Оборудование EX-PoE

EXPoE – это технология, позволяющая преодолевать стандартное расстояние по ограничению сегмента сети Ethernet, путем включения специального режима на коммутаторе, который позволяет изменить необходимые электрические параметры порта. Зачем это нужно, читайте ниже.

На практике расстояния от конечной точки сегмента сети до центрального узла подключения часто превышает пресловутые 100 метров, которыми ограничено расстояние сегмента сети по технологии Ethernet. Что же тогда делать? Организовывать транзитную точку и устанавливать дополнительное коммутационное оборудование? Ответ – ДА, в большинстве случаев, но не всегда! Можно и сэкономить, об этом подробнее ниже.

Что же ограничивает длину сегмента и какой максимальной длины можно добиться и при каких параметрах? Как же тогда быть, как увеличить расстояние, если не хватает 100 метров?

Есть несколько причин, которые ограничивают длину сегмента сети. Основные - это задержки сигналов, связанные с прохождением сигнала по витой паре, затухание сигнала в витой паре из-за частоты несущей (зависит от скорости передачи данных и типа кодирования), а для PoE это элементарно омическое сопротивление кабеля на погонный метр длины и падение напряжения из-за него, до уровня, который не позволяет запитать PD устройство.

Рассмотрим все причины по очереди и определим, что является определяющим и ограничивает длину сегмента именно до 250 м. при использовании специального режима EX.

Одна из причин ограничения в 100 м кроется в задержках сигнала при распространении пакета (кадра) Ethernet, который будет передаваться. Посмотрим, влияют ли задержки на ограничения в 250 м. Т.к. оборудование работает в дуплексном режиме, то вопроса о коллизиях и остановке передачи (прерывания процессора) не возникает. По одной паре сигнал передается, по другой принимается, но задержка есть, т.к. пакету данных различного размера нужно проходить расстояние по кабелю «витая пара» и этот проход занимает какое-то время. Ниже посмотрим, оказывает ли увеличение длины сегмента сети до 250 м на возможность передачи кадра Ethernet.

Если даже взять минимальный пакет в 64 байта = 512 бит, то при скорости 100 Мб/с в Ethernet кадре типа II, который используется на данный момент, при передаче по одной паре в одну сторону теоретически допустимое расстояние может быть посчитано так:

При скорости Fast Ethernet, в кабель отправляется 100 000 000 битов в секунду, значит, время на отправку одного бита информации 1b/100 000 000 b/s=10^-8 с или 10 нс. Для Ethernet 10 Мб/с – это 10^-7 с или 100 нс.

Для передачи одного пакета Ethernet информации порту FE понадобится 10 нс*512 = 5120 нс или 5,12 мкс., а порту 10Base-T Ethernet – 100 нс*512 = 51200 нс или 51,2 мкс.

Зная скорость света, и учитывая, что скорость передачи сигнала в медном кабеле приблизительно равна 2/3 от скорости света, можно посчитать ограничения длины сегмента сети именно из-за задержек сигнала при минимальном размере кадра Ethernet:

5,12*10^-6*(2/3*2,98*10⁸)=1017 м (для FE)

51,2*10^-6*(2/3*2,98*10⁸)=10172 м (для Ethernet)

Таким образом, можно сделать вывод, что если бы все было идеально с затуханием, то в теории при дуплексной передаче можно было бы делать длину сегмента при Fast Ethernet – порядка 1 км, а при 10 Мб/с Ethernet порядка 10 км. Делаем вывод, что задержки не влияют на ограничение длины в 100 или 250 м. на скоростях 10 или 100 Мб/с.

Второй причиной, обуславливающей ограничения сегмента является то, что любой кабель «витая пара» обладает некоторым активным сопротивлением, что приводит к банальному затуханию сигнала. Хотя токи в сети и небольшие, но при большой длине кабеля затухание может сказаться на качестве работы.

Типичное затухание и ослабление сигнала в процентах показано в таблице ниже:

Качество передачи сигнала сильно зависит от частоты, т.е. чем больше частота передачи, которую требуется передать по кабелю «витая пара», тем больше затухание сигнала. Как известно из физики, чем больше частота тока, тем больше он «вытесняется» из центра проводника наружу. Т.о. чем больше толщина жилы (больше внешняя площадь) и лучше качество материала (электропроводность), тем меньше потери сигнала.

В таблице ниже показаны затухания кабелей витая пара разных категорий в зависимости от частоты несущей сигнала:

К кабелям и разъёмам категории 5е ужесточили требования и ввели новые спецификации. По стандарту максимальная частота передаваемых сигналов для кабелей категорий 5 и 5e одинакова — 100 МГц.

