En introduktion til Power-over-Ethernet

Ved at kombinere strøm og kommunikation via et enkelt Cat3- eller Cat5-kabel kan ingeniører hurtigt og billigt opbygge Ethernet-netværk med lav vedligeholdelse sammenlignet med installationer med separate systemer. Det er ikke overraskende, at teknologien hurtigt er blevet taget til sig og formaliseret under en IEEE-standard (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Døbt “Power-over-Ethernet” (PoE), de vigtigste fordele ved teknologien er dens enkelthed og det faktum, at der er strøm til rådighed, uanset hvor der er en Ethernet dataforbindelse.

Denne artikel giver en introduktion til PoE og PoE+ med højere effekt, skitserer standarderne, forklarer komponentdelene, Powered Devices, Power Sourcing Equipment, "midspan" og "endspan" Ethernet switche og splittere og beskriver et simpelt system.

De tidlige dage med PoE

PoE blev først udviklet som et svar på problemet med at forsyne VoIP-telefoner (Voice over Internet Protocol) med strøm. Traditionelle telefoner fik deres strøm direkte fra de kobberkabler, der transporterede taleopkald. De stadig mere populære VoIP-telefoner var imidlertid ikke forbundet til disse konventionelle kredsløb, men tog i stedet opkald via Ethernet-kablerne i virksomhedens LAN (Local Area Network). Ethernet-kablerne var ikke strømførende, så VoIP-telefonerne skulle tilsluttes strømforsyningen via en adapter. Det var en knap så elegant løsning, og hvis bygningens strøm blev afbrudt, døde telefonerne.

I 2000 var Cisco, der sælger telekommunikationsudstyr, den første virksomhed, der efterlignede det traditionelle telefonsystem ved at introducere en proprietær teknologi, der gjorde det muligt for Ethernet-kabler at bære en 48 VDC-strømforsyning til VoIP-telefoner (fig. 1). PoE fik dog virkelig fart på i 2001 og 2002, da andre producenter, især producenter af trådløse adgangspunkter, benyttede sig af teknikken.

Figur 1: En Cisco VoIP-telefon med PoE (med venlig hilsen fra Cisco).

Teknologien fik i sidste ende IEEE's opmærksomhed, som allerede i 1983 havde været ansvarlig for at fastsætte "Standard for Ethernet" (IEEE 802.3). Organisationen mente, at det var afgørende at skabe en standardversion af PoE, så alle producenter kunne gøre deres produkter "PoE ready". Arbejdet blev overdraget til et arbejdsunderudvalg under IEEE 802.3 Ethernet Committee og fik navnet "802.3af". I juni 2003 ratificerede arbejdsunderudvalget IEEE 802.3af PoE-standarden. I 2009 blev en anden standard, IEEE 802.3at, ratificeret, som definerede en lignende teknologi, der kunne håndtere mere strøm.

Hvad er defineret i standarden?

IEEE 802.3af beskriver en PoE-teknologi, der er designet til at levere op til 15,4 W jævnstrøm (mindst 44 VDC og 350 mA) til hver enhed. (På grund af tab i kablet er det kun 12,95 W, der er garanteret at være til rådighed for det udstyr, der skal forsynes med strøm.)

Teknologien bruger et enkelt RJ45-stik og et Cat5-kabel (eller endda Cat3-kabel) og kan håndtere titusindvis af watt. Når Ethernet-netværket er installeret til kommunikation, kan det også bruges til strømforsyning, hvilket sparer på materialer, arbejdskraft, installationstid og løbende vedligeholdelsesomkostninger.

Strøm kan overføres på de ubrugte ledere i Ethernet-kablet, da kun to af de fire par i Cat5-kabler er nødvendige for de typiske fysiske lag på 10 til 100 Mbps (denne teknik kaldes "Alternativ B" i IEEE-standarderne). Der kan også overføres strøm på kablets dataledere ved at anvende en common-mode spænding på hvert par. Da Ethernet anvender differentiel signalering, forstyrrer dette ikke kablets datatransmission ("Alternativ A" i standarderne).

