 вертикаль.jpg "ст-1")
Узнавайте о скидках и акциях первыми
PoE-питание: применение инжектора, сплиттера, экстендера
UPD: актуализировали информацию на июль 2023 года
Стандарты PoE, такие как IEEE 802.3af и IEEE 802.3at давно и активно используются на рынке CCTV. На сегодняшний день одним из самых востребованных решений при проектировании систем IP-видеонаблюдения является подача питания к IP-устройствам через сеть Ethernet. В Интернете огромное количество статей на эту тему, однако, информации по практическому применению PoE-оборудования крайне мало. В данной статье рассматриваются принципы коммутации PoE-оборудования, а также варианты решения проблем, возникающих в процессе его эксплуатации. Это поможет предотвратить ошибки при расчете проектов.
Стандарты PoE
Для начала необходимо рассмотреть основные параметры передачи питания по кабелю Ethernet с помощью функции PoE, описать принцип соединения питающего и питаемого устройств, а также ответить на вопрос - каким же образом PoE-устройства понимают друг друга.
Основные спецификации PoE:
PassivePoE используется в тех случаях, когда питаемое устройство (например, IP-камера) не поддерживает ни один из стандартов PoE, и организовать отдельное питание для устройства нет возможности. В таком случае
1. Если в схеме есть PoE коммутатор, например CO-SWP9C, то необходимо использовать PoE- сплиттер, такой как CO-PS-M15-1-P302v2.
2. Если коммутатор не имеет поддержки PoE, например CO-SW24GFv2 – то необходима связка PoE-инжектор + PoE-сплиттер, например, инжектор CO-PJ-1G30-P203 и сплиттер CO-PS-M15-1-P302v2.
Схема 1 – вариант Passive PoE подключения
Passive PoE также называют связку из двух устройств, не работающих по стандарту PoE (IEEE802.3af или IEEE802.3at), но позволяющих передавать по отрезку UTP кабеля постоянное напряжение, используя незанятые Ethernet-соединением пары проводников (обычно это жилы 4, 5 и 7, 8). Данное решение имеет простейшую схему, поэтому согласование передающего и принимающего устройств не проводится, что при неправильном подключении создает угрозу поломки подключаемого оборудования.
PoE-инжектор – это устройство, питающее сетевое оборудование через Ethernet-кабель. Позволяет организовать питание оконечного устройства поддерживающего технологию PoE.
Схема 2 – Добавление PoE в линию UTP
PoE-сплиттер – это устройство, предназначенное для выделения линии с постоянным напряжением 12 В (возможны варианты) из сети Ethernet с поддержкой питания PoE. Позволяет организовать питание оконечного устройства, не поддерживающего PoE.
Схема 3 – Подключение PoE через сплиттер
PoE-удлинители или PoE экстендеры – это устройства, такие как CO-PE-B25-1-P101, или CO-PE-S25-P105 позволяющие увеличить расстояние передачи данных и питания по сети Ethernet. Способны принимать PoE-питание на входе, а на выходе выдавать его аналогично инжекторам.
Данные устройства обычно не имеют дополнительного разъема питания и потребляют часть мощности (обычно до 1,5-2 Вт) от питающей линии PoE. При этом экстендер является и удлинителем сетевой линии. Таким образом, линия длиной до 100 метров приходит в экстендер, который снимает часть мощности PoE с 25,5 до 24 Вт, но передает далее линию с функцией PoE еще на 100-150 метров.
Схема 4 – Подключение PoE через экстендер
PoE – "фантомное питание" в сети Ethernet
Термин "фантомное питание" применяют когда одна и та же пара проводников кабеля используется для передачи питания и данных. Например для передачи PoE используются жилы UTP кабеля 1,2,3,6.
Данный тип передачи PoE-питания не оказывает влияния на стабильность и скорость передачи данных, так как в устройствах с функцией PoE использованы высокочастотные трансформаторы с центральным отводом напряжения.
Соединение PoE-устройств
Наиболее часто задаваемыми вопросами являются:
- Почему PoE-источник не сжигает устройства, не поддерживающие стандарт PoE?
- Каким образом два PoE-устройства соединяются?
Порядок согласования при соединении устройств:
1. Питающее устройство подаёт от 3 до 10 Вольт в выбранные пары кабеля и определяет параметры сопротивления оконечного устройства.
