wersja mobilna
Online: 604 Sobota, 2016.12.10

Technika

Po 10 latach zasilanie przez Ethernet stało się standardem

poniedziałek, 14 lipca 2014 12:59

Obecnie ponad 100 milionów rozmaitych urządzeń końcowych rozmieszczonych w takich dużych aplikacjach, jak bezprzewodowe punkty dostępowe (AP) czy telefony VoIP, jest zasilanych z wykorzystaniem standardu Power over Ethernet (PoE). Na szybki wzrost popularności tej metody upłynęło z pewnością opracowanie wersji PoE+ zdolnej do dostarczania zasilania odbiorników o większym poborze energii.

Tabela 1. Potencjalne zastosowania PoE, wymagającego w urządzeniu końcowym pow. 25 W

Wprowadzenie nowego standardu PoE+ pozwoliło na podwojenie mocy doprowadzanej do urządzeń końcowych w stosunku do tego, co zaproponowano w 2004 roku. Dzięki temu zasilaniem przez Ethernet można objąć więcej urządzeń, niż umożliwia to klasyczna wersja standardu, dzięki wykorzystaniu do tego celu wszystkich czterech skrętek znormalizowanego kabla Ethernet. Grupa robocza PoE IEEE 802. bt zamierza także standaryzować PoE dla 10GBASE-T (10-Gbit Ethernet).

Umożliwienie zasilania urządzeń końcowych większą mocą ogromnie poszerzy stosowanie PoE. Podstawowe zalety tej techniki zawsze były ograniczane kosztami. Przesyłanie informacji wraz z zasilaniem jednym łączem jest tańsze niż oddzielnymi liniami. Dzięki temu instalowanie czy przenoszenie urządzenia sprowadza się do poprowadzenia standardowego kabla CAT5/6, bez konieczności szukania nowego punktu zasilającego.

Producenci systemów i półprzewodników udostępniają już układy o mocy 60 W lub większej, co najmniej dublujących moc dostarczaną w aktualnym standardzie IEEE 802.3at zwanym PoE+ (2009). Oznacza to, że zanim standard 802.3bt zostanie oficjalnie zatwierdzony, technika PoE będzie już stosowana do zasilania aplikacji większej mocy, jak zarządzanie budynkami, terminalami kasowymi i przemysłowymi systemami kontrolnymi, pomimo że w niestandardowych realizacjach muszą być one projektowane i uruchamiane w formie systemów autonomicznych (tabela 1).

Podstawy PoE

Rys. 1. Schemat układu zasilającego PoE z wykorzystaniem czterech par przewodów

Udoskonalenie techniki przesyłania mocy do urządzenia końcowego na pierwszy rzut oka jest bardzo proste - zwiększenie liczby przewodzących prąd przewodów. Chociaż standardowy kabel Ethernet CAT5/6 RJ-45 składa się z czterech skrętek (par), to zgodnie z standardem PoE zasilanie przesyła się tylko dwoma. Proponowana zmiana w 802.3 przewiduje użycie do tego celu wszystkich czterech.

Jest to trzecia wersja standardu PoE. Grupa robocza, utworzona do przeglądu rekomendacji dla nowego standardu, rozważy zwiększenie mocy do bezpiecznej, z rozsądnym marginesem, granicy 100 W. W każdej wersji muszą być brane pod uwagę straty energii i długość połączenia, warto więc przypomnieć krótką historię ewolucji PoE.

W pierwotnym standardzie IEEE 802.3af (2004) zdefiniowano dwa podstawowe typy urządzeń, endspan i midspan. Urządzenia endspan zasadniczo są przełącznikami Ethernet z dodanymi układami PoE. Są one zwykle rozmieszczane albo w nowych instalacjach, albo gdy przełącznik jest zastępowany nowszym, dostosowanym do szybszego Ethernetu. Midspan nie są wbudowane w przełącznik, tylko umieszczane pomiędzy nim a urządzeniem zasilanym (PD).

