Как работает POE (Power over Ethernet)

PoE, или Power over Ethernet, означает, что один сетевой кабель выполняет сразу две функции — передаёт данные и подаёт питание. Благодаря этому не нужно прокладывать отдельные электрические линии к удалённым камерам, точкам доступа или другим устройствам. PoE Ethernet применяется в корпоративных, промышленных системах, в домашних сетях.

В условиях, когда оборудование все чаще размещается в труднодоступных местах, например, на мачтах, потолках, уличных опорах, питание через PoE,  становится особенно актуальным. Оно минимизирует время установки, снижает стоимость обслуживания и повышает гибкость при расширении сети.

Как работает PoE питание: базовые компоненты

В любой системе, работающей по этой технологии, участвуют два компонента: оборудование, которое подает питание, и устройства, которые его получают.

Источник питания (PSE) или оборудование – компонент, отвечающий за транспортировку электричества посредством кабеля. К таким устройствам относятся:

1. Коммутатор– устройство со встроенной опцией подачи питания. Для передачи электрической энергии используется один кабель. Благодаря этому значительно упрощен монтаж.  
2. Инжектор– отдельный модуль, которым соединяют коммутатор и принимающее устройство. Его задача – дать питание в линию без препятствий для проходящего по ней сетевого трафика.
3. Сплиттер– адаптер, который разделяет питание и сетевую информацию. Он нужен, когда конечное оборудование не поддерживает PoE напрямую, но его все же нужно запитать через кабель.

Приемники

К приемникам PD относится любая техника, способная получать электричество по кабелю Ethernet и использовать его для своей работы.

Примеры устройств-приемников:

1. IP-камеры наблюдения, а том числе модели с функцией поворота, зумом (PTZ), для нормальной работы которых нужна высокая мощность;
2. точки доступа Wi-Fi, устанавливаемые в зонах, где нет возможности проложить отдельное питание;
3. VoIP-телефоны, подключающиеся к сети для передачи голоса;
4. устройства интернета вещей (IoT): датчики, управляющие контроллеры, сетевые шлюзы;
5. светодиодные лампы и прожекторы с удаленным управлением;
6. терминалы и панели с сенсорным экраном, а также тонкие клиенты (thin client) для офисных рабочих мест.

По сути, PoE сформирует единую инфраструктуру, где оборудование для передачи данных и питания работает согласованно, что позволяет сократить кабельное хозяйство, ускорить установку и расширить возможности сети.

Принцип работы PoE технологии

Питание через PoE передается по сетевому кабелю безопасно, его получает только то оборудование, которое умеет его принимать. Процесс можно сравнить с вежливый разговором между источником и приемником:

Детекция PoE устройства
Сначала коммутатор или инжектор отправляет в кабель небольшой тестовый сигнал с очень низким напряжением питания PoE (около 2,8–10 В). Этот сигнал нужен, чтобы «понять», есть ли на другом конце оборудование, готовое принимать питание через PoE. Если оно обнаруживает правильное сопротивление, регулируемое специальным встроенным компонентом, система понимает, что перед ней – совместимый приемник.

Классификация мощности
После обнаружения устройство сообщает, сколько энергии ему нужно для нормальной работы. Это делается через так называемые классы PoE. Например, маленькой IP-камере достаточно минимальной мощности, а моторизированной камере с поворотом и инфракрасной подсветкой требуется в разы больше. Определив класс, коммутатор или инжектор выделяет нужный «энергетический бюджет».

Подача питания
Когда все согласовано, напряжение повышается до рабочего уровня – обычно около 48 вольт. Это безопасно для людей, но достаточно для питания электроники даже на расстоянии в десятки метров. Ток передается параллельно с данными, так что изображение с камеры или интернет для точки доступа идут по тому же кабелю.

Постоянный контроль
Источник все время «прислушивается» к устройству – измеряет ток и напряжение. Если кабель отключить, нагрузка превысит допустимую или устройство перестанет отвечать, подача питания автоматически отключится, чтобы избежать перегрева или поломки.

