Большинство читателей данного материала уже знакомы с камерами, имеющими возможность PoE-питания, а многие постоянно используют эту технологию в своих проектах. Стандарты PoE (такие как IEEE 802.3af и IEEE 802.3at) давно прижились на рынке CCTV. Подача питания к IP-устройствам через сеть Ethernet является на сегодняшний день одним из самых востребованных решений для проектировщиков IP-видеонаблюдения. Достаточно набрать в поисковике наименование технологии, чтобы получить огромное количество статей и описаний, однако информации по практическому применению PoE-оборудования крайне мало. Применение технологии PoE на практике часто вызывает много вопросов. В данной статье была сделана попытка рассмотреть принципы коммутации PoE-оборудования с целью помочь предотвратить ошибки при расчете проектов с применением PoE-технологии, а также предложить варианты решения проблем, возникающих в процессе эксплуатации. Рекомендации по коммутации PoE-устройств будут рассмотрены в данной публикации с точки зрения опыта практического применения.

Стандарты PoE

Данный раздел призван ответить на массу простых, но постоянно задаваемых вопросов, касающихся использования технологии PoE. Для начала рассмотрим основные параметры передачи питания по кабелю Ethernet с помощью функции PoE и опишем принцип соединения питающего и питаемого устройств и ответим на вопрос, каким же образом PoE-устройства понимают друг друга.

Основные спецификации PoE представлены таблицей :

Обозначение PoE Стандарт Год выпуска Мощность,
Вт Длина
линии, м Тип исп. пар
кабеля Сила
тока, A Напряжение,
В (DC)
Стандартный PoE IEEE 802.3af 2003 15.4 (до 18) до 100 Тип 1 и 2 До 0.4 От 36 до 57
PoE+ (Hi-PoE) IEEE 802.3at 2009 25.5 (до 30) до 100 Тип 1 и 2 До 0.4 От 48 до 57
Super Hi-PoE IEEE 802.3at+ 2012~2013 60 и выше до 100 Тип 3 До 0.6 57

Passive PoE

Passive PoE используется в 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 используется PoE-сплиттер (при организации коммутации через свитч с PoE) или связка PoE-инжектор + PoE-сплиттер, например, инжектор CO-PJ-B25-1G-P201 и сплиттер CO-PS-B25-1G-P301, если свитч без PoE.

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, предназначенное для подачи напряжения в линию Ethernet и позволяющее организовать питание оконечного устройства с использованием технологии PoE.

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.


Удлинители PoE

Удлинители PoE, или экстендеры, например, CO-PE-B25-1-P101 - это устройства, предназначенные для увеличения расстояния передачи данных и питания по Ethernet, совместимые со стандартом PoE и как питаемые, т.е. они способны принять PoE-питание, и как питающие, т.е. на выходе подают PoE-питание в линию Ethernet так же, как инжекторы.
Данные устройства обычно не имеют дополнительного питания и потребляют часть мощности (обычно до 1,5-2 Вт) от питающей линии PoE. При этом удлинитель PoE является и удлинителем сетевой линии. Таким образом, линия длиной до 100 метров приходит в удлинитель, который снимает часть мощности PoE с 25,5 до 24 Вт, но передает далее линию с функцией PoE еще на 100-200 метров.

PoE - фантомное питание в сети Ethernet

Термин «фантомное питание» применяют тогда, когда одна и та же пара проводников кабеля используется для передачи питания и для передачи данных.

Передача PoE-питания не оказывает влияния на стабильность и скорость передачи данных потому, что в устройствах с функцией PoE использованы высокочастотные трансформаторы с центральным отводом напряжения. Таким образом, постоянное напряжение (питание PoE) подается на центральные отводы и не оказывает воздействия на высокочастотные сигналы (передача IP-пакетов).

Соединение PoE-устройств

Наиболее часто задаваемыми вопросами являются следующие: почему PoE-устройство не сжигает сетевые порты устройств, не имеющих поддержки PoE, и каким образом два PoE-устройства соединяются?

Каждая пара устройств - передающее и принимающее питание - проходят при подключении цикл согласования, в результате которого определяется возможность соединения с использованием функции PoE и класс питаемого устройства. Устройство, не поддерживающее PoE, будет иметь другие физические параметры, а значит, питание PoE не будет подано в эту линию, что позволит избежать выведения из строя оборудования в результате его случайного подключения.
Рассмотрим порядок согласования при соединении устройств:

1. Питающее устройство подаёт от 3 до 10 В в выбранные пары кабеля и определяет параметры сопротивления оконечного устройства.
2. Питаемое устройство должно представить питающему устройству от 19 до 26,5 кОм при 50-150 нФ.
3. По полученным данным питающее устройство 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 течении 400 мс, и, если питаемое 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.

6. Вся процедура согласования устройств занимает не более 0,5 с.

7. В случае, если питающее устройство определит перегрузку потребляемого питаемым устройством тока, с кабеля будет снято напряжение в течение 0,5 с.

