Tác giả
Galit Mendelson, Giám đốc Cấp cao phụ trách Phát triển Kinh doanh và Tiếp thị PoE, Microchip Technology (www.microchip.com)
Công nghệ 5G thế hệ tiếp theo cung cấp kết nối Internet di động tiên tiến với tốc độ nhanh hơn để tạo ra cơ hội kinh doanh mới thông qua hỗ trợ nhiều ứng dụng IoT và Dữ liệu lớn. Các ứng dụng này đang đặt ra nhu cầu chưa từng có về kết nối thêm các loại thiết bị được cấp nguồn qua mạng Ethernet, bao gồm camera IP giám sát an ninh, điểm truy cập không dây 802.11ac và 802.11ax, đèn LED, trạm gốc 5G small cell và các thiết bị IoT khác. Công nghệ cấp nguồn qua mạng Ethernet (PoE) mang lại nhiều lợi thế trong việc cấp nguồn cho các thiết bị này trong các dự án triển khai 5G. Tiêu chuẩn IEEE® 802.3bt mới nhất hiện thực hóa điều này bằng cách đẩy giới hạn công suất của Thiết bị cấp nguồn (Power Sourcing Equipment – PSE) và Thiết bị được cấp nguồn (Powered Devices – PD) lên tương ứng là 90W và 71.3W.
Thách thức ở đây là làm thế nào để triển khai các thiết bị PD hỗ trợ thế hệ công nghệ PoE mới nhất này để chúng có thể liên thông hoạt động cùng với các PD 2 đôi dây và 4 đôi dây tương thích với các tiêu chuẩn trước tiêu chuẩn IEEE® 802.3bt tuân thủ thông số kỹ thuật của các tiêu chuẩn Universal PoE (UPOE) và Power-over-HDBaseT (POH) trước đó. Ngành công nghiệp ICT hiện đã thu hẹp khoảng trống về khả năng liên thông hoạt động này, đảm bảo rằng cả các PD tuân thủ các tiêu chuẩn trước đây và các PD theo tiêu chuẩn IEEE® 802.3bt-2018 mới đều có thể chia sẻ cùng một cơ sở hạ tầng Ethernet mà không yêu cầu thay đổi các thiết bị chuyển mạch hoặc cáp hiện có.
Hnahf trình đến với IEEE 802.3bt
Kể từ khi tiêu chuẩn PoE đầu tiên được thông qua vào năm 2003, mức độ ứng dụng công nghệ PoE đã tăng lên đáng kể và đã có thêm nhiều ứng dụng mới. PoE mang đến nhiều lợi ích to lớn chẳng hạn như khả năng lắp đặt dễ dàng, tiết kiệm chi phí CAPEX và OPEX (Chi phí đầu tư và hoạt động) cũng như cung cấp một tiêu chuẩn điện năng thống nhất và an toàn để sử dụng trên toàn thế giới.
Yếu tố hạn chế chính ảnh hưởng đến việc sử dụng PoE trong các ứng dụng mới là lượng công suất điện khả dụng. Mặc dù công suất nguồn 15,4W là đủ dùng với hầu hết các thiết bị điện thoại IP và các điểm truy cập không dây 802.11a / b / g, nhưng vẫn là chưa đủ cho các máy điện thoại video IP hay các camera 802.11n và camera IP PTZ (pan-tilt-zoom). Do đó, Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) đã xây dựng và ban hành tiêu chuẩn IEEE 802.3at-vào năm 2009, quy định mức công suất 30W tại nguồn PoE.
Ngày nay, nhu cầu về nguồn điện cao hơn nữa để hỗ trợ thêm các thiết bị được kết nối vào mạng Ethernet, chẳng hạn như camera an ninh PTZ, ki-ốt, thiết bị đầu cuối máy POS, máy khách, điểm truy cập không dây 802.11ac và 802.11ax, trạm gốc small cell và đèn LED được kết nối. Tất cả những thiết bị đó đều có thể được hưởng lợi từ PoE. Để đáp ứng nhu cầu này, tiêu chuẩn IEEE 802.3bt mới tăng công suất PoE tối đa bằng cách sử dụng tất cả bốn cặp dây có cấu trúc. IEEE 802.3bt mở rộng thông tin phân loại nguồn được trao đổi trong quá trình đàm phán ban đầu nhằm nâng cao hiệu quả quản lý nguồn, cho phép hỗ trợ nhiều cấp độ PoE, trong khi vẫn đảm bảo tính tương thích ngược. Những cải tiến này giải quyết thách thức liên quan đến yêu cầu về công suất cao hơn và hệ thống phân phối PoE hiệu quả hơn.
