Na czym polega technologia zasilania przez Ethernet? Ewolucja od PoE do PoE++

Rys. 1. Zasilanie przez Ethernet można zrealizować na dwa sposoby: za pośrednictwem dwóch par przewodów skrętki (1/2 i 3/6), którymi są również transmitowane dane (a) oraz wykorzystując dwie nieużywane pary przewodów (4/5 i 7/8) (b)

Istotą metody zasilania zdefiniowanej w PoE jest integracja sygnału zasilającego i danych, które są jednocześnie przesyłane standardowym okablowaniem używanym do transmisji informacji w sieciach Ethernet. Możliwe są dwie konfiguracje (rys. 1). W pierwszej energia jest przesyłana za pośrednictwem dwóch par przewodów skrętki (1/2 i 3/6), którymi są również transmitowane dane. W drugim przypadku wykorzystywane są natomiast dwie wolne pary (4/5 i 7/8).

Do realizacji zasilania PoE niezbędne są też zasilacze, czyli specjalnie projektowane urządzenia sieciowe, np. przełączniki, określane w normie jako tzw. PSE (power sourcing equipment) oraz odbiorniki, tzw. PD (Powered Device), w których dzięki PoE nie ma już konieczności korzystania z dodatkowego przewodu zasilającego. Upraszcza to konstrukcję sieci, także w trudno dostępnych miejscach oraz zmniejsza koszty jej budowy oraz eksploatacji. Ponadto można sprawniej zarządzać siecią, monitorując zużycie mocy w poszczególnych węzłach oraz w razie potrzeby zdalnie restartować lub wyłączać, np. aktualnie nieużywane urządzenia.

Czy moc w standardzie PoE jest za mała?

Praktycznie w momencie wprowadzenia standardu PoE stało się już jednak jasne, że poziomy mocy w nim przewidziane nie będą w stanie zaspokoić potrzeb coraz bardziej rozbudowanych urządzeń. Maksymalny poziom mocy na wyjściu zasilacza PoE to około 13 W. Wystarczy to do zasilania zwykłego telefonu IP, jednak np. obrotowe kamery, wideotelefony IP oraz inne urządzenia sieciowe wyposażone w kolorowe wyświetlacze wymagają wyższych mocy.

Ponadto w związku z tym, że używane okablowanie sieciowe dopuszcza przepływ większych prądów niż te, które przewidziano w specyfikacji PoE, pojawiało się coraz więcej głosów domagających się modyfikacji, które pozwoliłyby wykorzystać istniejące zasoby. Dlatego już w 2004 roku, wkrótce po zatwierdzeniu 802.3af, ruszyły prace nad nowym standardem, tzw. PoE Plus.

PoE Plus, czyli jak w Ethernecie uzyskać większą moc

Aby w PoE Plus uzyskać większą moc, należało m.in. ograniczyć straty na rezystancji przewodów. W tym celu zaczęto wykorzystywać okablowanie sieciowe wyższych kategorii - co najmniej 5e lub wyższej (tj. 6 lub 6A), w porównaniu do dozwolonych w 802.3af kabli kategorii 3 lub wyższej (tj. od 4 do 6). Większą moc w PoE Plus uzyskano jednak przede wszystkim, modyfikując przedziały napięcia i prądu.

I tak, o ile w 802.3af zakres napięcia na wyjściu PSE ustalono na od 44 do maksymalnie 57 V, o tyle w 802.3at zwiększono dolną granicę tego zakresu do 50 V. Podobnie w przypadku prądu w 802.3af przyjęto, że odbiorniki zgodne z tym standardem mogą pobierać prąd o natężeniu maksymalnie 350 mA, natomiast w PoE+ rozszerzono ten zakres do 600 mA.

