PoE技术在FTTH建设中的应用和创新：上海“城市光网”技术创新和应用实践之一

张 军，杜 喆

（中国电信股份有限公司上海分公司 上海200120）

1 传统PoE技术及其应用

PoE（power over ethernet，以太网供电），其理念就是通过供电设备PSE将220 V交流电源信号转换成直流电源信号后与数据信号在以太网线缆上混合传输，并在远端通过受电设备PD将数据和电源信号分离，最终达到以太网远程供电的目的。PoE标准定义了两种以太网供电方法。

一种称为“中间跨接(mid-span)法”，即使用以太网线缆中空闲线对传输直流电源。这种PoE设备被广泛应用于网络IP电话、IP视频监控以及无线局域网等FTTB场景。具体组网方案是将一个专门的电源管理设备Mid-span PSE部署在传统以太网交换机(不具备PoE功能)和远端受电终端（如IP电话机、IP视频摄像头和无线AP）之间，负责将交换机的数据信号与转换后的直流电信号一起通过以太网线缆传输给受电终端，实现远程以太网供电。

另一种称为“末端跨接(end-span)法”，即在以太网线缆的同一线对上传输数据和直流电。这种PoE设备通常是具有PoE功能的以太网交换机、路由器等其他网络数据交换设备，在传输数据信号所用的以太网线对上同时传输直流电源，且采用与以太网数据信号不同的频率。随着无线AP等终端设备的大量使用，其位置特殊、取电困难，实施部署不仅消耗人力物力，而且增加建网成本，以太网线缆本身提供电力传送的要求越来越迫切，因而“末端跨接法”由于其易安装、易管理、简便性被广泛应用。但是，无论是“中间跨接法”，还是“末端跨接法”，这一类PoE设备的应用主要是从网络侧向终端侧进行以太网供电，称之为“正向PoE供电”。

2 PoE技术在FTTH场景中的应用

为进一步加快宽带网络的提速，支撑高带宽应用的发展，中国电信股份有限公司上海分公司（以下简称上海电信）全面开展FTTH建设。在FTTH终端的规模安装过程中发现存在两种无法取电的场景：一是用户的入户暗管存在弯头多、堵塞、接头脱落等状况，造成光缆无法穿入用户家庭，此时的FTTH终端只能安装在户外的弱电井上，通过入户五类线传递数据信号，但弱电井内无法取电；二是入户光纤已布放至用户户内的家庭信息箱(多媒体智能终端盒)中，但信息箱内无供电电源，装维人员若要引接220 V电源，费时费力。通过对PoE技术的深入研究，上海电信提出了FTTH PoE的方案。同样是PoE，通过以太网线两端的供电设备PSE把220 V的电源变压为48 V低压直流电源，与以太网数据信号共同在以太网线缆内进行传输，由受电设备PD接收，并DC/DC转换，将48 V直流电转换为12 V直流电供电给终端，达到以太网线供电的目的。但是，FTTH PoE方案则是利用用户侧室内的交流电源反过来向网络侧的终端设备供电，称之为 “反向PoE供电”。这种PoE供电方法能有效地解决城市光网FTTH终端安装过程中的取电难题。

针对上述两个场景，上海电信制定了相应的FTTH PoE供电实施方案。

（1）场景一：弱电井PoE应用方案

光纤已布放至室外弱电井，但无法穿通入户，此时将FTTH终端安装在弱电井内的终端机箱中，利用弱电井至用户家中的原有以太网线缆作传输媒质，在用户家中安装LAN上行家庭网关和PSE设备，将数据和电源通过PSE在以太网线缆上同时传输，把受电设备PD安装在FTTH终端旁边，PD将数据和电源分离，分别传输到FTTH终端的数据端口和电源端口。弱电井PoE应用方案连接如图1所示。

（2）场景二：家庭信息箱PoE应用方案

光纤入户至室内家庭信息箱的位置，FTTH终端放置在家庭信息箱内，家庭信息箱内的以太网线缆已与用户PC、IPTV机顶盒等实现连接，此时可考虑在用户家庭内PC机或IPTV机顶盒的位置安装供电设备PSE，将数据和直流电源通过PSE在以太网线缆上同时传输；把受电设备PD放置在家庭信息箱内，将数据和电源分离，分别传输到FTTH终端的数据端口和电源端口。家庭信息箱PoE应用方案连接如图2所示。

3 PoE设备的主要技术参数

目前，PoE技术普遍采用的标准为IEEE 802.3af，根据该标准规定PoE设备的主要技术参数为输入电压范围44～57 V，典型工作电压48 V（亦可适当调高至50 V，以便于获得更好的输出功率）、典型工作电流小于350 mA、输出功耗0.44～12.95 W，最大不超过13 W。以上PoE设备技术参数中输出功耗和工作电流对于PoE在FTTH中的应用尤为关键。

