以太网PoE供电交换机
2013-07-02 16:17:47 阿炯

出现背景

PoE(Power over Ethernet,以太网供电)技术则通过在标准的以太网数据线缆上对所连接的网络设备(如Wireless LAN AP、IP Phone、Bluetooth AP、IP Camera等)进行远程供电的方法,消除了在每一台IP网络终端设备上都安装单独的电源设备的问题,使得不必在使用现场为设备部署单独的电源系统,能够极大地减少部署终端设备的布线和管理成本,推动了相关领域的发展。

一个完整的PoE系统包括供电端设备PSE和受电端设备PD两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备,同时也是整个PoE以太网供电过程的管理者;PD设备是接受供电的PSE负载,即PoE系统的客户端设备。

PoE反向供电技术采用的是一种相对的方式来命名的技术,我们通常称由交换机给网络终端供电,电流从交换机流向网络终端为正向供电,那么通过网络终端(客户端)向交换机进行供电,电流从终端流向交换机这种供电方式我们则称之为反向供电。

典型应用场景:
• 办公室里的无线 AP
• 小区里的监控摄像头
• 企业里的 IP 电话
• 门禁、智能终端等 IoT 设备
PoE 的出现大幅度降低了施工复杂度和成本,也提升了网络的灵活性。其供电方称为 PSE(Power Sourcing Equipment,供电设备),通常是 PoE 交换机或 PoE 供电器;受电方称为 PD(Powered Device,被供电设备),例如摄像头、AP 等。

供电流程:
1. 握手识别:PSE 先检测 PD 是否支持 PoE,避免误供电。
2. 分类分级:根据 PD 的功率需求分配电力(不同标准有不同功率等级)。
3. 持续供电:电压稳定在 44~57V 之间,通过网线传输。
4. 断电保护:如果设备拔掉,供电立即停止。

应用领域

1、低功率应用
无线AP、IP电话、IP网络摄像头等基于IP的终端产品,其功率需求一般不超过12W,这也是目前PoE交换机应用的最主要领域。通过部署PoE技术,解决了无线AP难以在天花板通风层供电的问题、IP电话因偶发事件断电的问题、IP网络摄像机需要从外部获得电源供应的问题等。并且通过PoE交换机本身的QoS、VLAN、ACL等功能,满足网络对优先级分配、延时、抖动、安全、数据隔离等的要求。

目前现网上应用的PoE交换机大量应用于这些领域,并推动了相关领域的发展。

2、高功率应用
除了传统应用领域,以太网PoE供电交换机在安全防护、建筑控制、零售、娱乐和RFID及其他新兴市场也有较大的应用场景,如PoE烟雾探测器、POS机信息终端、PTZ摄影机,甚至是WiMax基站等。通过支持IEEE 802.3af标准及IEEE 802.3at草案,PoE交换机可支持更大的端口功率,获得更大的应用前景。

市场应用环境功率需求 WLAN 多频段无线接入点 ~20W 802.11n无线接入点 ~20W 室外无线接入点 20~30W 安防 安防网络摄像机 15~20W IP电话 视频IP电话 15~25W 新兴市场 RFID接入(RFID阅读器) >25W Wimax基站 15~60W SOHO类交换机 <50W 大型交换机 >50W 工业传感器 1~30W 个人电脑 >30W POS机信息终端 13~60W 便携设备充电器 刷卡机 磁卡读卡器 网络打印机 数据采集终端 零售视频服务亭等。

特点

1、支持IEEE 802.3af和IEEE 802.3at标准
以太网PoE供电交换机支持IEEE 802.3af标准及最新的IEEE 802.3at标准。802.3af 可以对每台PD受电设备提供最大15.4W的功率。而802.3at(PoE+)标准可以使用5类双绞线供应超过24W的功率,能够支持有较高功率要求的新型802.11n设备、PTZ高端摄像机等设备,具有更广泛的应用环境。

2、应用范围广泛
科地通信LS5300系列、LS4200系列等交换机支持IEEE 802.3at标准,能够适应更广泛的应用场景,可以很好的满足需要有较大端口功率的需求,可以在WLAN、安防、IP电话、新兴市场等领域发挥其巨大的应用。

