Стандарты питания от PoE до PoE++, внедрение и методы проверки

Power over Ethernet (PoE) представляет собой технологию, обеспечивающую подачу электрической энергии вместе с данными по сетевой инфраструктуре Ethernet. Впервые технология PoE была разработана для упрощения развертывания телефонов VoIP и исключения необходимости в дополнительном источнике электропитания на самом телефоне. С тех пор данная технология играет важную роль в увеличении числа подключенных к сети устройств, особенно в тех случаях, когда в месте установки таких устройств сложно или дорого установить дополнительные электрические розетки. Технология PoE обеспечивает расширение сетей Wi-Fi за счет использования активных точек доступа и систем IP-наблюдения за счет использования активных камер. С учетом прогнозируемого роста числа устройств IoT (Интернета вещей) в сочетании с недавно утвержденными в стандарте 802.3bt (4PPoE) более высокими уровнями мощности правильность функционирования систем PoE становится критически важной.

Когда передачу данных и подачу электропитания обеспечивает единая кабельная инфраструктура, без хорошего проектирования и правильных методов проверки многое может пойти не так. Обязательными условиями для беспрепятственного развертывания являются глубокие знания спецификаций электропитания и передачи данных для развертываемых устройств, а также понимание характеристик существующей или новой кабельной инфраструктуры, которая будет использоваться для соединения устройств и источников электропитания.

В этой статье описывается технология PoE, включая недавно принятую спецификацию IEEE 802.3bt, также называемую PoE++ или 4PPoE (PoE по четырем парам). Здесь можно будет найти ответы на следующие вопросы:

• Как работает технология PoE?
• Каковы особенности развертывания систем PoE, особенно при увеличении потребности в электрической мощности?
• Существуют ли стандартные проверенные методики для проверки и устранения неисправностей во время развертывания?

Типы оборудования PoE

Прежде чем погрузиться в рассмотрение технологии PoE, важно уяснить несколько ключевых терминов:

На рисунке ниже показаны конфигурации электропитания End-Span и Mid-Span для PSE. Оборудование End-Span обычно используется в новых установках, когда необходимы и другие обновления коммутатора (например, переход на технологию 1000-BaseT). Развертывание коммутатора PoE обеспечит более удобную подачу электропитания в вашей сети и добавит меньше потенциальных точек неисправностей и сложностей, чем в случае конфигурации Mid-Span.

Конфигурация Mid-Span используется, когда коммутатор, пусть и не поддерживающий технологию PoE, заменять нежелательно, а в сеть необходимо добавить только подачу электропитания, обычно с помощью PoE инжектора. При использовании абсолютно пассивного источника электропитания Mid-Span в линии передачи данных максимальное расстояния между коммутатором и устройством PD по-прежнему должно быть не более 100 метров. Некоторые источники Mid-Span могут получать электропитание от оконечного устройства PoE и работать как повторитель сигнала для увеличения расстояния между устройством PD и коммутатором за пределы установленного ограничения в 100 метров.

Типы источников PSE.

Стандарты и совместимость PoE

С течением времени стандарты PoE эволюционировали, обеспечивая подачу все более высокой мощности для удовлетворения требований новых приложений. Это привело к появлению сложного многообразия продуктов PoE, как основывающихся на стандартах, так и являющихся достандартными реализациями. Эти многочисленные реализации различаются функционально, предлагаемыми уровнями напряжения, уровнями мощности, управлением подачей питания и классификацией. Из-за большого разнообразия представленного на рынке оборудования PSE и PD бремя выбора правильного оборудования и проверки совместимости ложится на потребителя. Требующие более высокой электрической мощности устройства PD, например, камеры PTZ с подогревом для систем уличного видеонаблюдения, отличаются тем, что имеют изменяющиеся требования к электропитанию, например, для режимов ожидания и активного состояния. Успешное развертывание систем PoE требует от установщика понимания этого многообразия и учета максимальной мощности, необходимой устройствам PD.

Ниже расписаны четыре типа PoE, заданные стандартом IEEE. Новый стандарт IEEE 802.3bt обеспечивает наивысший уровень максимальной мощности, подходящий для электропитания киосков и освещения. Существуют также нестандартные реализации PoE, такие как подача питания 12 или 24 В постоянного тока для камер видеонаблюдения и точек доступа конкретного производителя.

Вопросы развертывания PoE

Общее преимущество технологии PoE заключается в упрощении развертывания подключаемых к сети устройств. При развертывании системы PoE необходимо учитывать принцип доставки, типы/классы и управление электропитанием.

