Een inleiding tot Power-over-Ethernet

Door stroom en communicatie via één enkele Cat3- of Cat5-kabel te combineren, kunnen technici snel en goedkoop onderhoudsarme Ethernet-netwerken aanleggen in vergelijking met installaties die gebruik maken van afzonderlijke systemen. Het is geen verrassing dat de technologie snel is omarmd en geformaliseerd in een norm van het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Nagesynchroniseerd met "Power-over-Ethernet" (PoE), de belangrijkste voordelen van de technologie zijn de eenvoud en het feit dat stroom beschikbaar is overal waar een datasocket is.

Dit artikel geeft een inleiding tot PoE en het hogere vermogen PoE+, schetst de normen, verklaart de samenstellende delen, Powered Devices, Power Sourcing Equipment, "midspan", en "endspan" Ethernet schakelaars en splitters, en beschrijft een eenvoudig systeem.

De begindagen van PoE

PoE is ontstaan als antwoord op het probleem van de voeding van Voice over Internet Protocol (VoIP) telefoons. Traditionele telefoons haalden hun stroom rechtstreeks uit de koperdraden waarmee telefoongesprekken werden gevoerd. De steeds populairder wordende VoIP-telefoons zijn echter niet aangesloten op deze conventionele circuits, maar voeren gesprekken via de Ethernet-kabels van het Local Area Network (LAN) van een bedrijf. De Ethernet-kabels hadden geen stroom, zodat de VoIP-telefoons via een adapter op het lichtnet moesten worden aangesloten. Het was een minder elegante oplossing, en als de stroom uitviel, gingen de telefoons uit.

In 2000 was Cisco, de leverancier van telecommunicatieapparatuur, de eerste onderneming die het traditionele telefoonsysteem nabootste door een eigen technologie te introduceren waarmee ethernetkabels een voeding van 48 VDC konden dragen om VoIP-telefoons van stroom te voorzien (fig.1). PoE kwam echter pas echt in opmars in 2001 en 2002, toen andere fabrikanten, met name fabrikanten van draadloze toegangspunten, hun voordeel deden met de techniek.

Figuur 1: Een Cisco VoIP-telefoon met PoE (met dank aan Cisco).

De technologie trok uiteindelijk de aandacht van de IEEE, die reeds in 1983 verantwoordelijk was voor de vaststelling van de "Ethernet-norm" (IEEE 802.3). De organisatie was van mening dat het van cruciaal belang was een standaardversie van PoE te creëren, zodat elke fabrikant zijn producten "PoE ready" kon maken. Het werk werd toegewezen aan een werksubcomité van het IEEE 802.3 Ethernet Comité en kreeg de naam "802.3af". In juni 2003 bekrachtigde het werksubcomité de IEEE 802.3af PoE-norm. In 2009 werd een tweede norm, IEEE 802.3at, geratificeerd die een soortgelijke technologie definieerde die meer vermogen aankon.

Wat wordt in de norm gedefinieerd?

IEEE 802.3af beschrijft een PoE-technologie die ontworpen is om tot 15,4 W gelijkstroomvoeding (minimaal 44 VDC en 350 mA) te leveren aan elk apparaat. (Wegens verliezen in de kabel is slechts 12,95 W gegarandeerd beschikbaar bij de te voeden apparatuur)

De technologie maakt gebruik van een enkele, standaard RJ45-connector en Cat5- (of zelfs Cat3-) kabel en kan tientallen watts aan. Zodra het Ethernet-netwerk is geïnstalleerd voor communicatie, kan het ook worden gebruikt voor stroomvoorziening, waardoor wordt bespaard op materiaal, arbeid, installatietijd en lopende onderhoudskosten.

De stroom kan worden doorgegeven via de ongebruikte geleiders van de Ethernet-kabel, aangezien slechts twee van de vier paren in Cat5-bekabeling nodig zijn voor de typische fysieke lagen van 10 tot 100 Mbps (deze techniek wordt "Alternatief B" genoemd in de IEEE-normen). Er kan ook stroom worden overgebracht op de gegevensgeleiders van de kabel door een common-mode spanning op elk paar aan te brengen. Omdat Ethernet gebruik maakt van differentiële signalering, heeft dit geen invloed op de datatransmissie van de kabel ("Alternatief A" in de normen).