3、支持PoE的电信级以太网交换机
以太网PoE供电交换机支持ESR环网高可靠性保护、QinQ、组播、QoS、ACL、完备的安全机制等特性,并通过叠加PoE功能,真正拓展交换机的应用环境,提供多样化的应用方式,满足用户的多方面需求。

4、具备PoE智能管理功能
以太网PoE供电交换机可提供智能的电源管理功能,包括端口功率配置、设备电源优先级配置、使能/禁止端口供电、功率过载保护、过温保护、PoE网管信息查询等,用户可以通过这些功能灵活管理PoE设备,查询设备状态,准确地分配设备需要的电力和自动调节提供给设备的电力。

5、节能减排,绿色环保
以太网PoE供电交换机均按ROHS规范进行产品生产与设计,交换机可以通过中断未用端口供电及调整端口功率的方式达到节能的目标,符合国家对节能减排、绿色环保的要求。


以太网PoE供电是一种革命性技术,它通过目前承载以太网数据的同一条五类/超五类双绞线电缆提供可靠的直流电源,扩展了以太网本已非常强大的功能。POE将改变交换机供电的方式,网络管理员可以最大限度地利用现有的交换机,并部署全新的一系列应用。

POE:网线供电,同时传输信号。它是Power Over Ethernet(以太网供电)的首字母缩写,顾名思义,就是通过以太网同时进行网络信号和供电电流的输送。实际上POE在IEEE组织中,是一个专有的网络规范,如同Wi-Fi是802.11系规范,而POE的规范编号则是802.3系规范。

接下来我们从原理上来解析,为什么一根细细的网线能够同时传送网络信号和电流:

我们知道,正常的采用TIA568A/B规范线序,使用RJ45网线水晶头的网线,是由四对双绞线,也就是8个线芯组成的。而随着局域网技术应用延伸,特别是网络监控设备等开始普及,人们在网络施工中逐渐发现,很多时候,由于装修的既成事实,以及一些用电安全方面的考虑,后期加装的诸如监控摄像头等设备,其供电非常成问题,已经无法再通过新拉电源线的方式进行供电了,或者从新拉电源线,会造成诸多不便以及成本上的飙升。

这时候IEEE就打起了网线的主意。由于网络设备基本都属于低压弱电设备(大部分工作电压低于48V,功率也低),所以理论上,网线是可以用于电力传输的。因此2003年,IEEE颁布了802.3af标准,规定了第一版POE网络供电方式。简单来说,就是使用此时5类线(信号传输只用了1、2、3、6四组线芯组)未使用的4、5、7、8线芯组,来进行电力传输。此时POE规范,允许通过单网线,提供44~57V的直流电压、350mA的输出电流、最大输出15.4W的输出功率,抛去传输线损和转化损耗后,实际能提供给用电器12.95W的输出功率,也就是说,网线另一头的设备,只要功耗不超过12.95W,都可以不用电线,而用网线供电了!

利用“频率”,实现8芯共用的POE++

自从有了POE供电方式,给安防监控组网和无线网络改造带来了巨大的方便。例如,监控摄像头迅速从同轴电缆时代进化到了网络时代,通过细细的网线就能实现供电+网络监控,实在是太方便了。


而对于网络改造来说,需要增加无线热点乃至交换机/路由器的时候,也不需要再去接电源线插板给新设备供电,直接在网络交换中心,把原来的路由器或者交换机替代为POE供电的即可,再从原有的网络面板位置接出一根网线接新增的网络节点的POE AP面板/路由器/交换机即可,最大限度减少工程改造量。

此时组网模式就变成了下图两种模式,其优点是不言而喻的,毕竟家庭常用0.4平的电线,那价格可比同等长度的网线贵。



另外,POE方式还有一个优势,就是在融合宽带的改造组网中:宽带运营商越来越喜欢采用光纤入户来同时传输电话信号、宽带信号、IPTV信号,采用PoE可以很好地解决光猫和IPTV电视盒子的电源与数据同传问题。

但是问题又来了,现在可是千兆、万兆家庭网络时代了,不说5类网线,就是6类和超六类线,8组线芯那也是全用上来传送网络信号了,这时候可没闲置线组了啊,还怎么送电啊?还是说POE只能跑百兆速度了?