IEEE 802.3af definerer to typer PoE-enheder, nemlig Power Sourcing Equipment (PSE) og Powered Device (PD). En PSE får strøm fra sin egen konventionelle strømforsyning og styrer derefter den strøm, der sendes via Ethernet-kabelnetværket til PD'en, som får den strøm, den har brug for, via et RJ45-stik uden at have brug for en indbygget strømforsyning. PoE kan forsyne PD'er med strøm via typiske Ethernet-kabelstrækninger på op til 100 meter. PD'er er enheder som f.eks. de originale VoIP-telefoner og trådløse adgangspunkter, sikkerhedskameraer, POS-terminaler (Point-of-Sale), temperaturkontrolsystemer og endda underholdningssystemer om bord på fly.

Ud over at standardisere den eksisterende praksis for strømtransmission af reservepar og common-mode-datapar giver IEEE PoE-standarderne mulighed for signalering mellem PSE og PD. Denne signalering gør det muligt for PSE'en at registrere overensstemmende enheder, så man undgår at beskadige ikke-PoE-enheder, der er tilsluttet et netværk. PSE og PD "forhandler" om den nødvendige eller tilgængelige effekt. For at registrere en PD anvender PSE en jævnspænding på mellem 2,8 og 10 V over lederen. PSE'en afgør derefter, om der er en PD tilsluttet ved at måle loopstrømmen. PD'en skal have en resistiv belastning på mellem 19 og 27 kΩ med en parallelkondensator på 120 nF eller mindre som signatur.

Figur 2 viser en skematisk fremstilling af en PSE, der forsyner en PD med strøm.

Figur 2: En typisk PoE-applikation (med venlig hilsen fra Texas Instruments).

Forbedring af standarden

PoE kan levere ca. 13 W til PD'en, men nogle enheder kan have gavn af mere strøm (f.eks. kameraer med panorerings-, tilt- og zoomfunktioner (PTZ)). For at imødekomme disse produkter blev der i 2009 indført en anden standard, IEEE 802.3at, for at imødekomme disse produkter. Teknologien, der også er kendt som "PoE+", kan levere op til 25,5 W DC til PD'en. PSE leverer 50 til 57 VDC sammenlignet med 44 til 57 VDC for PoE. Strømmen til PoE+ er steget til 600 mA sammenlignet med den tidligere teknologis 350 mA.

PoE+ bruger kun Cat5-kabel (som har otte interne ledninger sammenlignet med Cat3's fire ledninger), hvilket mindsker risikoen for mulig impedans og reducerer strømforbruget. Desuden giver PoE+ netværksadministratorer større muligheder, f.eks. ny fjerndiagnostik af strømforsyning, statusrapportering og PD-strømstyring (herunder fjernstyret strømcyklusering af indlejrede enheder).

Endelig giver PoE+ dynamisk strømfordeling, optimeret strømfordeling og god udnyttelse af strømforsyningen, hvilket fører til øget systemeffektivitet og reducerede omkostninger.

Tabel 1 sammenligner PoE (IEEE 802.3af) og PoE+(IEEE 802.3at).

Tabel 1: Sammenligning mellem PoE og PoE+.

Slutspænd og midterspænd

PSE'er kan implementeres som endspans (en Ethernet PoE-aktiveret switch) eller som midspans (en power hub, der anvendes sammen med en Ethernet-switch uden strømforsyning, som allerede er på plads på netværket). PD'er kan modtage strøm lige godt fra endspans eller midspans.

Endspans anvender strøm direkte til enhederne. I henhold til specifikationerne kan endspans bruge enten reserveparrene eller dataparrene i kablet, som også kan bruges til gigabit Ethernet-transmissioner. Endspans kræver PoE-aktiverede switche og er derfor ofte specificeret til nye installationer, der kræver nyt udstyr.

Midspans anvender et mellemliggende strømforsynet patchpanel eller "injektor", der placeres mellem en eksisterende Ethernet-switch og PD'erne. Midspan-systemet er typisk placeret ved siden af switchen og betragtes som PSE, hvilket gør det muligt at føre kablet uhindret til eksterne enheder. Ifølge specifikationen må midspans kun bruge det ekstra par i kablet; de kan derfor ikke bruges til at sende strøm over datalinjer som f.eks. gigabit Ethernet-forbindelser.

