Эволюция дистанционного питания

МУЛЬТИФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ СИММЕТРИЧНОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО КАБЕЛЯ

На создание горизонтальной подсистемы направляется большая часть (до 85%) всех тех людских и материальных ресурсов, которые необходимы для построения СКС. Поэтому все участники процесса создания структурированной проводки — разработчики, сотрудники компании-производителя, проектировщики, инсталляторы и персонал, отвечающий за эксплуатацию, — уделяют ей повышенное внимание.

Согласно базовым стандартам, горизонтальная подсистема СКС может быть реализована с применением как симметричного, так и волоконно-оптического кабеля. В качестве ее основы в большинстве случаев выбирается электропроводное решение. Альтернативное исполнение — волокно до рабочего места (Fiber to the Desk, FTTD) — получило исключительно нишевое распространение. Оно применяется там, где выдвигаются жесткие требования в отношении защиты от несанкционированного доступа на физическом уровне, надежности гальванической развязки соединяемой аппаратуры, а также обеспечения нормальной работы под воздействием мощных электромагнитных помех различной природы.

Доля информационной кабельной системы в общих затратах на построение информационно-телекоммуникационной инфраструктуры предприятия постепенно растет. Это происходит под воздействием двух разноплановых глобальных экономических процессов, которые наблюдаются на протяжении последних 20 лет. Во-первых, стоимость активного сетевого оборудования быстро снижается, а его функциональные возможности возрастают. При этом темпы удешевления столь высоки, что оно не может компенсироваться увеличением числа используемых устройств. Во-вторых, производство кабеля отличается высокой степенью автоматизации и требует минимального вмешательства со стороны персонала. Сам кабель является наиболее «тяжелой» позицией в спецификации материалов СКС. Поэтому подорожание в несколько раз за последние два десятка лет нефти и меди как основных видов сырья, используемого в процессе изготовления кабелей, сказывается на отпускных ценах на продукцию и, соответственно, на бюджете проекта.

В сложившейся ситуации системный архитектор вынужден искать способы повышения общей эффективности проекта. Один из них — расширение функциональных возможностей горизонтального кабеля.

ДИСТАНЦИОННОЕ ПИТАНИЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ УСТРОЙСТВ

Главным назначением горизонтального кабеля СКС является передача информационных сигналов различных сетевых интерфейсов. Кроме того, его факультативно можно задействовать для решения целого ряда дополнительных задач. К таковым относятся доставка в нужную точку тестирующих и управляющих сигналов оборудования интерактивного управления, обеспечение функционирования техники оптической идентификации и трассировки (известные решения компаний YFC Bon Eagle и Zeller) и некоторые другие.

Наиболее востребованной дополнительной функцией симметричного горизонтального кабеля СКС является дистанционное питание различных терминальных устройств. Эти изделия использовались для решения данной задачи с момента появления структурированной проводки как самостоятельного технического направления. Обращение к этой проблеме было обусловлено необходимостью поддержки систем телефонной связи, в которых для подачи постоянного напряжения на телефонный аппарат традиционно применяется схема с так называемой центральной батареей. Иначе говоря, источник питания телефонного аппарата сконструирован в форме штатного отдельного функционального модуля телефонной станции.

Дистанционное питание способно обеспечить работоспособность не только аналоговых, цифровых и системных телефонов, но и множества иных терминальных устройств. К таковым относятся, например, IP-камеры дистанционного наблюдения, точки радиодоступа систем Wi-Fi, считыватели систем контроля доступа, небольшие информационные экраны и т. д. От розетки СКС вполне можно запитать светодиодный источник местного освещения, что оказывается далеко не лишним в процессе выполнения некоторых сервисных работ. Как видим, потенциальный объем рынка оборудования дистанционного питания достаточно большой.

Первое специализированное решение для дистанционного питания вычислительных устройств было выпущено в 1999 году под торговой маркой PowerDsine (в настоящее время принадлежит компании Microsemi) и известно как Power over LAN. Широкие функциональные возможности подтверждаются его поддержкой со стороны таких производителей, как Polycom, 3Com, Lucent и Nortel.