不过IEEE的工程师们迅速也发现了可以取巧的地方,就是频率:信号的传输是一对电线之间的电压差,而电力的传输是两对电线之间的电压差。

以太网是变压器耦合的,所以发送和接收电子装置只看到(原则上)一对两根线之间的电压。电源连接取自变压器的中心抽头,因此它们只看到两对电线之间的电压。巨大的频率差异也有助于保持信号和电源不互相干扰:当线组同时用于电力和数据时,由于电力和数据在频谱的两个极端发挥作用,它们可以在同一根电缆上传输——市电频率往往只有50~60Hz,而网线的信号传输频率已经是上千兆Hz了(5类线1500MHz,6类2500MHz,超6类5000MHz),巨大的频率差,使得在工程上可以通过简单的频率分离元件,就能把供电流和信号流,通过频率差异进行分离。


基于这个原理,IEEE相继颁布了适用于百兆、千兆及更高网络等级的POE标准,也就是802.3at、802.3bt type3、802.3bt type4。

后面的标准,又被称为“POE+”和”POE++”,它们除了能让网线使用8芯线组同时传送网络信号电力,解决了POE组网的千兆问题外,同时也提高了对用电器的供电能力,简单来说,就是你可以使用功率更大的POE交换机/AP,从而实现更强的带机能力和网络信号!


POE组网,核心是线材!

最后回到我们的组网实务:从802.3几个规格表我们可以看到一个关键指标:阻抗。也就是说,网线必须达到或低于最大阻抗,才能实现相应的组网性能。

我们知道,电缆的阻抗,主要是和电缆的粗细以及材质有关。网线的粗细,我们习惯用“AWG”这个数值来表示,例如,常见的五类、六类线缆的线径24AWG,就是0.51mm,而六类、超六类线的23AWG,则是0.57mm。显然,23AWG线径的网线,在同等材料情况下,更适合用于POE网络的组网。

然而更重要的还是线材,下面是几类常见网络线材的阻抗以及是否适合POE组网:


所以POE组网,除了一定要注意POE设备的性能(如最大输出功率,关系到最大带AP数量),最重要的就是网线!

为了未来的网络升级和稳定需要,POE组网,一定要使用至少铜包银、24AWG线径的六类或超六类网线,最好使用无氧铜、23AWG线径的六类或超六类网线!这是关系到POE组网是否成功的关键!


因此在组网时也一定要看清,到底使用的什么材质的网线,最好是使用一线品牌如康普(安普网联,原AMP)、百通赫斯曼、罗格朗等品牌的线材!


PoE 标准与供电能力
不同 PoE 标准决定了供电能力,也影响最大距离。

常见标准如下:


可以看到,PoE 技术从最初的 15W 一路发展到近 100W,应用范围大大拓展。

PoE供电的理论最大传输距离

IEEE 标准明确规定:PoE 的最大传输距离为 100 米。

这是因为 PoE 供电依赖以太网双绞线,而以太网的物理层规范规定了:网线最长传输距离 = 100 米

• 其中:90 米为水平布线(交换机到信息面板),
• 10 米为跳线(设备两端)。

这个 100 米限制不仅仅是电力问题,更多的是由以太网数据通信的信号衰减决定的。

为什么不能无限延长?
1. 电阻损耗:电缆越长,电阻越大,电压下降越明显。超过一定距离后,设备可能电压不足而重启。
2. 信号衰减:以太网的数据传输在超过 100 米后误码率大幅上升,网络不稳定。
3. 安全规范:IEEE 标准为了兼容性与可靠性,统一定为 100 米。

所以,理论上 PoE 最大传输距离就是 100 米。超过 100 米怎么办?

如果项目中需要部署超过 100 米的 PoE 供电,常见的解决方案有:

1. PoE 中继器(PoE Extender)
• 工作原理:接收 PoE 信号并再生,继续往下传输。
• 优点:简单、成本低。
• 缺点:每次中继会有一定功率损耗,最多连续中继 2~3 次。
• 延长效果:100m → 200m → 300m。

2. PoE 光纤收发器
• 使用光纤解决数据长距离传输,再在远端收发器处提供 PoE 电源输出。
• 适合大规模园区、监控项目。
• 传输距离可达几公里。

3. PoE 交换机分级部署
• 在中间位置增加一台 PoE 交换机,既中继网络又重新供电。
• 适合大楼弱电间分层布局。
4. 独立电源 + 网线传数据
• 当功率特别大或距离过长时,直接给设备单独拉电源,网线只传输数据。