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利用PoE技術為5G網絡中的新一代IoT和其他設備供電

日期：2021/6/1 8:04:05 作者：

新一代5G技術能夠提供具有更高速度的先進移動互聯網連接，可助力實現各種IoT和大數據應用，從而創造新的商機。這些應用以空前的速度推動了將更多類型的受電設備（PD）連接到以太網網絡的需求，這些設備包括IP監控攝像頭、802.11ac和802.11ax接入點、LED燈具、5G小型基站以及其他IoT電器。以太網供電（PoE）技術給在5G部署中為這些設備供電帶來了諸多優勢，通過將供電設備（PSE）和受電設備（PD）的功率限值分別設定為90W和71.3W，最新的IEEE 802.3bt標準讓這種可能性成為現實。

面臨的挑戰是如何部署支持這項最新一代PoE技術的PD，以便它們能夠與現有IEEE 802.3bt標準之前的2對和4對PD協同工作，也就是支持早期符合之前標準的通用PoE（UPOE）和HDBaseT供電（POH）規范的PD。如今，行業已經彌合了這種互操作性差距，可確保符合之前標準和全新IEEE 802.3bt-2018標準的PD能夠共用相同的以太網基礎設施，而無需更換現有的交換機或布線。

通向IEEE 802.3bt之路

自2003年批準第一個PoE標準以來，PoE的應用范圍大幅增長，并且在新應用方面不斷取得進展。在簡化安裝、節省CAPEX和OPEX成本以及為全球使用提供統一且安全的電源標準方面，PoE擁有巨大優勢。
在新應用中影響PoE使用的主要限制因素是可用功率的大小。盡管15.4W的電源足以滿足大多數IP電話和802.11a/b/g接入點的需求，但卻不足以為IP視頻電話、802.11n和云臺變焦控制（PTZ）IP攝像機供電。因此，電氣電子工程師協會（IEEE）在2009年發布了IEEE 802.3at標準，規定了功率為30W的PoE電源。

如今，需要更高的功率來為連接到以太網的其他設備（例如PTZ監控攝像頭、自助服務終端、POS終端、瘦客戶端、802.11ac和802.11ax接入點、小型基站以及聯網LED照明）提供支持，而這類設備均可從PoE中受益。為了滿足這一需求，新的IEEE 802.3bt標準主要通過利用全部四對結構化布線來提高PoE的最大可用功率。IEEE 802.3bt擴展了在初始協商期間交換的電源分類信息，可實現高效的電源管理功能，支持多個PoE等級，同時還可向后兼容。這些增強功能解決了更高功率和更高效PoE供電系統帶來的挑戰。

IEEE 802.3bt標準意向征集（CFI）活動于2013年初開始，并于2018年9月獲得正式批準。由于新標準通過將PSE和PD的功率限值分別設定為90W和71.3W來拓展PoE的使用場景，因此它不但能夠滿足現有市場需求，還被普遍認為是PoE市場增長的主要推動因素。

不過，在IEEE 802.3bt實施之前，也有一些同步開展的工作在努力提高PD的供電性能。從IEEE 802.3af-2003 PoE標準開始，能夠通過兩對5e類（Cat5e）線纜為每個設備提供最高達15.4W的輸出功率。IEEE 802.3at-2009標準（也稱為PoE+）引入了支持30W輸出功率和25.5W負載功率的“Type 2”PSE/PD。后者主要是對第一個標準的擴展。隨后，HDBaseT聯盟對HDBaseT協議進行了標準化，允許通過Cat5e或更高標準的線纜將HDMI鏈路擴展到最長100m。2011年，HDBaseT聯盟創建了HDBaseT供電（PoH）標準，這項標準將四對線纜的最大供電功率擴展到95W。

IEEE 802.3bt添加了許多功能。除了引入Type 3和Type 4 PSE/PD以及通過四對線纜工作之外，這項標準還支持單簽名和雙簽名PD結構，并將等級5到等級8添加到了改進的雙向認證過程中。只要通道長度已知，就會添加自動分級功能，功率容量也會得到擴展。最后，這項標準還包含低功耗待機功能，并且支持采用PoE的10G-BASE-T。

IEEE 802.3bt標準的目標之一是符合ISO/IEC 60950中定義的有限電源和安全特低電壓（SELV）要求。但是，這種合規性意味著每個端口的功率都不能超過100W。盡管存在這一功率上限，但每個端口100W的功率仍足以滿足先前在原有IEEE標準下不支持的應用的需求，這樣便能擴展PoE端口部署的潛在數量。

確保互操作性

只有PSE能夠（在功率方面）支持PD并且兩者均符合標準，IEEE 802.3bt規范便可確保IEEE 802.3bt系統能夠自動與傳統Type 1和Type 2設備配合工作。如果PD需要更高的功率（IEEE 802.3bt PD）而PSE無法支持該PD（IEEE 802.3af/at PSE），那么PD將保持關閉狀態，或者進入開啟狀態而只消耗來自PSE的可用功率。

最早提供這種互操作性的解決方案示例之一是Microchip的PSE芯片組，它實現了符合之前標準的交換機與符合新IEEE 802.3bt-2018標準的產品之間的互操作。該芯片組基于Microchip的早期PSE芯片組，用于實現已廣泛采用的PoH四對供電標準（適用于95W PD）。另外，它也是符合IEEE 802.3bt-2018標準的PoE供電器和中跨產品的核心，可為用戶彌合互操作性差距。

通過在PD與現有交換機之間安裝符合IEEE 802.3bt-2018標準的PoE注入器和中跨，用戶能夠為符合之前標準的PD與符合IEEE 802.3bt-2018標準的PD的任意組合供電。通過使用單端口和多端口選項，符合新IEEE 802.3bt標準的交換機也能夠為滿足之前標準的PD供電。

對于系統開發人員而言，IEEE 802.3af/at/bt PoE芯片組提供了可擴展性，能夠將支持符合之前標準和符合IEEE 802.3bt-2018標準的PoE所需的兩對和四對系統集成到單板設計中。這些芯片組必須能夠均衡整個系統的散熱，并且應包含構建PSE設備所需的所有管理器和控制器功能，這些設備可為每個端口提供90W至99.9W的功率，同時為IEEE 802.3bt Type 3（1-6級）和Type 4（7-8級）應用提供最多48個端口的支持。需要額外考慮的是，基于這些芯片組的系統應具有無需更改硬件即可通過軟件更新將早期標準升級到IEEE 802.3bt的能力。

開發人員的最后一個擔憂是能否保護PD免受反極性連接的影響，并減少提供IEEE 802.3bt Type 4 8級電源所需的電源空間和成本。借助在PoE連接的供電側所使用的全橋整流器，最新的IEEE 802.3bt解決方案也解決了這一問題。

新的IEEE 802.3bt標準能夠通過四對Cat5e線纜及更高標準的線纜提供90W的功率。這一PoE等級預計是已定義的最高級別，因為更高的級別對于當今基礎設施中部署的現有線纜和連接器可能并不安全。此標準將取代目前提供60W/75W/95W的所有現有符合之前標準的解決方案，例如UPOE或4PPoE。PoE系統和設備供應商提供了實現這些新標準的路線圖，同時也為早期符合之前標準的實現方案（包括支持UPOE和POH規范的實現方案）提供支持。符合之前標準的PD和符合新IEEE 802.3bt-2018標準的PD在合理實現后可以共用相同的以太網基礎設施，而無需更換現有的交換機或線纜。

作者簡介

Galit Mendelson，Microchip Technology PoE營銷與業務拓展資深經理。
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