上海电信常用的FTTH终端分为两大类。

一类是普通单用户终端SFU，根据其用户侧端口数量及类型不同，不同型号终端功耗会有很大差异。一般而言，单FE/GE端口的SFU终端功耗为2.0～3.0 W，而4FE+2POTS（4个以太网端口，2个话音端口）的SFU终端功耗为5～10 W。

另一类是PON上行家庭网关终端，而常用的AP外置型家庭网关普遍可以实现12 W以内的功耗。由此可见符合IEEE 802.3af标准的PoE设备12.95 W的输出功耗基本可以满足城市光网FTTH终端正常工作的需要。

另一个参数是工作电流，工作电流不但决定了PoE设备最终输出功耗的大小，还会影响所使用以太网线缆的性能。对输出功耗的影响不难理解，因为在工作电压DC 48 V基本恒定时，工作电流越大输出功耗也越大。但是，工作电流不是越大越好，因为以太网五类线不是按照传输电源信号来设计的，长期的大电流带来的热量会导致线缆绝缘层的老化，以致于出现短路等安全隐患和影响数据信号的正常传输。根据美制AWG线规标准，日常使用的以太网线缆芯径为0.4～0.5 mm，其正常承载电流范围不宜大于800 mA。为此，采用IEEE 802.3af标准的PoE设备限流350 mA在FTTH场景下应用是非常安全的。

4 简易型PoE设备在FTTH中的应用探讨

在分析完PoE设备的功能和性能满足城市光网FTTH场景应用要求之后，影响到其规模部署的主要因素就是价格了。PoE设备的AC/DC（220 V转48 V）电源模块、DC/DC（48 V转12 V）电源模块以及PoE芯片在整套设备价格中占了很大比例，目前PoE设备的市场价格为150～200元人民币。而FTTH一线的成本在1 200元人民币左右，因此一旦使用PoE设备将使FTTH的成本再增加15%～20%。于是，在原有标准型PoE设备的基础上，市场上也出现了简易型PoE设备。简易型PoE设备由合成器和分离器组成，合成器中没有PoE芯片和AC/DC转换模块，而是利用FTTH终端原有电源适配器产生的12 V直流电源直接加载到以太网线缆上传输，分离器也没有DC/DC转换模块，直接接收DC 12 V为FTTH终端供电。因此，简易型PoE设备的市场价格只有几十元人民币左右。标准型和简易型PoE系统的具体连接示意如图3所示。

虽然简易型PoE设备价格便宜，但是其不具备电流检测、安全保护等功能，且DC 12 V供电电压较低，因而在FTTH应用时还是存在不少问题，主要表现在以下几方面。

第一，简易型PoE设备由于不具备短路检测功能，一旦以太网线缆存在短路故障，持续输出的直流电流会产生很大的热量，容易导致安全事故。

第二，由于DC 12 V电压值较低，若要满足负载供电的要求，需要提高供电电流，而五类线在长期的大电流信号传输中，产生的热量将会降低线缆的绝缘性能，从而影响数据的正常传输。同时，DC 12 V的传输会在以太网线缆上产生较大的压降，可能无法满足FTTH终端供电要求，因此简易型PoE的直流电信号的传输距离受到限制。

第三，简易型PoE设备必须采用4/5、7/8线对传输直流电，只能满足以太网100 Mbit/s以下的工作速率。而标准型PoE设备可以将数据信号和直流电信号同时在以太网线缆1/2和3/6线对上传输，4/5和7/8线对仍然可以传输数据信号，今后可以实现以太网吉比特的传输速率。

正因为简易型PoE设备存在诸多问题，在城市光网FTTH建设中不建议采用简易型PoE设备解决以太网供电问题。

5 FTTH场景下的PoE技术创新

为保证FTTH PoE设备在使用过程中不会造成FTTH终端、用户设备的损坏，杜绝一切使用安全隐患，上海电信创新地将符合国际标准IEEE 802.3af的PoE检测机制加入FTTH的PoE设备中，主要包括侦测模式、供电模式、工作模式和侦测断开模式。具体检测流程为PSE供电设备通过检测电源输出线对之间的电阻或电容值来判断PD受电设备是否存在，或者PD受电设备是否符合标准要求。当检测到PD阻抗为23.75～26.25 kΩ或PD端并联的输入电容值小于0.12 μF时，可以认为PD设备合法；当得到PD阻抗值小于12 kΩ或大于45 kΩ或者电容值大于10 μF时，应判定该PD设备不合法，不对其供电；另外，当PD阻抗大于500 kΩ时，可认为PD端开路。为保证测量结果有效，PSE施加电压应该在2.7～10.1 V，采用斜率技术进行特征阻抗计算，且至少要进行2次以上的测量以便可以得到良好的V-I曲线。当侦测到端口下挂设备属于合法的PD设备时，PoE系统进入供电模式，PSE设备开始对该设备进行供电，输出48 V直流电压。而且在随后的工作模式中实时进行监控和电源管理，包括监视PD设备的“维持功率”特征、侦测PD设备是否已断线、MPS信号是否消失、检测电流是否超过过载电流达到75 ms以及电流值达到短路电流在75 ms等情况。一旦检测到以上故障现象PSE供电设备将关闭端口输出电压，端口状态重新返回到侦测模式，正常情况下PSE会快速断开，注意停止供电前必须等到300～400 ms，以便设备做出相应处理。标准的工作流程如图4所示。