Der findes en række midspan-injektorer, som er let tilgængelige til tilføjelse til et gammelt Ethernet-netværk. Laird Technologies leverer sin POE-48I strømforsyning til denne anvendelse. Strømforsyningen har automatisk rangering på indgangssiden og har en reguleret udgangsspænding. Enheden fungerer med alt udstyr, der er i overensstemmelse med IEEE 802.3af-standarden. POE-48I har en enkelt port og kan levere 48 V ved 500 mA for op til 24 W.

Microsemi Analog Mixed Signal Group tilbyder en midspan-injektor med en enkelt port, der overholder IEEE 802.3at-standarden med højere effekt, PowerDsine9001GR. 9001GR genererer op til 30 W ved 55 V og giver mulighed for fjernstrøm til en ny række applikationer, herunder PTZ-kameraer og videotelefoner. Enheden er bagudkompatibel med IEEE 802.3af og kan forsyne eksisterende 10/100Base-T-netværksenheder og nye trådløse 1000Base-T-enheder som WiMAX og IEEE 802.11n trådløse adgangspunkter med strøm. Figur 3 illustrerer typiske anvendelser.

Figur 3: Eksempel på anvendelse af PowerDsine 9001GR midspan Ethernet-switch.

Der findes også mange midspans med flere porte. Phihong leverer midspans med 8, 16 og 24 porte. POE370U er en 24-ports midspan-injektor, der er i overensstemmelse med IEEE802.3af. Hver port leverer 15,4 W uden yderligere strømstyring. Enheden er udstyret med detektions-, afbrydelses- og overbelastningsbeskyttelse og kan leveres med et rackmonteringssæt med 1 HE.

Midspan-leverandørerne kan også tilbyde "splittere". Det er enheder, der bruger en PoE-indgang, som er opdelt i to udgange: data og strøm. Strømmen kan omdirigeres til slutanordningen ved hjælp af mere konventionelle midler, f.eks. et jævnstrømskabel. Splittere fungerer som en mellemled mellem en kompatibel PSE og en ikke-kompatibel PD.

Laird Technology leverer POE-12S-AFI aktiv PoE splitter, som kan modtage PoE-strøm fra enhver IEEE 802.3af-router eller strømforsyning. Enheden er udstyret med overbelastnings- og kortslutningsbeskyttelse og slukker for strømmen straks, når der registreres en kortslutning, uden at PoE-systemet beskadiges.

Valg mellem et endspan- eller midspan PoE-netværk

Endspans er dyrere at implementere og fungerer kun med PD'er, der er defineret i IEEE-standarden, men der er gode grunde til at vælge denne teknik. Ingeniører har f.eks. tendens til at vælge slutspændingsafbrydere, hvis de udskifter alle de gamle afbrydere, eller hvis installationen er ny.

En anden grund til at bruge endspans er at undgå de uordenlige og uhensigtsmæssige ekstra patchkabler og det ekstra arbejde, der er forbundet med at forbinde en konventionel Ethernet-switch til en midspan PoE-hub. To enheder i stedet for én fordobler også de potentielle fejlpunkter og gør livet mere komplekst for administratorer, der arbejder i virksomheder, som insisterer på en separat IP-adresse for hvert enkelt udstyr på netværket.

Ingeniører, der vælger endspan-switche, skal være opmærksomme på, at mange endspan-enheder kun kan levere maksimalt 200 W, så en switch med 24 porte kan kun levere maksimalt 8,3 W pr. port, hvilket er mindre end de 15,4 W maksimal effekt, der er angivet i PoE-standarden.

Ingeniører, der allerede har relativt nye Ethernet-switches på plads, foretrækker midspan-switches, fordi det ville være dyrt at udskifte switchene for at få PoE-funktionalitet. Ingeniøren skal dog sikre sig, at switchproducenten er indforstået med, at netværket understøtter midspan-produkter, og at der er tilstrækkelig plads til at rumme dem.

Ud fra et elektrisk perspektiv er midspan-switche at foretrække, hvis netværksteknikeren ønsker at bruge ikke-standardiserede spændinger som 24, 12 og 5 V til bestemte PD'er og ønsker at maksimere den strøm, der er tilgængelig fra hver port. Midspan-switche er også en nyttig løsning til netværk, der omfatter mange ældre enheder, som har deres egne strømkilder samt PoE-enheder.