Основные принципы подбора коммутационного оборудования с функцией PoE

В проектах, с которыми довелось работать автору данной публикации, коммутационный раздел рассматривался последним - после разделов, связанных с IP-камерами и устройствами регистрации (обработки) IP-видеопотоков. Действительно, 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 питающихся по PoE устройств и 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 по PoE-технологии всех оконечных устройств, и это суммарное потребление мощности 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 питать:

1 и 2 порты – до 30 Вт каждый
от 1 по 4 порты – до 15,4 Вт каждый
от 1 до 10 порты – до 7,5 Вт каждый

Это означает, что необходимо уже на стадии расчета проекта четко представлять, какая нагрузка по мощности питания может быть передана от конкретного порта PoE-коммутатора к оконечному устройству.

4. Расчет необходимо производить, учитывая пиковую нагрузку. Например, камера CO-PRO-0006 в рабочем режиме потребляет 7,5 Вт, при включении ИК-подсветки и вентилятора - уже 11,4 Вт, а при включении еще и подогревателя – 26 Вт. Это означает, что питая данную камеру по PoE, необходимо закладывать PoE-инжектор с возможностью получения 30 Вт с порта, подключенного к камере. Поэтому, если мы заложим в проект, например, PoE-инжектор CO-PJ-B25-1G-P201, то для получения от инжектора мощности до 30 Вт его необходимо использовать с блоком питания CO-A24/1.5 (24 В на выходе), так как при использовании с блоком питания CO-PRO-A12/1.5 (12 В на выходе) мощность PoE на выходе инжектора будет недостаточной.

Ограничение протяженности линий PoE.

Несмотря на то, что в спецификациях технологии PoE указано о возможности использовать передающие линии длиной до 100 метров, при расчете проекта необходимо уходить от максимальных значений.
На практике не стоит закладывать линию с PoE-питанием длиной более 85 метров, нивелировав таким образом влияние многих факторов, как правило, неизвестных проектировщику при расчете, таких как: силовые наводки, перегибы, неравномерные характеристики кабеля и прочее.
В ситуации, когда не менее 10% длины линии составляют изгибы, например, монтажные отводы кабеля и проводка кабеля в серверной, необходимо 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 также 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.

Конечно, многие «сетевые энтузиасты» могут рассказать истории про успешные и стабильные реализации соединений на расстояния в 120,150,180 метров, но при построении проектов стоит все-таки руководствоваться трезвым расчётом.

Предпочтение - гигабитным решениям

При расчете проекта IP-видеонаблюдения необходимо 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 указанным стандартом, 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 всё равно лучше для проекта, так как 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 и уменьшается время доставки пакетов.
Устройства, работающие на гигабитном уровне скорости, имеют объем оперативной памяти (ОЗУ) выше, чем мегабитные устройства, т.е. имеют увеличенный объем буфера приходящих/уходящих IP-пакетов (принцип Store and Forward). Данный параметр особенно важен при увеличении разрешающей способности IP-камер, т.е. 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.
Согласно гигабитной спецификации IEEE802.3ab задержка межпакетного интервала пересылки IP-пакетов (IPG) снижена в 10 раз (до теоретической 0,1 микросекунды) относительно 100-мегабитной IEEE802.3u.

Применение грозозащиты

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 остальные подключенные к нему IP-камеры, следовательно, необходимо обязательно использовать в проекте грозозащиту, например, такую как CO-PL-B1GP-P404.

Соотношение «цена-качество»

Не стоит пытаться сэкономить на разделе коммутации. Низкая цена должна насторожить: например, если в проекте предлагается использовать гигабитный 8-портовой коммутатор розничной стоимостью 450 руб. или PoE-инжектор с описанием «до 70 Вт» за 800 руб., то возникают сомнения в пригодности 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 это будут «копейки», тогда как излишней экономией можно нанести значительный вред проекту.

Резервирование

Резервировать нужно всё и всегда. К серверам желательно добавить еще один 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.

Возможно, при оптимизации проекта большинство из этих предложений будут отвергнуты, но, по крайней мере, заказчик будет понимать, чего он при этом лишается, и ему, в этом случае, безусловно, придется разделить ответственность за возможные сбои.

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, соответст-вующий 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 насколько 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.

Обязательные действия проектировщика заключаются в следующем:
Добавить в проект защиту питания PoE-коммутаторов, что позволит уберечь коммута-ционное оборудование от бросков напряжения. На практике, блоки питания PoE, встроенные в коммутаторы, довольно чувствительны к сбоям питания 220 В.
Необходимо учитывать, что каждое питающее устройство имеет право (но не обязательст-во) 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 напря-жения (DC), и у этого блока зачастую те же болячки – перегревы, проседания, поломки.
Добавление в проект грозозащиты позволит избежать выхода из строя PoE-коммутаторов и всех подключенных к нему IP-камер.
Сведение PoE-коммутаторов в специальные кондиционируемые помещения или шкафы с терморегуляцией 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.
Не стоит забывать, 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. Учитывая, 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.
Необходимо 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.