如何实现通向IEEE 802.3bt的设计

POE (Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。 POE也被称为基于局域网的供电系统(POL, Power over LAN )或有源以太网( Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。

新一代5G技术能够提供具有更高速度的先进移动互联网连接，可助力实现各种IoT和大数据应用，从而创造新的商机。这些应用以空前的速度推动了将更多类型的受电设备(PD)连接到以太网网络的需求，这些设备包括IP监控摄像头、802.11ac和802.11ax接入点、LED灯具、5G小型基站以及其他IoT电器。以太网供电(PoE)技术给在5G部署中为这些设备供电带来了诸多优势，通过将供电设备(PSE)和受电设备(PD)的功率限值分别设定为90W和71.3W，最新的IEEE® 802.3bt标准让这种可能性成为现实。

面临的挑战是如何部署支持这项最新一代PoE技术的PD，以便它们能够与现有IEEE 802.3bt标准之前的2对和4对PD协同工作，也就是支持早期符合之前标准的通用PoE(UPOE)和HDBaseT供电(POH)规范的PD。如今，行业已经弥合了这种互操作性差距，可确保符合之前标准和全新IEEE 802.3bt-2018标准的PD能够共用相同的以太网基础设施，而无需更换现有的交换机或布线。

通向IEEE 802.3bt之路

自2003年批准第一个PoE标准以来，PoE的应用范围大幅增长，并且在新应用方面不断取得进展。在简化安装、节省CAPEX和OPEX成本以及为全球使用提供统一且安全的电源标准方面，PoE拥有巨大优势。

在新应用中影响PoE使用的主要限制因素是可用功率的大小。尽管15.4W的电源足以满足大多数IP电话和802.11a/b/g接入点的需求，但却不足以为IP视频电话、802.11n和云台变焦控制(PTZ)IP摄像机供电。因此，电气电子工程师协会(IEEE)在2009年发布了IEEE 802.3at标准，规定了功率为30W的PoE电源。

如今，需要更高的功率来为连接到以太网的其他设备(例如PTZ监控摄像头、自助服务终端、POS终端、瘦客户端、802.11ac和802.11ax接入点、小型基站以及联网LED照明)提供支持，而这类设备均可从PoE中受益。为了满足这一需求，新的IEEE 802.3bt标准主要通过利用全部四对结构化布线来提高PoE的最大可用功率。IEEE 802.3bt扩展了在初始协商期间交换的电源分类信息，可实现高效的电源管理功能，支持多个PoE等级，同时还可向后兼容。这些增强功能解决了更高功率和更高效PoE供电系统带来的挑战。

IEEE 802.3bt标准意向征集(CFI)活动于2013年初开始，并于2018年9月获得正式批准。由于新标准通过将PSE和PD的功率限值分别设定为90W和71.3W来拓展PoE的使用场景，因此它不但能够满足现有市场需求，还被普遍认为是PoE市场增长的主要推动因素。

不过，在IEEE 802.3bt实施之前，也有一些同步开展的工作在努力提高PD的供电性能。从IEEE 802.3af-2003 PoE标准开始，能够通过两对5e类(Cat5e)线缆为每个设备提供最高达15.4W的输出功率。IEEE 802.3at-2009标准(也称为PoE+)引入了支持30W输出功率和25.5W负载功率的“Type 2”PSE/PD。后者主要是对第一个标准的扩展。随后，HDBaseT联盟对HDBaseT协议进行了标准化，允许通过Cat5e或更高标准的线缆将HDMI链路扩展到最长100m。2011年，HDBaseT联盟创建了HDBaseT供电(PoH)标准，这项标准将四对线缆的最大供电功率扩展到95W。

IEEE 802.3bt添加了许多功能。除了引入Type 3和Type 4 PSE/PD以及通过四对线缆工作之外，这项标准还支持单签名和双签名PD结构，并将等级5到等级8添加到了改进的双向认证过程中。只要通道长度已知，就会添加自动分级功能，功率容量也会得到扩展。最后，这项标准还包含低功耗待机功能，并且支持采用PoE的10G-BASE-T。下表给出了在IEEE 802.3bt标准批准后提供的PoE功能。

IEEE 802.3bt标准的目标之一是符合ISO/IEC 60950中定义的有限电源和安全特低电压(SELV)要求。但是，这种合规性意味着每个端口的功率都不能超过100W。尽管存在这一功率上限，但每个端口100W的功率仍足以满足先前在原有IEEE标准下不支持的应用的需求，这样便能扩展PoE端口部署的潜在数量。