Стандарты PoE питания и мощностные уровни

Чтобы сделать оборудование разных производителей совместимым, разработаны международные стандарты IEEE 802.3, которые регламентируют, каким образом и в каком объеме можно передавать ток посредством Ethernet-кабеля. Стандарт IEEE 802.3 делится на следующие группы:

PoE 802.3af

Это первый принятый стандарт, который позволяет подавать до 15,4 ватт на каждый порт. С учетом неизбежных потерь в кабеле, получатели обычно используют около 12,95 ватт. Эта мощность подходит для большинства VoIP-телефонов, простых точек доступа Wi-Fi, простых IP-камер без дополнительных возможностей.

PoE+ 802.3at

Версия обеспечивает подачу до тридцати ватт с учетом потерь, что дает на выходе около 25,5 ватт для конечной техники-получателя. ПоЕ+ позволяет запитывать более энергоемкие девайсы: поворотные камеры с функцией поворота, наклона и увеличения, усовершенствованные точки доступа и видео-станции.

PoE++ 802.3bt, типы 3 и 4

Самый мощный стандарт, который может транспортировать значительно больше энергии. Тип 3 дает до 60 ватт, а тип 4 – до сотни ватт. Такая мощность необходима для уличных LED-прожекторов, интерактивных панелей с сенсорными экранами, тонких клиентов и даже компактных компьютеров.

Особенностью всех перечисленных стандартов является их обратная совместимость: устройство, рассчитанное на менее мощный стандарт, может быть подключено к современному источнику с высоким уровнем питания и при этом получить ровно столько напряжения ПоЕ, сколько требуется, без риска перегрузки или повреждения.

Питание PoE – что это? Топология и способы

Питание PoE можно реализовать разными способами, и выбор зависит от того, как устроена сеть и какое оборудование уже установлено.

End-span

Это когда питание подается прямо от PoE-коммутатора. То есть сам коммутатор имеет встроенный PoE-модуль, и остается подключить кабель от него к устройству. Такой вариант удобен при создании новой сети, потому что оборудование уже изначально рассчитано на передачу питания.

Mid-span

Здесь используется отдельный инжектор, который вставляется между обычным (не ПоЕ) коммутатором и устройством. Инжектор «вклинивается» в линию и добавляет питание в кабель, при этом данные проходят через него без изменений. Этот подход хорош, если менять коммутатор на PoE-модель пока не планируется.

PoE-сплиттеры

Когда у нас есть устройство без поддержки ПоЕ, но мы хотим передавать электричество по одному кабелю, на помощь приходит сплиттер. Он принимает PoE-сигнал, разделяет его на обычный Ethernet и питание через разъем типа DC или USB.

Кроме устройств существуют и разные способы передачи питания по кабелю:

1. Альтернатива A– ток передается по тем же жилам, что и данные. Это удобно, когда провод уже занимается передачей информации.
2. Альтернатива B– электричество идет по свободным парам витой пары, которые не используются для данных (актуально для старых сетей на 100 Мбит/с).
3. 4PPoE– электричество подается по всем четырем парам одновременно, что увеличивает мощность и уменьшает потери. Этот метод применяется в высокомощных стандартах вроде 802.3bt.

Преимущества поддержки PoE, и ограничения

Питание по ПоЕ предлагает следующие плюсы:

1. Меньше кабелей – меньше затрат. Одного провода достаточно для передачи данных и электричества. Это преимущество позволяет экономить на материалах и времени монтажа.
2. Гибкость при установке. Оборудование можно разместить там, где нет розеток, например, на потолке, фасаде здания.
3. Централизованное питание. Все девайсы запитываются от одного источника (коммутатора или инжектора), что облегчает контроль и резервирование питания, например, через ИБП.
4. Безопасность. PoE подает питание только на совместимую технику, и отключает его при перегрузке, перегреве или обрыве кабеля.
5. Масштабируемость. Добавить новые устройства просто – достаточно проложить один кабель для PoE.

Среди ограничений:

1. Длина линии. Как и у обычного Ethernet, максимальная длина кабеля – 100 метров. На больших расстояниях возможны потери мощности.
2. Потери на кабеле. Чем тоньше проводники или хуже материал, тем больше потеря напряжения. Для мощного оборудования лучше использовать кабель для PoE Cat6 с медными жилами.
3. Совместимость оборудования. Если источник питания и приемник работают по разным стандартам, например, коммутатор – 802.3af, а камера требует 802.3at, устройство может не включиться или будет функционировать некорректно.
4. Нагрузка на источник. При большом количестве мощных приемников коммутатору или инжектору может не хватить общего энергобюджета, что может требовать установки дополнительного оборудования.