表1 RJ-45端口引脚序列的定义

加入了IEEE 802.3af安全机制后，可以确保只有在真正需要供电的时候，以太网线缆内才会有48 V的电流输出，在错接、断线、短路等非正常情况下是不会供电的，因此确保了供电的安全。此外，上述工作流程中“分类模式”作为可选模式，考虑到城市光网FTTH终端功耗基本恒定，FTTH PoE设备可不提供该功能。

除了加入IEEE 802.3af的安全机制外，上海电信对于城市光网应用的FTTH PoE设备还提出新的要求。为满足功耗较高的家庭网关终端开机启动的需求，提高了PoE设备启动电流；为保证PoE设备在复杂环境中的应用，提出了与FTTH终端要求保持一致的防雷、防静电、高低温等环境及电气特性等。

6 FTTH建设中PoE设备部署要点

在城市光网FTTH建设中除了要规范PoE设备的技术要求外，作为PoE传输媒质的以太网线缆也是一个重要环节。在PoE设备的安装过程中，必须对以太网线缆进行检测，以保证PoE系统的正常和稳定运行，主要包括接线图、长度、阻抗、衰减、近端串扰、回波损耗等指标的检测。

（1）接线图

PoE设备采用的以太网线缆应符合EIA/TIA-568B标准，线缆以RJ-45端口引脚1～8排列的连接要求见表1。

其中，标准型PoE设备推荐采用1/2和3/6线对传输48 V直流电和数据信号。简易型PoE设备必须采用4/5和7/8线对传输 12 V直流电，1/2和 3/6线对传输数据信号。

（2）长度

通过测试，在标准型PoE设备应用场景中，0.5 mm线径标准以太网线缆的传输极限为105 m(推荐以太网线缆控制在80 m以内)；在简易型PoE设备应用场景中，0.5 mm线径标准以太网线缆传输极限为33.6 m。

（3）电阻

标准线缆双线对供电时电阻直流环路电阻是一对线缆环路电阻之和，在标准型PoE系统中规定直流环路电阻不大于25Ω(工程测试值)，在简易型PoE系统中规定直流环路电阻不得大于5Ω(工程测试值)。

（4）其他参数

在满足接线图、长度和电阻的要求后，为了保证以太网数据传输性能（五类线达到100 Mbit/s、超五类线达到1 000 Mbit/s速率），线缆的衰减、近端串扰、回波损耗等指标必须符合EIA/TIA-568B标准要求。对于五类线衰减和近端串扰必须符合规定，而对于超五类线除衰减和近端串扰外，回波损耗、衰减串扰比、综合近端串扰和综合衰减串扰比也必须符合EIA/TIA-568B标准。

对于简易型PoE设备上电后是持续供电的，要求电源适配器必须具有过流保护功能，当回路中电流超过过流保护值后，电源适配器将截止输出或进行限流，建议电源适配的过流保护点最大限制电流不大于1.2 A。

7 结束语

在城市光网大发展的今天，如何发展用户、留住用户至关重要。上海电信采用PoE技术解决FTTH终端供电难问题的同时，还挽回了大量由于无法供电而不得不退单的用户。由于PoE设备小巧灵活，不影响用户家庭美观，因此赢得了相当一部分潜在FTTH用户，为运营商长远发展打下了坚实的基础。据统计，上海电信现网已规模部署了近万套标准型PoE设备，且设备运行稳定、性能良好。总之，FTTH PoE设备的应用在推动“城市光网”FTTH接入网建设过程中，提高了FTTH终端的安装效率。但是，标准PoE产品价格相对较高，占比FTTH建设成本也较大，笔者撰写本文的目的是要推动PoE产业链的快速成熟，以便尽早降低成本，推动FTTH的规模发展。

1 IEEE 802.3af.Data Terminal Equipment（DTE）Power via Media Dependant Interface（MDI）.IEEE Computer Society,2003

2 中国电信股份有限公司上海分公司.中国电信股份有限公司上海分公司基于FTTH的反向PoE产品技术规范V2.0（试行），2010

3 中国电信股份有限公司上海分公司.中国电信股份有限公司上海分公司基于FTTH的反向PoE产品安装指导意见V2.0(试行)，2010