。

在室外安装中，确保在受电设备附近提供合适的过电压保护/避雷装置以保护受电设备，是非常重要的。在室外PoE PSE(通常内部保护)和受电设备之间电缆较长时，这一点尤其重要。

室外蜂窝还可以与室内通信室连接，此时，需要在建筑物以太网出口附近安装避雷保护装置，采用的室内PoE电源应为单端口设备。根据 IEEE802.3-2012的3.3.4.1.1条 - 电气隔离环境，多端口PSE设备不能用于给安装在两幢不同建筑物中的设备供电。这是为了在一台设备未与过电压保护装置连接时，保护各个设备以免相互影响，及保护室内设备不受室外的过电压影响。

采用室外部署时，考虑通常会使功耗增加到70W的加热和冷却要求是非常重要的。70W在PoH的范围而并非在PoE的范围。

第一英里

以太网/HDBaseT供电还可给室外调制解调器供电，用于建立提供给客户的第一英里连接性 服务。这主要用于以下三种情况：

a)        光纤到户(FTTH)运营商未能接到用户楼内
b)        服务为无线(LTE、WiMAX、无线带宽)和要求室外客户端
c)        带有SAT>IP的卫星服务，定义了具有PoE连接性的IP LNB

在这三种情况中，室外客户端可以通过具有内置PoE能力的家庭网关(很少见)或单端口中跨从建筑物内部供电。避雷是必须的，最好是作为家庭或办公室外的独立设备安装，尽可能接近以太网电缆进口，并接地。

光纤到分配点(FTTdp)

虽然FTTH为用户提供了非常快捷的互联网接入，但是，在许多情况下，由于成本原因而无法实现光纤入户；而以往与电缆竞争的VDSL2的连接速度又不够快(250Mb/s 与 10Gb/s比较)。G.FAST是ITU-T针对电缆这个问题所提出的答案，它可在距离不超过400 m时通过双绞线传输高达1Gb/s。G.FAST减小的环路规格带来的新问题，就是从统计学上来说，单一DSLAM服务的客户数量远小于有几公里环路的VDSL2，而且，为位于分配点(亦称为分配点单位，即DPU)的每个DSLAM供电也是一个问题。

问题的解决方法是通过xDSL进行反向供电(RPF)。采用反向供电，功率从客户所在楼输送给DPU，大幅降低了安装费用。DPU负责公平地分享来自不同用户的功率。

PoE和RPF不一样。正如前面提到的那样，PoE是在以太网电缆中运用的IEEE802技术，而RPF是由宽带论坛(Broadband Forum)和ETSI定义的。

RPF标准

RPF标准目前允许从家庭网关或RPF注入器通过2线对传输21W功率。DPU可以提供的功率取决于双绞线电缆的质量，以及用户和DPU之间的距离。出于安全原因，电压是安全特低电压(SELV)或小于60V。


图6 光纤到分配点的反向供电

美高森美PoE系统
  
美高森美具有广泛的千兆位PoE系统产品组合，包括：
a)        单端口中跨，传输15.4W 至 95W，用于室内至室内、室内至室外和室外至室外部署。
b)        2端口PoE 中心，每个端口30W，用于室外部署
c)        3端口PoE管理开关，每个端口30W，用于室外部署
d)        4端口未管理PoE中跨，每个端口高达30W
e)        6端口、12端口和24端口管理PoE中跨，每个端口高达95W，冗余电源，互动中跨支持和Energy Efficient PoE (EEPoE)
f)        室外避雷装置，用于以太网解决方案的设备

总结

以太网供电、HDBaseT供电和xDSL反向供电大幅降低了运营商技术，比如小型蜂窝、回程、Wi-Fi、无线带宽、FTTH和FTTdp的部署和维护的难度。美高森美拥有全面的PoE/PoH产品组合，能够利用数据基础设施在室内和室外环境传输功率及数据。美高森美还为以太网解决方案提供高度可靠的创新性室外避雷装置，从而提高与室外设备连接的室内基础设施的弹性。
美高森美PoE中跨使得企业能够无缝加入以太网供电应用，并与敏感的以太网设备的大功率电源隔离开来，因此无需更换现有以太网交换机基础设施。