Najczęściej są one wprowadzane wraz z dołączanym telefonem IP lub bezprzewodowym AP do istniejącej sieci bez PoE. Rozróżnienie to jest istotne, ponieważ midspan nie dysponuje niektórymi funkcjami dostępnymi w endspan. Standard specyfikuje również sposób dostarczania z nominalnego zasilacza 48 V do każdego PD do 15,4 W mocy. Straty energii w przewodach ograniczają tę moc do 12,95 W. Potrzeba jej zwiększania jest siłą napędową powstawania kolejnych wersji standardu.

W standardzie IEEE 802.3at (zwanym również PoE+, 2009) element PD otrzymuje z PSE (element ze źródłem zasilania) do 30 W z nominalnego zasilacza 50 V. Po odjęciu strat w przewodach do PD dociera 25,5 W. W obu standardach PD musi działać albo za pośrednictwem dwóch skrętek zapasowych (przewody 4-5 i 7-8, czyli Alt-B), albo dwóch skrętek z danymi (1-2 i 3-6, czyli Alt-A). W IEEE 802.3at zdefiniowano dwa typy systemu. Typ 1 zapewnia w PD moc maksymalną 12,95 W, natomiast typ 2 moc 25,5 W. Typy te różnią się także innymi parametrami, jak zakres napięcia.

Nie wszystkie połączone z Ethernetem urządzenia wspierają PoE, zatem PD musi być identyfikowany jako zgodny ze standardem PoE. Projektant umieszcza w nim w tym celu pomiędzy zasilanymi przewodami rezystor 25 kΩ. Jeśli PSE wykryje rezystancję większą lub mniejszą (także zwarcie), zasilania nie wyśle. W ten sposób są chronione urządzenia niezgodne z PoE. Jak już zaznaczono, aktualny standard wspiera działanie PD zarówno z mocą 12,95 W, jak i z mocą 25,5 W. Proces detekcji jest taki sam w IEEE 802.3.af i w IEEE 802.3at. Proces uruchamiający zasilanie jest realizowany w szeregu kolejnych kroków.

IEEE 802.3af jest przeznaczony do współdziałania z 10BASE-T, a także 100-BASE-TX, w których do transmisji danych używane są dwie skrętki. Do możliwości IEEE 203.at dołączono jeszcze 1000BASE-T, w którym do transmisji danych używa się wszystkich czterech skrętek. W standardzie PoE 2004 ani w uzupełnieniu 2009, nie zostały specyfikowane połączenia 10GBASE-T, jego wsparcie jest jednak niezbędne do nadążania za oczywistymi oczekiwanymi rynkowymi zwiększania szybkości transmisji danych, jak tylko staną się możliwe.

Dell’Oro Group, firma badań rynkowych, która specjalizuje się w sieciach i telekomunikacji, spodziewa się, że do roku 2017 będzie rozmieszczonych około 9 mln węzłów Gigabit Wi-Fi. Przewidując ten trend, grupa badawcza pracuje nad rozwiązaniami technologicznymi, które pozwolą rozciągnąć PoE na łącza 10GBASE-T. Specyfikację PoE można znaleźć w punkcie 33 ostatnio opublikowanego IEEE 802.3-2012.

Cztery skrętki zamiast dwóch

Tabela 2. Straty w kablu przeciętnej instalacji PoE w porównaniu do strat w instalacji o maksymalnych dopuszczalnych stratach

Potrzeba zwiększenia mocy przesyłanej do urządzeń końcowych przyczynia się do rozwoju standardu IEEE 082.3bt, prowadzi również do zwiększenia sprawności jego działania. Wobec światowego trendu poprawy sprawności energetycznej, sprawność projektowanych urządzeń staje się priorytetem. Spore trudności przejścia od 13 W do 25,5 W mocy portów biorą się z wykładniczego charakteru wzrostu strat w przewodach. Najskuteczniejszym sposobem zwiększenie sprawności jest użycie do przesyłania zasilania wszystkich czterech skrętek kabla, wynika to z kwadratowej zależności mocy od natężenia prądu.

