О технологии PoE простыми словами

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.

Активно применяется PoE в офисных помещениях и больших домах. При проектировании современного дома, как правило, кабель Ethernet уже заранее прокладывается в каждую комнату. Чтобы запитывать устройства не нужен блок питания — достаточно подключить сеть к PoE, главное, чтобы конечный гаджет поддерживал такую функцию.

Power over Ethernet активно применяется для:

⚫️ Подачи питания на роутеры, маршрутизаторы, активные коммутаторы и другое сетевое оборудование;

⚫️ Систем умного дома, а это различные IP камеры, датчики движения и протечек;

⚫️ Телефонных аппаратов IP телефонии.

По факту, если есть поддержка PoE, то подключить можно любое устройство. Плюсы тут очевидны:

► Не нужен отдельный источник питания;

► Не нужно следить за блоком питания (а они бывают сгорают или даже приводят к возгоранию);

► Достаточно подвести к потребителю только один кабель Ethernet.

Power over Ethernet (PoE)

POE — технология, позволяющая передавать удалённому устройству электрическую энергию вместе с данными через стандартную витую пару в сети Ethernet. Данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей,

В витой паре 8 проводов, четыре скрутки по 2 два провода. Для передачи сигналов используется только 4 провода (да, максимум 100 Мбит/с), а оставшиеся 4 провода используются для передачи питания конечному устройству.

Выглядит это вот так.

Распиновка очень простая. В коннектор Ethernet RJ45 заходят только 4 проводника из витой пары.

Оставшиеся 4 провода используем для передачи питания.

Все мы знаем о том, что сетевое устройство (роутер, коммутатор, сетевая карта) подключаются через технологию Ethernet, по так называемой «витой паре». Только вот, практически, для всех устройств нужен еще и источник питания. Не всегда это удобно, особенно если много помещений. Нужно тянуть кабель и рядом держать розетку для блока питания.

Поэтому придумали использовать сам кабель Ethernet для запитки устройств. Такая технология называется Power over Ethernet или сокращенно PoE. По проводам подается напряжение. Существует два способа:

1️⃣ Питание подается на две свободные пары если используется современный стандарт Ethernet, в котором идет четыре пары, две из которых не используются;

2️⃣ Более сложная схема подачи питания на провода, которые уже используются для передачи данных. Используются два высокочастотных трансформатора с обеих концов. Таким образом питающая функция не будет мешать передающей данные.

Оба способа позволяют запитывать устройства без потерь для данных. Современные устройства, которые имеют PoE, как правило, поддерживают оба варианта передачи питания и имеют защиту от короткого замыкания или неправильной полярности. Блок питания, через который подается питание на витую пару носит название инжектор или сплиттер.

Ранее делал обзор на точку доступа, которая имеет порт на 2,5 Гбит/с и питается от PoE:

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.

Вариант А

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.

Вариант Б

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.

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.

Промежуточное оборудование PoE

В случае необходимости включения в сетевую инфраструктуру оборудования без поддержки питания по витой паре применяется технология Passive PoE. Ее неотъемлемым звеном выступает PoE-сплиттер, который разделяет поступающий по проводу сигнал на данные и питание (12 В-24 В). Показатели мощности в такой схеме придется согласовывать самостоятельно, тщательно проверяя соответствие характеристик источника и потребителя.

Бывает и обратная ситуация, когда клиентское устройство с PoE требуется подключить к сетевому оборудованию без этой технологии. В такой схеме не обойтись без PoE-инжектора, который имеет на входе порт RJ45 и разъем для подключения к источнику питания. На выходе у него единственный разъем RJ45 уже с PoE.

Наглядное представление схемы PoE с инжектором и со сплиттером.

Промежуточные звенья в схеме питания PoE именуются термином Mid-span. Ну а устройства, которые подают электропитание от начала кабельной линии, называются End-span.

Камеры видеонаблюдения с поддержкой PoEот 119 055 тг.
Hikvision HiWatch DS-I214WB 2 mmот 46 400 тг.
Hikvision DS-2CD2443G0-IW 2.8 mmот 26 000 тг.
Imou Cube PoE 4 MPот 53 750 тг.
Dahua DH-IPC-HFW2439SP-SA-LED-S2 3.6 mmот 188 630 тг.
Hikvision HiWatch IPC-C042-G0 2.8 mmот 176 493 тг.
Hikvision HiWatch IPC-C022-G0/W 2.8 mmот 109 213 тг.
Hikvision HiWatch DS‑I214B 4 mmот 109 213 тг.
Hikvision HiWatch DS‑I214B 2 mmот 69 569 тг.
Hikvision DS-2CD2443G0-IW 4 mmот 268 179 тг.
Hikvision DS-2DE2204IW-DE3от 44 477 тг.
Dahua DH-IPC-HDW2239T-AS-LED-S2 2.8 mmот 55 381 тг.
Hikvision DS-2CD2443G2-I 2 mmот 188 630 тг.
Hikvision HiWatch IPC-C042-G0/W 4 mmот 188 630 тг.
Hikvision HiWatch IPC-C042-G0/W 2.8 mmот 176 493 тг.
Hikvision HiWatch IPC-C022-G0 2.8 mmот 176 493 тг.
Hikvision HiWatch IPC-C022-G0/W 4 mmот 2 623 500 тг.
Hikvision DS-2TD1217B-3/PAот 119 055 тг.
Hikvision HiWatch DS-I214WB 4 mmот 125 394 тг.
Hikvision HiWatch DS-I259Mот 109 213 тг.
Hikvision HiWatch DS‑I214B 2.8 mm

Классификация POE.

