Présentation de l'alimentation par Ethernet (PoE)

En combinant l'alimentation et les communications sur un seul câble de catégorie Cat3 ou Cat5, les ingénieurs ont la possibilité de réaliser rapidement et à peu de frais des réseaux Ethernet nécessitant peu de maintenance, par rapport aux installations utilisant des systèmes séparés. Il n'est pas étonnant que cette technologie ait été rapidement adoptée et officialisée par une norme de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Cette technologie, baptisée « Power-over-Ethernet » (PoE ou alimentation par Ethernet), présente des avantages clés, notamment sa simplicité et le fait que l'électricité est disponible partout où il y a une prise de données.

Cet article constitue une introduction à la technologie PoE et PoE+ de puissance supérieure ; il décrit les normes, explique les notions de dispositifs alimentés (PD), d'équipements d'approvisionnement en alimentation (PSE), de répartiteurs et de commutateurs Ethernet « Midspan » (injecteurs) et « Endspan » (terminaux), et présente un système simple.

Les origines du PoE

Le PoE est d'abord apparu en tant que réponse au problème de l'alimentation des téléphones VoIP (Voice over Internet Protocol, ou voix sur IP). Les téléphones traditionnels étaient alimentés directement par des fils de cuivre qui acheminaient les appels vocaux. Cependant, ces téléphones VoIP dont la popularité allait croissante n'étaient pas connectés aux circuits classiques, mais géraient plutôt les appels via les câbles Ethernet du réseau local (LAN) d'une entreprise. Les câbles Ethernet n'étant pas alimentés, les téléphones VoIP devaient être branchés sur le secteur par l'intermédiaire d'un adaptateur. C'était une solution peu satisfaisante, et si l'électricité du bâtiment était coupée, les téléphones ne fonctionnaient plus.

En 2000, le fournisseur d'équipements de télécommunications Cisco a été la première entreprise à imiter le système téléphonique traditionnel en adoptant une technologie propriétaire qui permettait aux câbles Ethernet de fournir une alimentation de 48 V_CC aux téléphones VoIP (Figure 1). Cependant, le PoE n'a vraiment pris de l'ampleur qu'en 2001 et 2002, au moment où d'autres fabricants, notamment les fabricants de points d'accès sans fil, ont commencé à exploiter cette technique.

Figure 1 : Un téléphone VoIP de Cisco intégrant le PoE (avec l'autorisation de Cisco).

Cette technologie a finalement attiré l'attention de l'IEEE, qui avait été chargée de définir la « norme pour Ethernet » (IEEE 802.3) dès 1983. L'organisation a estimé qu'il était crucial de créer une version standard du PoE afin que tout fabricant puisse rendre ses produits compatibles avec l'alimentation PoE (« PoE ready »). Cette tâche a été confiée à un sous-comité de travail du comité Ethernet IEEE 802.3 et dénommé « 802.3af ». En juin 2003, ce sous-comité de travail a ratifié la norme PoE IEEE 802.3af. En 2009, une deuxième norme, IEEE 802.3at, a été ratifiée ; elle définit une technologie similaire capable de gérer une puissance plus importante.

Que définit cette norme ?

La norme IEEE 802.3af détaille une technologie PoE conçue pour fournir jusqu'à 15,4 W de courant continu (44 V_CC minimum et 350 mA) à chaque dispositif. (En raison des pertes au niveau du câble, seuls 12,95 W sont garantis pour l'équipement à alimenter.)

Cette technologie utilise un seul connecteur RJ45 standard et un câble de catégorie Cat5 (ou même Cat3) et peut gérer des dizaines de watts. Une fois que le réseau Ethernet est installé à des fins de communication, il peut également être utilisé pour l'alimentation, permettant ainsi d'économiser des matériaux, de la main-d'œuvre, du temps d'installation et des coûts de maintenance récurrents.

L'alimentation peut être transmise sur les conducteurs inutilisés du câble Ethernet, puisque seules deux des quatre paires du câblage Cat5 sont nécessaires pour les couches physiques typiques de 10 à 100 Mbps (cette technique est désignée comme « variante B » dans les normes IEEE). L'alimentation peut également être transmise sur les conducteurs de données du câble en appliquant une tension de mode commun à chaque paire. Ethernet utilisant une signalisation différentielle, celle-ci n'interfère pas avec la transmission de données du câble (« variante A » dans les normes).

