PoE là gì? Chuẩn 802.3af/at/bt và cách tính power budget cho switch

PoE là gì? PoE (Power over Ethernet) là công nghệ cấp nguồn điện một chiều qua chính sợi cáp mạng xoắn đôi đang truyền dữ liệu, theo ba chuẩn IEEE liên tiếp: 802.3af cấp tối đa 15,4 W mỗi cổng, 802.3at cấp 30 W, 802.3bt cấp 60 W (Type 3) hoặc 90 W (Type 4). Hai điểm hay bị hiểu nhầm: con số watt trên nhãn là công suất đầu ra tại switch, thiết bị nhận luôn nhận ít hơn do tổn hao trên dây; và tổng công suất switch cấp được (power budget) thường nhỏ hơn số cổng nhân công suất mỗi cổng. Bài này dành cho kỹ sư và nhà thầu đang chọn switch PoE cho camera IP, access point, điện thoại IP hoặc cảm biến. Nội dung gồm thành phần của hệ PoE, bảng so sánh ba chuẩn, tám class công suất, cách tính power budget từng bước, giới hạn cáp, các thiết bị cấp nguồn khác và lỗi hay gặp.

PoE là gì, gồm những thành phần nào và hoạt động ra sao?

Hệ PoE có hai vai trò: PSE (Power Sourcing Equipment) là thiết bị cấp nguồn như switch PoE, injector hoặc midspan; PD (Powered Device) là thiết bị nhận nguồn như camera IP, access point, điện thoại IP. PSE kiểm tra PD hợp lệ rồi mới cấp điện, nên cắm thiết bị không hỗ trợ PoE vào cổng PoE chuẩn không làm hỏng thiết bị.

Theo tài liệu hướng dẫn PoE của Texas Instruments (dòng TPS2373), PSE có thể cấp nguồn qua cặp dữ liệu (chân 1-2 và 3-6) hoặc cặp dự phòng (chân 4-5 và 7-8). PSE Type 1 và Type 2 chỉ cấp một nhóm cặp tại một thời điểm, còn PSE Type 3 và Type 4 có thể cấp qua một hoặc cả hai nhóm cặp, tức là cả bốn cặp.

Quy trình cấp điện gồm ba bước: PSE phát hiện PD qua điện trở nhận dạng, phân loại PD để biết công suất cần (class), rồi mới bật nguồn. Sau khi cấp nguồn, mức công suất dành cho PD còn có thể được điều chỉnh qua thông điệp LLDP (và CDP với thiết bị Cisco), theo tài liệu cấu hình PoE của Cisco.

Chuẩn PoE 802.3af, 802.3at và 802.3bt khác nhau thế nào?

Ba chuẩn khác nhau chủ yếu ở công suất: 802.3af (2003) tối đa 15,4 W tại PSE, 802.3at (2009) tối đa 30 W, 802.3bt (phê duyệt 27/09/2018) tối đa 60 W (Type 3) và 90 W (Type 4). Các chuẩn tương thích ngược: PD cũ vẫn chạy trên PSE mới, chỉ nhận đúng công suất nó cần.

Số liệu công suất, điện áp PSE và điện trở vòng lấy từ bảng giới hạn vận hành PoE trong datasheet TPS2373 của Texas Instruments. Dải điện áp tại PD là 37 đến 57 V với Type 1, 42,5 đến 57 V với PD trên 13 W ở Type 2 và Type 3, và 41,2 đến 57 V với Type 4. Chuẩn 802.3bt chính thức là Amendment 2 của IEEE Std 802.3-2018, được công bố ngày 31/01/2019 theo trang IEEE Standards Association.

Tám class công suất của PoE là gì?

Class là mức công suất tối đa PSE dành cho một PD, đánh số từ 0 đến 8. PD báo class của mình trong bước phân loại, PSE cấp đúng mức đó. Class 0 đến 3 thuộc 802.3af, class 4 thuộc 802.3at, class 5 và 6 thuộc 802.3bt Type 3, class 7 và 8 thuộc Type 4.

Giá trị class lấy theo tài liệu so sánh Type 3 và Type 4 trình bày tại nhóm IEEE 802.3bt Task Force (Philips Research, 10/09/2015) và bảng class 0 đến 4 trong tài liệu PoE của Cisco. Một camera ghi class 3 nghĩa là switch dành 15,4 W cho cổng đó khi cấp phát theo class, dù camera thực tế có thể tiêu thụ thấp hơn. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến cách tính power budget ở mục sau.

Power budget của switch PoE là gì?

Power budget là tổng công suất tối đa switch PoE có thể cấp cho tất cả cổng cùng lúc, bị giới hạn bởi bộ nguồn bên trong. Con số này khác công suất tối đa của một cổng đơn lẻ: switch 24 cổng PoE+ không có nghĩa là có 24 × 30 W = 720 W.