Hoạt động kêu gọi sự quan tâm (Call for Interest – CFI) trong quá trình biên soạn tiêu chuẩn IEEE 802.3bt bắt đầu vào đầu năm 2013 và việc phê chuẩn đã được thực hiện vào tháng 9 năm 2018. Tiêu chuẩn mới này đáp ứng nhu cầu hiện tại của thị trường và được coi là chất xúc tác chính để phát triển thị trường PoE vì nó tạo điều kiện mở rộng các tình huống sử dụng PoE bằng cách đẩy giới hạn công suất của các thiết bị PSE và PD lên tương ứng là 90W và 71,3W.
Tuy nhiên, ở thời điểm trước khi có sáng kiến IEEE 802.3bt này, đã có những nỗ lực được tiến hành song song nhằm nâng cao khả năng phân phối điện tới các thiết bị PD. Các hoạt động đó bắt đầu bằng việc tiêu chuẩn PoE IEEE 802.3af-2003 cung cấp công suất đầu ra lên đến 15,4W cho mỗi thiết bị qua hai sợi cáp Loại 5e (Cat5e). Tiêu chuẩn IEEE 802.3at-2009, còn được biết đến như là PoE +, đã ra mắt các thiết bị PSE / PD “Loại 2” có khả năng hỗ trợ công suất đầu ra 30W và công suất phụ tải 25,5W. Tiêu chuẩn thứ hai này chủ yếu là phần mở rộng của tiêu chuẩn đầu tiên. Tiếp theo, Liên minh HDBaseT đã tiêu chuẩn hóa giao thức HDBaseT, cho phép mở rộng các kết nối HDMI lên đến 100m qua cáp Cat5e hoặc cao hơn. Vào năm 2011, HDBaseT Alliance đã xây dựng tiêu chuẩn Nguồn qua HDBaseT (PoH) giúp mở rộng công suất tối đa có thể cung cấp lên tới 95W trên bốn đôi dây.
Bảng dưới đây tóm tắt các tiêu chuẩn trước khi có tiêu chuẩn IEEE 802.3bt:
Lưu ý 1: Khả năng cấp nguồn mở rộng cho phép công suất đầu vào của PD đạt tới 95W với độ dài kênh kết nối nhất định.
IEEE 802.3bt bổ sung thêm một số khả năng. Ngoài việc ra mắt các thiết bị PSE / PD loại 3 và loại 4 và làm việc trên bốn đôi dây, tiêu chuẩn này còn hỗ trợ cả cấu trúc PD đơn và kép và bổ sung thêm Lớp 5 đến Lớp 8 như một phần của quá trình cải tiến khả năng nhận dạng lẫn nhau. Chức năng lớp tự động được bổ sung thêm và khả năng cấp nguồn đã được mở rộng miễn là biết trước độ dài kênh kết nối. Cuối cùng, tiêu chuẩn này còn bao gồm khả năng hỗ trợ điện năng thấp trong chế độ chờ cũng như hỗ trợ 10G-BASE-T với PoE. Bảng dưới đây trình bày các khả năng PoE có sẵn khi phê chuẩn tiêu chuẩn IEEE 802.3bt.
Lưu ý 2: Khả năng cấp nguồn mở rộng cho phép công suất đầu vào PD đạt tới 60W đối với thiết bị Loại 3 và lên đến 90W đối với thiết bị Loại 4 nếu biết trước độ dài kênh.
Một trong những mục tiêu của tiêu chuẩn IEEE 802.3bt là tuân thủ các yêu cầu về nguồn điện giới hạn và các yêu cầu an toàn của điện áp cực thấp (Safety Extra Low Voltage – SELV) như được quy định trong tiêu chuẩn ISO / IEC 60950. Tuy nhiên, sự tuân thủ này đồng nghĩa với việc công suất không được vượt quá 100W trên mỗi cổng. Mặc dù mức công suất 100W mỗi cổng này vẫn đủ cho các ứng dụng theo tiêu chuẩn IEEE trước đây không được hỗ trợ, nó giúp mở rộng số lượng triển khai cổng PoE tiềm năng.
Đảm bảo khả năng liên thông hoạt động
Các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn IEEE 802.3bt đảm bảo rằng hệ thống IEEE 802.3bt sẽ liên thông hoạt động với các thiết bị Kiểu 1 và Kiểu 2 cũ, miễn là các PSE đó có khả năng (về phương diện nguồn điện) trong việc hỗ trợ PD và cả hai đều tuân thủ tiêu chuẩn. Nếu PD yêu cầu công suất cao hơn (IEEE 802.3bt PD) mà PSE không thể đáp ứng yêu cầu đó (các PSE theo chuẩn IEEE 802.3af /at), PD sẽ duy trì ở trạng thái tắt hoặc nó sẽ bật lên và chỉ tiêu thụ phần năng lượng khả dụng từ PSE.
