PoE技术3——中跨及四对线技术减少网络能耗

美好的一天

标准的五类网线有四对双绞线，但是在l0M BASE-T和100M BASE-T 中只用到其中的两对。IEEE802.3af 允许的两种用法如图1和图2 所示。

POE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的设备定义了两种方法：一种称作“中间跨接法”(Mid -Span)，使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对(45、78)来传输直流电。Midspan PSE 是一个专门的电源管理设备，通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45 插孔，一个用短线连接至交换机，另一个连接远端设备。相应的Midspan PSE设备有POE供电器、POE供电模块等。接法如下图：

图1 通过空闲脚供电（中间跨接法）

另一种方法是“末端跨接法”(End-Span)，是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电，其输电采用与以太网数据信号不同的频率。相应的Endpoint PSE有支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。可以预见，End-Span 会迅速得到推广，这是由于以太网数据与输电采用公用线对，因而省去了需要设置独立输电的专用线，这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45 插座意义特别重大。

图2 通过数据脚供电末端跨接法

应用空闲脚供电时，4、5 脚连接为正极，7、8 脚连接为负极。应用数据脚供电时，将DC 电源加在传输变压器的中点，不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2 和线对3、6 可以为任意极性。标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备PSE只能提供一种用法，但是电源应用设备PD必须能够同时适应两种情况。该标准规定供电电源通常是48V、13W 的。PD设备提供48V到低电压的转换是较容易的，但同时应有1500V的绝缘安全电压。

POE标准还规范了传送电功率应使用的非屏蔽双绞线对电缆，即3、5、5e 或6类电缆。明确了与其一起工作的现存电缆设施不需要任何改动，这其中包括3、5、5e 或6类电缆、各种短接线与接线板、电源插座引线和连接的硬件等。POE标准与IEEE 802.3标准系列兼容。

下图是POE供电系统的一个实例，由供电设备PSE、受电设备PD和相关的配套设备及以太网传输电缆组成。

图3 符合IEEE 802.3af标准的以太网供电系统实例

当PD设备与POE标准兼容时就可直接通过RJ-45插座从以太网电缆供电，对于与PoE供电不兼容的设备可以采用直流变换器或抽头分压装置的方法，将其电压变换成POE兼容的电压。这些装置有时也被称为有源以太网分离器(splitter)，它可以将太网电缆的直流电压取出来并通过常规的直流插座供PD设备使用。

以太网供电(Power over Ethernet，PoE)技术逐渐成为用于简化网络部署，同时提升总体能源效率的重要工具。最新的技术进展带来了新的机会，可以进一步减少能耗和相关的能源成本。

PoE使得数据和电能通过单一的以太网网线上传输。在现有的LAN设施上，该技术提供高达60W的安全的不间断电源，为用电设备(powered device，PD)供电，电压范围为50V至57V，支持最新的大功率IEEE802.3at-2009标准(见图1)。IEEE802.3at-2009标准后向兼容，并替代先前的IEEE802.3af-2003规范。

图1. 具有PoE功能的网络电源设施

PoE使得网络管理员能够在应用场合中的任何地方部署VoIP电话、WLAN接入点(AP)、IP安全摄像头、访问控制系统和其它用电设备，无需考虑安装AC插座或派电工布线、更改建筑规划或获取安全认可。PoE技术也省去了单独的电线和电源插座，相比传统网络供电设施，可以提供多达50%的成本节省。

选择正确的供电设备：中跨的优势

要实现PoE，可以采用以下任一类型供电设备(power sourcing equipment，PSE)：通过PoE交换机，或者通过在现有的交换机和网络用电设备之间安装PoE中跨(midspan)。而中跨为快速部署大功率PoE提供了最简便的方法(见图2)。

图2：使用中跨技术部署PoE

不同于PoE交换机，使用中跨可以随时逐步增添PoE端口，而不用在初始安装期间立即装好。相比PoE交换机，它们通常还能够提高平均无故障时间(mean time between failure，MTBF)率，因为PoE交换机在单一箱体里集中了大功率耗散的PoE部分和高敏感度的数据部分。

