Стандарт 802.3at повышает мощность PoE

Все большее число самых разнообразных устройств подключается по Ethernet: точки беспроводного доступа, IP-телефоны, сетевые камеры видеонаблюдения и т.?д. Возможность подачи питания по уже проложенной информационной проводке с помощью технологии Power over Ethernet (PoE) повышает экономическую привлекательность и гибкость таких соединений.

Технология питания по Ethernet позволяет использовать уже имеющуюся информационную проводку не только для передачи данных, но и для подачи электроэнергии на подключенные устройства. В результате реализации PoE повышаются гибкость и экономичность инсталляций, так как устраняется необходимость размещения оборудования вблизи имеющихся электророзеток и/или прокладки дополнительных силовых кабелей.

Применение PoE позволяет повысить качество и стабильность питания конечных устройств. Коммутаторы Ethernet, которые, как правило, выступают в качестве источников тока, защищаются с помощью ИБП. Это позволяет поддерживать работу оборудования даже при потере напряжения во внешней электросети. Кроме того, применение PoE дает дополнительные возможности его контроля и мониторинга, в частности отключения для жесткой перезагрузки.

Аналитики из компании Grand View Research оценивают рынок микросхем PoE почти в полмиллиарда долларов — 464,8 млн долларов в 2017 году (см. рис. 1). По их прогнозам, ежегодно он будет расти на 12,6% и к 2025 году достигнет 1,22 млрд долларов. Схожую цифру приводит и аналитическое агентство MarketsandMarkets — более 1 млрд долларов к 2022 году. Однако ко всем прогнозам, как известно, надо подходить с осторожностью. Так, в 2015 году Grand View Research оценивала рынок в 445,3 млн долларов и предсказывала его рост до 3,3 млрд к 2025-му. На деле же прирост оказался незначительным, а прогнозные показатели были существенно — почти в три раза — скорректированы в сторону понижения.

Рис. 1. Рынок микросхем PoE по типам устройств, в которых они используются

Тем не менее, как считают в MarketsandMarkets, спрос на PoE будет расти. Дополнительный стимул должно придать появление новой версии стандарта 802.3at с максимальной номинальной мощностью 90 Вт, что приведет к расширению применения технологии PoE для подключения информационных и рекламных табло, организации LED-освещения и других задач, для выполнения которых требуются устройства с высоким уровнем энергопотребления.

ПРЕДЫСТОРИЯ СТАНДАРТА

Стандарт IEEE 802.3bt был принят 27 сентября 2017 года и стал завершением многолетних усилий по стандартизации более высоких уровней мощности для PoE. Это уже третья редакция стандарта на подачу питания по слаботочной проводке. Работа над ним началась еще в 2013 году с целью увеличения мощности, которую источник (Power Sourcing Equipment, PSE) может подавать потребителю (Powered Device, PD) по проводке Ethernet.

Понимая преимущества подачи большей мощности на конечные устройства, несколько производителей выпустили свои проприетарные версии технологии подачи питания еще до выхода стандарта, при этом для подачи питания вместо двух пар в них использовалось четыре. Наибольшую известность получила, пожалуй, технология универсального питания по Ethernet (Universal Power over Ethernet, UPoE), которую компания Cisco предложила еще в 2011 году. Она позволяла удвоить (по сравнению с PoE+) подаваемую мощность: 60 Вт вместо 30 Вт. Этого было достаточно для питания терминалов VDI, небольших коммутаторов и шлюзов, LED-светильников и другого оборудования.

Еще больше — 90 Вт — обеспечивала технология LTPoE+, которую компания Linear Technology (в настоящее время входит в состав Analog Devices) предложила около 10 лет назад. Это решение отличалось высокой энергоэффективностью: потери мощности не превышали 6% (для сравнения, в PoE+ они составляли 15%). При этом обеспечивалось питание таких достаточно мощных потребителей, как уличные камеры видеонаблюдения и информационные дисплеи.

Нестандартное оборудование, как правило, совместимо с устройствами предшествующих стандартов 802.3af и 802.3at. Таким образом, если источник PSE соответствует одному проприетарному стандарту, а потребитель PE другому, то из-за несовместимости они вынуждены ограничиваться более низким уровнем мощности, чем тот, на который рассчитаны. Необходимость выбора между проприетарными стандартами сдерживала разработку устройств с поддержкой более высоких уровней мощности. Это послужило стимулом к разработке нового стандарта PoE.