IEEE 802.3af definieert twee types PoE apparaten, Power Sourcing Equipment (PSE) en het Powered Device (PD). Een PSE haalt stroom uit zijn eigen conventionele voeding en beheert vervolgens de stroom die via het Ethernet-kabelnetwerk naar de PD wordt gestuurd, die de benodigde stroom afneemt via een RJ45-connector zonder dat hij een ingebouwde voeding nodig heeft. PoE kan PD's van stroom voorzien via typische Ethernetkabels tot 100 meter. PD's zijn apparaten zoals de originele VoIP-telefoons en draadloze toegangspunten, beveiligingscamera's, betaalterminals, temperatuurcontrolesystemen en zelfs entertainmentsystemen aan boord van vliegtuigen.

Naast het standaardiseren van de bestaande praktijk voor de transmissie van reservepaar- en common-mode dataparenergie, voorzien de IEEE PoE-normen in de signalering tussen de PSE en de PD. Dankzij deze signalering kunnen conforme apparaten door de PSE worden gedetecteerd, waardoor schade aan niet-PoE-apparaten die op een netwerk zijn aangesloten, wordt voorkomen. De PSE en de PD "onderhandelen" over de hoeveelheid stroom die nodig of beschikbaar is. Om een PD te detecteren, zet de PSE een gelijkspanning tussen 2,8 en 10 V op de geleider. De PSE bepaalt vervolgens of er een PD is aangesloten door de lusstroom te meten. De PD moet een weerstandsbelasting tussen 19 en 27 kΩ voorstellen met een parallelle condensator van 120 nF of minder als signatuur.

Figuur 2 toont een schematische weergave van een PSE die een PD van stroom voorziet.

Figuur 2: Een typische PoE-toepassing (met dank aan Texas Instruments).

Verbetering van de norm

PoE kan ongeveer 13 W aan de PD leveren, maar sommige apparaten hebben meer vermogen nodig (bijvoorbeeld camera's met pan-, tilt- en zoomfunctie (PTZ)). Om aan deze producten tegemoet te komen, werd in 2009 een tweede norm, IEEE 802.3at, ingevoerd. Deze technologie, ook bekend als "PoE+", kan tot 25,5 W gelijkstroom leveren aan de PD. De PSE levert 50 tot 57 VDC vergeleken met 44 tot 57 VDC voor PoE. De stroom voor PoE+ is verhoogd tot 600 mA, vergeleken met de 350 mA van de vorige technologie.

PoE+ gebruikt alleen Cat5-kabel (die acht interne draden heeft, vergeleken met de vier draden van Cat3), waardoor de kans op mogelijke impedantie afneemt en de vermogensdissipatie vermindert. Bovendien biedt PoE+ netwerkbeheerders meer mogelijkheden, zoals nieuwe diagnostiek op afstand van de stroomvoorziening, statusrapportage en PD-voedingsbeheer (inclusief het op afstand uitschakelen van embedded apparaten).

Tenslotte biedt PoE+ dynamische stroomtoewijzing, geoptimaliseerde stroomverdeling en een goed gebruik van de stroomvoorziening, wat leidt tot een hogere systeemefficiëntie en lagere kosten.

Tabel 1 vergelijkt PoE(IEEE 802.3af) en PoE+(IEEE 802.3at).

Tabel 1: Vergelijking tussen PoE en PoE+.

Eindspans en middenspans

PSEs kunnen worden geïmplementeerd als endspans (een Ethernet PoE-geschikte switch) of als midspans (een power hub die wordt gebruikt in combinatie met een niet-gevoede Ethernet-switch die al in het netwerk aanwezig is). PD's kunnen even goed stroom ontvangen van eind- als middenspanningen.

Endspans geven rechtstreeks stroom aan de apparaten. Volgens de specificaties kunnen de eindstations ofwel de reserveparen ofwel de dataparen in de kabel gebruiken, die ook kunnen worden gebruikt voor gigabit Ethernet-transmissies. Endspans vereisen PoE-switches, en worden daarom vaak gespecificeerd voor nieuwe installaties die nieuwe apparatuur vereisen.

Midspans maken gebruik van een intermediair gevoed patchpaneel, of "injector", dat tussen een bestaande Ethernet-switch en de PD's wordt geplaatst. De midspan bevindt zich meestal naast de schakelaar en wordt dan beschouwd als de PSE, zodat de kabel ongehinderd naar apparaten op afstand kan worden geleid. Volgens de specificatie mogen midspans alleen het reservepaar in de kabel gebruiken; zij kunnen dus niet worden gebruikt om stroom te verzenden via datalijnen zoals gigabit Ethernet-verbindingen.