Решение PowerDsine было далеко не единственным, другие вендоры стали предлагать похожие продукты, и в конечном итоге за дело взялись комитеты по стандартизации. Первый шаг в этом направлении был сделан в 2003 году с принятием профильного документа IEEE 802.3af (см. статью автора «Дистанционное питание по кабельным трактам СКС» в февральском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2005 год). Хронологию последующих изменений иллюстрирует таблица.

Разновидности систем дистанционного питания по кабельным трактам СКС

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ПИТАНИЯ

Техника дистанционного питания по кабельным трактам СКС существует уже достаточно давно, поэтому ее базовые принципы хорошо проработаны, что позволяет выделить ряд характерных особенностей. Вот только основные из них, наиболее важные, на наш взгляд.

Для передачи тока от источника используются фантомные цепи. Суть подхода состоит в том, что полюс источника питания включается в среднюю часть трансформатора гальванической развязки, и в результате ток течет по обоим проводам пары в одном направлении. Такое решение облегчает достижение требуемого уровня развязки цепей питания и передачи сигналов.

Чтобы схема включения сетевого интерфейса была инвариантна по количеству используемых пар, фантомная схема реализуется вне зависимости от того, в каком режиме работает аппаратура (по свободным парам или по задействованным для передачи информационных сигналов).

При мощностях 50 Вт и выше питающий ток передается по всем парам горизонтального кабеля (рис. 1). И хотя с технической точки зрения четырехпарная схема значительно сложнее, она становится все более популярной из-за увеличения мощности нагрузки.

Рис. 1. Особенности реализации систем дистанционного питания по кабельным трактам СКС: PoE IEEE 802.3af, IEEE 802.3at (вверху) и 4PPoE+ IEEE 802.3bt (внизу)

Внедрение опции РоЕ не противоречит требованиям базовых стандартов СКС в части запрета на параллельное подключение к проводам в пределах стационарной линии. Фактически техника данной разновидности реализует схему наложения и конструктивно оформляется как часть активного сетевого оборудования.

Инжектор системы дистанционного питания представляет собой отдельный функциональный модуль коммутатора уровня рабочей группы. Еще в конце первого десятилетия нового века производители СКС довольно активно предлагали инжекторы промежуточного типа, реализованные в форме панелей, однако большого распространения они не получили.

На рынке широко предлагается и нестандартная аппаратура в виде комплекта из пары внешних инжектора (источника) и сплиттера (приемника), реализующих преимущественно схему РоЕ с нестандартной раскладкой кабельных пар. Эта техника задействует те пары кабеля, по которым информационные сигналы не передаются. Данное решение известно как Passive PoE и используется в случае, если терминальное устройство не поддерживает стандарт IEEE802.3af.

В принципе возможен вариант своеобразного уплотнения горизонтального кабеля по РоЕ, когда параллельно устанавливаются два подобных инжектора, каждый из которых задействует свою комбинацию из двух пар проводов.

ТЕНДЕНЦИЯ УВЕЛИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ

Поскольку первоначально допустимая максимальная мощность оборудования РоЕ не превышала 13 Вт на терминальном устройстве, почти сразу же стала очевидна необходимость ее увеличения. По завершении соответствующих разработок был принят стандарт IEEE 802.3at, благодаря которому потребляемая мощность практически удвоилась и достигла уже 22 Вт. В ближайшее время ожидается принятие стандарта IEEE 802.3bt с предельной мощностью нагрузки 49 Вт.

Увеличение мощности не является самоцелью, а стимулируется объективной потребностью отрасли в расширении функциональных возможностей питаемых устройств. Например, IP-камера системы видеонаблюдения с опцией РоЕ просто передает изображение. Ее аналог, поддерживающий технологию РоЕ+, обеспечивает расширенную зону контроля за счет вращения корпуса по двум координатам и изменения фокусного расстояния объектива. Перспективный стандарт IEEE 802.3bt позволит в дополнение к указанным функциям осуществлять обогрев защитного кожуха в холодное время года.

Наращивание мощности обычно достигается путем применения следующего комплекса мер:

• отказ от поддержки кабельных трактов Категории 3 с их достаточно высоким шлейфовым сопротивлением;
• увеличение максимального тока нагрузки почти в два раза (с 350 до 600 мА для одной пары);
• увеличение минимально допустимого напряжения — с 44 до 50 В;
• передача тока дистанционного питания по всем четырем парам (к аббревиатуре, указывающей на данную технологию, добавлен индекс 4).