Một trong những ví dụ đầu tiên về các giải pháp cung cấp khả năng liên thông hoạt động này là chipset PSE từ Microchip với khả năng cho phép các thiết bị chuyển mạch đã được triển khai từ trước khi có tiêu chuẩn này liên thông hoạt động với các sản phẩm tuân thủ tiêu chuẩn IEEE 802.3bt-2018 mới. Chipset này tiếp nối một chipset PSE trước đó của Microchip để triển khai tiêu chuẩn nguồn với bốn cặp dây PoH được áp dụng rộng rãi cho PD 95 W và cũng là trọng tâm của việc cung cấp các thiết bị cấp nguồn và thiết bị trạm lặp PoE (PoE injectors and midspans) tương thích với tiêu chuẩn IEEE 802.3bt-2018 với khả năng giúp thu hẹp khoảng trống về khả năng liên thông hoạt động cho người dùng.
Các thiết bị cấp nguồn và trạm lặp PoE tuân thủ IEEE 802.3bt-2018 được lắp đặt giữa các PD và thiết bị chuyển mạch hiện tại, cho phép người dùng cấp nguồn cho bất kỳ tổ hợp nào của các thiết bị PD tuân thủ các tiêu chuẩn trước đây cũng như các thiết bị PD tuân thủ tiêu chuẩn IEEE 802.3bt-2018. Tính khả dụng của các tùy chọn một cổng và đa cổng cho phép các thiết bị chuyển mạch tuân thủ tiêu chuẩn IEEE 802.3bt mới cấp nguồn cho các PD phù hợp với các tiêu chuẩn trước đây.
Đối với các nhà phát triển hệ thống, chipset PoE tuân thủ tiêu chuẩn IEEE 802.3af / at / bt cung cấp khả năng mở rộng để được kết hợp vào trong một thiết kế bảng mạch duy nhất, các hệ thống hai và bốn cặp dây là cần thiết để hỗ trợ các thiết bị PoE tuân thủ các tiêu chuẩn trước đây và các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE 802.3bt-2018. Các chipset này phải có khả năng cân bằng tản nhiệt đồng đều trên toàn hệ thống và phải bao gồm tất cả các chức năng quản lý và điều khiển cần thiết để tạo nên một thiết bị PSE có thể cung cấp công suất từ 90 đến 99,9 watt cho mỗi cổng trong khi hỗ trợ tới 48 cổng cho các ứng dụng theo chuẩn IEEE 802.3bt Loại 3 (Lớp 1-6) và Loại 4 (Lớp 7-8). Một điều nữa cần được cân nhắc là khả năng nâng cấp các hệ thống dựa trên các chipset này từ các tiêu chuẩn trước đó lên tiêu chuẩn IEEE 802.3bt thông qua bản cập nhật phần mềm mà không đòi hỏi thay đổi về phần cứng.
Điều cuối cùng mà các nhà phát triển hệ thống phải xem xét là việc liệu họ có thể bảo vệ các PD trước các kết nối phân cực ngược đồng thời cắt giảm phạm vi nguồn cũng như chi phí cung cấp nguồn Lớp 8, Loại 4 theo tiêu chuẩn IEEE 802.3bt hay không. Điều này cũng đã được giải quyết bằng các giải pháp mới nhất theo tiêu chuẩn IEEE 802.3bt, thông qua sự sẵn có của các thiết bị chỉnh lưu cầu hoàn chỉnh được sử dụng ở phía thiết bị được cấp nguồn của kết nối PoE.
Tiêu chuẩn IEEE 802.3bt mới cho phép cung cấp công suất 90W trên bốn cặp cáp Cat5e trở lên. Mức PoE này dự kiến là mức tối đa được quy định, vì các mức cao hơn có thể không an toàn cho hệ thống cáp và đầu nối hiện có đã được triển khai trong cơ sở hạ tầng hiện tại. Tiêu chuẩn này sẽ thay thế tất cả các giải pháp theo các tiêu chuẩn trước đây hoạt động ở công suất 60W / 75W / 95W, chẳng hạn như UPOE hoặc 4PPoE. Các nhà cung cấp thiết bị và hệ thống PoE đang hoạch định một lộ trình để thực hiện các tiêu chuẩn mới này đồng thời hỗ trợ các thiết bị đã triển khai tiền tiêu chuẩn bao gồm cả những thiết bị hỗ trợ tiêu chuẩn kỹ thuật UPOE và POH. Khi được triển khai đúng cách, những PD tương thích với các tiêu chuẩn trước đây cũng như các PD tương thích tiêu chuẩn IEEE® 802.3bt-2018 có thể chia sẻ cùng một cơ sở hạ tầng Ethernet mà không yêu cầu thay đổi các thiết bị chuyển mạch hoặc hệ thống cáp hiện có.