La norme IEEE 802.3af définit deux types de dispositifs PoE, l'équipement d'approvisionnement en alimentation (PSE) et le dispositif alimenté (PD). Un équipement PSE tire son énergie de sa propre alimentation conventionnelle, puis gère l'énergie envoyée par le réseau de câbles Ethernet au dispositif alimenté (PD), lequel prélève l'énergie dont il a besoin via un connecteur RJ45, sans avoir besoin d'une alimentation intégrée. Le PoE est capable d'alimenter des dispositifs PD sur des câbles Ethernet typiques d'une longueur de 100 mètres maximale. Font partie des dispositifs PD des appareils tels que les téléphones VoIP et les points d'accès sans fil d'origine, les caméras de sécurité, les terminaux de point de vente (POS), les systèmes de contrôle de la température et même les systèmes de divertissement à bord des avions.

En plus de normaliser les pratiques existantes pour la transmission d'alimentation par paires de rechange et par paires de données en mode commun, les normes PoE de l'IEEE prévoient une signalisation entre les équipements PSE et les dispositifs PD. Cette signalisation permet aux dispositifs conformes d'être détectés par les équipements PSE, évitant ainsi d'endommager les dispositifs non-PoE connectés à un réseau. Les équipements PSE et les dispositifs PD « négocient » la quantité d'alimentation nécessaire ou disponible. Pour détecter un dispositif PD, le PSE applique une tension continue entre 2,8 V et 10 V à travers le conducteur. Le PSE détermine ensuite si un dispositif PD est connecté en mesurant le courant de boucle. Le dispositif PD doit présenter une charge résistive comprise entre 19 et 27 kΩ, avec un condensateur parallèle de 120 nF ou moins comme signature.

La figure 2 illustre un PSE alimentant un dispositif PD.

Figure 2 : Application PoE type (avec l'autorisation de Texas Instruments).

Amélioration de la norme

Bien que le PoE puisse fournir environ 13 W à un dispositif PD, certains appareils pourraient bénéficier d'une puissance supérieure, par exemple, les caméras dotées de fonctionnalités PTZ (panoramique, inclinaison et zoom). Pour répondre aux besoins de ces produits, une deuxième norme, l'IEEE 802.3at, a été introduite en 2009. Également appelée « PoE+ », cette technologie peut fournir jusqu'à 25,5 W CC au dispositif PD. Le PSE fournit 50 à 57 V_CC contre 44 à 57 V_CC pour le PoE. Le courant pour le PoE+ est porté à 600 mA, alors que la technologie précédente se limitait à 350 mA.

Le PoE+ utilise uniquement des câbles de catégorie Cat5 (qui comportent huit fils internes, contre quatre pour la catégorie Cat3), ce qui diminue les risques d'impédance et réduit la dissipation de puissance. Par ailleurs, le PoE+ offre aux administrateurs de réseau des capacités accrues, comme la fourniture de nouveaux diagnostics d'alimentation à distance, de rapports d'état et de gestion de l'alimentation PD (y compris le cycle d'alimentation à distance des dispositifs embarqués).

Enfin, le PoE+ permet une allocation dynamique de l'alimentation, une distribution de puissance optimisée et une bonne utilisation de l'alimentation, ce qui se traduit par une amélioration du rendement du système et une réduction des coûts.

Le tableau 1 compare le PoE (IEEE 802.3af) et le PoE+ (IEEE 802.3at).

Tableau 1 : Comparaison entre PoE et PoE+.

Dispositifs Endspan (terminal) et Midspan (injecteur)

Les PSE peuvent être mis en œuvre sous la forme de terminaux Endspan (commutateurs Ethernet PoE) ou d'injecteurs Midspan (concentrateurs utilisés conjointement avec un commutateur Ethernet non alimenté déjà en place sur le réseau). Les dispositifs PD peuvent être alimentés aussi bien à partir de terminaux Endspan que d'injecteurs Midspan.

Les terminaux Endspan fournissent la puissance directement aux dispositifs. Selon les spécifications, les terminaux Endspan peuvent utiliser soit les paires de rechange, soit les paires de données du câble, lesquelles peuvent également être utilisées pour les transmissions gigabit Ethernet. Les terminaux Endspan nécessitent des commutateurs PoE, et sont donc plus particulièrement indiqués pour les nouvelles installations qui exigent des équipements neufs.

Les dispositifs Midspan utilisent un tableau de raccordement à alimentation intermédiaire, ou « injecteur », placé entre un commutateur Ethernet existant et les dispositifs PD. L'injecteur Midspan est généralement situé à côté du commutateur, et est alors considéré comme le PSE, ce qui permet au câble d'être acheminé sans encombre vers des dispositifs distants. La spécification permet aux injecteurs Midspan d'utiliser uniquement la paire de rechange dans le câble ; par conséquent, ils ne peuvent pas être utilisés pour alimenter des lignes de données telles que les connexions gigabit Ethernet.