另外，相比PoE交换机，中跨也是更具成本效益的可扩展解决方案，可让网络管理员更方便地升级电源设施，而不受其数据设施的限制。当现有的交换机仅使用了几年，他们可能仅需要几个具有PoE功能的端口，网络管理员常常无法证明升级到新PoE交换机的成本是合理的。此外，中跨使管理员能够按需要升级他们的交换机，无需同时更改电源设施。最后，中跨使网络管理员能够远程管理PD，同时集中所有的电源管理和备用系统，进一步改进了能源效率和使用中的设施可靠性，减少了运营成本，并增强了安全性。因为在过载、短路或欠载状态等事件发生时，中跨可以检测并自动断开非PoE兼容(non-PoE-compliant)的PD设备。

POE供电三种节能方法

使用中跨在网络中获取尽可能大的功效，有三个主要方法。第一个是尽用中跨通过所有四对结构化电缆电线来输送功率的能力。今天的中跨具有两个接口，每个可获取25.5W到同一个箱体中(一个接口在两对线缆上使用1、2、3和6线，另一个接口在两对线缆上使用4、5、7和8线)。连接两个接口可使标准输送功率加倍，达到51W，同时仍然完全符合802.3at-2009标准(见图3)。

图3：四对线供电

另一个方法是使用四对线供电来消减功率耗散。这一相同的四对线结构可以用来为具有30W功率的两对设备供电，替代通过CAT5电缆来提供51W，这会耗散了多达一半的功率，同时相比传统的两对线解决方案，功耗几乎减少了15%，每个端口节省超过2.5W。使用此方法，采用一个12端口中跨，功率耗散可减少将近30W，每年可节省约263度(kWh)电能(30W x 24 小时 x 365 天)。以每kWh电能0.10美元计算，每年每12个WLAN AP可以节省26美元。

为改进能效，下一步策略就是使用中跨的远程PD监控和配置能力。网络管理员可以监控每个PoE端口的功耗和总体功耗，并设置PD以实现即时和预设的端口开/关(ON/OFF)功能，以及UPS状态端口的开/关功能。例如一家采用12个WLAN AP的机构可以将运行时间从每天24小时降低至每天10小时(从周一至周五早上8点至下午6点)，将用电量从2,933KWh(12个AP x 27.9W x 24小时x365天) 减少至837KWh (12个APx27.9Wx10小时x250天)，每年可节省2,096KWh，以每kWh电能0.10美元计算，每年节约了210美元。

第三种改进功率效率的方法就是使闲置功耗的影响最小化。许多PoE中跨和交换机使用开关电源(switching power supply，SPS)，其在满载下可达到90%的效率，这意味着对于200W的PoE电源，消耗了多达220W的AC功率，或者对于400W的PoE电源，消耗功率高达440W。问题是SPS设备在闲置时具有高开关功率损耗—对于额定200W的设备，在0W负载时，功耗多达20W至40W，而对于额定400W的设备，在0W负载时，功耗多达40W至80W。

解决方案就是开发使用中跨的分布式电源架构(distributed power architecture)，其中PSE使用内部或默认电源，然后可以取决于客户的需求，按需要使用额外的电源来增加供电。使用此方法，可采用内置电源来配置中跨，为真实的需求供电，并仅在需要的时间和地点上，通过外部电源使每个端口提升至全功率。采用这一效率提升，有可能使用小型(450W)内部电源来处理所有实时需求，然后当需要时才采用外部450W至1kW的电源来增加供电。这样每年可节省394kWh(45W x 24小时x 365 天)，以每kWh电能0.10美元计算，对于每12个WLAN AP，相当于每年节省39美元。

通过采用这些方法，将节省机会累积起来，机构可以使用最新的节能PoE中跨技术，显著降低成本。节省的机会包括：

. 四对线供电：每端口节省2W或每年节省53美元

. 电源管理：当无需使用时，通过将端口关闭，每年节省210美元。

. 较小的内部电源(需要时可采用外部电源来增加供电)：通过减少闲置功耗，每年节省39美元

PoE技术的部署和网络扩展非常简便，机构可以使用PoE技术来进一步提升网络可用性和能效，同时通过选择最新的大功率PoE中跨，减少设备支出和运营开支。这些系统实现了四对线供电并内置功率管理能力，同时通过使用较小的内部电源，最大限度地减小闲置功耗。