Задача оказалась сложнее, чем представлялась вначале, из-за чего разработка стандарта заняла почти шесть лет. Пришлось преодолеть множество технических проблем: как реализовать подачу питания по всем четырем парам, обеспечить обратную совместимость с предыдущими версиями стандарта, компенсировать несбалансированность тока между всеми восемью проводниками и т.?д. Об объеме проделанной работы говорит то, что всего было выпущено 24 проекта стандарта и рассмотрено свыше 5400 замечаний.

Стандарт IEEE 802.3bt несовместим с предшествующими проприетарными вариантами. В некоторых случаях вендоры могут обеспечить совместимость своих нестандартных устройств путем обновления программного обеспечения, но зачастую это невозможно из-за аппаратных ограничений.

НОВОВВЕДЕНИЯ В СТАНДАРТЕ 802.3BT

С принятием IEEE 802.3bt доступная конечным устройствам мощность увеличивается почти в шесть раз по сравнению с исходным стандартом PoE и почти в три раза по сравнению с PoE+ — 71,3 Вт против 12,95 и 25,5 Вт соответственно. Для подачи питания IEEE 802.3bt задействует все четыре пары витопарного кабеля, поэтому часто его называют также четырехпарным PoE (4-pair PoE, 4PPoE). Он может использоваться в сетях Ethernet вплоть до 10GBase-T, при этом и ток, и данные передаются по всем парам одновременно (см. рис. 2). Совместимость с 10GBase-T позволяет, в частности, обеспечить в будущем питание мультигигабитных точек беспроводного доступа при их подключении по 10-гигабитным соединениям.

Рис. 2. Схема подключения в случае 4PPoE

Стандарт вводит два новых типа мощности — Type 3 и Type 4. Первый предоставляет мощность до 60 Вт на порту источника, он также именуется PoE++ (UPOE). Для источников Type 3 предусматривается возможность подачи питания как по четырем, так и по двум парам. Для Type 4 максимальная подаваемая мощность составляет 90 Вт (предполагалось, что она сможет достигать 100 Вт), он также известен как PoE высокой мощности (high-power PoE).

Вместе с новыми типами мощности задаются новые классы мощности. В каждом из предшествующих стандартов предусматривались свои типы и классы: 802.3af определял только Type 1, но зато выделял целых четыре класса мощности, которую может иметь конечное устройство — от 4 до 15,4 Вт на PSE и от 3,84 до 12,95 Вт на PD; 802.3at вводил еще один класс и тип — 30 Вт на PSE и 25,5 Вт на PD. В 802.3bt добавляется еще четыре класса с уровнем мощности 45, 60, 75, и 90 Вт на PSE и 40, 51, 62 и 73 Вт на PD (см. таблицу).

Классы мощности PoE

Помимо добавления уровней мощности, новый стандарт вносит изменения и в уже существующие. Прежде всего это касается эффективности их использования: потери в кабеле снижаются почти вдвое. Например, в случае использования оборудования PoE Type 2, для питания потребителя мощностью 25,5 Вт необходимо было подавать не менее 30 Вт. Таким образом, потери при передаче составляли 4,5 Вт, или 15%. В случае 802.3bt они не превышают 2,25 Вт, поэтому мощность источника может быть снижена. Хотя доля PoE в общем потреблении ИТ не так велика, с учетом роста количества устройств с поддержкой PoE ежегодная экономия энергии в мировом масштабе достаточно существенна.

Новый стандарт имеет следующие основные особенности:

• поддержка номинальных уровней мощности до 71,3 Вт для потребителя (PD) и 90 Вт для источника (PSE);
• значительное сокращение потребления PD в режиме ожидания;
• улучшенное управление питанием с помощью (необязательного) протокола классификации Autoclass;
• расширение классификации на физическом уровне, в частности понижение уровня мощности (power demotion);
• введение двух конфигураций PD — с одним (single signature) и двумя (dual-signature) профилями питания;
• расширение Link Layer Discovery Protocol (LLDP) для поддержки новых устройств и функций.

Чтобы PSE не отключил полностью подачу питания, питаемое устройство должно генерировать ток в режиме ожидания — так называемый поддерживаемый профиль питания (Maintain Power Signature, MPS). Минимальная необходимая мощность в режиме ожидания сокращена на порядок (до 20 мВт против 200 мВт в предшествующем стандарте), что делает применение PoE еще более привлекательным для питания IoT-устройств, в частности, применяемых для светодиодного освещения.

На конечное устройство можно теперь подавать два разных уровня мощности. Такое устройство с двумя профилями питания (dual signature) может получать один тип и класс питания по двум парам кабеля и другой — по оставшимся двум парам. Поддержка двух профилей может быть полезна, например, для подачи питания на рабочие станции, когда системный блок и монитор потребляют разную мощность, при этом первому нужно получать и передавать данные, а второму этого не требуется.