Er is een reeks midspan-injectoren beschikbaar voor toevoeging aan een verouderd Ethernet-netwerk. Laird Technologies levert zijn POE-48I voeding voor deze toepassing. De voeding is auto-ranging aan de ingangszijde en heeft een gereguleerde spanningsuitgang. Het apparaat werkt met alle apparatuur die voldoet aan de IEEE 802.3af standaard. De POE-48I heeft een enkele poort en kan 48 V bij 500 mA leveren voor maximaal 24 W.

Microsemi Analog Mixed Signal Group biedt een single-port, midspan injector die voldoet aan de higher-power IEEE 802.3at standaard, de PowerDsine9001GR. De 9001GR genereert tot 30 W bij 55 V en maakt stroomvoorziening op afstand mogelijk voor een nieuwe reeks toepassingen, waaronder PTZ-camera's en videofoons. Het apparaat is achterwaarts compatibel met IEEE 802.3af en kan bestaande 10/100Base-T netwerkapparaten en opkomende draadloze 1000Base-T apparaten, zoals WiMAX en IEEE 802.11n draadloze toegangspunten, van stroom voorzien. Figuur 3 illustreert typische toepassingen.

Figuur 3: Toepassingsvoorbeeld voor PowerDsine 9001GR midspan ethernetswitch.

Er zijn ook veel multipoort-midspans verkrijgbaar. Phihong levert midspans met 8, 16 en 24 poorten. De POE370U is een 24-poorts midspan injector die voldoet aan IEEE802.3af. Elke poort levert 15,4 W zonder extra energiebeheer. De unit biedt detectie, uitschakel- en overbelastingsbeveiliging, en kan worden geleverd met een 1 U rack-montagekit.

De midspan-leveranciers kunnen ook "splitters" aanbieden. Dit zijn apparaten die gebruik maken van een PoE-ingang die wordt opgesplitst in twee uitgangen: data en stroom. De stroom kan met conventionelere middelen, zoals een gelijkstroomkabel, naar het eindapparaat worden geleid. Splitters fungeren als een intermediair tussen een PSE die aan de eisen voldoet en een PD die niet aan de eisen voldoet.

Laird Technology levert de POE-12S-AFI actieve PoE splitter die PoE stroom kan accepteren van elke IEEE 802.3af router of voeding. De unit is voorzien van overbelastings- en kortsluitingsbeveiliging en zal de stroom onmiddellijk uitschakelen wanneer een kortsluiting wordt gedetecteerd, zonder schade aan het PoE-systeem.

Kiezen tussen een endspan of midspan PoE-netwerk

Endspans kosten meer om te implementeren en werken alleen met PD's die door de IEEE-norm worden gedefinieerd, maar er zijn enkele goede redenen om voor deze techniek te kiezen. Ingenieurs kiezen bijvoorbeeld meestal voor eindspanningsschakelaars als zij alle oude schakelaars vervangen, of als het om een nieuwe installatie gaat.

Een andere reden om endspans te gebruiken is het vermijden van de slordige en onhandige extra patchkabels en het extra werk dat komt kijken bij het aansluiten van een conventionele Ethernet switch op een midspan PoE hub. Bovendien verdubbelen twee apparaten in plaats van één het aantal potentiële storingspunten en maken ze het leven ingewikkelder voor beheerders die werken in bedrijven die staan op een apart IP-adres voor elk apparaat in het netwerk.

Ingenieurs die endspan-switches selecteren, moeten zich ervan bewust zijn dat veel endspan-eenheden slechts maximaal 200 W kunnen leveren, zodat een switch met 24 poorten slechts maximaal 8,3 W per poort kan leveren, wat minder is dan het maximale vermogen van 15,4 W dat in de PoE-standaard wordt gespecificeerd.

Ingenieurs die al relatief nieuwe Ethernet schakelaars hebben, geven de voorkeur aan midspan schakelaars omdat het duur zou zijn om de schakelaars te vervangen alleen om PoE functionaliteit te verkrijgen. De technicus moet zich er echter van vergewissen dat de fabrikant van de schakelaar ermee instemt dat het netwerk midspan-producten ondersteunt, en dat er voldoende ruimte is om ze onder te brengen.

Vanuit elektrisch oogpunt verdienen midspan schakelaars de voorkeur als de netwerkingenieur niet-standaard spanningen wil gebruiken zoals 24, 12 en 5 V voor bepaalde PD's, en als hij de hoeveelheid beschikbare stroom van elke poort wil maximaliseren. Midspan switches zijn ook een nuttige optie voor netwerken die veel legacy-apparaten bevatten die hun eigen stroombronnen hebben, evenals PoE-apparaten.