Сценарии использования

Стандарты PoE сегодня применяется не только в классических офисных сетях, но и во многих других сферах:

IP-видеонаблюдение

IP-камера принимает ток и передает видео по одному проводу. Чаще всего применяется для камер, установленных на улице или высоко под потолком, где прокладка отдельного проводки была бы сложной или дорогой. Для PTZ-камер, которые могут вращаться и менять угол наклона, часто используется стандарт PoE+, чтобы хватало энергии и на моторы, и на инфракрасную подсветку.

Wi-Fi

В больших офисах, гостиницах, точках продаж или на складах точки доступа обычно размещают вне зоны быстрого доступа. Технология PoE позволяет запитать их без прокладки проводки в каждое место монтажа. Это сокращает время установки и делает сеть весьма гибкой. Так, точку можно легко перенести, изменив расположение кабеля.

VoIP-телефоны

Такие телефоны полностью работают по сети: получают ток, соединяются с сервером и обеспечивают голосовую связь. Благодаря ПоЕ их можно подключать в любом месте, где есть сетевой порт, без дополнительных адаптеров.

Устройства IoT и умных зданий

Сенсоры температуры, датчики движения, контроллеры автоматизации, панели управления климатом — все это может питать кабелем для PoE.

LED-освещение

Современные системы освещения могут интегрироваться в сеть и получать электричество через технологию ПоЕ, что позволяет управлять приборами освещения удаленно: регулировать яркость, цветовую температуру и пр.

Промышленные системы

На производстве power over питает контроллеры, сканеры штрих-кодов, промышленные камеры и датчики. Сильная сторона для предприятий: минимум кабелей в условиях, где прокладка электропитания требует больших затрат.

Практические советы

Чтобы питание PoE работало без перебоев, при выборе компонентов рекомендуется учитывать:

1. Выбор источника питания (PSE). Если планируется подключение множества устройств, обратите внимание на суммарный энергобюджет коммутатора или инжектора. Например, коммутатор с 8 портами PoE+ может иметь общий бюджет 120 Вт, чего хватит на четыре-пять требовательных к мощности устройств.
2. Проверка стандарта. Перед покупкой оборудования убедитесь, что стандарт и класс ПоЕ источника и приемника совпадает. Если камера требует PoE+, а у вас только PoE, она не включится или будет работать нестабильно.
3. Выбор кабеля. Для небольших нагрузок подойдут Cat5e с медными жилами, для мощных устройств и больших расстояний — лучше использовать Cat6 или Cat6a. Избегайте дешевых проводов с омедненным алюминием – у них выше сопротивление и больше потери.
4. Длина линии. Не превышайте 100 метров от источника до устройства. Если расстояние больше, используйте PoE-репитеры или промежуточные коммутаторы.
5. Уличные установки. При монтаже на улице выбирайте провода с защитой от влаги, УФ-излучения и перепадов температур. Для защиты от гроз рекомендуется ставить грозоразрядники, использовать заземленное оборудование.
6. Резервное питание. Если сеть критична (например, камеры безопасности), подключите ПоЕ-коммутатор к источнику бесперебойного питания (ИБП). Так при отключении электричества устройства продолжат работать.
7. Сертифицированное оборудование. При покупке ориентируйтесь на оборудование с официальной сертификацией IEEE – гарантия того, что устройство будет работать корректно и безопасно.

Перспективы

Современные системы High-Power PoE позволяют питать оборудование мощностью до 100 Вт, что открывает возможности для масштабных LED-инсталляций, промышленных датчиков, терминалов самообслуживания и уличных дисплеев. Развитие IoT и умных зданий будет способствовать росту применения ПоЕ, включая питание микросерверов и систем безопасности.

PoE представляет собой технологию, которая дает возможность одновременно передавать электричество и сетевой сигнал по одному кабелю, объединяя функции питания и связи в одном проводе. Понимание стандартов, мощности и топологий помогает грамотно проектировать и масштабировать сети. При правильном подборе оборудования на базе Power over Ethernet можно получить гибкие и безопасные сценарии использования этой технологии.