Tài liệu cấu hình PoE của Cisco cho dòng Catalyst IE3100 (công nghiệp) cho thấy mức ngân sách khác nhau theo model: 120 W cho IE-3100-4P2S-E và 240 W cho IE-3100-8P2C-E. Datasheet Catalyst IE3300 cho model 8P2S công bố 240 W, tăng lên 360 W khi gắn module mở rộng. Cisco cũng khuyến nghị để dành khoảng 20 W cho bản thân switch: bộ nguồn 170 W chỉ nên chia khoảng 150 W cho PoE.

Switch chỉ cấp nguồn khi còn đủ ngân sách. Theo tài liệu Cisco về IE3100, switch theo dõi ngân sách và cập nhật sau mỗi lần cấp hoặc từ chối nguồn. Hệ quả thực tế: khi tổng công suất yêu cầu của các PD vượt ngân sách, PD nào bị từ chối sẽ không lên nguồn, biểu hiện là camera hoặc access point không khởi động. Vì vậy khi xem nhóm thiết bị switch poe, cần đọc ngân sách tổng của từng model chứ không chỉ số cổng PoE.

Tính power budget cho switch PoE từng bước như thế nào?

Tính power budget gồm bốn bước: liệt kê PD kèm class, nhân số lượng, cộng tổng, rồi cộng dự phòng. Thiết kế nên dựa vào class tại PSE chứ không dựa vào công suất tiêu thụ thực tế, vì switch cấp phát theo class trước khi PD thương lượng lại.

1. Liệt kê thiết bị cần cấp nguồn: loại, số lượng, class ghi trên datasheet của PD (camera, access point, điện thoại).
2. Nhân công suất PSE theo class: dùng bảng class ở trên, ví dụ class 3 là 15,4 W, class 4 là 30 W.
3. Cộng tổng: đây là mức cần tối thiểu nếu switch cấp theo class.
4. Cộng dự phòng: thêm biên mở rộng cho thiết bị về sau. Mức 20% là gợi ý thực hành của TCNET, không phải điều khoản của chuẩn.

Ví dụ minh họa (số liệu giả định): công trình có 10 camera class 3 và 4 access point class 4. Công suất cấp theo class là 10 × 15,4 W = 154 W cho camera và 4 × 30 W = 120 W cho access point, tổng 274 W. Thêm 20% dự phòng được khoảng 329 W, nên cần switch hoặc nhiều switch có tổng power budget từ 330 W trở lên.

Cisco mô tả switch cấp phát ban đầu theo class IEEE (mức tối đa PD có thể cần), sau đó thông điệp CDP hoặc LLDP có thể điều chỉnh mức cấp phát; Cisco cũng lưu ý mức cấp phát tối đa không bằng công suất PD tiêu thụ thực tế. Tuy nhiên CDP không áp dụng cho thiết bị PoE hãng thứ ba, nên thiết kế an toàn vẫn tính theo class.

Khoảng cách và loại cáp ảnh hưởng PoE ra sao?

PoE chạy trên kênh cáp xoắn đôi Ethernet dài tối đa 100 m giữa PSE và PD (theo tài liệu cáp cấu trúc của Panduit: kênh tối đa 100 m gồm link cố định không quá 90 m và dây nhảy tối đa 5 m mỗi đầu). Điện áp rơi trên dây giảm dần theo chiều dài và theo điện trở dây, nên chất lượng lõi đồng và tiết diện quyết định công suất PD nhận được, nhất là ở Type 3 và Type 4.

Chuẩn đặt giới hạn điện trở vòng tối đa: 20 Ω cho Type 1, 12,5 Ω cho Type 2 và 6,25 Ω cho Type 3 và 4 khi dùng bốn cặp. Cáp có điện trở cao hơn giới hạn này, điển hình là cáp lõi nhôm bọc đồng (CCA), dễ làm PD nhận thiếu áp và tự ngắt dù chiều dài chưa tới 100 m. Đây là suy luận kỹ thuật từ giới hạn điện trở, nên cần kiểm tra thông số cáp cụ thể trên datasheet. Bài Cat5e, Cat6 và Cat6a so sánh ba loại cáp thường dùng cho tuyến PoE.

Khi camera hoặc access point cách switch trên 100 m, hoặc đi ngoài trời qua khu có sét và nhiễu, nên chuyển phần đường dài sang cáp quang rồi cấp nguồn tại điểm cuối. Cách làm phổ biến là kéo cáp quang tới gần camera rồi dùng bộ chuyển đổi switch quang PoE 10/100Mbps đổi từ quang sang đồng và cấp nguồn PoE cho thiết bị đầu cuối. Cần chọn công suất cổng PoE của bộ chuyển đổi theo class của camera, theo cách tính ngân sách ở mục trên.

Phần đoạn đồng còn lại ngoài trời phải chịu tia UV, nước và biến đổi nhiệt, nên cáp cho đoạn này khác cáp đi trong nhà; chi tiết có trong bài cáp mạng đi ngoài trời.

Switch PoE, injector, midspan và splitter khác nhau thế nào?