НАГРЕВ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО КАБЕЛЯ

Одна из наиболее серьезных проблем, возникающих при внедрении систем дистанционного питания по симметричным кабельным трактам СКС, связана с конечным сопротивлением проводов витой пары: из-за большой силы тока, подаваемого на питаемое устройство в режиме полной нагрузки, горизонтальный кабель нагревается.

Если исходить из представленных в таблице данных, на нагрев кабеля расходуется от 2 до 6 Вт мощности источника. Даже в самых неблагоприятных случаях данная мощность недостаточна для достижения точки воспламенения. Таким образом, использование РоЕ не сопровождается риском возникновения пожара.

Тем не менее даже небольшое, но неконтролируемое увеличение температуры крайне нежелательно, так как ведет к росту затухания. В крайних случаях на линиях максимальной протяженности может потребоваться принудительное ограничение длины значением ниже 90 м.

Кроме того, даже небольшой нагрев заметно ускоряет процессы старения пластика. Для явлений такого рода характерен экспоненциальный характер изменения интенсивности их протекания: если температура изделия повышается на 10°С, срок службы кабеля сокращается наполовину.

ОСОБЕННОСТИ РАЗЪЕМНОГО СОЕДИНИТЕЛЯ

Увеличение мощности оконечных устройств, получающих питание по кабельным трактам СКС, требует определенного изменения конструкции разъемных соединителей, устанавливаемых в панелях и розетках. При этом базовые геометрические параметры вилки и розетки остаются прежними, то есть обеспечивается как прямая, так и обратная совместимость по форм-фактору. Наиболее существенными являются два нововведения в контактной группе.

Первое состоит в отказе от пирсингового контакта в оконцевателе вилки и применении IDC-соединителя по образцу розеточной части разъема. Причина — в недостаточно большой механической стабильности такого контакта: при подключении он расшатывается, из-за чего растет переходное сопротивление области его соприкосновения с проводами. При работе под нагрузкой возникает точечный рост выделяемой мощности, и из-за прогорания провода вилка довольно быстро выходит из строя.

Второе нововведение заключается в изменении формы рабочей поверхности контакта розетки таким образом, чтобы области первичного соприкосновения вилки с контактом и их последующего штатного взаимодействия находились на достаточно большом расстоянии одна от другой (рис. 2). Смещение точек соприкосновения и штатного положения необходимо из-за мощной искры, возникающей в момент разрыва контакта при отключении. Сопутствующие ей электроэрозионные процессы повреждают покрытие. Для противодействия этому нежелательному явлению контакты были удлинены и вынесены ближе к обрезу стандартного гнезда соединителя модульного типа. При этом ни в коем случае не допускается снижение толщины слоев собственно рабочей поверхности контакта (внешнего золотого покрытия толщиной 1,27 мкм на разделяющей никелевой подложке толщиной 2,54 мкм).

Рис. 2. Особенности взаимодействия контактов вилки и розетки модульного разъема

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИСТЕМ POWER OVER ETHERNET

Потенциальные ограничения систем дистанционного питания в отношении мощности подключаемых к ним устройств определяются предельно допустимыми значениями характеристик типовых кабелей и содержатся в базовых стандартах. В ISO/IEC 11801:2011 напряжение составляет 60 В при допустимом токе в одном проводе 300 мА и шлейфовом сопротивлении пары 25 Ом.

При расчетах необходимо учесть, что в части шлейфового сопротивления документ ISO/IEC 11801:2011 не делает различий между кабелями Категории 5е-7А. У последних же, как известно, проволока витых пар имеет заметно больший диаметр (до 0,64 мм против типовых 0,51 для Категории 5е), то есть шлейфовое сопротивление почти в 1,6 раза меньше. Если принять это как резерв и увеличить выходное напряжение инжектора до предельно допустимой величины 60 В, то ток дистанционного питания по двум парам можно повысить до 1,12 А. В случае использования всех четырех пар мощность, выделяемая на нагрузке, может достигать 100 Вт.

ИЗМЕНЕНИЯ БАЗОВЫХ ПРИНЦИПОВ РЕАЛИЗАЦИИ СКС

Если заранее известно, что информационная проводка должна будет поддерживать большое количество терминальных устройств с опцией РоЕ, необходимо серьезно скорректировать базовые принципы построения горизонтальной подсистемы СКС. Основные положения могут быть сведены к следующему.

