Introduzione a Power over Ethernet

Combinando l'alimentazione e le comunicazioni su un singolo cavo Cat3 o Cat5, gli ingegneri possono realizzare velocemente reti Ethernet che richiedono poca manutenzione e a costi inferiori rispetto alle installazioni di sistemi separati. Non sorprende che questa tecnologia sia stata rapidamente accolta e formalizzata in uno standard dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). I vantaggi principali di questa tecnologia, chiamata "Power over Ethernet" (PoE), sono la sua semplicità e la disponibilità dell'alimentazione ovunque vi sia una presa dati.

Questo articolo presenta PoE e la sua versione più potente PoE+, illustra gli standard, spiega i componenti, gli switch e gli sdoppiatori Ethernet "midspan" ed "endspan", i dispositivi alimentati (PD), le apparecchiature di alimentazione (PSE) e descrive come realizzare un sistema semplice.

La nascita di PoE

PoE è nata come risposta al problema dell'alimentazione dei telefoni VoIP (Voice over Internet Protocol). I telefoni tradizionali prendevano l'energia direttamente dai fili di rame che trasportano la voce. Tuttavia, i telefoni VoIP - destinati a una rapida diffusione - non erano collegati a questi circuiti convenzionali, ma ricevevano le chiamate attraverso i cavi Ethernet della LAN (Local Area Network) di un'azienda. I cavi Ethernet non portavano l'alimentazione, quindi i telefoni VoIP dovevano essere collegati all'alimentazione di rete tramite un adattatore. Era una soluzione tutt'altro che elegante e se l'edificio rimaneva senza corrente i telefoni rimanevano in silenzio.

Nel 2000, Cisco - fornitore di apparecchiature per le telecomunicazioni - è stata la prima azienda a imitare il sistema telefonico tradizionale introducendo una tecnologia proprietaria che permetteva ai cavi Ethernet di trasportare una tensione a 48 V_c.c. per alimentare i telefoni VoIP (Figura 1). PoE ha però preso slancio solo nel 2001 e nel 2002, quando altri produttori, specie quelli dei punti di accesso wireless (WAP), hanno approfittato della tecnica.

Figura 1: Un telefono VoIP di Cisco con PoE incorporata (Per gentile concessione di Cisco).

La tecnologia alla fine ha attirato l'attenzione della IEEE, che si era occupata della definizione dello "Standard per Ethernet" (IEEE 802.3) già nel 1983. L'organizzazione riteneva che fosse indispensabile creare una versione standard di PoE per permettere a qualsiasi produttore di realizzare prodotti "predisposti per PoE". Il lavoro venne assegnato a un sottocomitato di lavoro del Comitato Ethernet IEEE 802.3 e chiamato "802.3af". A giugno 2003, il sottocomitato di lavoro ratificò lo standard PoE IEEE 802.3af. Nel 2009 venne ratificato un secondo standard, IEEE 802.3at, che definiva una tecnologia simile in grado di gestire più potenza.

Che cosa definisce lo standard?

IEEE 802.3af descrive nei dettagli una tecnologia PoE progettata per fornire fino a 15,4 W di potenza c.c. (minimo 44 V_c.c. e 350 mA) a ogni dispositivo. (A causa di perdite nel cavo, l'apparecchiatura da alimentare può contare solo su 12,95 W.)

La tecnologia utilizza un unico connettore RJ45 standard e un cavo Cat5 (o anche Cat3) e può gestire decine di watt. Una volta installata, la rete Ethernet per le comunicazioni può essere utilizzata anche per l'alimentazione. Questo consente di risparmiare sui materiali, sulla manodopera, sui tempi di installazione e sui costi di manutenzione.

L'alimentazione può essere trasmessa sui conduttori inutilizzati del cavo Ethernet, poiché per i tipici strati fisici da 10 a 100 Mbps servono solo due delle quattro coppie di cavi Cat5 (negli standard IEEE questa tecnica è detta "Alternativa B"). L'alimentazione può essere trasmessa anche sui conduttori dati del cavo applicando una tensione di modo comune a ogni coppia. Dato che Ethernet utilizza la segnalazione differenziale, quella soluzione non interferisce con la trasmissione dati del cavo ("Alternativa A" negli standard).