Питающее устройство (например, PoE маршрутизатор) подает питание в кабель только в том случае, если подключенное устройство (например, IP камера) поддерживает технологию POE.

• Вначале производится проверка: является ли подключенное устройство питаемым (PD). На него подается напряжение от 2,8 до 10 B, определяется входное сопротивление подключаемого устройства. Если параметры соответствуют требуемым, питающее устройство переходит к следующему этапу.
• Питающее устройство определяет потребляемую мощность подключенного устройства, для последующего управления этой мощностью.

В зависимости от передаваемой мощности существует 5 классов POE —  от 0 до 4.

Класс Ватт на порт PoEВатт на устройство

0	15,4	от 0,44 до 12,95
1	4,5	от 0,44 до 3,84
2	7	от 3,84 до 6,49
3	15,4	от 6,49 до 12,95
4	30	от 12,95 до 25,5

После того, как устройство классифицировано, на него подается напряжение 48 В с фронтом нарастания не более 400 мс., и  питающее устройство приступает в контролю его работы:

• если устройство будет потреблять ток менее 5 мА в течении 400 мс, то подача питания прекращается
• если сопротивление подключенного устройства будет больше 1980 кОм в течение 400 мс, подача питания прекращается
• если потребление тока превысит 400 мА в течение 75 мс, подача питания прекращается.

Согласно стандарту IEEE 802.3af, обеспечивается постоянный ток до 400 мА с номинальным напряжением 48 В (от 36 до 57 В) через две пары проводников в четырёх парном кабеле для обеспечения максимальной мощности 15,4 Вт.

Стандарт IEEE 802.3at, известный также как PoE+ или PoE plus, предусматривает подачу мощности до 25,5 Вт. Этот стандарт запрещает устройству-потребителю получать питание по всем четырём парам Ethernet-кабеля одновременно.

Отличия стандарта PoE от PoE+

Способ передачи питанияPoEPoE+

Диапазон напряжения постоянного тока на питаемом устройстве	от 36 до 57 V (номинальное 48V)	от 42,5 до 57 V
Диапазон напряжения, выдаваемого источником	от 44 до 57 V	от 50 до 57 V
Максимальная мощность PoE-источника	15,4 Вт	30 Вт
Максимальная мощность, получаемая PoE-потребителем	12,95 Вт	25,50 Вт
Максимальный ток	350 mA	600 mA
Максимальное сопротивление кабеля	20 Ом (для cat.3)	12,5 Ом (для cat.5)
Классы питания	0-3	0-4

В чем преимущества устройств с поддержкой PoE?

При отсутствии технологии PoE вам придётся выбирать: либо проводить кабель питания к месту установки сетевых устройств, либо устанавливать их вблизи розеток питания. Технология PoE обеспечивает большую гибкость – она позволит вам не идти на компромисс при выборе места установки сетевых устройств. PoE – это стандарт IEEE, который позволит вам одновременно передавать данные и ток низкого напряжения по сети через кабель Ethernet. PoE значительно облегчает процесс установки точек доступа, IP-камер, IP-телефонов и прочих устройств с поддержкой PoE в труднодоступных и удалённых локациях, а также вне помещения.

В чем преимущества использования технологии PoE?

• Низкие затраты на инфраструктуруОдин кабель обеспечивает одновременно передачу данных и питания. Решения PoE также требуют меньше адаптеров питания.
• Увеличенное удобство размещенияВозможность отказаться от использования фиксированных розеток питания обеспечивает размещение в сложной окружающей среде.
• Централизованное управлениеЦентрализованный коммутатор позволяет распределять питание для всех устройств.
• Простая
  установкаИспользуйте существующую сетевую инфраструктуру для быстрого размещения – услуги электрика не потребуются.

Почему расстояние подключения с PoE ограничено

Видеокамера присоединяется к роутеру витой парой. А для такого кабеля категории 5e максимальная длина сегмента при передаче питания камере не должна превышать 100 м. Частично снять проблему можно, используя кабель UTP, изготовленный из бескислородной меди. В этом случае длина сегмента может быть увеличена до 150 м.

Еще один способ — применение удлинителей Ethernet. Их можно подключать один за другим, увеличивая дистанцию до видеокамеры практически бесконечно.

В проектах, где видеокамеру нужно установить на большом расстоянии, используется технология беспроводной связи Wi-Fi. Производители предлагают оборудование, позволяющее организовать устойчивую связь без проводов на расстоянии до 20 км. Для бюджетных точек доступа эта дистанция ограничена 5-7 км.

Как вам?