Więcej mocy z PoE! O standardzie IEEE802.3bt

Jan T. Grusznic

Power over Ethernet (PoE), technologia zdefiniowana w standardach IEEE 802.3af i 802.3at, umożliwiająca jednoczesne dostarczanie zasilania i danych do urządzeń IP za pośrednictwem istniejącego połączenia sieciowego, doczekała się nowej wersji. Standard IEEE 802.3bt pozwala na przekazywanie znacznie większej mocy i wprowadza nowe funkcje, które zmienią sposób, w jaki patrzymy na PoE.

Technologia PoE zrewolucjonizowała światowy rynek sieciowy, zapewniając przesyłanie danych i zasilania jednym przewodem ethernetowym. Przełączniki PoE stanowią idealne rozwiązanie w wielu aplikacjach, zmniejszając koszty wdrożenia i wymagania dotyczące okablowania, zapewniając znacznie większą niezawodność. Pomimo ciągłego wzrostu liczby urządzeń przystosowanych do tej technologii jej szersze wykorzystanie było ograniczone w dwóch aspektach: moc (szeroko rozumiana) i prędkość transmisji.

Prace nad nowym standardem trwały od 2009 r. Ich efektem był dokument normatywny IEEE 802.3bt, zatwierdzony 9 lat później przez komitet normalizacyjny. Trzykrotnie większa moc zasilania urządzeń brzegowych (w porównaniu ze standardem IEEE 802.3at) oraz obsługa prędkości transmisji do 10Gb/s w przypadku urządzeń sieciowych podłączonych za pośrednictwem przewodu Cat5e stanowią kamienie milowe dla tej technologii.

Jednak zmiany w IEEE 802.3bt nie ograniczają się wyłącznie do mocy zasilania, ale idą dużo dalej i dotyczą kompleksowego zarządzania energią, np. przez zmianę czasu sygnatury utrzymania zasilania (MPS – Maintain Power Signature), automatyczną klasyfikację (Autoclass) czy wprowadzanie pojedynczej i podwójnej sygnatury urządzeń zasilanych (PD – Powered Device).

Nowy standard Power over Ethernet 802.3bt jest trzecią wersją szeroko przyjętej normy IEEE, która określa przesył energii niskiego napięcia do urządzeń sieciowych. Pierwszy standard IEEE PoE, 802.3af zapewnia 12,95 W urządzeniom, IEEE 802.3at zwiększa ten limit do 25,5 W. W standardzie 802.3bt ilość mocy dostępnej dla urządzeń wzrasta prawie trzykrotnie, do 71,3 W, umożliwiając tworzenie nowych aplikacji

Sygnatura utrzymania zasilania (MPS)

MPS określa minimalne zużycie energii przez PD zapewniające jego działanie i zapobiegające odłączeniu przez urządzenie zasilające (PSE – Power Sourcing Equipment). Gdy sygnatura MPS nie zostanie dostarczona przez co najmniej 400 ms, PSE ma za zadanie odłączyć napięcie (w odłączonych przewodach nie ma zasilania). Krótki MPS pozwala PD osiągnąć znacznie niższą moc w stanie czuwania w porównaniu z poprzednimi standardami. Minimalna moc w trybie czuwania została zredukowana do 1/10 tego, na co pozwalają standardy af¹ i at² (20 mW w porównaniu z 200 mW). Dzięki temu urządzenia IoT mogą być zasilone przez PoE z zachowaniem akceptowalnej wydajności w trybie czuwania.

W systemie oświetleniowym, który jest bodaj największym beneficjentem zmian w technologii PoE, istotne jest nie tylko zredukowanie poboru prądu przez PD w stanie aktywnym, ale też w trybie standby. W standardach PoE af i at wyłączenie światła w budynku nadal wymaga uruchomienia trybu MPS przez zasilane urządzenie, które pobiera prąd 10 mA przez 20% czasu. W trybie MPS urządzenie PD powiadamia urządzenie PSE, że jest wciąż podłączone, choć tylko w trybie standby. W efekcie średni pobór prądu w trybie MPS dla af i at wynosi 2 mA. Nowy standard 802.3bt przewiduje, że w trybie MPS czas zostanie zredukowany do 1,875%, a zatem średni pobór prądu wyniesie zaledwie 0,2 mA³. Będzie to miało duże znaczenie w takich zastosowaniach, jak oświetlenie LED, kiedy duża liczba urządzeń jest wyłączana w nocy i w weekendy.