Также ко всему этому добавляются различные «наводки» и помехи, в том числе перекрестные. В итоге на выходе вместо прямоугольной формы сигнала мы получаем следующую картину:

а – изначальный сигнал

б – появление гармоник, в результате чего происходит искажение фронтов и спадов импульсов и они теряют свою прямоугольную форму

в – накладываются шумы, различные наводки и помехи, в результате чего сигнал становится неразличим на приемной стороне.

Так как сигнал, передаваемый по витой паре - цифровой, то оборудование на другом конце его либо понимает, либо нет, в отличие от аналогового сигнала, есть некий порог, как видно из рисунка ниже, цифровой сигнал при определенной длине кабеля резко становится плохим и перестает различаться на приемной стороне:

Все стандартные IP-видеокамеры поддерживают на канальном уровне модели OSI стандарты IEEE 802.3i (10Base-Т) и IEEE 802.3u (100Base-Т/100Base-ТХ). Согласно спецификациям этих стандартов, максимальная длина одной линии — кабеля между двумя активными устройствами — не должна превышать 100 метров (включая патч-корды).

Для соответствующего стандарту кабеля «витая пара», параметры затухания от частоты должны укладываться в значения из таблицы выше. Графическая форма данной зависимости показана на ниже.

Из графика видно, что затухание кабеля витая пара Cat. 3 на частоте несущей 10 МГц (соотв. скорости 10 Мб/с) составляет 9,8 дБ на 100 м, а для кабеля Сat. 5/5e для этой же частоты – 6,1 дБ на 100 метров. Как мы видим, для одной и той же частоты, затухание сигнала в кабеле Сat. 5/5e на 3,7 дБ ниже чем в кабеле Cat. 3. Переведем эти 3,7 дБ в разы, получим:

=2,34 раз

Т.е. для витой пары категории 5 мы можем потенциально увеличить длину сегмента сети в 2,34 раза, т.е. до 234 метров при скорости 10 Мб/с (100*2,34=234 м). На практике, значения затуханий несколько ниже, а самый распространенный кабель витая пара Cat. 5e показывает меньшие затухания, т.к. технологии производства стали более современными, и качество значительно выросло. Т.е. разница в затухании с кабелем Cat. 3 еще больше. Тестовые испытания EX-PoE коммутаторов WIZOLUTION показывают устойчивые и надежные результаты работы на скорости 10 Мб/с на расстоянии до 250 м.

Для проверки возможности передачи PoE на соответствующее расстояние, можно воспользоваться приложенным калькулятором. Для этого, исходя из стандартов PoE рассчитаем минимально допустимую длину кабельной линии, исходя из самых плохих исходных данных, т.е. минимальных напряжений на выходе PSE устройств и минимально допустимых напряжений на входе PD устройств при максимальном токе в линии (максимальном падении напряжения на линии).

Т.о. по основным параметрам мы посмотрели, что возможна работа при допустимой длине сегмента в 250 м, и основным ограничением именно такой длины является зависимость затухания в кабеле витая пара от частоты сигнала, поэтому снизив скорость до 10 Мб/с можно обойтись специальным режимом работы коммутатора, который поддерживается в линейке коммутаторов от компании WIZOLUTION. Поэтому мы предлагаем современное решение – использовать специальные коммутаторы, с функцией включения «протяженного» расстояния EX-PoE (Extension Power over Ethernet).

Данная технология (EX-PoE) позволяет преодолеть ограничения, наложенные технологией Ethernet по передаче данных по витой паре в 100 м. и увеличить его до 250 м.

Таким образом мы передаем питание PoE на более длинные расстояния, используя более мощные PSE и менее мощные PD устройства, а также при этом ограничиваем скорость передачи сигнала до 10 Мб/с, что вполне достаточно для подключения видеокамер. Это стало возможно благодаря тому, что стандарт передачи данных 10 Мбит/с (10BASE-T) изначально разрабатывался для кабеля витая пара Cat.3, т.е. кабеля с худшими параметрами по затуханию от частоты сигнала, чем у современных кабелей cat 5e, которые мы применяем.

Режим EX включается на моделях PoE коммутаторов WIZOLUTION путём изменения положения переключателя на передней панели в положение EX-on. При этом специально выделенные порты коммутатора получают максимальную мощность. Чаще всего данный режим в коммутаторе используется именно для работы в системах IP видеонаблюдения, т.к. позволяет хорошо сэкономить на дополнительном оборудовании.

Решения от компании WIZOLUTION:

Режим EX – выключен. Обычная камера 802.3af работает на расстояние до 100 м при скорости 100 Мб/с.

Режим EX включен. Камера 802.3at (25,5 Вт) работает до 200 м со скоростью 10 Мб/с.

Режим EX включен. Камера 802.3af работает на расстояние до 250 м со скоростью 10 Мб/с.