2. Питаемое устройство должно представить источнику PoE от 19 до 26,5 кОм при 50-150 нФ.
3. После получения этих данных, источник определяет, является ли устройство на линии PoE-совместимым.
4. Если оконечное устройство показало приемлемые параметры, то по ним определяется его класс питания. Классу питания соответствует подаваемая на порт PoE мощность: Класс 0 – 15,4 Вт
- Класс 1 – 4,5 Вт
- Класс 2 – 7 Вт
- Класс 3 – 15,4 Вт
- Класс 4 – 30 Вт
Отдельный класс занимают устройства с 60 Вт питания.
5. При согласовании устройства проходят две проверки:
- Питающее устройство начинает поднимать напряжение в линии до 48 В в течение 400 мс, и если оконечное устройство за это время потребляет ток менее 5 мА, то питание с линии снимается.
- Питающее устройство подаёт напряжение 1,9-5 В при частоте 500 Гц, и если входное сопротивление составляет более 1980 кОм, то питание с линии снимается.
В случае если питающее оборудование определит перегрузку тока, потребляемого оконечным устройством, напряжение будет снято с кабеля в течение 0,5 с.
Основные принципы подбора коммутационного оборудования с функцией PoE
На практике расходы на коммутационное PoE-оборудование закладываются менеджером проекта, что называется, "на сдачу". Но опыт показывает, что в подавляющем большинстве случаев проблемы в реализации проектов возникают не в камерах или регистраторах, а как раз в части питания и коммутации.
Соблюдение основных принципов расчета проектов поможет избежать совершения ошибок при использовании технологии PoE.
Правильный расчет мощности питания
Расчет питания PoE необходимо проводить уже на этапе проектирования, т.к. ошибки или неправильные допущения при расчете мощности питания приводят к большим сложностям в реализации проекта.
Необходимые шаги при расчете питания PoE:
1. Изучить спецификацию устройств питающихся по PoE , а также устройств, подающих PoE-питание. Например, если в спецификации на IP-камеру указан поддерживаемый тип PoE – IEEE 802.3at, то необходимо подбирать PoE-коммутатор или инжектор, поддерживающий данный стандарт.
2. Рассчитать суммарное потребление мощности по PoE-технологии всеми оконечными устройствами, оно не должно превышать возможности питающего устройства. При этом бюджет мощности PoE-коммутатора необходимо использовать не более чем на 75%, а в случае длительной эксплуатации - не более чем на 60%.
3. Необходимо изучить спецификацию PoE-коммутатора по параметру "максимальная мощность PoE-питания конкретных портов". Например, в спецификации может быть указано, что коммутатор позволяет осуществлять питание:
- с 1 по 2 порт – до 30 Вт каждый
- с 1 по 4 порт – до 15,4 Вт каждый
- с 1 по 10 порт – до 7,5 Вт каждый
Ограничение протяженности линий PoE
- На практике не стоит закладывать линию с PoE-питанием длиной более 85 метров, нивелировав таким образом влияние многих факторов, неизвестных проектировщику при расчете, например: силовые наводки, перегибы, неравномерные характеристики кабеля и прочее.
- Если не менее 10% длины линии составляют изгибы, например монтажные отводы кабеля и проводка кабеля в серверной комнате, надо считать корректной линию длиной не более 75 метров.
- Необходимо также учитывать, что чем выше объем передачи данных по линии, тем жёстче требования к длине линии и характеристикам кабеля.
- Не стоит забывать о том, что характеристики кабеля, такие как: частотная характеристика, металл проводника, сечение проводника, изоляция и, в конечном итоге, качество производства - имеют решающее значение для определения рабочей длины линии с PoE.
Гигабитные решения
При расчете проекта IP-видеонаблюдения лучше отдавать предпочтение гигабитным решениям. Дело в том, что главная задача промежуточных сетевых устройств - "не испортить" видеопотоки от оконечных устройств (IP-камеры) при доставке к устройствам регистрации (NVR- или IP-сервер).
Решения, использующие стандарты PoE, вполне совместимы с гигабитными соединениями. Как известно, стандарт IEEE802.3ab (в описаниях как 1000BASE-T или 10/100/1000) использует для передачи все 4 пары кабеля UTP. Современное PoE-оборудование, совместимое с вышеперечисленными стандартами, не снижает качество питания при передаче его по гигабитному соединению через UTP- кабель.
