Giải pháp cấp nguồn qua Ethernet - PoE (Power Over Ethernet)

POE Cuộc cách mạng trong công nghệ mạng?

Mạng Ethernet truyền tải dữ liệu với tốc độ hiện nay lên đến 1Gbit/s (1000BaseT) sử dụng cáp xoắn đôi UTP 5/6. Power over Ethernet (PoE), một kết nối Ethernet tự cấp nguồn, sử dụng khả năng sẵn có của kết nối bằng cáp đồng này để truyền cả dữ liệu và nguồn năng lượng từ điểm này đến điểm kia qua cáp UTP. Công nghệ này đang ngày càng được chấp nhận rộng rãi trên thị trường mạng.

Cung cấp nguồn qua cáp Ethernet UTP được bắt nguồn từ chức năng của hệ thống điện thoại truyền thống (POTS), trong đó các máy điện thoại tương tự được cấp nguồn từ phía tổng đài đầu xa (CO hoặc PBX) thông qua cáp UTP.

Các kết nối Ethernet có sẵn nguồn cung cấp đã hiện diện rất nhiều trong các thiết bị ở cả phía cơ sở hạ tầng mạng cũng như phía người sử dụng. Sử dụng cáp UTP để cung cấp cả dữ liệu và nguồn sẽ giúp giảm chi phí lắp đặt và triển khai các ứng dụng như các điểm truy nhập LAN không dây, camera an ninh điều khiển từ xa, điện thoại VoIP, các thiết bị an ninh và điều khiển truy nhập báo cháy.

Tiến trình đi đến thống nhất

IEEE bắt đầu quá trình chuẩn hoá từ năm 1999. Những công ty đã tham gia trong thời gian đầu bao gồm 3COM, Intel, PowerDsine, Nortel, Mitel và National Semiconductor. Quá trình chuẩn hoá đã thu hút được rất nhiều chuyên gia hàng đầu tại rất nhiều công ty nên có thể nói những vấn đề được đưa ra đã được xem xét trên rất nhiều phương diện khác nhau. Chuẩn IEEE 802.3af hiện nay đã hoàn thành và đã được phê chuẩn bởi Uỷ ban tiêu chuẩn IEEE vào ngày 12 tháng 06 năm 2003.

Những thay đổi trong phút cuối của tiêu chuẩn có thể sẽ làm cho một số sản phẩm hiện có mặt trên thị trường không hoàn toàn đáp ứng được phiên bản cuối cùng của tiêu chuẩn này.

Ứng dụng của IEEE 802.3af Power over Ethernet - Thế hệ nguồn mới

Chuẩn 802.3af nghe có vẻ như không hứa hẹn lắm nhưng đây là chuẩn quốc tế đầu tiên về một phạm trù cung cấp nguồn điện theo phương thức mới.

Đây chỉ là một ví dụ, các máy tính xách tay chỉ có thể duy trì được vài giờ nếu chỉ sử dụng pin dự phòng. Điều này có nghĩa bất cứ ai khi mang máy tính xách tay đi đâu đều cần đến bộ cáp cấp nguồn và một phích cắm phù hợp. Để duy trì hoạt đông của laptop, người ta sẽ phải tìm kiếm nguồn cung cấp để cắm nó vào trước khi kết nối máy tính vào mạng để trao đổi dữ liệu. Với chuẩn mới này, bạn chỉ cần kết nối máy tính vào mạng mà không còn phải lo đi tìm ổ cắm nguồn.

Nguồn cung cấp và Ethenet tạo nên một sự kết hợp hoàn hảo

Công nghệ này sẽ khơi nguồn cho sự ra đời của nhiều loại thiết bị và ứng dụng mới chẳng hạn như các “toà nhà thông minh” được kết nối mạng hoàn toàn.

Power over Ethernet có thể vượt qua một số hạn chế về vị trí. Chẳng hạn như trong việc tái định vị điểm truy nhập trong mạng LAN không dây mà không cần quan tâm đến vấn đề lắp mới một ổ cắm nguồn tại vị trí mới.

Power over Ethernet - Đã sẵn sàng?

Hiện nay, PoE có thể cung cấp nguồn 48VDC với công suất là 12,95W qua cáp Cat5 đối với các dịch vụ Ethernet 10/100/1000Mbit/s tiêu chuẩn. Để có thể phù hợp với chuẩn IEEE 802.3af PoE, các thiết bị cấp nguồn trên Ethernet phải được định nghĩa, phân loại, có khả năng điều khiển trong quá trình khởi động và đáp ứng các yêu cầu về cách ly giữa nguồn và dữ liệu.