Automatyczna klasyfikacja

Automatyczna klasyfikacja pozwala na optymalizację przypisania mocy udostępnianej przez PSE do PD. Urządzenie zasilające „mierzy” straty w kablu Ethernet i zużycie energii przez podłączone urządzenie zasilane w zdefiniowanym okresie, stąd „wie”, jaką „faktyczną” moc należy dostarczyć do niego, a nie wyższą „przypisaną” na podstawie klasy urządzenia zasilanego. Dzięki temu PSE może zasilać większą liczbę urządzeń z ograniczonego budżetu PoE.

Wszystkie urządzenia PoE (PSE lub PD) w ramach standardu są interoperacyjne⁴, a jedynym ograniczeniem współpracy jest to, że PD o zapotrzebowaniu na dużą moc jej nie otrzyma, gdy PSE jest starszej generacji lub niższej klasy. W ramach standardu 802.af są trzy klasy zapewniające maksymalnie 12,95 W na urządzeniu PD. IEEE 802.3at wprowadził czwartą klasę, zapewniającą 25,5 W na PD. Nowy standard IEEE 802.3bt rozszerza je o cztery nowe klasy, podnosząc poziom mocy do 51 W dla PD typu 3. i do 71,3 W dla PD typu 4. (rys. 1).

Pojedyncza i podwójna sygnatura PD

Standard IEEE 802.3bt obsługuje dwie konstrukcje urządzeń zasilanych: jednosygnaturowe i dwusygnaturowe. Urządzenie zasilające musi obsługiwać zarówno jedno-, jak i dwusygnaturowe PD. Urządzenia dwusygnaturowe obsługują zastosowania wymagające takiej samej mocy maksymalnej, jak jednosygnaturowe, lecz zapewniają większą elastyczność różnych i izolowanych konfiguracji obciążenia.

Dobrym przykładem urządzenia dwusygnaturowego jest zewnętrzna kamera IP typu PTZ, wymagająca zasilania modułu kamerowego i modułu grzewczego (lub chłodzącego) ze względu na ekstremalne warunki środowiskowe. Kamera ta jest dostarczana z midspanem⁵ zapewniającym moc dla urządzenia powyżej możliwości standardu PoE at. Takie rozwiązania, znane pod różnymi nazwami (Universal PoE, High PoE i PoE++), będziemy spotykać coraz rzadziej, bowiem standard IEEE 802.3bt definiuje moc maksymalną dostarczaną przez PSE jako 90 W, a moc odbieraną przez PD jako 71,3 W. Ten maksymalny spadek mocy o 18,7 W pomiędzy urządzeniem zasilającym a zasilanym wynika ze strat na całej długości przewodu (zdefiniowanego standardem Ethernet) równej 100 m.

Urządzenie zasilane pracujące w standardzie bt⁶ jest w stanie zmierzyć rezystancję przewodu, obliczyć straty mocy w kablu i określić moc wystarczającą do skompensowania maksymalnej mocy rozpraszanej na kablu o długości 100 m. Co ciekawe, jeżeli odległość między PD a PSE jest mniejsza niż 100 m, urządzenie zasilane może otrzymać moc większą niż 71,3 W⁷.

Klasyfikacja obowiązkowa

Zaszła również zmiana zasad PSE w zakresie klasyfikacji sprzętowej. O ile PSE typu 2. nie były zobowiązane do obsługi pełnej klasyfikacji sprzętowej i mogły zamiast tego korzystać z LLDP⁸ (protokół łącza danych⁹) w celu zapewnienia urządzeniu PD pełnej mocy, o tyle z nastaniem standardu IEEE 802.3bt jest to już wymóg. Protokół LLDP jest nadal wykorzystywany przez urządzenia PD do szczegółowego określania ich zapotrzebowania na moc. Otrzymał zresztą zestaw nowych definicji w ramach IEEE 802.3bt, które umożliwiają wymianę informacji nt. 4-parowej zdolności PD, Autoklasy, maksymalnej mocy, jaką dysponuje PSE, czasowego wyłączenia PD, pomiarów napięcia/prądu/mocy/energii, a nawet wymianę informacji o cenie energii elektrycznej.

