Электропитание устройств по кабельным сетям ЛВС

В статье рассмотрены вопро­сы организации питания электронных устройств по ка­белям ЛВС.

Большинство конечных устройств локаль­ных вычислительных сетей (ЛВС) потребляет сравнительно малую мощность. Поэтому воз­никла идея реализовать возможность питания этих устройств по кабелю. Такое решение ис­ключает необходимость в отдельной розетке электропитания для каждого конечного устройства. Кроме того, в некоторых фирмах автономное питание сетевого оборудования яв­ляется обязательным условием при организа­ции бесперебойного питания аппаратуры.

Установленные в шкафах серверы и различ­ное сетевое оборудование практически всегда подключаются к системе бесперебойного пита­ния. И если напряжение питания конечных устройств подается от коммутатора уровня ра­бочей группы, действие этой системы распро­страняется и на пользовательское оборудова­ние.

В подавляющем большинстве современных сетей для передачи данных используются про­токолы 10BaseT (Ethernet), 100BaseTX (Fast Ethernet) и 1000BaseT (Gigabit Ethernet). По­этому Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) начал разработку стан­дарта IEEE 802.3af, определяющего техноло­гию организации питания конечных устройств по локальной сети (PoE – Power-Over-Ether- net). Раздел “Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface (MDI)” этого стандарта предусматривает наличие оп­ционного блока электропитания, напряжение которого по кабелям структурированной про­водки подается к конечному оборудованию пользователя. На оборудование стандартов 10BaseT, 100BaseTX и 1000BaseT напряжение должно передаваться через интерфейс модуль­ного разъема RJ45, к контактам 1-2, 3-6, 4-5 и 7-8 которого подключаются витые пары прово­дов кабеля.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Стандартом IEEE 802.3af определены три схемы подключения источника питания, в ко­торых задействованы различные пары контак­тов соединителя (рис. 1):

• Endpoint PSE, режим “А“
• Endpoint PSE, режим “В“
• Midspan PSE, режим “В“.

Рис. 1. Три схемы подключения источника питания

Термин “Endpoint Р8Е”означает, что источ­ник питания (PSE – Power Sourcing Equipment) встроен непосредственно в коммутатор уровня рабочей группы. Иногда он выполняется в виде внешнего блока, подключаемого к коммутатору.

Термином “Midspan PSE” обозначается та­кая схема, в которой источник питания пред­ставляет собой автономный блок, от которого напряжение распределяется на каждое из об­служиваемых устройств. Такой способ пита­ния применяется, главным образом, тогда, ко­гда в локальной сети используются коммутато­ры, разработанные до принятия стандарта IEEE 802.3af. В режиме “A” питающее напря­жение поступает на пары контактов 1-2 и 3-6 соединителя с использованием фантомной схе­мы. В оборудовании стандартов Ethernet и Fast Ethernet пары контактов 4-5 и 7-8 остаются свободными и могут быть использованы для других приложений. Этот способ подачи пита­ния выгодно использовать в тех сетях, в кото­рых по одному кабелю одновременно передают­ся данные двух независимых групп пользовате­лей (способ “cable sharing”). Он также может использоваться в оборудовании стандарта 1000BaseT, в котором для обмена данными за­действованы все четыре пары проводов кабеля.

В режиме “В” напряжение питания подает­ся на отдельные пары контактов – 4-5 и 7-8, то­гда как пары 1-2 и 3-6 используются для пере­дачи информации. Этот режим можно приме­нять для большинства приложений, например, Ethernet, Fast Ethernet и ISDN. Исключением является интерфейс Gigabit Ethernet, в кото­ром для передачи информации задействованы все четыре пары контактов соединителя.

С технической точки зрения варианты Midspan PSE и Endpoint PSE в режиме работы “В“, по сути, одинаковы. Отличие заключает­ся в том, что в варианте Midspan PSE питаю­щее напряжение поступает на конечное устройство не с коммутатора рабочей группы, как в варианте Endpoint PSE, а от внешнего ис­точника. На практике напряжение питания поступает с панели Power Injection Panel, кото­рая содержит до 24 портов питания.

При выборе схемы подключения источни­ков питания следует учитывать следующие во­просы:

• сколь долго будет подаваться питающее на­пряжение
• что происходит при подключении к кабель­ному тракту устройства, в котором опция питания по кабелю не поддерживается какие конечные устройства соответствуют требованиям стандарта IEEE3af
• какова процедура подключения
• какова максимальная потребляемая мощ­ность конечного устройства.

Для предотвращения выхода из строя ко­нечного устройства сети источник питания ге­нерирует напряжение лишь в случае, если к ка­белю подключаются устройства с поддержкой опции дистанционного питания. Для выполне­ния процедуры опознавания таких устройств в них встроена соответствующая схема.

В активном источнике питания происходит измерение тока, протекающего через цепь пи­тания пассивного устройства, и осуществляет­ся процедура идентификации класса потреби­теля. Согласно стандарту IEEE 802.3af устрой­ства в зависимости от величины потребляемо­го тока делятся на пять классов (табл. 1).