В случае, когда потоки данных не превышают возможности соединения 10/100 Мбит/с, соединение на скорости 1 Гбит/с для проекта всё равно предпочтительнее, у оборудования, работающего на этой скорости, улучшаются многие показатели:
- Благодаря использованию более мощных CPU возрастает скорость коммутационной матрицы (измеряется в Гбит/с) и количество переданных пакетов в секунду (измеряется в Mpps), снижаются риски буферизаций, уменьшается время доставки пакетов.
- Устройства, работающие на гигабитном уровне скорости, имеют объем оперативной памяти (ОЗУ) выше, чем 100 мегабитные устройства, иными словами, имеют увеличенный объем буфера приходящих/уходящих IP-пакетов (принцип Store and Forward). Данный параметр особенно важен при увеличении разрешающей способности IP-камер (при увеличении размеров опорных кадров).
- Задержки на передачу пакета через внутреннюю коммутационную матрицу гигабитного сетевого устройства в 3-5 раз ниже, чем у мегабитных устройств.
- Задержка межпакетного интервала пересылки IP-пакетов (IPG) гигабитной спецификации IEEE802.3ab снижена в 10 раз (до теоретической 0,1 микросекунды) по сравнению с 100-мегабитной IEEE802.3u.
- Согласно гигабитной спецификации IEEE802.3ab задержка межпакетного интервала пересылки IP-пакетов (IPG) снижена в 10 раз (до теоретической 0,1 микросекунды) по сравнению с 100-мегабитной IEEE802.3u.
PoE-коммутатор является единым блоком питания для всех подключенных к нему оконечных устройств, поэтому необходимо помнить, что в случае поражения молнией одной из уличных IP-камер разряд может вывести из строя не только PoE-коммутатор, но и все подключенные к нему IP-камеры, таким образом, необходимо обязательно использовать в проекте грозозащиту, например, такую как CO-PL-P407.
Соотношение "цена-качество"
Не стоит пытаться сэкономить на разделе коммутации. Низкая цена должна насторожить: например, если в проекте предлагается использовать гигабитный 8-портовый коммутатор (450 руб.) или PoE-инжектор с описанием "до 70 Вт" (800 руб.), то возникают сомнения в “уровне”, используемых в данных устройствах комплектующих, или в качестве сборки коммутационных устройств.
При использовании более качественных устройств, их стоимость может вырасти вдвое, но для всего проекта излишняя экономия может нанести значительный вред объекту.
Резервирование
Резервировать нужно всё и всегда. К серверам желательно добавить дополнительный сервер для оперативного перехватывания потоков. При расстановке камер необходимо заложить взаимные видимые зоны обзора, количество PoE-коммутаторов рассчитать так, чтобы при выходе из строя одного из них, можно было временно коммутировать IP-камеры на остальные, и, конечно же, нужно резервировать линии связи.
Рекомендации по выбору кабеля для построения линии с функцией PoE
При кажущейся простоте выбор “правильного” кабеля при проектировании сетевых линий с функциями PoE имеет большое значение.
Необходимо закладывать в проект только качественный UTP/FTP/STP кабель, соответствующий всем рекомендованным характеристикам для построения линий с PoE-питанием.
По своему строению сетевой кабель разделяется на:
- UTP – стандартный кабель без экранирования.
- FTP – одна внешняя, общая для всех пар, экранирующая оболочка.
- STP – внешняя экранирующая оболочка и экранирующая оболочка на каждую пару проводников (данный вид кабеля имеет несколько вариантов).
Существуют несколько типов использования в PoE соединении пар проводников стандартного четырёхпарного сетевого кабеля:
- Тип 1 – проводники 4,5 (+) и проводники 7,8 (-)
- Тип 2 – проводники 1,2 (+) и проводники 3,6 (-)
- Тип 3 – проводники 1,2,4,5 (+) и проводники 3,6,7,8 (-)
Требования к категории кабеля
Кабель классифицируется по эффективной скорости передачи т.е. по полосе пропускания. Для реализации в проектах линий с функцией PoE кабель должен соответствовать категории (cat) не ниже Cat5e.
