Как преодолеть ограничения на длину сети для IP-камер с поддержкой PoE

Технология Power over Ethernet (PoE) даёт возможность запитывать IP-камеры видеонаблюдения за счет подачи постоянного напряжения питания вместе с данными по стандартной неэкранированной витой паре. Витая пара подключается к сетевому устройству через порт RJ-45, а питание подается от питающего оборудования, например от коммутатора PoE или от промежуточного инжектора PoE. Технология PoE обеспечивает гибкое и удобное средство питания устройств, которые расположены в отдалённых местах, и позволяет сэкономить средства за счет устранения расходов и трудностей, связанных с прямым соединением различных устройств по проводам.

Препятствие, которое возникает при внедрении PoE, -- ограничение на расстояние, связанное с применением витой пары. Согласно стандарту TIA/EIA 568-5-A для кабеля категории 5e, максимальная длина сегмента кабеля -- 100 метров, причем применение инжекторов и сплиттеров PoE не даёт возможность увеличить это расстояние.

Как же преодолеть это ограничение в 100 метров? Старый ответ -- с помощью оптоволокна. Это эффективный способ преодолеть ограничения по расстоянию и пропускной способности, характерные для витой пары. При этом широко используемый метод соединения оптоволокна с сетевым оборудованием на основе меди -- медиаконвертеры. Из-за того, что постоянное напряжение не может передаваться по оптоволокну, медиаконвертеры PoE являются подходящим решением для того, чтобы увеличить длину оптоволокна до удаленных IP-камер. Медиаконвертер PoE преобразует сигнал, пришедший по оптоволокну, в сигнал для медного проводника, а также передаёт постоянное напряжение на камеру по витой паре.

Как работают медиаконвертеры PoE

На схеме (рис. 1), которая иллюстрирует работу медиаконвертеров PoE, коммутатор Ethernet, имеющий порт RJ-45, располагается в контрольной комнате или в монтажном шкафу. Сигнал, идущий по медной витой паре, преобразуется для передачи по оптоволокну с помощью стандартного медиаконвертера. Далее оптоволокно тянется на большое расстояние до медиаконвертера PoE, расположенного в том месте, где имеется удобный источник питания переменного или постоянного тока. Там сигнал переходит снова в медную витую пару. Медиаконвертер PoE функционирует также как мини-коммутатор питания -- он передаёт постоянное напряжение питания по витой паре. На другом конце витой пары, в 100 метрах от медиаконвертера PoE, находится сетевая камера.

Рис. 1. Общая схема смешанной системы на оптоволокне, витой паре и PoE
для контроля и питания сетевой камеры

Медиаконвертеры PoE используются на скоростях Gigabit Ethernet и Fast Ethernet. Они поддерживают мощность 15,4 Вт (PoE) или 25,5 Вт (PoE+). Медиаконвертеры PoE функционируют как мини-коммутаторы PoE и выпускаются в разных многопортовых конфигурациях, в том числе с двумя портами RJ-45 и двумя оптоволоконными портами. К ним могут подключаться стационарные оптоволоконные коннекторы или небольшие съёмные трансиверы.

Чтобы понять эти спецификации мощности, стоит вспомнить, что в 2003 году IEEE утвердила стандарт PoE 802.3af. Он устанавливает мощность 15,4 Вт на порт. Позже, в 2009 году, IEEE ратифицировала стандарт PoE 802.3at, известный как PoE+, который обеспечивает мощность 25,5 Вт на каждый порт. Такой стандарт может требоваться для PTZ-камер и для погодозащищённых камер, которые используются в холодной среде и снабжены вентилятором и противообледенителем.

Максимально использовать преимущества оптоволокна

Есть несколько решений, позволяющих увеличить длину сети PoE, в том числе расширитель локальной сети, который преобразует сигнал Ethernet в DSL, конвертеры витой пары в коаксиал и беспроводные технологии. Однако, если вы имеете дело с большим расстоянием, то оптоволоконный кабель обеспечивает несколько преимуществ над этими технологиями.

В отличие от медного проводника, оптоволокно даёт возможность увеличить длину сетевого соединения до 140 км без потери данных при передаче. Потери данных ожидаются как раз в медном проводнике. Расширители LAN помогут увеличить расстояние, на которое передаются данные, лишь до 1 км, а на больших расстояниях скорость 100 Мбит/с может упасть на 70%.