Таблица 1. Классификация конечных сетевых устройств в зависимости от потребляемого ими тока

Передаваемое по кабелю напряжение пита­ния (постоянное) должно находиться в преде­лах 44.57 В, ток потребления не должен пре­вышать 350 мА (в момент включения – до 400 мА). Максимальная мощность источника питания составляет 15.4 Вт. Если устройство подключено через кабель длиной 90 м, потреб­ляемая им мощность ограничивается на уров­не 12.95 Вт. Конечное оборудование должно поддерживать оба режима работы, как “А“, так и “В“. Такая предусмотренная стандартом идеология позволит обеспечить питанием че­рез кабель не только существующие, но и вновь разрабатываемые модели конечных се­тевых устройств.

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ

В РЕЖИМЕ “CABLE SHARING“

При реализации системы дистанционного питания в тех сетях, в которых кабельная си-

стема эксплуатируется в режиме “cable sha­ring”, свободный выбор режима работы источ­ника питания невозможен. Режим “В” исклю­чается, так как обе пары контактов соедините­ля (4-5 и 7-8) зарезервированы для передачи питающего напряжения.

Рис. 2. Мультиплексирование питания при включении источника между коммутатором и потребителем

Выход из подобной ситуации достигается путем мультиплексирования питания, для чего в коммутационную панель устанавливает­ся специальная вставка (рис. 2). При работе порта коммутатора в режиме “А” (при котором сигнал и напряжение питания подаются на контакты 1-2 и 3-6 разъема) напряжение пита­ния передается через вставку, а в режиме “В” оно снимается с пар 4-5 и 7-8 и передается на пары 1-2 и 3-6. Таким образом, сигнал с ком­мутатора вместе с питающим напряжением по­ступает только на пары 1-2 и 3-6. На остальные контакты разъема могут подаваться сигналы других приложений.

Использование режима “cable sharing” обеспечивает возможность экономически вы годного подключения новых устройств и поль­зователей без дополнительной нагрузки на ка­бельные каналы. Один из возможных вариан­тов питания оборудования по кабельным трак­там с использованием способа мультиплекси­рования питания показан на рис. 3.

КОНЕЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

Как ожидается, наибольшее распростране­ние способ подачи питания по кабелю получит при внедрении IP-телефонии, которая со вре­менем придет на замену привычной нам теле­фонной сети. При этом для функционирования новых IP-телефонов, как и для их предше­ственников, будет необходима лишь одна ро­зетка, через которую наряду с информацией будет передаваться и напряжение питания.

Другими устройствами, в которых питание по кабелю найдет широкое применение, могут стать точки доступа беспроводных локальных сетей, а также камеры видеонаблюдения со встроенным Web-сервером. Подобные устройства часто уста­навливают на значительной высоте от пола, где розетки силового питания отсутствуют.

Широкое распространение устройств с под­держкой функции РоЕ сулит неоспоримые пре­имущества. Значительно сокращаются трудо­затраты, так как отпадает необходимость в си­ловой розетке в дополнение к каждой сетевой и в блоке питания для каждого устройства. Кроме того, повышается надежность функционирова­ния аппаратуры, так как, если даже напряже­ние в сети пропадет, в розетках оно будет под­держиваться в допустимых пределах благодаря наличию централизованного ИБП или агрегата аварийного питания. Напряжение питания в розетках ниже уровня, опасного для человека, что исключает возможность его поражения электрическим током при возникновении неис­правности в аппарате или розетке.

Рис. 3. Пример применения технологии мультиплексирования питания

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В ближайшей перспективе следует ожидать значительного увеличения разновидностей оборудования с поддержкой технологии PoE. Поэтому при проектировании локальной сети необходимо увеличивать плотность размеще­ния розеток для такого оборудования не толь­ко в офисных, но и в производственных поме­щениях.

Следует также иметь в виду, что установка панели питания Power Injection Panel в шкаф с оборудованием приведет к увеличению рас­сеиваемой мощности и температуры внутри шкафа. Это, возможно, потребует установки более эффективной системы охлаждения шкафа. Выбирая тип конечного оборудования и коммутаторов, следует отдавать предпочте­ние той аппаратуре, которая обеспечивает вы­полнение всех предъявляемых к ней требова­ний при минимальной потребляемой мощно­сти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наряду с широко известными устройства­ми – точками доступа к беспроводным локаль­ным сетям связи, камерами видеонаблюдения и IP-телефонами – появляется большое число карманных компьютеров и мобильных телефо­нов. Количество типов такой аппаратуры, а также ее функциональные возможности рас­тут очень быстро. Возможность дистанционно го питания устройств по кабелю позволит обойтись без блоков питания, связанных с си­ловой электросетью. Для пользователей но­утбуков заманчивой перспективой является возможность их подзарядки при подключении к сети Ethernet. А соединитель RJ45 имеет хо­рошие шансы стать стандартизованной во всем мире розеткой электропитания.

Итак, можно с уверенностью утверждать, что в течение ближайших лет технология PoE станет незаменимой составной частью комму­таторов и конечных устройств.