Power over Ethernet技術帶動網路新應用革命

2004-02-20
2003年六月,IEEE正式核准了名稱為「802.3af-2003」的802.3af標準,它明確規定了遠端系統中的電力檢測和控制事項,該標準對路由器、交換機和集線器透過乙太網路電纜向IP電話、安全系統以及WLAN接取點等設備供電的方式進行了規定。
2003年六月,IEEE正式核准了名稱為「802.3af-2003」的802.3af標準,它明確規定了遠端系統中的電力檢測和控制事項,該標準對路由器、交換機和集線器透過乙太網路電纜向 IP電話、安全系統以及WLAN接取點等設備供電的方式進行了規定。這無異是為乙太網路供電PoE(Power-over-Ethernet)市場注入了一針強心劑,依靠穩定可靠的乙太網路在同一個連接器上提供電力的應用今後將可望陸續問世,業界透過一種穩定、統一的標準將讓支援PoE產品在10年內大量的普及化。  

在IEEE推出802.3af標準後,PoE(Power-over-Ethernet)市場就變得更為引人注目,目前這塊市場正逐漸在興起之中,TI、PowerDsine與Nortel等網路晶片或設備廠商都已經開始推出一些基於乙太網路供電的產品,這些產品的推出加速了PoE技術在WLAN(無線局域網)、IP(VoIP)語音電話以及IP Security等產品中的應用,未來可以說只要有Ethernet的地方,就有PoE存在的必要與價值,可以想見其商機之大。  

PoE(power-over-Ethernet)工作原理  

PoE的技術原理是透過LAN(局域網)網路線提供相關設備工作所需之電源,並不需要單獨連接電源線纜的全新供電方式,許多企業已開始應用PoE來降低組建區域網路的成本,因為採用PoE技術可以大量節省購買及安裝大量電源插座及電源線之鉅額開銷與繁雜線路,並確保供電來源的可靠度,此外PoE還可以讓 IP電話用戶在平時電力來源中斷時繼續使用IP電話的功能,真正達到停電不停話的目標。  

PoE主要的工作原理是讓DC電源利用CAT5連接線中未使用到的線路傳遞電能,本身同時具備資料傳輸介面與電源線等兩種角色。如果遠端AP採用PoE的話,將可讓系統架構更為簡單,也大幅減少線纜數量,不只容易維護、使用方便,還能降低成本。PoE本身穩定性與安全性兼具,也具備遠端監控功能,不需要轉接器,無論是110V或220V電壓的電源供應都可通用。因此,今後將會有更多乙太網路連接的終端產品應用PoE技術。  

IEEE802.3af確立PoE的技術內容規範  

IEEE802.3af標準制訂的規範就是為了消除傳統介面以及安裝這些介面所需要的人力、物力上的開銷,實現乙太網路供電。與資料網路相對應, IEEE802.3af技術還支援點到多點的電力分配設備,網管人員只需要在網路核心部位配備一套UPS設備就可以為本地網路內多種分散設備的供電提供電力備份。  

此外,IEEE802.3af技術還提供基於Web控制的SNMP遠端存取和管理,它定義了一套方法來構建供電設備和用電設備,規範中包括在非遮罩的雙絞線上傳輸48V的直流電,可以不做修改就能應用在現存的電纜設備上,如3/5/5e/6類線纜、配線架、輸出接口、連接硬體等。傳輸給每個節點的電力被限制在350mA,考慮到纜線上的衰耗,如果為每個節點連續提供電力則需要12.95W。IP電話和WLAN接取點通常要消耗3.5W到10W電力,符合其要求的規範內。按照安全標準和現行電纜的限度要求,電力通過兩對並行的雙絞線進行傳輸。因此支援IEEE802.3af標準的供電設備具備一種檢測機制來防止對一些不合適設備進行供電。只有終端在乙太網路信號中夾帶電力認證資訊時才准予提供電力,這樣可以有效預防對其他設備帶來的損害。  

