Технологии PoE (Power over Ethernet). Подача питания по сетевому кабелю Ethernet
Технология PoE стала ответом на проблемы, возникшие при организации энергоснабжения компонентов информационных сетей: VoIP телефоны, точки беспроводного доступа, видеокамеры, сетевые маршрутизаторы, компоненты систем контроля доступа, наружные радиостанции со встроенными антеннами и т.д. Расположение устройств является неудобным или невыгодным с точки зрения монтажа силовых линий, тем не менее, на устройство необходимо подать постоянное напряжение, каждый канал питания должен соответствовать характеристикам потребителя по мощности, величине напряжения, максимальному и минимальному току. Кроме того, необходима защита от перегрузок, коротких замыканий, обрыва линии.
Проблему можно решить лобовой атакой – протянуть везде линии 220 В, и возле каждого устройства установить розетку с индивидуальным блоком питания, но такой метод совершенно нерационален, поэтому был выбран другой путь.
Идея РоЕ
На практике перечисленные выше устройства и устройства более высокого уровня (коммутаторы, контроллеры, компьютеры и т.п.) соединяются Ethernet-кабелем для передачи информации и сигналов управления. Для напряжения 220 В он не предназначен, но постоянное напряжение для питания электронных устройств по нему подать можно. Идея РоЕ как раз в этом и заключается, — в подаче постоянного напряжения питания по тому же самому Ethernet кабелю. Причем, для реализации совсем необязательно наличие свободных пар в кабеле.
Постоянное напряжение можно обеспечить по сигнальным линиям, поскольку есть способ разделить питание и сигналы. Для этого используются высокочастотные трансформаторы. В источнике постоянное напряжение прикладывается к их вторичной обмотке и отправляется в кабель. В потребителе постоянное напряжение снимается с первичной обмотки, а информационная часть, представляющая, по сути, переменное напряжение снимается со вторичной обмотки. Постоянный ток ничего в этой обмотке индуцировать не может, что и дает возможность разделить информацию и питание.
Лучшим вариантом является передача питания по двум витым информационным парам. В этом случае между проводами одной пары постоянного тока нет, что делает такую схему привлекательной. Напряжение подается на центральные точки вторичных обмоток трансформаторов источника, а снятие напряжения идет с центральных точек первичных обмоток приемника (см.рис.1). В такой схеме сводится на минимум взаимное влияние каждой из составляющих тока в линиях передачи.
Какие возможности обещает реализация этой идеи? Попробуем их перечислить:
- линия данных подводится к каждому устройству. Есть возможность подать питание индивидуально с учетом характеристик.
- появляется возможность управления режимом питания и диагностики. Т.е. фактически каждое устройство получит свой индивидуальный интеллектуальный источник питания без лишних линий на 220В.
- источники можно интегрировать в компоненты более высокого уровня (коммутаторы, контроллеры, компьютеры).
В результате мы получаем новую философию энергоснабжения – питание через сеть. Это и есть РоЕ.
Чем приходится платить за преимущества? Цена невелика, — устройства должны поддерживать технологию РоЕ.
Стандарты и технология РоЕ
Главную роль в создании технологии РоЕ сыграла стандартизация. Все слаботочные сети уже давно строятся из стандартных компонентов. В частности, по стандартам сетей Ethernet для проводных линий связи между устройствами используется унифицированный кабель с витыми парами проводников.
В устаревших вариантах это был кабель с двумя парами, в более современных сетях применяется 4-х парный кабель (категория 3 или 5). Кабель универсальный с фиксированной расцветкой проводников в парах. В Ethernet унифицирован не только кабель, но и разъемы, соответственно стандартизирована и разводка проводников по контактам разъемов (распиновка).
Все это дало возможность создать стандартные системы питания с использованием стандартных сетевых компонентов.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили схемы РоЕ, соответствующие стандартам IEEE802.3af и IEEE802.3at («РоЕ плюс»). Прежде чем перейти к протоколам подключения и описанию типовых представителей этой технологии, рассмотрим схемы подключения питания.
Рис.1. Подключение по типу А.
PSE (power sourcing equipment) – устройство с источником питания,
PD (powered device) – устройство потребитель.
Spare pair – резервная пара.
Signal Pair – сигнальная пара.
Цифрами 1;2;3;4;5;6;7;8 обозначены контакты стандартного разъема для сетей Ethernet.
В этом варианте для подачи питания использованы две сигнальные пары: 1 – 2 и 3 – 6. Еще две пары: 4 – 5 и 7 – 8 остаются свободными. Стоит обратить внимание на то, что полярность источника в этом варианте строго не задана. Поэтому выпускаются PSE, где «плюс» на клеммах 1;2, а «минус» на 3;6 и также выпускаются устройства с обратной полярностью.
Схема подключения питания по варианту Б показана на рисунке ниже. Обозначения здесь те же, что и в варианте А.
Рис. 2. Подключение по типу Б.
Как видно из схемы, в этом варианте питание подается не по сигнальным, а по свободным витым парам кабеля. «Плюс» идет по проводам 4 – 5, «Минус» по проводам 7 – 8.
По стандартам IEEE802.3af/at устройство потребителя PD должно быть универсальным и совместимо с источниками типа А и В. Т.е. схема PD автоматически задействует нужные пары контактов для питания и учтет полярность.
Разница в стандартах заключается в максимальной мощности выводимой/принимаемой на один порт устройства с РоЕ (см. табл.)