Il existe une gamme d'injecteurs Midspan facilement disponibles pour compléter un réseau Ethernet existant. Laird Technologies propose son alimentation POE-48I pour cette application. L'alimentation présente une sélection automatique de gamme côté entrée et une tension de sortie régulée. Le dispositif fonctionne avec n'importe quel équipement conforme à la norme IEEE 802.3af. Le POE-48I dispose d'un seul port et peut fournir 48 V à 500 mA pour une puissance maximale de 24 W.

Microsemi Analog Mixed Signal Group propose un injecteur Midspan à un port, conforme à la norme IEEE 802.3at de puissance supérieure, le PowerDsine 9001GR. Générant jusqu'à 30 W à 55 V, le 9001GR permet d'alimenter à distance une nouvelle gamme d'applications, notamment les caméras PTZ et les vidéophones. Ce dispositif est rétrocompatible avec la norme IEEE 802.3af et peut alimenter des dispositifs réseau 10/100Base-T existants et des appareils sans fil 1000Base-T émergents, tels que les points d'accès sans fil WiMAX et IEEE 802.11n. La figure 3 illustre des applications types.

Figure 3 : Exemple d'application pour le commutateur Ethernet Midspan PowerDsine 9001GR.

De nombreux injecteurs Midspan à plusieurs ports sont également disponibles. Phihong propose des injecteurs Midspan avec 8, 16 et 24 ports. Le POE370U est un injecteur Midspan à 24 ports conforme à la norme IEEE 802.3af. Chaque port fournit 15,4 W sans aucune gestion de l'alimentation supplémentaire. L'appareil offre une protection contre la détection, la déconnexion et la surcharge, et peut être fourni avec un kit de montage en rack de format 1U.

Les fournisseurs d'injecteurs Midspan peuvent également proposer des « répartiteurs ». Ce sont des dispositifs qui utilisent une entrée PoE divisée en deux sorties : données et alimentation. L'alimentation peut être redirigée vers le dispositif final par des moyens plus conventionnels, comme un câble CC. Les répartiteurs jouent le rôle de dispositifs intermédiaires entre un équipement PSE conforme et un dispositif PD non conforme.

Laird Technology propose le répartiteur PoE actif POE-12S-AFI qui peut accepter une alimentation PoE depuis tout routeur ou alimentation IEEE 802.3af. Ce dispositif intègre une protection contre les surcharges et les courts-circuits et coupe l'alimentation immédiatement lorsqu'un court-circuit est détecté, sans endommager le système PoE.

Choisir entre un réseau de PoE Endspan or Midspan

Les terminaux Endspan coûtent plus cher à mettre en œuvre et fonctionnent uniquement avec des dispositifs PD définis par la norme IEEE, mais il existe de bonnes raisons d'opter pour cette technique. Par exemple, les ingénieurs ont tendance à choisir des commutateurs Endspan s'ils procèdent au remplacement de tous les anciens commutateurs ou si l'installation est nouvelle.

Une autre raison d'utiliser des terminaux Endspan consiste à éviter les cordons de raccordement supplémentaires encombrants et peu pratiques, ainsi que le travail supplémentaire qu'implique la connexion d'un commutateur Ethernet classique à un concentrateur PoE Midspan. De plus, l'utilisation de deux dispositifs au lieu d'un seul multiplie par deux les points de défaillance potentiels et rend la tâche plus complexe aux administrateurs qui travaillent dans des entreprises qui exigent une adresse IP distincte pour chaque équipement du réseau.

Les ingénieurs qui sélectionnent des commutateurs Endspan doivent savoir que de nombreux terminaux Endspan ne peuvent fournir qu'un maximum de 200 W, de sorte qu'un commutateur à 24 ports ne peut offrir qu'un maximum de 8,3 W par port, ce qui est en dessous de la puissance maximale de 15,4 W spécifiée dans la norme PoE.

Les ingénieurs qui ont déjà mis en place des commutateurs Ethernet relativement nouveaux préfèrent les commutateurs Midspan car il serait coûteux de les remplacer uniquement pour obtenir la fonctionnalité PoE. Toutefois, l'ingénieur doit s'assurer que le fabricant des commutateurs est favorable à ce que le réseau accepte les produits Midspan, et qu'il y a suffisamment d'espace pour les accueillir.