Оптоволокно обеспечивает также безопасную передачу информации. Оно не испускает электромагнитного излучения, и потому передаваемый через него сигнал очень сложно отвести в сторону с целью перехвата. Оптоволокно также очень надёжно, потому что оно и само не восприимчиво к влиянию внешних электромагнитных полей, а также температурных и атмосферных условий.

Варианты сетевой архитектуры при использовании медиаконвертеров PoE

Многопортовые медиаконвертеры PoE допускают разные варианты построения сети. В типичном случае такое устройство имеет один или два порта RJ-45, которые позволяют запитать одну или две IP-камеры на конвертер, и один или два порта для оптоволокна.

Медиаконвертеры PoE с одним оптоволоконным портом располагаются в топологии звезды, со связью "точка -- точка" (рис. 2). В данном примере IP-камеры установлены по всему объекту. Оптоволоконные соединения расходятся от оптоволоконного коммутатора (это может быть также медный коммутатор или медиаконвертер) в удалённые точки, в которых возле источников переменного или постоянного тока установлены медиаконвертеры PoE. Медиаконвертер PoE преобразует сигнал, переводя его из оптоволокна в медный проводник, и подает питание стандарта PoE по витой паре на IP-камеры.

Рис. 2. Выделенные оптоволоконные соединения с медиаконвертерами PoE

Медиаконвертеры PoE с двумя оптоволоконными портами поддерживают три типа сетевой архитектуры: линейную, кольцевую и избыточную.

Первый тип соединения означает подключение нескольких медиаконвертеров PoE в линейную цепь (известную также как архитектура шины), с оптоволоконными восходящим и нисходящим портами (рис. 3). Такая архитектура может использоваться в целом ряде приложений, например там, где IP-камеры устанавливаются вдоль железной дороги, тоннеля, шоссе, трубопровода или периметрового ограждения. Преимущество линейного соединения состоит в том, что при этом остаётся постоянным число используемых по всей трассе оптических волокон. Однако большое число устройств привносит свои возможные точки сбоя, поэтому линейное соединение -- не лучшее решение для критически важных систем. На рис. 4 показано, как может выглядеть сеть с линейной архитектурой.

Рис. 3. Сеть с линейной архитектурой с использованием оптоволокна и PoE

Второй тип архитектуры предполагает соединение нескольких медиаконвертеров PoE в кольцо (рис. 4). Оптоволоконный коммутатор, показанный на этой схеме, поддерживает протокол Spanning Tree Protocol, который позволяет построить отказоустойчивую кольцевую архитектуру. Преимущество кольцевой архитектуры состоит в том, что в случае разрыва соединения оптоволоконный коммутатор перенаправляет трафик по другой стороне кольца.

Рис. 4. Кольцевая архитектура с использованием оптоволокна для связи с IP-камерами

Третья архитектура, которая возможна при наличии двух оптоволоконных портов, -- это избыточная оптоволоконная связь для приложений, требующих защиты оптоволоконной техники. В этом случае имеются активный оптоволоконный порт и резервный оптоволоконный порт, который в случае сбоя в основном канале может подхватить соединение за менее чем 50 миллисекунд.

В этом приложении резервное оптоволокно используется для критически важной связи с PTZ-IP-камерой, которой требуется питание PoE+. Медиаконвертер PoE+ имеет один оптоволоконный порт для активной связи и один порт для её резервирования, с возможностью переключения между ними за 50 мс. Медиаконвертер PoE+ подаёт питание на камеру и сам подключён к источнику бесперебойного питания. В случае разрыва оптоволокна и потери питания камера продолжает передавать видеоданные по резервной линии.

Рис. 5. Избыточная связь по оптоволокну с переключением при отказе

Медиаконвертеры PoE обеспечивают гибкое и выгодное по цене решение по питанию IP-камер, поддерживающих технологию PoE, а также преодолевают ограничение по расстоянию, присущее витой паре. Они сочетают достоинства PoE и оптоволокна в компактном и надёжном устройстве, которое поддерживает технологию PoE+ и, следовательно, удовлетворяет высоким требованиям по мощности, предъявляемым современными камерами видеонаблюдения.

По материалам SecurityInfoWatch