Hình 1 chỉ ra một hệ thống điển hình. Switch Ethernet được duy trì và thêm vào đó là một nguồn cung cấp “trung gian” để “tiêm” nguồn vào cáp LAN. ở đầu kia của cáp, nguồn được sử dụng để chạy điện thoại, điểm truy nhập LAN không dây, camera và các thiết bị khác. Một hệ thống thiết bị lưu điện (UPS) cũng sẽ hỗ trợ trong trường hợp mất nguồn chính.

Năng lượng được truyền như thế nào qua cáp mạng LAN?

Cáp Ethernet Cat5 tiêu chuẩn có 4 đôi cáp xoắn, nhưng chỉ có hai đôi được sử dụng để truyền dữ liệu theo chuẩn 10BaseT và 1000 BaseT. Điều này tạo ra hai khả năng sử dụng cáp để truyền năng lượng.

Sử dụng các đôi cáp dự phòng. Hình 2 chỉ ra đôi cáp ở chân số 4 và chân số 5 được kết nối với nhau để tạo nên cực dương nguồn; đôi cáp ở chân số 7 và chân số 8 được kết nối với nhau và tạo nên cực âm của nguồn. (Trên thực tế, những thay đổi cuối cùng trong chuẩn không bắt buộc cực nào là cực dương hay âm của nguồn).

Sử dụng các đôi cáp dữ liệu. Do các đôi cáp Ethernet được biến áp cảm ứng (transformer coupled) tại mỗi đầu do đó có thể cấp nguồn cho vị trí giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp (center tap) mà không ảnh hưởng gì đến việc trao đổi dữ liệu. Trong chế độ hoạt động này, đôi cáp ở chân số 3 và chân số 6 và đôi cáp ở chân số 1 và chân số 2 sẽ là các cực của nguồn cung cấp.

Cần nhớ rằng tiêu chuẩn chỉ cho phép chọn một trong hai phương án trên (không được sử dụng cả hai phương án cùng lúc). Thiết bị được cấp nguồn (Powered Device) phải có khả năng chấp nhận cả hai lựa chọn trên.
Trong hình đầu tiên, Hub “trung gian” là một thiết bị cấp nguồn (Power Sourcing Equipment), điện thoại VoIP, điểm truy nhập vô tuyến, camera là các thiết bị được cấp nguồn. Các Switch Ethernet mới hơn có thể đã bao gồm cả chức năng này, và do đó Hub “trung gian” có thể không cần thiết. Điện áp danh định là 48V DC và công suất khoảng 13W là phù hợp đối với các thiết bị được cấp nguồn. Một bộ chuyển đổi DC-DC riêng biệt để biến điện áp 48V xuống cấp điện áp thấp hơn sẽ phù hợp hơn với các mạch điện tử trong các thiết bị được cấp nguồn, trong khi vẫn duy trì được độ cách điện ở mức 1500V vì những lý do an toàn. Theo ông Amir Lehr, phó chủ tịch của PowerDsine, nhà phát triển hàng đầu về công nghệ này, những vấn đề lớn nhất đó là sự suy hao năng lượng qua các giá đấu nối và chiều dài của cáp. Vì thế, chuẩn 802.3af chỉ quy định mức công suất 15,4W cho mỗi cổng, khi đến thiết bị được cấp nguồn thì công mức công suất này chỉ còn ở mức 13W. Mức công suất này cũng đủ cho phần lớn các loại điện thoại IP (từ 3W đến 5,5W), cho các Web camera và các điểm truy nhập WLAN (từ 6W đến 10W). Thậm chí đối với các máy tính xách tay đơn giản nhất cần khoảng 20W, người sử dụng cũng có thể tăng cường thời gian của pin dự phòng lên khoảng gấp đôi.

Có một yêu cầu trong tiêu chuẩn để ngăn chặn các tác hại cho thiết bị mạng hiện có. Một “chu trình phát hiện”, chạy từ thiết bị cấp nguồn (PSE), sẽ kiểm tra các cáp Ethernet, tìm kiếm các thiết bị tương thích với chuẩn. Nó thực hiện việc này nhờ cấp một điện áp thấp với dòng hạn chế vào cáp và kiểm tra xem có sự hiện diện của một điện trở 25 k( ở thiết bị đầu xa không. Chỉ khi phát hiện thấy điện trở này, nó mới cấp nguồn 48V nhưng với một cường độ dòng hạn chế để tránh các tác hại có thể gây ra cho cáp và thiết bị trong những điều kiện xảy ra lỗi.