Midspan-switche har som regel længere garanti end endspan-switche (to år i forhold til et år) og kan fungere med både standard- og proprietære applikationer.

Figur 4 viser netværk, der er opbygget ved hjælp af endspan- og midspan-switche.

Figur 4: Diagram over netværk med endspan- og midspan-switche.

Traditionelt har PSE'er indeholdt diskrete kredsløb, der var opdelt i kommunikationsgrænsefladen mellem strømforsyningen, Ethernet-netværket og strømforsyningen. For at gøre implementeringen endnu nemmere har siliciumleverandørerne imidlertid lanceret en række integrerede PSE-controllere til optimering af driften af en PoE+-installation.

Disse controllere reducerer kompleksiteten og antallet af eksterne komponenter, der kræves til PoE- og PoE+-udstyr, ved at kombinere grænsefladekredsløbet med en lineær regulator eller en switching-strømforsyning, der konverterer forsyningsspændingen til 50 til 57 VDC, som er egnet til Ethernet-kablet. (Du kan finde flere oplysninger om disse komponenter i TechZone-artiklen "Power-over-Ethernet Adapts to Meet Higher Demand" (Power-over-Ethernet tilpasser sig til større efterspørgsel)

Hvad er det næste? - IEEE 802.3bt

Sammenfattende kan man sige, at PoE siden udviklingen i begyndelsen af århundredet er blevet en populær teknologi, især til kommercielle og industrielle applikationer. Teknologien er relativt enkel at implementere, især i forbindelse med nye installationer, og indførelsen af midspan-switche har gjort det lettere at tilføje PoE til ældre netværk. Indførelsen af PoE+ (IEEE 802.3at) har øget den strøm, der er tilgængelig for PD'er, hvilket har ført til indførelse af nye applikationer, som tidligere var for strømkrævende til at fungere med den ældre teknologi.

Siden 2009, da IEEE 802.3at blev ratificeret, er PoE-teknologien fortsat med at udvikle sig, fordi ingeniører gerne vil tilføje nye PD'er, der kræver endnu mere strøm. I et forsøg på at supplere IEEE 802.3at blev mange proprietære PoE-protokoller med mulighed for at levere op til 60 W og op til 95 W introduceret på markedet under forskellige navne som f.eks:

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

Bemærk, at disse teknologier ikke overholder de nuværende standarder og ikke er interoperable, hvilket kan være skadeligt for ikke-kompatibel hardware. De skabte dog præcedens for, at der kunne udvikles en version af standarden med højere effekt.

I slutningen af 2018 blev en ny IEEE 802.3bt-standard for PoE ratificeret, som muliggjorde strømforsyning på 71,3 W til PD'er, mens der blev sendt 90 W fra PSE-siden.

Tabel 2 opsummerer PSE's muligheder for at sende strøm og PD's muligheder for at modtage strøm for alle standarderne:

Tabel 2: PoE Power-kapacitet for alle standarder (med tilladelse fra Microchip)

Note 1: Udvidet effektkapacitet for PD-indgang op til 60 W og 90 W er tilladt, hvis kabellængden er 2 til 5 meter.

Ud over at give mulighed for at overføre mere strøm via Ethernet-kabler definerer den nye PoE IEEE 802.3bt-standard mange andre nye funktioner/forbedringer i forhold til de tidligere IEEE 802.3af- og IEEE 802.3at-standarder, herunder:

• Understøtter to PD-konstruktioner: PD med enkelt signatur og PD med dobbelt signatur
• Virker over fire par Ethernet-kabel
• Automatisk klasse (Autoclass) funktionalitet
• Udvidet strømkapacitet med en kendt kabellængde
• Støtte til lav standbyeffekt (kort MPS)
• Understøtter 2,5G-BaseT, 5G-BaseT, 10G-BaseT
• Bagudkompatibel med IEEE 802.3at/af

Du kan finde flere oplysninger om den nye IEEE 802.3bt-standard på AE Ethernet Alliance-webstedet.