Dla rozwiązania czteroskrętkowego tracona moc jest dwukrotnie mniejsza. Dla niezmienionego obciążenia użycie wszystkich przewodów w aktualnej instalacji, dzięki zmniejszeniu impedancji o połowę, podwyższa sprawność zasilania urządzeń o nieco ponad 50%. Zatem suma mocy traconej w kablu i pobieranej przez PD jest mniejsza. Przykładem niech będzie 24-portowy system IEEE 802.3at-2009 typu 2, dostarczający 25,5 W do każdego PD kablem o długości 100 m. Rezultatem zmiany rozwiązania na 4-skrętkowe jest oszczędność ponad 60 W.

W tabeli 2 porównuje się straty energii w instalacji przeciętnej i najgorszej pod względem zasilania PoE. W instalacji przeciętnej maksymalna moc nie jest wymagana, a długość kabla wynosi około 40 m. W instalacji najgorszej pobierana jest maksymalna moc 25,5 W, a kabel ma maksymalną długość 100 m.

Przy ostrożnej ocenie liczby 100 mln zainstalowanych węzłów i danych z tabeli 2, przeciętne roczne straty energii w kablach PoE Ethernet o rozwiązaniu dwuskrętkowym wynosiłyby 121,7 MWh. Przy rozwiązaniu czteroskrętkowym straty wynosiłyby 60,8 MWh. Oprócz redukcji wywołanych przez PoE strat środowiskowych, rozwiązanie czteroskrętkowe oferuje operatorom dużych sieci Ethernet z systemem PoE znaczne oszczędności inwestycyjne. Warto jednak przypomnieć, że stosowanie konwersji zasilania PoE zapewnia gorszą sprawność niż zasilanie ich wprost z sieci energetycznej. Jednak w miarę usprawniania technologii konwersji zasilania różnica ta będzie malała, zmniejszając przewagę w kosztach.

Jak już wspomniano, rozwiązanie czteroskrętkowe zrealizowano już w kilku własnych instalacjach firmowych. Jest więc na tyle dojrzałe, aby je uznać za realizowalne i będące potencjalnym usprawnieniem rodziny standardów PoE.

Zasilanie

Jeśli rozwiązanie czteroskrętkowe pozwala aż trzykrotnie zwiększyć moc PSE, istotny staje się sposób rozporządzania tą mocą, aby liczne PD otrzymywały potrzebną im moc i aby zasilanie PSE miało poprawny rozmiar. Aktualny standard PoE opiera się na koncepcji przesyłania mocy (power forwarding) od jednego urządzenia kolejno do następnych.

Jednym z często przytaczanych przykładów jest pokój hotelowy, w którym oprócz zasilania punktu dostępowego (AP), PoE służy do zasilania lampki LED, zegara, radioodbiornika i innych urządzeń tego samego klastra. Jeśli infrastruktura IT ma rezerwowy zasilacz, jest to dla hotelowych gości szczególnie użyteczne i wygodne.

Innym przykładem użyteczności przesyłania mocy jest możliwość sytuowania przełączników na zewnątrz okablowanych pomieszczeń. Ułatwia to rozmieszczanie różnych PD, jak AP, kamer IP, terminali kasowych z drukarkami, jednostek kontroli dostępu i automatyki budynków w miejscach oddalonych od gniazdek zasilania.

Takie formy przesyłania mocy wymagają jakiegoś sposobu określania i rozliczania tej mocy (power budgeting). Jak już wspomniano, aktualny standard pozwala PD "negocjować" swój tryb zasilania w stopniach po 100 mW za pośrednictwem protokołu Link Layer Discovery Protocol (LLDP). Standard ten specyfikuje pięć poziomów mocy, jeden domyślny i cztery opcjonalne, ustalane sprzętowo. Klasa 0 (domyślna) rozciąga się od 0,44 W do 12,95 W, Klasa 1 (bardzo małej mocy) od 0,44 W do 3,84 W, klasa 2 (małej mocy) od 3,84 W do 6,49 W, klasa 3 (średniej mocy) od 6,49 W do 12,95 W i klasa 4 (dużej mocy) od 12,95 W do 25,50 W. Z klasy 4 mogą korzystać tylko urządzenia IEEE 802.3at (typ 2).

