原创 以太网供电新标准（POE+）解析

以太网供电新标准 POE+，IEEE802.3at

一、IEEE 802.3at 标准出现的背景

    为了遵循 IEEE 802.3af 规范，受电设备(PD)上的 PoE 功耗被限制为 12.95W，这对于传统的 IP 电话以及网络摄像头而言足以满足需求，但随着双波段接入、视频电话、PTZ 视频监控系统等高功率应用的出现， 13W 的供电功率显然不能满足需求，这就限制了以太网电缆供电的应用范围。为了克服 PoE 对功率预算的限制，并将其推向新的应用，IEEE 成立了一个新的任务组，旨在探求提高该国际电源标准的功率限值的方法。IEEE802.3 工作组为了在技术及经济上对 IEEE802.3at 实现的可能性进行评估，于 2004 年 11 月创立了 PoEPlus 的研究小组。之后又于 2005 年 7 月批准了建立 IEEE 802.3at 调查委员会的计划。新标准称

    为Power-over-Ethernet Plus (PoEP) IEEE 802.3at，它将功率要求高于 12.95W 的设备定义为 Class 4（该级别在 IEEE 802.3af 中有描述，但留作将来使用），可将功率水平扩展到 25W 或更高。新标准正由专门小组制定，预计在 2008 年底或 2009 年初发布。

二、IEEE 802.3af 与 IEEE 802.3at 比较

    与 802.3af 相比，802.3at 可输出 2 倍以上的电力，每个端口的输出功率可在 30W 以上，因此可大幅拓宽 PoE 的应用领域：双波段接入，视频电话，802.11 接入，RFID 接入，工业传感器，POS 终端等都将可以应用 PoE 技术来给终端提供充足的电力。

    就标准而言，两者在功率、分级、线缆上有不同的定义，下表是两者的比较：

802.3af 与 802.3at 的对比

在802.3at 制定之初，IEEE 就目标作过表述，以下可以参考：

The 802.3at Task Force objectives are along the following lines:

• 802.3at should operate on CAT5 and higher infrastructure, unlike 802.3af, that had take into account the CAT3 limitations

• 802.3at should follow the power safety rules and limitations pertinent to 802.3af

• A 802.3at PSE must be backwards compatible with 802.3af, being able to power both 802.3af and 802.3at PD's

• 802.3at should provide the maximum power to PD's as allowed within practical limits, at least 30W

• 802.3at PDs, when connected to a legacy 802.3af PSE, will provide the user an indication that a 802.3at PSE is required.

• Research the operation of midspans for 1000BASE-T

• Research the operation of midspans and endspans for 10GBASE-T

三、POE+关键问题

    当该任务组开始着手制定一个更高功率的新标准时，很多人都认为这将是一项可在短时间内完成的任务，只需增加电流和电压而已，至少 40W 的功率就唾手可得。但是，当该任务组开始探究与较高功率有关的技术细节时，很多问题出现了，其中有些问题目前仍未解决。

1、电缆载流量与散热问题

    电缆载流量是最基本的问题之一，也最先被提出。而且，对于这一基本问题，直到近期电缆专家们才给出了答案。像所有电子组件一样，电缆工作时也有最高环境温度要求，令人关切的是，电缆过热可能损坏绝缘材料，从而改变传输特性并缩短外部绝缘层的预期寿命。最近，美国电信行业协会(TIA)发布了一些初步的指引，建议当电缆制造厂每束电缆的根数被限制为 100 时，CAT5E 可以支持每导线 360mA 的载流量(所有导体均处于运行状态)。在电缆环境温度达到 45℃时，这样的工作电流是可以接受的，若要在更高的温度条件下工作，则需要降额。

    此外，由于电缆通常被匝成电缆束并置于配线柜中，因此线缆束的散热问题亦需要考量。

2、数据变压器(Data Transformer)

