Technologies

Power over Ethernet (PoE) - это технология подачи электропитания через Ethernet к оконечным сетевым устройствам, которые для своей нормальной работы требуют и канала передачи данных и источника питания. Это могут быть сетевые устройства специального назначения, коммутаторы Ethernet, беспроводные точки доступа, IP камеры, сетевые накопители и т.п.

Привлекательность и преимущество технологии PoE состоит в том, что она использует только один комплект проводов как для передачи данных, так и для подачи питания. Это снижает затраты времени на инсталляцию конечных систем и экономит средства на стоимости силовых кабелей и других компонентах. Например, в сетях LAN один 4-х портовый коммутатор Ethernet может одновременно работать с четырьмя удаленными беспроводными точками доступа. Это автоматически предполагает 5 независимых источников питания, 5 розеток 220В и силовые провода. Иногда наилучшее положение точки доступа с точки зрения распространения сигнала может вступать в противоречие с его физическим расположением - крыша, внешнее ограждение зданий, заборы и т.п. Прокладка силовых кабелей в подобных случаях может оказаться непростой задачей, в том числе и по соответствию нормам электробезопасности и пожарной безопасности, не говоря уже о дополнительных затратах на материалы и инсталляцию. Возможности технологии PoE значительно упрощают решение подобных задач, так как оконечное РоЕ устройство можно просто подключать к сетевой розетке Ethernet с поддержкой PoE.

Одна из главных особенностей РоЕ - возможность применения этой технологии как при организации новых сетей, так и при модификации уже существующих. Чаще всего при модернизации сети требуется установка активного конечного оборудования именно там, где поблизости нет источника питания, а электропроводка отсутствует. Благодаря РоЕ технологии Wi-Fi точку доступа, например, можно устанавливать в местах наилучшего приема сигнала, а IP-камеру монтировать в любом удобном для обзора месте.

Основные преимущества технологии РоЕ:

• питание оконечного сетевого устройства и обмен данными с ним осуществляется по одному сетевому кабелю;
• низкие затраты на инсталляцию систем, их модернизацию и сервисное обслуживание;
• повышенная эксплуатационная безопасность: стандарт IEEE 802.3af (РоЕ) и стандарт IEEE 802.3at (РоЕ+) обеспечивают защиту от короткого замыкания, падения напряжения, превышения потребляемого тока и т.п.;
• простота развертывания сети, особенно в сложных пространственных условиях (крыши и наружные ограждения зданий, внутренние помещения в аэропортах и вокзалах, кафе, кинотеатры и т.п.);
• возможность централизованного контроля: некоторые конечные сетевые устройства требуют удаленного доступа и управления (часы PoE, информационные табло PoE и т.п.).

Текущая спецификация технологии PoE представлена и систематизирована в стандарте IEEE 802.3af, который описывает работу двух типов Ethernet-оборудования: источников питания (PSE), и потребителей питания (PD). PSE-устройство, входящее в состав активного оборудования, по терминологии стандарта обозначается «End-Point», а выполненное в виде отдельного элемента и включаемое в разрыв Ethernet-линии - «Mid-Span». Стандарт IEEE 802.3af предусматривает подачу по неэкранированной витой паре (включая также современные кабели категорий 5, 5e и 6) постоянного напряжения 48 В при максимальной мощности потребления 15 Вт, не оказывая при этом влияния на качество передачи и приема данных по сети. Эта технология работает с существующими кабельными системами без необходимости внесения каких-либо изменений.

Для реализации РоЕ используются возможности физического уровня Ethernet. Подача напряжения в линию возможна в двух вариантах:

• Вариант А - на концах линии используются высокочастотные сигнальные трансформаторы с центральным отводом от обмоток. Постоянное напряжение питания подается на эти центральные отводы на передающей стороне, и так же с центральных отводов обмоток снимается на приемной стороне. Это позволяет без взаимного влияния передавать по одной паре проводов и высокочастотные данные, и постоянное напряжение питания.

  
  

• Вариант В - для передачи питания используются свободные пары в кабеле, поскольку современные кабельные сети Ethernet, соответствующие стандарту 100Base-TX, состоят из четырех витых пар, две из которых не задействованы.

  
  

Это означает, что PSE устройства (инжекторы) отличаются в зависимости от вариантов (А или В) подачи напряжения в линию. Стандарт IEEE 802.3af позволяет таким устройствам подавать питание на пары (1,2) и (3,6) или на пары (4,5) и (7,8) обычного медного кабеля. Оборудование PSE может быть совместимо со стандартами передачи данных 10BASE-T, 100 BASE-TX или 1000BASE-T. В отличие от инжекторов, устройства PD (сплиттеры) являются универсальными. Устройство PD обязано уметь принимать из сети и выделять питание в любом варианте (А или В), в том числе и при изменении полярности подключения (кабели типов patch cord или cross over), а правильную полярность получать с помощью диодного моста.