Zgodnie z nowym standardem zapewniającym większą moc PoE będzie wykorzystywany do zasilania większej liczby urządzeń, co bardziej skomplikuje systemy. Proces negocjowania powinien więc być poddany dalszym rozważaniom, a grupa robocza IEEE pracuje nad uproszczeniem negocjacji sposobu obliczania mocy.

W ramach nowego standardu midspan może realizować opisane negocjacje sprzętowe, dotyczą one bowiem urządzeń jednoportowych, wprowadzających jedynie niekolidujące z przepływem danych zasilanie.

Ponieważ jednak midspan są z definicji umieszczane pomiędzy przełącznikami i tam wprowadzają zasilanie, ułatwiają instalowanie kabli o dużym zasięgu. Gdyby midspan były zdolne do komunikacji LLDP, mogłyby obsługiwać kable do 200 m, 100 m od przełącznika do midspan i drugie 100 m do PD. Ale wtedy technicznie nie byłyby to już midspan, tylko dwuportowe endspan, zawierałyby bowiem po dwa aktywne porty Ethernet.

Projektowanie

Standardy udostępniają zestaw najlepszych procedur i specyfikacji, zapewniających urządzeniom zgodność ze standardem i współpracę z innymi standardowymi urządzeniami. Projektant jest więc zmuszony do podejmowania licznych decyzji, unikając równocześnie licznych trudności.

Przedstawiony na ilustracji system PoE od końca do końca składa się z PSE, PD, przełącznika, okablowania i, co ważne, zasilacza DC-DC. Często jest to po prostu PD, który zostanie dołączony do systemu PoE. Projektant musi być świadom pułapek, na jakie może się natknąć. Przy projektowaniu PD do systemów PoE musi mieć w pamięci trzy wskazówki:

  • Ważne jest zapewnienie ochrony przetężeniowej PD, PoE brakuje bowiem funkcji płynnego rozruchu przy dostarczaniu zasilania do klienta.
  • Należy użyć zasilacza izolowanego. Ponieważ pomiędzy źródłem napięcia PoE i użytkownikiem nie ma rozgraniczenia, przepięcia i zwarcia mogą wywoływać uszkodzenia. Dla zapewnienia certyfikowanego bezpieczeństwa izolacja ta powinna wytrzymywać 1500 VAC i 2250 VDC.
  • Należy starannie wybrać obudowę wraz z rozmieszczeniem wyprowadzeń wejścia PD i kontrolera DC-DC, których wymiary i prąd upływu muszą spełniać wymagania UL i innych organizacji certyfikacyjnych. Dla obudowy bezwyprowadzeniowej może to być trudne. Przydatna może okazać się nieco większa, starsza obudowa.
Zakończenie

PoE jest teraz standardem odpowiadającym wymaganiom urządzeń połączonych siecią Ethernet, znacznie bowiem obniża koszty zasilania urządzeń końcowych. Dzięki temu PoE osiągnęło istotny sukces. Jednakże w dwóch poprzednich wersjach niektóre aplikacje zostały wyeliminowane z użycia PoE z powodu zbyt małej mocy dopuszczalnej.

Zmniejszenie ograniczeń mocy i drobne usprawnienia dla nowych typów PD pozwalają zwiększyć moc zasilania. Grupa robocza IEEE pracuje nad wykorzystaniem wszystkich czterech skrętek kabla do zwiększenia zasilania dotychczasowych PD niskiej mocy i dla nowych aplikacji mogących skorzystać z PoE. Grupa rozważa również propozycje poszerzenia zastosowania PoE do połączeń 10GBASE-T i poprawy jego zdolności do zwiększenia mocy zgodnie z aktualnymi wymaganiami.

KKP