    数据变压器是系统中第二个真正令人关切的组件。如大家所知，数据变压器用来将数据信号从 PHY 交流耦合到电缆中，同时注入用作 PoE 电源的直流电流。随着该变压器中直流电流的升高，并联电源通路中小的电阻不平衡在变压器中引起偏移电流，这会降低该变压器的电感。电感的这种减小将使数据传输特性发生劣化，而且，严重的时候还会导致很高的误码率(BER)或数据的完全丢失。早期报道认为，从物理上看，不可能开发出能同时传送较高电流并保持严格的千兆位以太网传输特性的数据磁性元件。不过，多个数据变压器公司已经证明，这在物理上是可能的。

3、分级机制

    新的分级机制是需要仔细进行工程设计的领域之一，该机制使供电设备(PSE)和受电设备能够相互识别。有了这种相互识别能力，供电设备就可以恰当地向.af(又称为 Type1 硬件)和.at(Type2)受电设备供电，.af受电设备也可以由.at 供电设备供电，而且.at 受电设备能够知道它是否能得到其较大负载所需的全部功率。每种组合都需要有明确定义和一致的工作规则，这样才能保持被认为是802.3 标准支柱的互操作性。802.3at采用了更加详尽的硬件分级机制和新的数据层机制，已经实现了这种相互识别。

    802.3at 硬件分级被称为“两事件分级”(2-event classification)，并涉及那些基本上重复两次 802.3af 电压探测的 PSE。每次对 PD 的电压探测都同时引起一个被吸收的电流脉冲(参见图)，该电流脉冲对应一个特定的功率级。首先，PSE 在数据或备用线上确定一个 15.5V至20.5V 的电压脉冲。PD 以高达 40mA 的电流响应，告诉 PSE 它是 4 个功率级中的哪一个。双脉冲是一个至PD 的信号，告诉PD 所连接的PSE 确实是一个大功率PSE，能够提供802.3at 规定的较高功率。802.3at PD 以 4 级电流响应，告诉 PSE 它是一个大功率 PD，需要 29.5W 功率。在 802.3af 中，Layer1 分级方法是可选的方法，供 PSE 查询 PD，以确定 PD 的功率需求。在 802.3at 规范中，命令 PSE 执行这种分级方法。

    除了上述的硬件分级之外，PoE+任务组还定义了一个新的数据层分级，称为“链路层发现协议”(Link Layer Discovery Protocol，LLDP)，用于 PSE 和 PD 之间的通信。一旦链路受电，PSE 和 PD 将能够采用 LLDP 来确定 PD 的功率需求。采用 LLDP 后，允许 PSE 重复查询 PD，以了解 PD 状态及其功率需求。有了这个机制，就有可能实现动态功率分配，PSE 可以不断向 PD 发布新级别的功率，PD 也可以提出并在随后放弃功率请求。随着系统向更加环保的电源环境发展，这种新的动态功率分配一定会成为一种重要功能。这种新的 Layer2 分级机制对 PSE 而言是可选的，但是要求 PD 实施。图 1 显示了 PoE+中使用的分级方法。802.3at 任务组仍在研究有关这部分标准的细节，因此可以预期，随着该任务组逐步完成对该通信协议的定义，还会出现一些变化。

    802.3at 任务组面临着许多挑战。尤其是，他们尚未决定最大电缆电流限值、尚未采用一种针对数据磁性元件饱和问题的解决方案、而且也没有完成 Layer2 消息集的定义。然而，尽管存在这些悬而未决的事项，该规范仍在不断地确立，而且，半导体公司和系统公司都已开始设计相关的硬件，以待此项标准的最终出台。即使这些悬而未决的问题明天就能解决，仍然要经过大量评审和批准流程，任何标准都是这样，因此预计近期该标准还不会发布。根据迄今为止的情况估计，最快也要到 2008 年末或 2009 年春季标准才能发布。在了解了该标准仍然处于进展中以后，我们来看一看还有哪些相关数据。就 PoE 系统而言，定义功率有两个不同的位置：PSE 输出连接器和 PD 输入连接器。PSE 现在必须能够以最低 50V 的输出电压连续提供至少 720mA 电流。这转换成 36W 的 PSE 输出功率。电缆电阻的设计值不大于 12.5Ω，从而使 PD 连接器上的可用功率达到了 29.5W。还必须考虑 48V 电压转换效率，因此最终 PD 负载有大约 25W 功率可用。