Switch PoE vừa chuyển mạch vừa cấp nguồn cho nhiều cổng; injector và midspan thêm nguồn PoE vào một tuyến cáp đã có; splitter tách nguồn và dữ liệu ở đầu thiết bị không hỗ trợ PoE. Chọn theo số điểm cần cấp: nhiều điểm dùng switch, một đến hai điểm dùng injector. Các bộ nguồn, injector và splitter nằm trong nhóm thiết bị cấp nguồn poe của TCNET.

Lưu ý passive PoE: loại này không theo quy trình phát hiện và phân loại PD của chuẩn IEEE 802.3, mà cấp điện áp cố định ngay khi cắm. Điện áp của nguồn và thiết bị nhận vì vậy phải khớp nhau từ trước; cấp sai điện áp có thể hỏng PD. Với từng injector hoặc splitter, cần xem datasheet để biết model theo chuẩn IEEE hay passive và điện áp ra bao nhiêu.

Nên chọn switch PoE thế nào theo quy mô hệ thống?

Chọn theo ba mốc: vài điểm thì dùng switch PoE không quản lý nhỏ hoặc injector, từ 10 đến 50 điểm thì dùng switch PoE quản lý lớp 2 có giám sát cổng, hệ thống lớn hoặc ngoài trời thì dùng switch PoE công nghiệp nguồn dự phòng. Các mốc điểm là gợi ý thực hành của TCNET để phân nhóm, không thuộc chuẩn nào.

• Vài điểm (văn phòng nhỏ, cửa hàng): dòng switch poe un-managed aptek hoặc injector. Kiểm class của camera và access point trước khi chọn số cổng và tổng công suất, vì switch nhỏ thường có ngân sách thấp và dễ vượt khi thêm thiết bị về sau.
• 10 đến 50 điểm (tòa nhà, nhà xưởng nhỏ): switch PoE quản lý, cho phép đặt ưu tiên cổng, xem công suất thực dùng từng cổng và tách VLAN riêng cho camera. Nên chia thành nhiều switch theo tầng hoặc khu vực để một sự cố nguồn không làm mất toàn bộ camera.
• Hệ lớn, ngoài trời, khu công nghiệp: switch PoE công nghiệp chịu nhiệt rộng, nguồn DC kép, kết hợp tuyến quang. Tham khảo bài cáp quang cho hệ thống camera khi thiết kế trục truyền dẫn giữa các cụm camera.

Lỗi PoE thường gặp và dấu hiệu nhận biết?

Bốn lỗi chiếm đa số sự cố PoE: vượt power budget, sai chuẩn giữa PSE và PD, cáp không đạt, và dùng passive PoE sai điện áp. Bảng dưới tổng hợp dấu hiệu thường gặp ngoài hiện trường, giúp khoanh vùng nhanh trước khi thay thiết bị.

Tài liệu Cisco ghi nhận switch từ chối cấp nguồn, tắt cổng và ghi syslog khi không còn đủ ngân sách; còn khi PD tiêu thụ vượt mức đã cấp và tính năng giới hạn dòng (policing) đang tắt, cổng có thể báo lỗi Imax và vào trạng thái fault. Lệnh show power inline trên switch Cisco hiển thị công suất khả dụng, đã dùng và còn lại; switch hãng khác có lệnh hoặc trang giám sát tương đương, xem hướng dẫn của hãng.

Câu hỏi thường gặp

PoE+ và PoE++ khác PoE ở điểm nào?

PoE (802.3af) cấp tối đa 15,4 W, PoE+ (802.3at) cấp 30 W, PoE++ (802.3bt) cấp 60 W hoặc 90 W. Công suất tăng nhờ dòng lớn hơn và dùng cả bốn cặp dây ở 802.3bt. Thiết bị cũ vẫn chạy được trên PSE mới.

Cáp Cat5e dùng được cho PoE không?

Dùng được ở mức công suất thấp và trung bình nếu cáp đạt điện trở vòng theo chuẩn. Với Type 3 và Type 4, giới hạn điện trở vòng chặt hơn (6,25 Ω khi dùng bốn cặp), nên chọn cáp lõi đồng nguyên chất, tiết diện đủ, và kiểm yêu cầu cáp trong datasheet của PD. Cáp CCA nên tránh cho PoE.

Switch PoE có hỏng thiết bị không hỗ trợ PoE không?

Không với PoE chuẩn IEEE, vì PSE chỉ cấp điện sau khi phát hiện PD hợp lệ. Rủi ro tập trung ở passive PoE, vì loại này cấp điện áp cố định không qua phát hiện.

Camera 4K, access point Wi-Fi 6 cần chuẩn PoE nào?

Phụ thuộc class ghi trên datasheet của từng model. Không suy từ độ phân giải hay chuẩn Wi-Fi. Cần đọc class hoặc công suất tối đa của PD trên datasheet, rồi chọn PSE có chuẩn và công suất cổng tương ứng.