Доставка электроэнергии

Для подачи электропитания постоянного тока на поддерживающие технологию PoE устройства используются две или четыре витые пары стандартного кабеля Ethernet. Питание PoE подается по проводникам передачи данных путем приложения к каждой паре синфазного напряжения. Поскольку в витой паре Ethernet для передачи данных используется дифференциальная сигнализация, это не помешает передаче данных, пока соблюдаются следующие правила:

1. Электропитание PoE подается по витой паре кабеля через разъем RJ45 в соответствии со схемой разводки проводов, определенной в стандарте IEEE 802.3 Ethernet.
2. Напряжения на двух проводниках в паре имеют одинаковый уровень и полярность.
3. На электропитание PoE распространяются те же ограничения по расстоянию, что и для стандартного кабельного канала: 100 метров или 328 футов.

Если для подачи электропитания PoE используются только две из четырех пар, и это пары 1-2 и 3-6, в стандарте IEEE такая схема называется Alternative А. Поскольку для 10BASE-T или 100BASE-TX необходимы только две из четырех пар, электропитание может передаваться по неиспользуемым проводникам кабеля, например, 4-5 и 7-8. В стандартах IEEE это называется Alternative B. Технологию PoE также можно использовать со стандартами Ethernet 1000BASE-T и 10GBase-T, когда для передачи данных используются все четыре пары. Позволяющие передавать более высокую электрическую мощность 4-парные системы PoE используют все четыре пары кабеля, как для электропитания, так и для передачи данных. В следующей таблице подробно показано, как электропитание подается по парам. Пары, по которым будет передаваться электрическая мощность, определяет источник PSE.

Подробная информация об организации подачи электропитания:

Заманчиво передвинуть границу расстояния за пределы 100 метров, указанных в стандарте IEEE, когда единственной альтернативой является добавление питания переменного тока на устройстве PD или промежуточном коммутаторе / инжекторе. Хотя это и не рекомендуется, сетевой тестер позволяет проверить канал передачи данных, и в этих обстоятельствах все еще доступна максимальная мощность.

Типы и классы PoE

Стандарты PoE изменялись со временем для удовлетворения растущих потребностей питаемых устройств (PD) в электропитании. Созданный в 2003 году оригинальный стандарт IEEE 802.3af обеспечивает подачу электропитания постоянного тока мощностью до 13 Вт на каждое устройство. Обновленный в 2009 году стандарт IEEE 802.3at, также известный как PoE Plus (PoE+), обеспечивает электрическую мощность до 25,5 Вт. В собственной реализации UPOE компании Cisco для увеличения электрической мощности на устройстве PD до 51 Вт использовались все четыре пары кабеля. С принятием стандарта IEEE 802.3bt в настоящее время существует девять возможных классов мощности для четырех классов источников PSE. Для распознавания требований и возможностей электропитания между источниками PSE и устройствами PD используются различные схемы установления связи и согласования. В следующей таблице показаны тип PoE, мощность, пары и управляющий стандарт для каждого класса мощности.

Разделение уровней мощности по классу и типу:

Управление электропитанием

На многих источниках PSE максимальная доступная мощность самого устройства ограничивает общее количество портов, через которые может подаваться электропитание. Например, для устройств PD класса 4 требуется 30 Вт на выходе источника PSE, а 48-портовый коммутатор PoE типа 2 должен поддерживать мощность до 1440 Вт. Добавление стандарта 802.3bt и 90 Вт на порт источника PSE потребовало бы электрической мощности 4320 Вт только для той части коммутатора, которое обеспечивает питание PoE. Многие коммутаторы с функцией PoE поддерживают меньшую мощность, что делает необходимым управление электропитанием. Управление электропитанием усложняет перемещение, добавление и изменение, а также устранение неисправностей. Некоторые источники PSE позволяют устанавливать разные уровни приоритета для каждого порта. Когда к источнику PSE подключается устройство PD, PSE проверяет его класс и резервирует определенную мощность из своего доступного запаса электрической мощности. Когда источник PSE достигает своего предела мощности, следующее устройство PD, которое запрашивает больше мощности, чем доступно на источнике PSE, все еще можно подключить, если порт подключения имеет более высокий приоритет, чем другие порты. Единственный способ гарантировать, что запрошенная мощность может быть предоставлена на порту, состоит в том, чтобы проверить это.

Проверка PoE

Существует много точек, в которых при подаче электропитания PoE могут возникать неисправности. Это и порты коммутаторов и PoE инжекторов, а также в самой Ethernet сети. Тем более что многие кабельные инфраструктуры существовали еще до развертывания технологии PoE или при использовании только маломощного стандарта 802.3af. Благодаря использованию двух дополнительных пар и увеличению тока до 960 мА на пару доступная для устройств PD электрическая мощность увеличилась по сравнению со стандартом 802.3af в пять раз. А это говорит об использовании кабельной инфраструктуры так, как никогда раньше.