С помощью нового метода классификации на физическом уровне — автоматического классификатора (autoclass) — питающее устройство определит, каково в действительности максимальное потребление питаемого устройства с учетом резистивных потерь в кабеле, и скорректирует подаваемую мощность. Такая возможность позволяет повысить эффективность системы распределения питания — в частности, обеспечить доставку электроэнергии на большее число портов при том же бюджете мощности.

Для устройств Type 2 поддержка полной классификации на физическом уровне была опциональной (вместо нее они могли использовать LLDP), а для PSE Тype 3 и 4 она стала обязательной. Одно из следствий этих изменений — возможность понижения класса при нехватке бюджета мощности (power demotion): PSE самостоятельно делает это, если не может предоставить устройству требуемую мощность, позволяя, таким образом, обеспечить функционирование PD хотя бы в ограниченном режиме.

Питаемые устройства могут по-прежнему использовать протокол LLDP для детализации своих требований к источнику питания. В LLDP были добавлены новые поля, с помощью которых PSE и PE могут обмениваться информацией о поддержке питания по четырем парам, бюджете мощнос-ти у источника питания, результатах измерений напряжения, силе тока, мощности и энергии и даже о тарифах на электричество.

ТРЕБОВАНИЯ К КАБЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ

Потери энергии в кабеле приводят к тому, что устройству достается меньшая мощность, чем подается на него источником. Хотя новый стандарт обеспечивает меньшие потери для уже имеющихся классов мощности, для новых классов они велики как в абсолютном, так и в относительном выражении. Например, для класса 8 они составляют около 17 Вт, или почти 19%. При рассеивании мощности нагревается кабель, что ведет к его быстрому износу и ухудшению характеристик передачи данных. В случае использования некачественных кабелей последствия могут быть еще более печальными — вплоть до возгорания.

При рассмотрении требований к кабельной проводке приходится учитывать множество составляющих: какие кабели, шнуры и разъемы используются, сколько кабелей в пучке, какова длина кабельной трассы и т.?д. Потери мощности рассчитываются из наихудшего возможного случая при максимально допустимой длине тракта передачи, составляющей 100 м. Соответственно, если протяженность тракта меньше, то и потери меньше. При использовании более качественной проводки, например Категории 6 вместо Категории 5, потери тоже сокращаются.

Согласно результатам проведенных тестов, в кабелях Категории 6 тепла выделяется на 80% меньше, чем в кабелях Категории 5е, поскольку первые имеют проводники с крупным сечением и, соответственно, меньшее сопротивление. В результате снижаются величины потерь мощности и тепловыделения. Конструкция кабелей тоже оказывает влияние на степень нагрева: экранированные рассеивают тепло лучше, чем неэкранированные, а кабели с экраном вокруг каждой пары эффективнее, чем кабели с общим экраном (см. рис. 3). Таким образом, правильный выбор типа кабеля имеет критическое значение для поддержки новых уровней PoE: при использовании контрафактных кабелей с алюминиевыми проводниками это вообще может оказаться невозможным.

Рис. 3. Экранированная проводка обеспечивает лучшую диссипацию тепла, чем неэкранированная

Хотя новый стандрт рассчитан на использование кабелей Категории 5е, для вновь реализуемых проектов многие производители рекомендуют выбирать кабели Категории 6А (соответствующие рекомендации содержатся также в стандартах TIA TSB-184-A и ISO/IEC TS 29125). Благодаря меньшим потерям можно либо уменьшить бюджет мощности PSE, либо подавать большую мощность на питаемое устройство. Кроме того, запас по характеристикам гарантирует, что проводка будет обеспечивать дальность передачи 100 м при максимальной нагрузке PoE.

Размеры пучка и плотность кабелей в кабельном канале становятся все более критичными с увеличением класса мощности — тепловыделение в случае Type 4 в 20 раз больше, чем для Type 1. Когда кабели плотно уложены в кабельные каналы или туго стянуты в большие пучки, тепла может выделяться столько, что оно уже не будет рассеиваться посредством естественной конвекции (см. рис. 4). Уменьшение размера пучков, таким образом, позволяет значительно улучшить теплоотдачу.