Dzięki temu w PoE Plus poziom mocy dostępnej na wejściu odbiornika jest blisko dwukrotnie większy niż w PoE. Zgodnie z IEEE 802.3af maksymalna moc na wyjściu PSE wynosi 15,4 W. Biorąc pod uwagę rezystancję kabla sieciowego (kat.3: 20 W na długości 100 m) oraz dodatkowe straty mocy, na które ma wpływ odległość między PSE i PD, jakość wykonania połączenia i inne czynniki, przyjęto, że odbiornik może pobierać maksymalnie 12,95 W. Z kolei w IEEE 802.3at moc wyjściowa zasilacza PSE powinna wynosić przynajmniej 30 W. Uwzględniając straty na rezystancji kabla sieciowego (12,5 W), na wejściu odbiornika można wówczas uzyskać 25,5 W.

Kontrowersje dotyczące standardu PoE+

Rys. 2. Wyznaczone przez TIA profile zmian temperatury w zależności od natężenia prądu dla wiązek złożonych ze 100 kabli kategorii 5e, 6 i 6A

Zanim podjęto ostateczne decyzje o zmianie poziomów sygnałów elektrycznych w PoE+, wokół tego tematu pojawiały się różne kontrowersje. W związku ze zwiększeniem natężenia prądu obawiano się np. nadmiernego nagrzewania przewodów, co mogłoby zagrażać bezpieczeństwu użytkowania, a także zwiększałoby tłumienie przesyłanego sygnału. Kwestie te komitet IEEE rozstrzygnął na etapie prac nad PoE Plus, konsultując się z TIA (Telecommunications Industry Association) oraz ISO.

Organizacje te zostały poproszone o wydanie opinii o dopuszczalnej obciążalności prądowej skrętek różnych kategorii. W tym celu TIA we współpracy z ISO przygotowała profile temperaturowe w zależności od natężenia przepływającego prądu dla kabli kategorii 5e, 6 i 6A, badanych w wiązkach po 100 kabli (rys. 2). Testy te pozwoliły określić, w jakich warunkach okablowanie w sieci PoE Plus może pracować, by zapewnione było bezpieczeństwo oraz odpowiednia jakość transmisji.

TIA zarekomendowała wówczas, aby dopuszczalny wzrost temperatury w otoczeniu okablowania PoE+ wynosił najwyżej 10°C, przy maksymalnej temperaturze równej 60°C. Opierając się na tym zaleceniu, IEEE zdecydowało o ograniczeniu górnej granicy temperatury pracy kabli PoE+ do 50°C. Konsultacje z TIA doprowadziły też do określenia maksymalnego bezpiecznego natężenia prądu, który nie powodowałby wzrostu temperatury przewodów o więcej niż 10°C.

Jako punkt odniesienia przyjęto charakterystykę obciążalności prądowej dla kabli kategorii 5e, ze względu na najgorsze właściwości termiczne spośród wszystkich testowanych przewodów. Ostatecznie przyjęto, że maksymalne natężenie prądu w PoE+ będzie wynosiło 600 mA, ponieważ prąd taki według badań TIA powoduje wzrost temperatury kabli 5e "jedynie" o 7,2°C. Zapewnia to margines bezpieczeństwa, który należało uwzględnić w związku z nieprzewidywalnością warunków otoczenia, w jakich dana sieć może pracować.

Nowe funkcje w standardzie PoE

Bezpieczne i sprawne wdrożenie zasilania przez Ethernet nie byłoby możliwe bez dwóch procedur, które są implementowane w urządzeniach zgodnych ze standardem PoE. Jest to funkcja testowania połączenia oraz procedura klasyfikacji. Pierwsza z wymienionych funkcji pozwala uniknąć zniszczeń lub uszkodzeń z powodu podłączenia zasilania przez kabel ethernetowy do urządzeń, które nie są kompatybilne z PoE i nie mają możliwości poboru mocy w ten sposób. Klasyfikacja z kolei jest wykorzystywana do określenia, jaka moc jest wymagana do zasilania konkretnego odbiornika. W PoE+ wprowadzono dodatkowe rozwiązania zwiększające efektywność tych funkcji.