IEEE 802.3af definisce due tipi di dispositivi PoE, PSE (Power Source Equipment) e PD (Powered Device). Un PSE prende l'alimentazione dal proprio alimentatore convenzionale e poi gestisce quella inviata attraverso la rete di cavi Ethernet al PD, che prende quanto gli serve tramite un connettore RJ45 senza che sia richiesto un alimentatore integrato. PoE è in grado di alimentare i PD attraverso tipiche connessioni Ethernet fino a 100 metri di lunghezza. I PD sono dispositivi come i telefoni VoIP e i punti di accesso wireless originali, le telecamere di sicurezza, i terminali POS, i sistemi di controllo della temperatura e persino i sistemi di intrattenimento a bordo.

Oltre a standardizzare la prassi esistente per la trasmissione di potenza a coppie di riserva e a coppie di dati in modalità comune, gli standard IEEE PoE prevedono la segnalazione tra PSE e PD. Questa segnalazione permette ai dispositivi conformi di essere rilevati dal PSE, evitando danni ai dispositivi non-PoE collegati a una rete. PSE e PD "negoziano" la quantità di potenza richiesta o disponibile. Per rilevare un PD, il PSE applica una tensione c.c. tra 2,8 e 10 V attraverso il conduttore. Il PSE determina poi se c'è un PD collegato misurando la corrente dell'anello. Il PD dovrebbe presentare un carico resistivo compreso tra 19 e 27 kΩ con un condensatore parallelo di 120 nF o meno come firma.

La Figura 2 mostra lo schema di un PSE che alimenta un PD.

Figura 2: Una tipica applicazione PoE (Per gentile concessione di Texas Instruments).

Miglioramento dello standard

Mentre PoE può fornire circa 13 W al PD, alcuni dispositivi potrebbero beneficiare di una maggiore potenza (ad esempio, telecamere con capacità PTZ - panoramica, inclinazione, zoom). Per rispondere alle esigenze di questi prodotti, nel 2009 venne introdotto un secondo standard, IEEE 802.3at. Conosciuta anche come "PoE+", questa tecnologia può fornire fino a 25,5 W in c.c. al PD. Il PSE fornisce tra 50 e 57 V_c.c. rispetto ai 44-57 V_c.c. per PoE. La corrente per PoE+ è stata portata a 600 mA rispetto ai 350 mA della tecnologia precedente.

PoE+ può utilizzare solo un cavo Cat5 (che ha otto fili interni, rispetto ai quattro di Cat3), il che diminuisce la possibilità di eventuali impedenze e riduce la dissipazione di potenza. Inoltre, PoE+ consente agli amministratori di rete maggiori capacità come la nuova diagnostica di alimentazione remota, la segnalazione dello stato e la gestione dell'alimentazione PD (incluso il ciclaggio remoto dei dispositivi embedded).

Infine, PoE+ fornisce un'allocazione dinamica della potenza, una sua distribuzione ottimizzata e un buon utilizzo dell'alimentazione, con conseguente maggiore efficienza del sistema e riduzione dei costi.

Nella Tabella 1 vengono messe a confronto PoE (IEEE 802.3af) e PoE+ (IEEE 802.3at).

Tabella 1: Confronto tra PoE e PoE+.

Endspan e midspan

I PSE possono essere implementati come endspan (uno switch Ethernet abilitato per PoE) o come midspan (un hub di potenza utilizzato assieme a uno switch Ethernet non alimentato già presente in rete). I PD possono ricevere energia altrettanto adeguata sia da endspan che da midspan.

Gli endspan applicano l'alimentazione direttamente ai dispositivi. In base alle specifiche, gli endspan possono utilizzare sia le coppie di riserva che quelle di dati nel cavo, che possono essere utilizzate anche per trasmissioni Gigabit Ethernet. Gli endspan richiedono switch abilitati per PoE e, pertanto, tendono a essere specificati per le nuove installazioni che richiedono apparecchiature nuove.