Массовое внедрение техники РоЕ+ и ее более мощных функциональных аналогов способствует спросу на симметричные кабели Категории 6 и выше. Очень рельефно начинают проявляться преимущества экранированных кабелей: благодаря наличию экранирующих покрытий они обладают хорошей теплопроводностью (рис. 3). Такие кабели эффективно отводят теплоту, выделяемую при протекании тока дистанционного питания, и меньше нагреваются. Снижение рабочей температуры заметно улучшает телекоммуникационные характеристики тракта и качество его функционирования. В стандарте ISO/IEC 11801:2011 это преимущество отмечается в явном виде: температурный коэффициент затухания экранированной конструкции указывается как 2%/°C против 0,4–0,6%/°C для неэкранированных изделий.

Рис. 3. Рост температуры горизонтального кабеля СКС при дистанционном питании терминальных устройств в зависимости от исполнения и категории кабеля, а также способа его прокладки

Целесообразно применять технику высоких категорий, так как в ней используются провода с большим диметром проволоки, которые обладают лучшими термическими характеристиками.

В таком случае можно не ограничивать предельную протяженность стационарной линии даже при эксплуатации в наиболее неблагоприятных условиях окружающей среды.

КОРРЕКЦИЯ ПРАВИЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, МОНТАЖА И ЭКСПЛУАТАЦИИ СКС

Внедрение техники дистанционного питания с использованием аппаратуры РоЕ+ и ее более мощных функциональных аналогов оказывает заметное влияние на некоторые базовые приемы, применяемые при проектировании горизонтальной подсистемы СКС.

В технике структурированного каблирования широко практикуется групповая прокладка горизонтальных кабелей. Больше всего нагреваются те линейные изделия, которые находятся в центральной части подобной группы. С учетом этого обстоятельства можно сформировать следующие рекомендации по минимизации вредного влияния нагрева горизонтальных кабелей.

• В круглом кабельном жгуте должно быть не более трех слоев. Это означает, что жгуты с круглым поперечным сечением не должны содержать свыше 19 кабелей. Таким образом, при большем количестве линейных кабелей следует сформировать несколько небольших пучков.
• При равной площади поперечного сечения широкие лотки небольшой глубины предпочтительнее узких, но глубоких.
• Требуемые термические характеристики горизонтальных кабелей при групповой прокладке могут быть обеспечены за счет отказа от глухих лотков в пользу перфорированных или даже сетчатых.
• В случаях расположения кабельных трасс в местах, где температура повышена, для отвода избыточного тепла целесообразно применять принудительное воздушное охлаждение, как это делается в ЦОДах.
• Плоские кабельные пакеты обеспечивают лучшие термические характеристики по сравнению с круглыми жгутами.
• Короткие изолированные участки, например проходящие сквозь стены, не оказывают значимого влияния на термические характеристики симметричного тракта благодаря хорошей теплопроводности медных проводов.
• При наличии технической возможности следует использовать розетки, у которых длина рабочих контактов увеличена.

При правильном выборе длины коммутационных шнуров не возникает больших пучков проводов. Это способствует сокращению выделения тепла как за счет некоторого снижения сопротивления, так и за счет снижения температуры кабеля шнура вследствие более эффективного съема тепла, определяемого уменьшением воздушного сопротивления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Максимальная мощность дистанционного питания терминальных устройств по симметричным кабельным трактам СКС составляет 50 Вт. Это достигается за счет перехода на элементную базу категорий не ниже 5е, увеличения питающего тока и повышения напряжения до значений, предельно допустимых по ТУ, а также включения в фантомную схему всех четырех пар.

При росте мощности потребления дистанционно питаемого устройства до 50 Вт и более (в ближайшей перспективе) придется корректировать правила проектирования линейной части каналов для прокладки горизонтальных кабелей — в частности, включить требование об организации в них принудительного воздушного охлаждения и применении особых приемов монтажа.

Переход на высокую мощность дистанционного питания способствует распространению экранированной техники высоких категорией (6 и более).

Потенциально системы дистанционного питания могут обеспечить нормальное функционирование терминальных устройств мощностью до 100 Вт при максимально допустимой по стандартам 100-метровой протяженности тракта.

Андрей Семенов — директор по развитию RdM Distribution.