Większa moc, poważniejszy problem

Oprócz podkreślania niewątpliwych zalet nowego standardu pojawiły się uwagi co do nowej wersji technologii PoE. Są one związane z coraz wyższą mocą, a w konsekwencji coraz bardziej realnym problemem przegrzewania przewodów. A to z kolei może się przekładać na niestabilność łącza i krótszą żywotność okablowania. Producenci i konsorcja techniczne pracowały nad oceną wpływu termicznego dostarczania 100 W mocy przez 4-parowe przewody PoE. Przegrzanie okablowania skutkuje m.in. wzrostem tłumienności i w efekcie pogorszeniem jakości transmisji danych. Wzrost temperatury prowadzi do przedwczesnego starzenia się materiałów płaszczowych kabla.

W przypadku długotrwałej eksploatacji w wysokiej temperaturze płaszcz zewnętrzny może ulec uszkodzeniu i wpłynąć na konstrukcję wewnętrzną, naruszając równowagę skrętki i powodując spadek jej parametrów elektrycznych¹⁰. Co prawda norma TSB-184-A Stowarzyszenia Przemysłu Telekomunikacyjnego (TIA) zawiera wytyczne dotyczące instalacji kabli w systemach stosujących technologię PoE – zaleca, aby temperatura kabla nie przekraczała 15°C w środku wiązki, ale nie rozwiązuje w pełni problemu¹¹. W Internecie dostępne są liczne publikacje rekomendujące ograniczenie wzrostu temperatury przez zastosowanie przewodów o niższej rezystancji w celu zmniejszenia tłumienności (wyższe kategorie kabla niż Cat5e), użycie mniejszej liczby przewodów w każdej wiązce lub tylko częściowe zasilanie PoE w obrębie wiązki kablowej¹².

Potrzeba certyfikacji

Standardy af, at i bt są jasno powiązane z technologią Power over Ethernet, natomiast samo określenie PoE nie jest zastrzeżone dla żadnego konkretnego podmiotu lub organizacji, przez co na rynku pojawia się wiele produktów wyposażonych w tę funkcjonalność, ale o całkowicie odmiennych specyfikacjach. Różni producenci stosują własne implementacje tej technologii, nie zawsze wzajemnie kompatybilne. Można wymienić rozwiązania ePoE, Passive PoE czy choćby Long Range PoE. Propozycję szczegółowej specyfikacji technologii PoE opublikowano w dokumencie IEEE Ethernet Standard, 802.3-2015 – Rozdział 33. – Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface (MDI). Sam termin nie został wprawdzie wspomniany we właściwym tekście dokumentu, umieszczono go jednak w wykazie słów kluczowych.

Bazując na treści tego dokumentu, opracowano program certyfikacji urządzeń PoE, będący odpowiedzią na potrzeby rynku związane z rosnącą popularnością tej technologii. Autorem inicjatywy jest Ethernet Alliance, organizacja założona przez producentów sprzętu sieciowego¹³, mająca na celu wspieranie rozwoju technologii Ethernet. Nadawany przez nią certyfikat PoE stwierdza, że urządzenie spełnia wymogi standardu IEEE 802.3.
To ważna dla użytkownika informacja, ponieważ w dużym stopniu gwarantuje brak kłopotów z kompatybilnością i interoperacyjnością produktu w środowisku sieciowym. Urządzenia o specyfikacji całkowicie lub częściowo niezgodnej ze standardem IEEE 802.3 mogą zakłócać pracę całej sieci np. z powodu braku ograniczeń prądowych, nieodpowiedniego napięcia zasilania lub niezgodności innych podstawowych parametrów elektrycznych.