I midspan utilizzano un patch panel alimentato da un intermediario, o "iniettore", posto tra uno switch Ethernet esistente e i PD. Il midspan in genere si trova accanto allo switch ed è quindi considerato il PSE. Permette di far correre liberamente il cavo fino ai dispositivi remoti. La specifica consente ai midspan di usare solo la coppia di riserva nel cavo. Di conseguenza, non possono essere usati per inviare l'alimentazione su linee dati come le connessioni Gigabit Ethernet.

Esiste una gamma di iniettori midspan facilmente reperibili in commercio da poter aggiungere a una rete Ethernet esistente. Laird Technologies fornisce l'alimentatore PoE-48I per questa applicazione. L'alimentatore è a regolazione automatica sull'ingresso e ha un'uscita di tensione regolata. Funziona con qualsiasi apparecchiatura che sia conforme allo standard IEEE 802.3af. PoE-48I ha un'unica porta e può erogare 48 V a 500 mA fino a 24 W.

Microsemi Analog Mixed Signal Group offre un iniettore midspan a porta singola, conforme allo standard IEEE 802.3at di potenza superiore, PowerDsine 9001GR. Generando fino a 30 W a 55 V, 9001GR consente di alimentare in remoto una nuova gamma di applicazioni, tra cui telecamere PTZ e videotelefoni. Il dispositivo è retrocompatibile con lo standard IEEE 802.3af e può alimentare i dispositivi di rete 10/100Base-T esistenti e quelli 1000Base-T wireless emergenti come WiMAX e punti di accesso wireless IEEE 802.11n. La Figura 3 illustra alcune applicazioni tipiche.

Figura 3: Esempio di applicazione per lo switch Ethernet midspan PowerDsine 9001GR.

Sono disponibili anche molti midspan multiporta. Phihong fornisce midspan con 8, 16 e 24 porte. POE370U è un iniettore midspan a 24 porte conforme a IEEE802.3af. Ogni porta alimenta 15,4 W senza ulteriore gestione della potenza. L'unità offre protezione da rilevamento, scollegamento e sovraccarico e può essere fornita con un kit di montaggio in rack 1U.

I fornitori di midspan possono offrire anche sdoppiatori, anche detti "splitter". Questi dispositivi utilizzano un ingresso PoE diviso in due uscite: dati e potenza. L'alimentazione può essere reindirizzata nel dispositivo finale tramite mezzi più convenzionali, come un cavo c.c. Gli sdoppiatori fungono da intermediari tra un PSE conforme e un PD non conforme.

Laird Technology fornisce lo sdoppiatore PoE attivo POE-12S-AFI che può accettare l'alimentazione PoE da qualsiasi router o alimentatore IEEE 802.3af. L'unità incorpora una protezione da sovraccarico e cortocircuiti e spegne immediatamente l'alimentazione quando viene rilevato un cortocircuito, evitando qualsiasi danno al sistema PoE.

Scelta tra una rete PoE endspan o midspan

Gli endspan hanno maggiori costi di implementazione e funzionano solo con i PD definiti dallo standard IEEE, ma esistono delle buone ragioni per scegliere questa tecnica. Ad esempio, gli esperti tendono a scegliere gli switch endspan se devono sostituire tutti gli switch vecchi o se l'installazione è nuova.

Gli endspan permettono inoltre di evitare gli scomodi e poco ordinati cavi patch supplementari e il lavoro in più richiesto per collegare uno switch Ethernet convenzionale a un hub PoE midspan. Inoltre, la presenza di due dispositivi invece di uno raddoppia i potenziali punti di guasto e complica la vita agli amministratori di aziende che continuano a preferire un indirizzo IP separato per ogni apparecchiatura in rete.

Gli ingegneri che scelgono gli switch endspan devono essere consapevoli che molte unità endspan possono fornire solo un massimo di 200 W, quindi uno switch a 24 porte può fornire solo un massimo di 8,3 W per porta, ben al di sotto della potenza massima di 15,4 W specificata nello standard PoE.

Di fronte a switch Ethernet relativamente nuovi si preferisce il tipo midspan perché sostituirli solo per ottenere la funzionalità PoE sarebbe costoso. Occorre però assicurarsi che il produttore accetti che la rete supporti prodotti midspan e che ci sia spazio sufficiente per installarli.