Сплиттеры бывают изолированными и неизолированными. Изолированные сплиттеры обеспечивают гальваническую развязку вход-выход в 1500 В. Они являются более защищенными устройствами, так как их силовые линии гальванически развязаны от источника. В неизолированных PD, например, короткое замыкание на любой из сторон PSE или PD может вывести из строя оба устройства, так как они гальванически связаны между собой общим (земляным) проводом.

Рис.1. Процедура подключения сплиттера по технологии PoE

Устройство PSE подает питание в кабель только в том случае, если подключаемое устройство является устройством типа PD. Таким образом, оконечное оборудование, не поддерживающее стандарт PoE, не будет выведено из строя при случайном подключении к инжектору. Процесс подачи напряжения в линию и снятия напряжения с линии осуществляется в несколько этапов (рис. 1).

1. Идентификация. На этом этапе определяется, является ли подключенное на противоположном конце кабеля устройство сплиттером. Устройство PSE подает на кабель напряжение от 2,8 до 10 B и определяет параметры входного сопротивления подключаемого устройства. Для устройства PD - это сопротивление от 19 до 26,5 кОм с параллельно подключенным конденсатором емкостью от 0 до 150 нФ. Только после проверки соответствия параметров входного сопротивления для подключенного сплиттера PSE переходит к следующему этапу - классификации. В противном случае PSE повторяет этап идентификации через время, не менее 2 мс.


2. Классификация. Служит для определения диапазона мощности, которую может потреблять устройство PD, и для дальнейшего контроля соответствия реально потребляемой мощности заявленной. Классификация выполняется путём введения инжектором в кабель напряжения от 14,5 В до 20,5 В и измерения тока в линии. Каждому устройству PD в зависимости от заявленной потребляемой мощности будет присвоен класс от 0 до 4 (см. табл. 1, 2). Максимальный диапазон мощностей имеет класс 0. Класс 4 зарезервирован стандартом для дальнейшего развития. Устройство PSE может снять напряжение с кабеля, если устройство PD стало потреблять мощность большую, чем ту, которую объявило во время этапа классификации.
   
   Таблица 1. Классификация устройств PSE по мощности. Класс Использование Минимальная мощность на выходе устройства PSE, Вт 0 По умолчанию 15,4 1 Опционально 4,0 2 Опционально 7,0 3 Опционально 15,4 4 Зарезервировано для будущих применений Аналогично классу 0
   
   Таблица 2. Классификация устройств PD по мощности Класс Использование Диапазон максимальной мощности, потребляемой устройством PD, Вт 0 По умолчанию 0,44 12,95 1 Опционально 0,44 3,84 2 Опционально 3,84 6,49 3 Опционально 6,49 12,95 4 Недоступно Зарезервировано для будущих применений


3. Старт. После прохождения этапов идентификации и классификации устройство PSE подает в кабель напряжение 48 В (полное напряжение) за время, не меньшее чем 400 мс. Затем инжектор постоянно осуществляет контроль за корректностью работы сплиттера двумя способами:
   • если устройство PD в течение 400 мс будет потреблять ток меньше 5 мА, то инжектор снимает питание с кабеля;
   • инжектор подает в кабель напряжение частотой 500 Гц амплитудой 1,9 5,0 В и вычисляет входное сопротивление сплиттера. Если это сопротивление будет больше, чем 1980 кОм в течение 400 мс, то инжектор снимает питание с кабеля.
   Кроме того, устройство PSE во время работы непрерывно следит за током перегрузки. Если устройство PD будет потреблять ток более 400 мА в течение 75 мс, то питание с кабеля также будет снято.


4. Отключение. В случае, когда устройство FSE определяет факт отключения сплиттера от кабеля, или в случае превышения потребляемого сплиттером тока, инжектор снимает напряжение с кабеля за время не меньше, чем 500 мс.

Стандарт 802.3af не поддерживает Gigabit Ethernet, который использует все 4 витые пары в кабеле для передачи данных. По этой причине некоторые производители выпускают оборудование PoE, которое может работать в сетях Gigabit Ethernet, но не отвечает существующему базовому стандарту. Кроме того, некоторые инжекторы могут подавать питание с мощностью более 15 Вт для поддержки мощных оконечных устройств. Это оборудование уже успело получить широкое распространение на рынке, что побудило институт IEEE создать рабочую группу для выпуска обновления к стандарту.

Рабочая группа 802.3at отвечает за расширение возможностей стандарта 802.3af. Новый стандарт РоЕ+ предусматривает мощность величиной 30 Вт. В первую очередь, это необходимо для высокоскоростных Wi-Fi точек доступа и камер видеонаблюдения с функциями масштабирования и перемещения в горизонтальной / вертикальной плоскостях. Кроме этого, в задачи рабочей группы РоЕ+ также входит разработка способа взаимодействия оборудования PSE с сетями Gigabit и 10 Gigabit Ethernet.