Изображенная выше система подачи электропитания PoE имеет много точек, в которых могут возникать неисправности.

• Правильно ли настроен коммутатор (или PoE инжектор) для подачи запрошенной электрической мощности на правильные порты. Если коммутатор настроен правильно, нет ли у него каких-либо ограничений по электрической мощности?
• Обычно между источником PSE и устройством PD имеется два патч-кабеля. Имеют ли кабели правильную категорию, размер и состав?
• Имеют ли разъемы RJ-45 100-процентное соединение на всех 8 контактах?
• Имеет ли горизонтальная кабельная проводка надлежащую категорию, размер, материал проводника и экран? Правильно ли подключены пары кабелей на задней стороне патч-панели и на настенной розетке? Высокая температура, например, при плотной прокладке кабелей или в подвесном потолке с осветительными приборами, может приводить к снижению тока в кабеле.
• Совместимо ли устройство PD с источником PSE? Помимо согласования класса оборудования существует еще два разных протокола (LLDP и CDP), которые можно использовать для согласования дополнительной мощности.

Наилучшим способом гарантировать всю необходимую электрическую мощность на существующих и будущих устройствах PD является функциональная проверка возможности получения на устройстве PD максимальной запрошенной мощности.

Поиск неисправностей PoE с помощью Netscout LinkRunner G2

На приведенной ниже блок-схеме показаны основные этапы поиска неисправностей питания PoE с помощью сетевого тестера LinkRunner G2 (LR-G2).

Выполнение этих шагов позволит локализовать причину проблемы. Netscout LinkRunner G2 (LR-G2) настраивается на любой из девяти классов мощности для эмуляции любого устройства PD. Наличие тестера PoE, который включает в себя активные измерения сети, такие как скорость передачи / дуплексный режим, обнаружение портов, VLAN, помогает убедиться с оконечной точки кабеля в том, что вы находитесь на правильном порту коммутатора.

Во время согласования мощности тестер отобразит запрошенный класс, полученный класс и тип PSE. После согласования мощности LinkRunner G2 измеряет напряжение без нагрузки, используемые пары и полярность. Знание пар и полярности полезно при обнаружении и устранении неисправностей в PSE Mid-Span. При наличии нестандартного электропитания PoE тестер показывает напряжение (обычно 12 или 24 В), пары и полярность.

Единственный способ проверить источник электропитания и кабельную систему – это нагрузить ее, подобно автомобильному аккумулятору в холодный день. Запатентованная система измерения TruePower генерирует нагрузку, подобную запуску автомобиля. Чтобы обеспечить полную мощность на устройстве PD, тестер будет увеличивать свою нагрузку до максимального уровня класса. При полной нагрузке LR-G2 снова измеряет напряжение, чтобы убедиться в превышении напряжением на устройстве PD минимально допустимого уровня. На приведенной ниже иллюстрации видно, что удалось подать мощность 71 Вт, а напряжение упало до 49,6 В, что означает потерю в кабеле 5,3 В. При использовании более длинных или менее качественных кабелей напряжение может упасть ниже указанного в спецификации.

TruePower нагружает цепь, подвергая напряжению коммутаторы, коммутационные и горизонтальные кабели и патч-панели для проверки полной мощности перед установкой устройств PD. Это позволит сетевым установщикам и техническим специалистам быть уверенными, что устройство PD будет работать на требуемом уровне мощности.

Видео обзор тестирования POE при помощи различных измерительных приборов

Выводы

Технология PoE позволяет экономить средства, когда необходимо развертывать разнообразные сетевые устройства в самых разных местах. Особенно, когда организовать локальный источник электропитания для устройства дорого и неудобно. С принятием стандарта 802.3bt (4PPoE), который задает доступную на устройстве PD мощность до 71 Вт, прогнозируется рост числа и разнообразия устройств PoE, включая цифровые системы освещения, автоматизацию зданий и вывески.

Для обеспечения надежности и совместимости системы особое внимание необходимо уделить ее проектированию, выбору оборудования (PSE и PD), а также целостности и совместимости новой и существующей кабельной инфраструктуры. Проведение необходимых испытаний и использование системы документирования дают неоспоримые преимущества на этапах развертывания и обслуживания системы. Выбор правильного инструмента для установщиков и обслуживающего персонала, а также разработка и выполнение процедуры проверки и документирования параметров системы PoE увеличит ваши шансы на успех.