IEEE 802.3af標準為使用CAT-5 CABLE和CAT-6 CABLE傳輸48V直流電到PoE相容的設備定義了兩種方法:End-Span圖1和Mid-Span。End-Span圖2設備的原理是引入了一個基於乙太網路內置電源的乙太網路閘道,這種閘道設備能夠在同樣的線路上傳輸資料和電力,只是其傳輸直流電信號頻率與乙太網路資料信號頻率不同,由於這種方法可以內嵌入支援PoE的交換機之中,用戶常購買此類交換機用於IP電話或WLAN接取點。End-Span允許G bits高速乙太網路和PoE共存,提供10/100/1000Mbits三種速度的連接。  

Mid-Span設備則通常可配置6到24個埠,連接原來的網路設備和需要IEEE802.3af標準供電的新設備。每個Mid-Span埠都配有RJ- 45的資料登錄連接器和資料/電力雙用的RJ-45輸出連接器,Mid-Span設備分流出未使用的4/5和7/8線對來承載供電,剩下的部分預留給資料傳輸。如果是首次配置,通常應該購置一套End-Span乙太網路閘道,因為Mid-Span設備較適合於對現有網路進行升級和埠密度較小的網路。一般來說,購置一套新的End-Span閘道是公認比較明智的作法,因為它可以有效地支援IP電話、WLAN接取點以及其他通用的用電網路終端設備。採用上述兩者中任何一種供電設備,用戶都可以安全方便地混合使用原有的乙太網路設備和基於IEEE802.3af技術的網路新設備。  

使用PoE將能有效節省成本  

PoE技術可以提供48V電源,直接驅動CAT-5 CABLE等系統,不需外加電源即可使IP電話、WLAN接取點等設備正常使用,這樣可以大幅節省開支,而且由於不用考慮插座位置,因而接取點的位置分布與設置具有更大的靈活性,同時也會提高整個系統的可靠度。  

未來這類符合IEEE802.3 af標準的元件成本將隨著晶片等關鍵性零組件開始出貨而迅速下降,而且低成本將很快滲透到該項業務的交換機和IP電話等終端產品。據估計在終端部份增加 PoE功能,平均來說將使成本額外增加70%,而在網路部份,一台支援PoE技術的交換機成本不會比常規乙太網路埠額外再高出25%,因此依現有的設備安裝顯示,由於去掉了另外的電氣佈線和電源插座,未來PoE技術將可使總成本節省約50%。  

另外,IEEE802.3af標準也將大幅推動晶片供應商將PoE技術設計整合入筆記型電腦和可攜式電腦晶片組的趨勢,因這類產品要求PoE標準規定低於 12.95瓦特的低功耗性能,隨著這些設備變得不太耗電以及乙太網路供電成為大多數企業IT環境的標準,人們在旅行時將不再需要帶上多種不同的電源線,相反的,RJ45插口將可能成為一種通用電源插口。所以歸納來說,採用PoE技術將會有四大優點,那就是節省成本、更高的系統可靠度、從依賴傳統電力轉換成可靠性更高的網路供電與在網點配置上擁有更多彈性的發展空間。  

移動性產品為PoE衍生市場機會  

PoE技術所提供的解決方案,是透過一根網路線即可同時傳輸資訊與電力,因此不需要在運行中的乙太網路終端設備附近配備電力線出口,這對於需要定位於電力來源不是很方便的設備特別有幫助。  

舉例說明,WLAN接取點、IP電話、網路安全攝影機等,另外則是在PoE技術成為廣泛標準後所衍生出的市場機會,特別是具備商務特色強調移動性的資訊終端產品,如NB PC、PDA等。  

不過從Nortel Networks的解決方案中可以大致瞭解現階段由於市場正處於萌芽期圖3,初期終端產品市場將主要集中在IP電話及WLAN接取點兩大主軸產品,而大多數的通訊設備製造商也積極朝這方向去佈局,待技術更為普及後才可望延伸至其他連結網路終端產品,2003年10月SONY推出了全球首款支援 IEEE802.3af標準的網路攝影機,為乙太網路供電終端產品的多樣化與普及向前邁進了一大步。  