Рис. 4. Рост температуры в центре пучка из 91 кабеля при использовании кабелей Категории 5е

В случае 4PPoE сила тока в комбинации из двух пар (pairset) приближается к 1 А (максимально возможная сила тока составляет 960 мА). Это может привести к значительному нагреву кабеля, особенно в крупных пучках, где кабели уложены плотно. Во избежание таких ситуаций стандарт 802.3 требует снижения температуры окружающего воздуха на 10°C по сравнению с максимально допустимой. В свою очередь, стандарт TIA TSB-184 допускает повышение температуры на 15°C (исходя из максимальной температуры окружающей среды 45°C) в центре пучка из 100 кабелей. В стандартах на кабельную проводку ISO/IEC 14763–2, ISO/IEC TR 29125, CENELEC TR 50174–99–1 и TIA-TSB-184-A рекомендуется ограничивать число кабелей в пучке — не более 24, но это рассчитано на худший возможный случай, когда используются проводники с минимально допустимым диаметром, поддерживается максимально допустимый уровень мощности и т.?д.

Сила тока в парах кабеля может даже превышать 1 A.?Так, тип 3 предусматривает подачу питания по двум парам кабеля. В этом случае для Класса 6 подаваемая мощность составляет 60 Вт, а теряемая — 18 Вт, то есть конечное устройство получает 42 Вт вместо 51 Вт, как было бы в случае подачи тока по всем четырем парам. При этом сила тока в двух парах достигает 1,2 А.?Высокие токи могут привести к повреждению контактов вилки и розетки в результате возникновения между ними электрических дуг, если вилка RJ-45 отключается под напряжением (см. рис. 5).

Рис. 5. Влияние электрической искры на состояние контактов

Искра обычно незаметна для пользователя и не представляет угрозы его здоровью. Однако повреждение контактов может привести к ухудшению характеристик соединения, особенно при частом отсоединении разъема. Во избежание этого используемые соединители должны отвечать определенным требованиям. Например, IEC 60512–99–001 допускает снижение контактного сопротивления не более чем на 20 мОм после 100 циклов подключения/отключения под током 600 мА. В обновленной версии IEC 60512–99–002 аналогичное требование вводится для токов 2 А.?Установка таких коннекторов гарантирует, что электрическая дуга не повредит вилку и розетку при частом отсоединении разъема.

Чем больше нагрев кабеля и хуже состояние контактов, тем сильнее ослабляется информационный сигнал, то есть реальная скорость передачи данных может оказаться меньше номинальной. Проблема обеспечения требуемых характеристик усугубляется с распространением коммутационных шнуров с тонкими проводниками. Все эти моменты необходимо учитывать еще на этапе планирования и проектирования кабельной проводки.

Для минимизации возможных проблем обновлены требования к используемым кабелям и коннекторам. В феврале 2018 года Ассоциация телекоммуникационной отрасли (Telecommunication Industry Association, TIA) одобрила стандарт TSB-184-A «Рекомендации по поддержке энергоснабжения, осуществляемого по симметричной витопарной проводке». В этом документе даются рекомендации по инсталляции и эксплуатации слаботочной проводки с целью минимизации роста температуры в пучках кабеля при подаче тока по всем четырем парам.

НОВЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Потребность в предоставлении доступа к сети для все большего числа устройств, например для различных умных датчиков, порождает спрос на решения, которые позволяют сделать это с минимальными затратами и усилиями. При использовании технологии питания по Ethernet можно отказаться от прокладки дополнительной силовой проводки, повысить удобство и безопасность использования оборудования, что соответствует современным тенденциям.

Появление нового стандарта делает возможным более широкое применение PoE. Одним из перспективных рынков являются решения для умных зданий. Помимо сокращения затрат за счет отказа от силовой проводки, подключение различных умных сетевых датчиков позволяет наделить их IP-адресом и тем самым обеспечить централизованный контроль за сотнями устройств.

Преимущества PoE наиболее явно проявляются в случае применения интеллектуального освещения с использованием LED-светильников. Проводов потребуется еще меньше, если реализовать последовательное подключение источников света к одному порту коммутатора. В таком случае сократится и число необходимых портов активного сетевого оборудования, а освещение можно будет выключать путем отправки простых команд SNMP.

Показательный пример умного здания — комплекс Edge в Амстердаме, получивший наивысший рейтинг 98,36% по шкале BREEAM (общепризнанный метод оценки самодостаточности и экологичности зданий (sustainability). В нем установлено почти 30 тыс. всевозможных датчиков, а объем энергопотребления на 70% меньше, чем у типичного офисного комплекса. Для освещения используется LED-система на базе PoE. С применением этой же технологии организовано питание ряда других систем и управление ими.

Несмотря на наличие успешных примеров, решения для LED-освещения на базе PoE пока не получили широкого распространения в офисных зданиях, а соответствующий рынок находится в стадии становления. Тем не менее многие эксперты рассматривают PoE как ключевую технологию для реализации концепции умного дома и других применений IoT.

Дмитрий Ганьжа, главный редактор «Журнала сетевых решений/LAN»