Zmiany były konieczne, ponieważ twórcy tego standardu musieli też uwzględnić możliwość współpracy z urządzeniami zgodnymi z 802.3af. By zapewnić w PoE Plus kompatybilność wsteczną ze starszymi urządzeniami, należało zmodyfikować procedury wzajemnej identyfikacji zasilaczy i odbiorników, które podzielono na urządzenia typu 1, czyli zgodne z 802.3af i typu 2, czyli zgodne z 802.3at.

Wymagało to analizy różnych kombinacji, czyli np. współpracy PSE zgodnego z PoE+ zarówno z odbiornikiem w standardzie 802.3at, jak i 802.3af, możliwości zasilania odbiornika zgodnego z 802.3af z wykorzystaniem PSE 802.3at oraz w przypadku PD 802.3at możliwości detekcji podłączenia zasilacza typu 2. W związku z tym w PoE Plus, oprócz wcześniej wykorzystywanych metod implementowanych w warstwie fizycznej i dodatkowej rozbudowy tych procedur, wprowadzono też specjalne rozwiązania na poziomie warstwy łącza danych.

Klasyfikacja w PoE+

Rys. 3. Dwuzdarzeniowa klasyfikacja w PoE+: najpierw na wyjściu PSE pojawia się napięcie z przedziału od 15,5 do 20,5 V, odbiornik reaguje na to impulsem prądowym o wartości odpowiadającej jednej z klas - wówczas napięcie wyjściowe PSE spada do wartości z tzw. zakresu "mark", czyli przedziału od 6,9 do 10 V; odpowiada to prądowi odbiornika w zakresie od 0,25 do 2 mA - następnie cała sekwencja impulsów zostaje powtórzona i dopiero wówczas do odbiornika jest doprowadzona pełna moc

W specyfikacji 802.3at obowiązuje mechanizm sprzętowej klasyfikacji, tzw. klasyfikacja dwuzdarzeniowa (znana też jako ping-pong). Polega ona zasadniczo na tym, że PSE dwukrotnie powtarza próbę napięciową analogiczną do tej, jaką przewidziano w PoE. Jeżeli PD wykryje napięcie z zakresu od 15,5 do 20,5 V, podłącza obciążenie o odpowiedniej wartości i odpowiada zasilaczowi impulsem prądowym pozwalającym zakwalifikować odbiornik do jednej z czterech klas mocy.

Podwójny impuls napięciowy przesyłany przez PSE jest dla odbiornika znakiem, że zasilacz jest zgodny z nowym standardem i może zapewnić wyższy poziom mocy. Jeżeli z kolei odpowiedź prądowa odbiornika jest impulsem o wartości 40 mA, to dla zasilacza jest to informacja o tym, że dany PD należy do klasy 4, czyli pracuje zgodnie z 802.3at i do jego zasilania należy wykorzystać maksymalną moc wyjściową. Klasyfikacja w warstwie fizycznej była również implementowana w 802.3af, jednak traktowano ją jako funkcję opcjonalną, pozwalającą jedynie określić moc wymaganą do zasilania PD. Zgodnie z PoE+ procedura klasyfikacji (co najmniej jednozdarzeniowej) jest w przypadku PSE obowiązkowa.

Protokół LLDP

Oprócz klasyfikacji w warstwie fizycznej w PoE+ zdefiniowano też nową metodę realizowaną w trakcie komunikacji między PSE i odbiornikiem za pośrednictwem tzw. protokołu LLDP (Link Layer Discovery Protocol). Po nawiązaniu połączenia między PSE i PD zasilacz wykorzystuje LLDP do monitorowania rzeczywistego energetycznego zapotrzebowania odbiornika. Dzięki temu możliwa jest implementacja dynamicznego przydziału mocy, w którym PSE może zmieniać moc wyjściową ze skokiem 0,1 W na podstawie informacji z odbiornika np. o zmniejszeniu zapotrzebowania na moc lub całkowitej rezygnacji z zasilania.