D'un point de vue électrique, les commutateurs Midspan sont à privilégier si l'ingénieur réseau souhaite utiliser des tensions non standard comme de 5 V, 12 V et 24 V pour des dispositifs PD particuliers, et s'il veut optimiser la quantité de puissance disponible à partir de chaque port. Les commutateurs Midspan représentent également une solution avantageuse pour les réseaux qui comprennent de nombreux dispositifs anciens ayant leurs propres sources d'alimentation, ainsi que des dispositifs PoE.

Les commutateurs Midspan bénéficient généralement de garanties plus longues que les terminaux Endspan (deux ans contre un) et peuvent fonctionner à la fois avec des applications standard et propriétaires.

La figure 4 montre des réseaux réalisés à l'aide de commutateurs Endspan et Midspan.

Figure 4 : Schéma de réseaux utilisant des commutateurs Endspan et Midspan.

Traditionnellement, les équipements PSE intégraient des circuits discrets répartis dans l'interface de communication entre l'alimentation, le réseau Ethernet et l'alimentation. Toutefois, pour rendre la mise en œuvre encore plus facile, les fournisseurs de silicium ont commercialisé une gamme de contrôleurs PSE intégrés afin d'optimiser le fonctionnement d'une installation PoE+.

Ces contrôleurs réduisent la complexité et le nombre de composants externes requis pour les équipements PoE et PoE+ en combinant des circuits d'interface avec un régulateur linéaire ou une alimentation à découpage qui convertit la tension d'alimentation en une valeur comprise entre 50 et 57 V_CC adaptée au câble Ethernet. (Pour plus d'informations sur ces composants, reportez-vous à l'article de TechZone « L'alimentation par Ethernet s'adapte pour répondre à une demande plus importante ».)

Quelle est la prochaine étape ? - IEEE 802.3bt

En résumé, depuis son développement au début du siècle, le PoE est devenu une technologie populaire, en particulier pour les applications commerciales et industrielles. Cette technologie est relativement simple à mettre en œuvre, en particulier dans les nouvelles installations, et l'introduction de commutateurs Midspan a facilité l'ajout du PoE aux réseaux existants. L'arrivée du PoE+ (IEEE 802.3at) a augmenté la puissance mise à disposition des dispositifs PD, ce qui a conduit à l'apparition de nouvelles applications qui étaient auparavant trop gourmandes en énergie pour fonctionner avec l'ancienne technologie.

Depuis 2009, date de la ratification de la norme IEEE 802.3at, la technologie PoE n'a cessé d'évoluer car les ingénieurs sont désireux d'ajouter de nouveaux dispositifs PD qui nécessitent une puissance encore plus importante. Dans un souci de compléter l'IEEE 802.3at, de nombreux protocoles PoE propriétaires pouvant fournir de 60 W et 95 W ont été commercialisés sous différents noms tels que

• UPoE (Cisco)
• LTPoE (Linear Tech/Analog Devices)
• PoH (MicroSemi/Microchip)
• PoE++ (industrie)
• 4PPoE (industrie)

Notez que ces technologies ne respectent pas les normes actuelles et ne sont pas interopérables, ce qui peut être préjudiciable aux matériels non compatibles. Elles ont toutefois créé un précédent en permettant l'élaboration d'une version plus puissante de la norme.

Fin 2018, une nouvelle norme IEEE 802.3bt a été ratifiée pour le PoE, laquelle permet de fournir 71,3 W aux dispositifs PD tout en transmettant 90 W du côté du PSE.

Le tableau 2 résume les capacités de transmission de puissance des PSE et de réception de puissance par les dispositifs PD, et ce, pour toutes les normes :

Tableau 2 : Capacités d'alimentation PoE pour toutes les normes (avec l'autorisation de Microchip)

Remarque 1 : La capacité d'alimentation étendue jusqu'à 60 W et 90 W pour une entrée PD est autorisée si la longueur du câble est de 2 à 5 mètres.

Outre la possibilité de transmettre plus de puissance sur des câbles Ethernet, la nouvelle norme PoE IEEE 802.3bt définit de nombreuses autres nouvelles fonctionnalités/améliorations par rapport aux précédentes normes IEEE 802.3af et IEEE 802.3at, notamment :

• Prise en charge de deux constructions PD : PD à signature unique et PD à double signature
• Fonctionnement sur quatre paires de câbles Ethernet
• Fonctionnalité de classe automatique (Autoclass)
• Capacité d'alimentation étendue avec une longueur de câble connue
• Faible consommation d'énergie en veille (alimentation à découpage)
• Prise en charge de 2,5G-BaseT, 5G-BaseT, 10G-BaseT
• Rétrocompatibilité avec la norme IEEE 802.3at/af

Vous trouverez de plus amples informations sur la nouvelle norme IEEE 802.3bt sur le site Web AE Ethernet Alliance.