Potwierdzeniem uzyskania certyfikacji PoE jest umieszczone na produkcie logo z oznaczeniem Ethernet Alliance (rys. 2). Stosuje się dwa rodzaje oznaczeń dla odmiennych grup produktów: PD oraz PSE. Kategoria PSE zawiera urządzenia mogące być źródłem zasilania w sieci (np. przełącznik sieciowy), zaś terminem PD oznacza się wszystkie układy wykorzystujące port Ethernet do zasilania urządzenia. Umieszczone w logo oznaczenie liczbowe informuje też o poziomie maks. poboru prądu. Jeśli liczba umieszczona na PSE jest większa lub równa liczbie umieszczonej na PD, użytkownik może mieć pewność, że odbiornik będzie prawidłowo zasilany¹⁴.

Certyfikacja nie należy jednak do najtańszych – dla członków stowarzyszenia opłata wynosi 1000 USD za urządzenie. Niewątpliwie wpływa to na niewielką liczbę tylko 87 certyfikowanych produktów¹⁵.

Z obserwacji trendów rynkowych wynika, że metoda PoE staje się standardem zasilania większości urządzeń budynkowych, zmieniając je w tzw. smart buildings. IEEE 802.3bt poważnie zmienia optykę spojrzenia na technologię Power over Ethernet, dopuszczając rozwiązanie do powszechnego zasilania tabletów, telefonów, komputerów czy oświetlenia, umożliwiając efektywny sposób zarządzania nimi.

Trudno nawet wymienić wszelkie możliwe zastosowania metody PoE w życiu codziennym. Za przykład wystarczy podać Adapter firmy Microchip, który, przyjmując 90 W po PoE, dostarcza na wyjściu USB-C moc 60 W zasilającą większość urządzeń wykorzystujących USB-C do zasilania wejściowego. Adapter taki upraszcza instalację, czyniąc ją mniej zależną od infrastruktury prądu przemiennego. Bez zależności od gniazdka sieciowego nie ma już ograniczenia zasięgu do 3 m, a moc może być dostarczana na dalsze odległości.

1) Skrót od IEEE 802.3af
2) Skrót od IEEE 802.3at
3) https://elektronikab2b.pl/technika/50813-dobor-wlasciwego-standardu-power-over-ethernet-do-inteligentnych-przemyslowych-systemow-oswietleniowych-led 23/03/2021
4) Zapewniają pełną współpracę między produktami, niezależnie od producenta.
5) Urządzenia PoE instalowane między przełącznikiem sieciowym a urządzeniami sieciowymi, które muszą być zasilone przez okablowanie ethernetowe. Urządzenie midspan jest przezroczyste dla komunikacji TCP/IP.
6) Skrót od IEEE 802.3bt.
7) https://www.digikey.pl/en/articles/power-over-ethernet-poe-ieee-802-3bt-standard-boosts-technology-iot-applications 26/03/2021
8) LLDP jest protokołem neutralnym, jeśli chodzi o dostawców sprzętu do przedstawiania tożsamości urządzenia i jego funkcji.
9) Protokół 2. warstwy z 7-warstwowego modelu ISO/OSI.
10)  https://community.fs.com/blog/how-to-avoid-overheating-in-poe-cabling.html 26/03/2021
11)  https://planetechusa.com/heat-concerns-when-powering-a-poe-device/ 26/03/2021
12)  https://www.5gtechnologyworld.com/what-every-engineer-should-know-about-ieee-802-3bt-poe/ 26/03/2021
13)  m.in. Cisco, Hewlett Packard, Marvell Semiconductors, Intel, Broadcom, Juniper
14)  https://elektronikab2b.pl/biznes/35031-wzrost-popularnosci-technologii-poe-wymusza-potrzebe-jej-standaryzacji 26/03/2021
15)  https://ea-poe-cert.iol.unh.edu/ 26/03/2021

Jan T. Grusznic z-ca red. naczelnego „a&s Polska”. Z branżą wizyjnych systemów zabezpieczeń związany od 2004 r. Ma bogate doświadczenie w zakresie projektowania i wdrażania rozwiązań dozoru wizyjnego w aplikacjach o rozproszonej strukturze i skomplikowanej dystrybucji sygnałów. Ceniony diagnosta zintegrowanych systemów wspomagających bezpieczeństwo.