Рекомендованные категории кабелей:
- Cat.5e – полоса частот 100 МГц
- Cat.5e - полоса частот 200 МГц
- Cat.6 - полоса частот 250 МГц
- Cat.6a - полоса частот до 500 МГц
- Cat.7 - полоса частот до 600 МГц
- Cat.7а - полоса частот до 1200 МГц
Требования к характеристикам кабеля при построении PoE-линий
Помимо стандартов Cat существует огромное количество важных физических характеристик кабеля для корректного построения линий.
Рекомендации к параметрам кабеля таковы:
- Использовать только кабель с одножильными проводниками из меди.
- Использовать только четырёхпарный кабель. Не допускается разбивать кабель на несколько. Например, два двухпарных или четыре однопарных.
- Сечение жилы проводника должно быть не менее 24AWG (0.51 мм).
- Сопротивление жилы кабеля 9,38 Ом/100 м и ниже. Сопротивление проводника приводит к существенному падению возможной мощности питания. Например, на 100-метровой линии кабеля с жилами сечения 0,51 мм – при стандарте IEEE 802.3af (мощность до 15,4 Вт) до питаемого устройства дойдет не более 13 Вт, а при стандарте IEEE 802.3at (мощность до 30 Вт) - не более 24 Вт. Это означает, что при закладывании в проект линий PoE и при высоких требованиях к мощности питаемых устройств, необходимо закладывать в проект кабель 23AWG или 22AWG при категории Cat.6 и выше.
- Использование экранированного или неэкранированного кабеля не влияет напрямую на качество линии с функцией PoE, но зависит от условий прокладки кабеля для предотвращения внешних воздействий (таких как, например, электромагнитные излучения). Нужно учитывать, что экранированный кабель предполагает проведение дополнительных работ по заземлению.
Требования к эксплуатации коммутационного оборудования с функцией PoE
Конечно, проектировщик не может учесть всех условий эксплуатации, однако многих проблем эксплуатации объекта можно избежать уже на стадии подготовки проекта.
Таким образом, обязательные действия проектировщика заключаются в следующем:
- Добавить в проект защиту питания PoE-коммутаторов, что позволит уберечь коммутационное оборудование от скачков напряжения. Как показывает практика, блоки питания PoE, встроенные в коммутаторы, довольно чувствительны к сбоям питания 220 В.
- Учитывать, что каждое питающее устройство может (но не обязательно) снижать свой бюджет мощности на 10% за год использования. Причем это правило относится и к блокам питания, применяемым в компьютерной технике, и к блокам питания, используемым в CCTV. Необходимо понимать, что PoE-возможности в составе сетевого коммутатора, по сути, являются дополнительным блоком питания постоянного напряжения (DC), и у этого блока зачастую те же проблемы – перегревы, проседания, поломки.
- Добавить в проект грозозащиту, что позволит избежать выхода из строя PoE-коммутаторов и всех подключенных к нему IP-камер.
- Разместить PoE-коммутаторы в специальных кондиционируемых помещениях или шкафах с терморегуляцией, это позволит избежать поломок вследствие перегрева. На практике, коммутатор с функцией PoE довольно чувствителен к повышенной температуре окружающей среды. Например, при температуре +45°С обычный сетевой коммутатор еще способен успешно функционировать, но коммутатор с функцией PoE вполне может выйти из строя. Причем, чем выше бюджет потребляемой мощности, тем жестче должны быть требования к температурному режиму в помещении.
- Учитывать, что UTP-кабель, использующийся для PoE-соединения, чувствителен к воздействию прямых солнечных лучей. Например, кабель, открыто проложенный вдоль линии окон, при попадании на него солнечных лучей вполне может прогреться до +50°С и выше. Исходя из того, что по нему может проходить ток до 0,5А при 48-57 В постоянного напряжения, повышение сопротивления нагретого участка ожидаемо увеличит потери мощности. Важно не допускать в проекте наличия открытых участков, что часто происходит с сетевым кабелем в помещении, и добавлять в проект гофрошланги.
- Предъявлять повышенные требования к разъемам RJ45, особенно это относится к разъемам, граничащим с внешней средой. Очень часто стандартные разъемы RJ45 имеют проводники из омеднённой жилы. При прохождении токов(0,3-0,6А) на контактных площадках разъемов ускоряется процесс коррозии. Для уличных IP-камер при использовании PoE питания можно рекомендовать разъемы класса защиты IP67.