Ponadto np. w przypadku, gdy PSE typu 2 realizuje jedynie jednozdarzeniową klasyfikację, PD może "negocjować" uzyskanie wyższej mocy za pośrednictwem LLDP. Komunikacja realizowana w ten sposób pozwala też na implementację dodatkowych funkcji, jak np. pozyskiwanie w zasilaczu szczegółowych informacji o odbiorniku, w tym m.in. o wartości mocy szczytowej, mocy średniej oraz cyklach pracy.

Obecnie wykorzystanie LLDP jest obowiązkowe tylko dla określonego typu zasilaczy, które ogólnie dzieli się na tzw. midspan i endspan. Urządzenia typu midspan są instalowane między przełącznikiem sieci LAN oraz odbiornikami, a informacje przesyłane za pośrednictwem PSE tego rodzaju nie są w nich modyfikowane. Takie rozwiązanie jest szczególnie zalecane w przypadku, gdy istniejącą infrastrukturę sieciową chcemy zmodernizować do standardu PoE Plus (rys. 4).

Z kolei PSE typu endspan to przełączniki z już wbudowaną możliwością obsługi PoE Plus, instalowane w sieciach budowanych od podstaw. W PSE typu midspan wykorzystuje się głównie dwuzdarzeniową klasyfikację PoE+. W związku z tym, że do negocjacji za pośrednictwem protokołu LLDP potrzebne jest nawiązanie komunikacji między PSE i PD, w zasilaczach endspan można natomiast wykorzystać także tę dodatkową metodę klasyfikacji. Z kolei w odbiornikach PoE+ możliwość komunikacji za pośrednictwem LLDP musi być zaimplementowana obowiązkowo.

Podsumowanie - możliwości wykorzystania Power over Ethernet

Rys. 4. Wykorzystanie tzw. zasilaczy midspan jest jednym z najbardziej opłacalnych sposobów na wprowadzenie zasilania PoE w już istniejącej sieci bez większej ingerencji w dotychczasową infrastrukturę

Zwiększenie poziomów mocy dostępnych w standardzie PoE+ przyczyniło się do wzrostu popularności zasilania urządzeń przez Ethernet. Im więcej urządzeń jest kompatybilnych z tym standardem, tym więcej osób zaczyna doceniać zalety takiego rozwiązania, m.in. takie praktyczne aspekty jak fakt standaryzacji kabli sieciowych obowiązującej na całym świecie.

Możliwość jednoczesnej transmisji danych i zasilania jednym kablem ma szczególnie wiele zalet w przemyśle i infrastrukturze. Przykładem obiektów i instalacji, w których docenia się zalety zasilania przez PoE+, są rozległe zakłady przemysłowe, kopalnie, kamieniołomy, linie kolejowe oraz pociągi, systemy transportu różnych mediów prowadzone pod ulicami miast i rurociągi, którymi przesyła się surowce energetyczne. Ich wspólną cechą są bowiem trudne warunki, jakie w nich panują, a często również ograniczona przestrzeń oraz kosztowność i trudność jej przeorganizowania.

Z ich powodu, im mniej wysiłku trzeba włożyć w budowę infrastruktury sieciowej, potrzebnej na przykład do kontrolowania stanu tych obiektów oraz instalacji za pomocą kamer monitoringu lub czujników, tym lepiej. W przypadku PoE zyskuje się na tym, że nie trzeba rozprowadzać dodatkowo linii zasilających, a potem jeszcze poddawać ich konserwacji. Zapewnia to oszczędność kosztów początkowych i eksploatacyjnych. W mniejszym stopniu trzeba także ingerować w istniejącą organizację przestrzeni. Docenia się to w przypadku obiektów, w których i bez tego często wprowadza się zmiany, na przykład zmieniając konfigurację linii produkcyjnych.

Wraz z rozwojem sieci Internetu Rzeczy i Przemysłowego IoT wymienione zalety zasilania urządzeń przez Ethernet jeszcze zyskają na znaczeniu, tym bardziej że obecnie trwają prace nad kolejną wersją tego standardu. W PoE++ (IEEE 802.3bt) osiągalne mają być poziomy mocy 60 i 90 W, a zasilanie będzie się odbywało za pomocą czterech par przewodów.

Monika Jaworowska