企業用戶為初期主要市場  

預計今後五年內企業用戶將成為主要市場,75%以上的企業網路設備將實現由乙太網路供電。根據研究顯示,未來應用中45%的埠是用於IP電話,45%用於 WLAN接取點,其餘則用於網路安全攝影機與藍芽接取點等產品。受PoE技術的推動,預計更多的主流應用將得到發展,例如門禁控制設備、消防排煙設備等等,這些設備需要一種緊急情況下的後備電源,以及商務移動資訊產品等,在成本、便利性等考量下,企業用戶將成為第一波PoE設備成長的帶動者。迄今為止,乙太網路提供電力現有埠約有90%由中繼設備送電,也就是Mid-Span的傳輸方式,其餘才是由內嵌入支援PoE的交換機供電(End-Span傳輸方式)。未來在企業體考慮更具成本效益的選擇下,將朝著有利於把乙太網路電力性能直接嵌入到交換機的趨勢轉變。  

IP電話與WLAN接取點的成長將帶動市場起飛  

初期將被替換支援PoE的設備大約只有40億美元的穩壓器市場,這是因為目前還處在PoE的發展早期,不過未來IP電話及WLAN接取點這兩個發展迅速的市場將成為PoE技術高速發展的主要驅動力圖4,目前採用PoE方案將使IP電話系統的成本提高兩倍,但大規模實施後成本將會降低。根據研究公司 Probe Group的調查顯示,PoE最大的初始應用就是來自於IP電話,因為它經過若干年的緩慢發展後終於開始顯露成長的力道,企業用戶在全球化、國際化的浪潮下,因成本考量開始逐漸接受IP電話,2003年起企業對VoIP技術躍躍欲試,大部分公司已開始分階段汰換其老舊的PBX(private branch exchange)電話系統而運作end-to-end的IP網路電話。  

IP電話相關產品的市場規模(含IP-PBX與IP Switch等)在2003年已超越10億美元,形成一項重點產業與市場。依據Allied Business Intelligence (ABI)調查統計,2002年全球IP電話埠總數已達420萬埠,2003年估計將倍數成長到920萬埠,2006年更激增為3,500萬埠,顯示全球 IP電話市場正快速成長。另外,In-Stat/MDR也指出2003年全球IP電話服務市場規模約僅5億美元,但2007年會激增為37億美元圖5,而這其中大部分為企業用戶,家庭用戶仍在起步階段。不過因為IP電話「無限暢打」(All-You-Can-Call)的誘因讓許多美國民眾已開始捨棄傳統的電話通訊服務公司,轉而投向新興IP電話服務公司的懷抱,加上日本發展IP電話家庭用戶的進展快速(估計2007年2788萬IP電話用戶),未來家庭用戶將可望急起直追企業用戶。總結而論支援PoE技術設備將在全球IP電話成長的帶動下呈現驚人的進展。  

另外,WLAN在市場上的火熱程度超越眾人想像,就PWLAN而言,全美國就擁有五千多個Hot Spot,預計到2005年全美將有超過5萬3千個Hot Spot,且包含中國與日本、南韓、台灣與新加坡等亞太地區與歐洲地區也正如火如荼地投入Hot Spot的佈建,根據Garnter的估計圖6,到2005年底,全球將會布署超過10萬個WLAN Hot Spot覆蓋,達到15.1萬個。若再加上家庭及企業用的WLAN接取點,數量更是驚人,單是美國地區,目前就已有超過三千萬個家庭和辦公室在使用 WLAN的接取點。因此,WLAN將是繼IP電話後扮演PoE技術成長的第二關鍵性指標。  

眾多廠商積極投入PoE的發展  

IEEE802.3af標準還會推動各種各樣符合該標準草案或使用非專有解決方案的元件和交換機供應商的發展,包括諸如TI、Maxim、PowerDsine和Linear Tech等這樣的功率晶片供應商以及像Nortel Networks、Fujitsu、Cisco、Avaya與HP等交換機供應商。比較值得注意的是以色列的PowerDsine公司,它為最終的 IEEE802.3af規格提供了關鍵性的技術(協助制訂IEEE802.3af 絕大部分的標準)。PowerDsine除將其技術授權給OEM廠商使用之外,還銷售其自有的局域網路供電中繼設備系列產品。  