Thiết bị được cấp nguồn (PD) phải tiếp tục được duy trì một dòng điện tối thiểu. Nếu không (chẳng hạn khi thiết bị được rút ra khỏi mạng) thiết bị cấp nguồn (PSE) sẽ thôi cấp nguồn và chu trình phát hiện lại bắt đầu.

Để tăng cường cho chu trình phát hiện, thiết bị được cấp nguồn (PD) có thể chỉ thị cho thiết bị cấp nguồn (PSE) biết rằng nó cần nguồn tối đa.

Thiết bị cấp nguồn cũng có thể cung cấp một mức quản lý hệ thống sử dụng giao thức SNMP. Điều này cho phép quản lý các hoạt động như tắt nguồn vào đêm hoặc reset từ xa.

Giá cả

Sự chênh lệch về giá cả thiết bị có sử dụng công nghệ này so với các thiết bị cùng loại thông thường không đáng kể. Chi phí thực sự đó là các khối cung cấp nguồn được bổ sung vào mạng theo mô hình các thiết bị chuyển mạch thông thường với một thành phần cung cấp nguồn bổ sung. Hiện nay chi phí cho hạng mục này đắt hơn khoảng 50%. Con số này có thể sẽ giảm xuống còn 20% trong thời gian không xa.

Peter Doggart, Giám đốc sản phẩm thị trường Anh quốc của công ty hàng đầu trong lĩnh vực này, 3COM, đã khẳng định các switch có khả năng cấp nguồn sẽ đắt hơn từ 20 đến 40% mặc dù một ví dụ thực tế hiện nay switch có khả năng cấp nguồn giá 2500 USD trong khi giá của switch thông thường cùng loại là 1600 USD.

Tuy nhiên, với các chi phí cho phần hệ thống điện cao, phần chi phí phát sinh trên hoàn toàn chấp nhận được, đặc biệt khi công nghệ này được đưa vào khai thác thương mại trong vài năm tới. Không nghi ngờ rằng công nghệ mới này đang làm thay đổi cách cung cấp điện cho các thiết bị điện tử hiện nay.

Một số ứng dụng của công nghệ

Các thiết bị sử dụng công nghệ này hiện đã có mặt trên thị trường. Chưa có hạn chế nào đôí với các thiết bị Hub “trung gian” PSE. Những ứng dụng chủ yếu đã sử dụng công nghệ này:

Điện thoại VoIP
- Các điểm truy nhập LAN không dây IEEE 802.3af
- Các điểm truy nhập Bluetooth
- Các IP camera

Và cho các ứng dụng sắp có:

- Smart signs/web signs.
- Máy thu ngân.
- Máy trò chơi.
- Audio/video juke boxes.
- Điểm bán lẻ của các hệ thống thông tin.
- Xây dựng các hệ thống điều khiển truy nhập.
- Bộ nắn nạp cho các thiết bị điện thoại di động và PDA
- Các nhạc cụ điện tử

PoE hoạt động như thế nào ?

• PD – Powered Devices: PDs là thiết bị cuối có thể chấp nhận tín hiệu điện từ Ethernet Cat-5 cable.
• PSE – Power Source Equipment: PSEs tăng cường nguồn trên cable .
• Midspan device: đồng bộ giữ các thiết bị Switch và thiết bị cuối
• Endspan devices (PoE Switches): Đây là bộ chuyển mạch Ethernet Switches đến cables

Cat5 ethernet cable có 4 cặp cáp xoắn :

• 2 cặp để data transfer,
• 2 cặp để trống .

Có 2 cách để có thể truyền điện trên cables ethernet

Cách 1: Dùng 2 cặp cùng được sử dụng để truyền dữ liệu, được dùng để thực hiện dẫn điện . PSE được kích điện cho 2 cặp dữ liệu trên (pin 1,2 và pin 3,6) thông qua trung tâm chuyển mạch biến điện mà không ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu.

Cách 2 :
Dùng 2 cặp phụ tùng không được sử dụng truyền dữ liệu , được sử dụng để thực hiện việc truyền dẫn điện .

Nó sẻ được cấp 1đầu điện cực + ởchân 4 và 5 của cáp ethernet. và cực - ở chân 7 và 8.

Tổng hợp từ Internet & QTM