Таблица 1. Параметры РоЕ по стандартам IEEE802.3af и IEEE802.3at
РоЕ по стандарту IEEE802.3at обеспечивает практически двукратное увеличение мощности подключаемых устройств. Это дает возможность подключать видеофоны, камеры наблюдения с регулировкой положения и оптического увеличения. Недавно, в 2018г. появился еще один стандарт IEEE 802.3bt. По этому стандарту передача питания идет по 4-м парам, мощность поднята до 95 Вт. Принцип передачи питания такой же, как в варианте А, утверждается, что устройства PSE, работающие по IEEE 802.3bt, совместимы с PD предыдущих стандартов.
Алгоритм работы устройств по стандартам РоЕ
В сетях Ethernet стандартизировано буквально все, поэтому существует и стандартный протокол взаимодействия источника питания с потребителем. В рамках этого протокола источник в следующем порядке:
- Определяет, относится ли подключенное к порту устройство РоЕ-потребителем (PD). Для этого источник измеряет его входное сопротивление. В стандартном потребителе между парами питания добавляется сигнатурное сопротивление в 25 кОм. Если результат проверки близок к этому значению (≈ 5%), то источник опознает потребителя PD;
- Определяет класс PD по потребляемой мощности (всего их пять). Данный этап необязателен и может отсутствовать;
- Подает потребителю постоянное напряжение 48В.
- Контролирует потребление устройством PD.
Пункт 4 из этого списка указывает на контроль потребления, поэтому возможен вопрос, каким именно образом это происходит?.
Для контроля потребителя источник оперирует интервалами по 60 мс и 400 мс. В каждом интервале 60 мс ток потребления должен быть не менее 5 мА. Если в течение 400 мс такой интервал не появляется, PSE считает потребителя отключенным и прекращает подачу питания. Также питание прекращается, если в интервале 400 мс ток превысит значение 75мА. Таким образом обеспечивается безопасность источника, потребителя и линии подачи питания.
Устройства РоЕ
В настоящее время значительное количество компонентов структурированных кабельных сетей выпускается с поддержкой РоЕ. Кроме того, предлагаются устройства, обеспечивающие расширение сетей РоЕ и применение этой технологии с устройствами, не поддерживающими РоЕ:
- сплиттеры (разделители);
- инжекторы;
- удлинители РоЕ;
- адаптеры РоЕ (см. пассивное РоЕ).
Сплиттер для организации питания по сетевому кабелю, если потребитель не поддерживает РоЕ. Для таких устройств сплиттер отделит сигнал от питания (5,9В,12В) и отправит их на соответствующие порты. На иллюстрации ниже на примере подключения IP-камеры показано, как применяется сплиттер.
Инжекторы предназначены для питания в сетевой кабель. С их помощью организуется применение РоЕ технологии в сети, или на участке сети, где нет PSE. У инжектора есть порт, куда подключается обычный кабель без РоЕ и вход для напряжения 220В.
Выход инжектора – это уже выход PSE по стандартам IEEE802.3af или IEEE802.3at. На рисунке продемонстрирована схема организации РоЕ для IP-камеры с поддержкой РоЕ.
Удлинитель РоЕ (экстендер) позволяет увеличить протяженность линии передачи питания и данных. Без удлинителя длина такой линии Ethernet не превышает 100 м. Экстендер дает возможность увеличить ее еще на 100 м.
В заключение следует сказать еще о двух важных вещах: пассивное РоЕ и двухпроводной РоЕ.
Пассивное РоЕ (Passive PoE)
Как мы уже знаем, в стандартном кабеле остаются свободные пары. Естественно, радиолюбители использовали их для питания 5 и 12 вольтовых устройств от обычных источников еще до появления стандартов РоЕ. В дальнейшем появились устройства с пассивным РоЕ, так же подающие питание на свободные пары.
Пассивное PoE подает фиксированное постоянное напряжение 5; 12; 24; 48 вольт с распиновкой по стандарту 802.3af в режиме B. Также необходимое напряжение можно получить, используя адаптер РSЕ. Он преобразует имеющееся постоянное напряжение в напряжение необходимое для питания потребителя. Например, 12В преобразует в 24 или наоборот. Во всех случаях никакой идентификации, согласования и контроля не производится.
Пассивные PSE для гигабитных сетей делают то же самое только с распиновкой по режиму Б.
Двухпроводное РоЕ
Технология РоЕ начиналась со стремления избавиться от дополнительных силовых линий и максимально использовать стандартный кабель CAT5e. По большей части это удалось, но в ряде случаев кабель из четырех пар там, где хватило бы и одной, представляется излишеством. В таких областях как автомобилестроение, авиация, транспорт любое уменьшение веса, диаметра проводников дает дополнительные преимущества при разработке продукции. В последнее время к этим областям прибавились интернет и растущие масштабы применения систем «умный дом». В итоге возникла острая потребность в устройствах, обеспечивающих питание и передачу данных только по одной паре проводников.
В ответ на это запрос разработан новый стандарт IEEE 802.3bu-2016: Power over Data Lines (PoDL). Он описывает физический уровень и параметры управления линий электропередачи Ethernet с одинарной сбалансированной витой парой.
PST и PD, соответствующие IEEE 802.3bu-2016 будут работать так же «умно» как устройства IEEE802.3af и IEEE802.3at. Однако они будут несовместимы с ними. Так что, скорее всего впереди нас ждет массовый переход на подключение конечных устройств по однопарным кабельным линиям