Dal punto di vista elettrico, gli switch midspan sono preferiti se il tecnico di rete vuole utilizzare tensioni non standard come 24, 12 e 5 V per particolari PD e massimizzare la quantità di potenza disponibile da ogni porta. Gli switch midspan sono un'opzione utile anche per reti che comprendono sia molti dispositivi legacy con proprie fonti di alimentazione sia dispositivi PoE.

Questi switch tendono ad avere garanzie più lunghe rispetto a quelli endspan (due anni invece di uno) e possono funzionare sia con applicazioni standard che proprietarie.

La Figura 4 mostra le reti realizzate utilizzando switch endspan e midspan.

Figura 4: Schema di reti che utilizzano switch endspan e midspan

Tradizionalmente, i PSE incorporavano circuiti discreti suddivisi nell'interfaccia di comunicazione tra l'alimentazione, la rete Ethernet e l'alimentatore. Tuttavia, per semplificare ulteriormente l'implementazione, i fornitori di dispositivi integrati hanno messo a punto una gamma di controller PSE integrati per ottimizzare il funzionamento di un'installazione PoE+.

Questi controller riducono la complessità e il numero di componenti esterni necessari per le apparecchiature PoE e PoE+ combinando la circuiteria di interfaccia con un regolatore lineare o un alimentatore a commutazione che converte la tensione di alimentazione in un intervallo tra 50 e 57 V_c.c. idoneo per il cavo Ethernet. (Per ulteriori informazioni su questi componenti, vedere l'articolo TechZone "Power over Ethernet si adegua per far fronte a una domanda di potenza superiore".)

Che cosa ha in serbo il futuro? - IEEE 802.3bt

Riassumendo, dal suo sviluppo all'inizio del secolo, PoE è diventata una tecnologia molto comune, specie per applicazioni commerciali e industriali. È relativamente semplice da implementare, specie in installazioni nuove, e l'introduzione degli switch midspan ha reso meno problematico aggiungere PoE alle reti esistenti. L'introduzione di PoE+ (IEEE 802.3at) ha aumentato la potenza disponibile per i PD, portando all'introduzione di nuove applicazioni che prima avevano consumi energetici troppo elevati per poter operare con la vecchia tecnologia.

Dal 2009, quando è stato ratificato lo standard IEEE 802.3at, la tecnologia PoE ha continuato a evolversi perché gli ingegneri vogliono aggiungere nuovi PD che richiedono una potenza ancora maggiore. Nel tentativo di integrare IEEE 802.3at, sul mercato sono stati introdotti molti protocolli PoE proprietari in grado di fornire da 60 a 95 W. Hanno diversi nomi, ad esempio:

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

Tenere presente che queste tecnologie non sono conformi agli standard attuali e non sono interoperabili, il che può essere dannoso per hardware non compatibile. Hanno però stabilito un precedente per lo sviluppo di una versione di potenza superiore dello standard.

Alla fine del 2018 è stato ratificato un nuovo standard IEEE 802.3bt per PoE che ha consentito di erogare 71,3 W ai PD e 90 W dal lato PSE.

La Tabella 2 riassume le capacità di invio di potenza del PSE e quelle di ricezione del PD per tutti gli standard:

Tabella 2: Capacità di potenza di PoE per tutti gli standard (Per gentile concessione di Microchip)

Nota 1: per l'ingresso del PD, se il cavo ha una lunghezza da 2 a 5 metri è consentito un incremento della potenza fino a 60 W e 90 W.

Oltre ad offrire la possibilità di trasmettere più potenza su cavi Ethernet, il nuovo standard PoE IEEE 802.3bt definisce molte altre nuove caratteristiche/miglioramenti rispetto ai precedenti standard IEEE 802.3af e IEEE 802.3at, tra cui:

• Supporta due costruzioni PD: PD a firma singola e PD a doppia firma
• Funziona su quattro coppie di cavi Ethernet
• Funzionalità di classe automatica
• Capacità di potenza estesa con una lunghezza del cavo nota
• Supporto di basso consumo in standby (MPS corto)
• Supporta 2.5G-BaseT, 5G-BaseT, 10G-BaseT
• Retrocompatibile con IEEE 802.3at/af

Maggiori informazioni sul nuovo standard IEEE 802.3bt sono disponibili sul sito Web Ethernet Alliance di AE.