以PoE先驅者自居的PowerDsine,是目前發展PoE技術最成熟的企業,提供的解決方案也最為全面,在ASICs方面推出了PD64012 的電源管理IC與PD64008的電源驅動IC等產品,PoE模組方面則有PoE DIMMs、PoE SIPs與PoE PSUs等應用於交換機產品中的控制與驅動模組系列產品,另外值的一提的是PowerDsine的6000 series Mid-Span設備,PowerDsine有四種Mid-Span供給設備,埠密度為1-24,在價格上,單埠設備價格是每埠80元美金,24- port設備是每埠大約50元美金,而更令人感興趣的是PowerDsine的splitter,它可支援以前的設備,並將到達乙太網路電纜的48伏特轉換成5V、12V或24V的電壓,藉以提供本地網路電能。而這個設備幾乎被所有的包含Cisco、3Com、Avaya、Nokia與Ericcson等四十幾家通訊設備大廠所採用表1。  

TI在PoE技術上的發展腳步也十分快速,早在2003年5月就向市場推出第一批以先進的系統電源管理技術為基礎的電源管理元件。透過2顆新元件 (TPS2370電源開關元件、TPS2383電源管理元件)的協助,工程師可以利用標準乙太網路纜線傳送資料和供應直流電源,使他們在研發乙太網路應用系統和家電產品時,能夠降低系統成本,提升產品的功能和可靠性。新元件完全相容於即將通過審核的IEEE 802.3af標準,許多廠商已將它們用於乙太網路供電式產品設計,包括無線區域網路接取點、IP電話、保全系統、銷售點終端裝置和供電裝置(power sourcing equipment),例如乙太網路路由器、交換機和集線器。隨後TI更針對快速崛起的IP電話市場推出TNETV1050解決方案,採用 TMS320C55x DSP與加強型高速MIPS32 RISC核心,能支援現有和未來IP電話標準,不僅可以加快處理器之間的通訊能力,還擴充了資料和指令快取記憶體及內建記憶體,能夠滿足嚴格的IP電話應用需求。  

除了晶片及元件供應商外,其餘包含HP推出的ProCurve Switch 2626-PWR與Switch 2650-PWR,PLANEX的FMX-24P智慧型PoE高速乙太網路交換機、Nortel Networks 的BayStack 460-24T-PWR交換機、3Com的智慧插座式交換機NJ100與NJ200、Gemtek的E-810乙太網路供電交換機等等,現階段相關產品的推出已十分頻繁,不過大多都集中在中繼設備的交換機上,在終端產品部分,業者也多以IP電話和WLAN接取點產品為主。近期SONY推出全球首款支援 PoE規格的網路攝影機SNC-Z20N圖7,SNC-Z20N的耗電量為9W左右,合乎IEEE802.3af接收供電的設備最大耗電量不得超過 12.95W的規定,這款產品將是未來除了IP電話與WLAN接取點外,帶動終端產品採用乙太網路供電的指標性產品。  

PoE技術讓生活更便利  

PoE技術帶來的是一項網路新應用的革命,將電力帶上網路線的夢已逐步實現,現今看到的是透過乙太網路供電讓許多遠端的網路資訊產品不用再另外拉電源線並安裝電源插座,大幅降低成本及使用上的便利性,更多的如監控攝影機、火警及警盜感應器、消防排煙設備與門禁控制設備等產品也可以不受突發性停電所影響,大大提升人身與財產安全的保障,未來更有機會看到Intel所倡導的高效能CPU去電源線化的無線生活更進一步落實,只要能連結網路的地方將不再缺少電力來源,雖然距離這樣的生活仍有一段時日,但在相信科技始終來自於人性的道理與國際網路通信設備大廠對於標準推廣的努力下,乙太網路供電所帶來的革命性生活改變的日子已經不遠了。  

 

 

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