Midspan schakelaars hebben over het algemeen een langere garantie dan endspans (twee jaar tegenover één) en kunnen zowel met standaard- als met propriëtaire toepassingen werken.

Figuur 4 toont netwerken die zijn opgebouwd met endspan- en midspan-schakelaars.

Figuur 4: Schema van netwerken met endspan- en midspan-switches.

Traditioneel bevatten PSE's discrete schakelingen die zijn onderverdeeld in de communicatie-interface tussen de voeding, het Ethernet-netwerk en de voeding. Om de implementatie echter nog eenvoudiger te maken, hebben siliciumleveranciers een reeks geïntegreerde PSE-controllers op de markt gebracht om de werking van een PoE+-installatie te optimaliseren.

Deze controllers verminderen de complexiteit en het aantal externe componenten die nodig zijn voor PoE en PoE+ apparatuur door de interface schakelingen te combineren met een lineaire regelaar of schakelende voeding die de voedingsspanning omzet naar de 50 tot 57 VDC die geschikt is voor de Ethernet kabel. (Voor meer informatie over deze componenten, zie het TechZone-artikel "Power-over-Ethernet past zich aan de grotere vraag aan")

Wat is het volgende? - IEEE 802.3bt

Samenvattend kan worden gesteld dat PoE, sinds de ontwikkeling ervan in het begin van de eeuw, een populaire technologie is geworden, met name voor commerciële en industriële toepassingen. De technologie is relatief eenvoudig te implementeren, vooral voor nieuwe installaties, en de introductie van midspan-switches heeft de uitdaging van het toevoegen van PoE aan oudere netwerken vergemakkelijkt. De introductie van PoE+ (IEEE 802.3at) heeft het beschikbare vermogen voor PD's verhoogd, wat heeft geleid tot de introductie van nieuwe toepassingen die voorheen te veel energie vroegen om met de oudere technologie te kunnen werken.

Sinds 2009, toen IEEE 802.3at werd geratificeerd, is de PoE-technologie blijven evolueren omdat ingenieurs graag nieuwe PD's toevoegen die nog meer vermogen vereisen. In een poging om IEEE 802.3at aan te vullen, werden vele eigen PoE-protocollen op de markt gebracht met het vermogen om 60 W tot 95 W te leveren onder verschillende namen, zoals:

• UPoE (Cisco)
• LTPoE (Lineair Tech/Analoog Apparaten)
• PoH (MicroSemi/Microchip)
• PoE++ (Industrie)
• 4PPoE (Industrie)

Merk op dat deze technologieën niet voldoen aan de huidige normen en niet interoperabel zijn, hetgeen schadelijk kan zijn voor niet-compatibele hardware. Zij hebben echter wel een precedent geschapen voor de ontwikkeling van een versie van de norm met een hoger vermogen.

Eind 2018 werd een nieuwe IEEE 802.3bt-standaard voor PoE geratificeerd, die een vermogensafgifte van 71,3 W aan PD's mogelijk maakt, terwijl 90 W van de PSE-kant wordt gestuurd.

Tabel 2 geeft een overzicht van de mogelijkheden voor het zenden van vermogen door de PSE en het ontvangen van vermogen door de PD voor alle normen:

Tabel 2: PoE Vermogensmogelijkheden voor alle standaarden (met dank aan Microchip)

Opmerking 1: Verlengde vermogenscapaciteit voor PD-ingang tot 60 W en 90 W is toegestaan als de kabellengte 2 tot 5 meter is.

Naast de mogelijkheid om meer vermogen over Ethernetkabels te transporteren, definieert de nieuwe PoE IEEE 802.3bt standaard vele andere nieuwe kenmerken/verbeteringen in vergelijking met de vorige IEEE 802.3af en IEEE 802.3at standaarden, waaronder:

• Ondersteunt twee PD-constructies: PD met enkele handtekening en PD met dubbele handtekening
• Werkt via vier paar Ethernet-kabels
• Automatische klasse (Autoclass) functionaliteit
• Uitgebreid vermogen met een bekende kabellengte
• Lage stand-by stroomvoorziening (korte MPS)
• Ondersteunt 2.5G-BaseT, 5G-BaseT, 10G-BaseT
• Achterwaarts compatibel met IEEE 802.3at/af

Meer informatie over de nieuwe IEEE 802.3bt standaard is te vinden op de website van de AE Ethernet Alliance.