确保互操作性

只有PSE能够(在功率方面)支持PD并且两者均符合标准，IEEE 802.3bt规范便可确保IEEE 802.3bt系统能够自动与传统Type 1和Type 2设备配合工作。如果PD需要更高的功率(IEEE 802.3bt PD)而PSE无法支持该PD(IEEE 802.3af/at PSE)，那么PD将保持关闭状态，或者进入开启状态而只消耗来自PSE的可用功率。

最早提供这种互操作性的解决方案示例之一是Microchip的PSE芯片组，它实现了符合之前标准的交换机与符合新IEEE 802.3bt-2018标准的产品之间的互操作。该芯片组基于Microchip的早期PSE芯片组，用于实现已广泛采用的PoH四对供电标准(适用于95W PD)。另外，它也是符合IEEE 802.3bt-2018标准的PoE供电器和中跨产品的核心，可为用户弥合互操作性差距。

通过在PD与现有交换机之间安装符合IEEE 802.3bt-2018标准的PoE注入器和中跨，用户能够为符合之前标准的PD与符合IEEE 802.3bt-2018标准的PD的任意组合供电。通过使用单端口和多端口选项，符合新IEEE 802.3bt标准的交换机也能够为满足之前标准的PD供电。

随着网络中IP电话、网络视频监控以及无线以太网设备的日益普及，对这些设备提供电力支持的需求也日益迫切。由于这些终端设备通常安装在距离地面较高的位置，如天花板或室外，附近往往缺乏合适的电源插座，即使有插座，也难以安置所需的交直流转换器。此外，在大型局域网应用中，管理员需要同时管理多个终端设备，这些设备需要统一的供电和集中管理。然而，供电位置的限制给供电管理带来了极大不便。PoE技术的出现恰好解决了这些问题。

PoE，即以太网供电，是一种有线技术，它使数据传输的网线同时具备直流供电能力。这一技术广泛应用于IP电话、无线AP、便携设备充电器、刷卡机、摄像头和数据采集等终端的集中式电源供电。其优势在于可靠性、连接简捷性和标准统一性：

可靠：PoE设备能同时为多个终端供电，实现电源集中管理，并支持电源备份。

连接简捷：终端设备无需外接电源，仅需一根网线即可。

标准统一：符合国际标准，采用全球统一的RJ45电源接口，确保与不同厂商设备的兼容性。

那么，PoE究竟是如何工作的呢?其供电系统包含两个关键角色：供电设备PSE和受电设备PD。PSE是提供检测、分析、智能功率管理等功能的PoE设备，例如PoE交换机，它通过以太网为PD提供电力支持。而PD则是如无线AP、便携设备充电器、刷卡机、摄像头等受电设备，它们按照是否符合IEEE标准分为标准PD和非标准PD。

根据IEEE标准，PoE供电设备PSE可分为MidSpan和Endpoint两类。MidSpan的PoE功能模块位于设备外部，而Endpoint则将PoE功能模块集成至设备内部。华为Cloudengine S系列PoE交换机便属于Endpoint类型的PSE设备。

EndpointPSE设备根据供电线对的差异，又分为Alternative A和Alternative B两种供电模式。Alternative A通过1/2和3/6线对供电，1/2线对作为负极，3/6线对作为正极，同时支持数据传输。而Alternative B则利用4/5和7/8线对供电，4/5线对为正极，7/8线对为负极。需注意，IEEE标准规定这两种供电模式不能同时使用。

此外，PoE供电过程中还涉及PSE与PD之间的供电协商。一旦PD设备通过网络连接到PSE设备，双方便会启动供电协商流程。PSE通过周期性输出小电压并检测PD设备的阻值来判断其是否支持IEEE 803af或IEEE 803at标准，从而确保供电的稳定与兼容。

供电能力协商，即PD设备分类过程，是PSE对PD进行分类并协商供电功率的重要环节。这一过程可以通过解析PSE与PD发送的电阻来实现，同时，链路层发现协议LLDP(Link Layer Discovery Protocol)也提供了发现和通告供电能力的重要功能。

在启动期内，PSE设备开始向PD设备供电，电压逐渐升高至48V。一旦电压稳定在48V，PSE将为PD设备提供稳定可靠的直流电，同时监测PD设备的功率消耗，确保不超过PSE的最大输出功率。

若供电过程中出现异常情况，如PD电流消耗降至最低值以下或电流激增，PSE将立即断开电源，并重复检测过程以确保安全。

此外，IEEE 801ab标准定义了Power via MDI TLV(Type Length Value)，用于MDI供电能力的发现和通告。当PSE检测到PD设备后，双方将周期性发送包含此TLV的LLDP报文，以实现信息交互。但需注意，该标准仅能协商IEEE 803af和IEEE 803at两种标准的供电参数，无法协商IEEE 803bt标准的供电参数。为此，华为S系列交换机特别自定义了一种Power via MDI TLV，以支持对IEEE 803bt标准供电参数的协商。