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PoE of Things

PoE of Things

Power over Ethernet (PoE) es una tecnología que permite transmitir la alimentación eléctrica a través del cable trenzado Ethernet hacia los equipos alimentados (PD), tales como access points WiFi, cámaras IP o teléfonos IP junto con el tráfico de datos. La tecnología PoE permite usar el mismo cable RJ45 para transmitir alimentación y datos en vez de tener que usar dos cables separados.

PoE permite a los instaladores poder instalar equipos remotos de intemperie sin la necesidad de tener que instalar tomas de alimentación de alterna ni cables o alimentadores externos. PoE también reduce sensiblemente los costes de instalación al evitar tener que tender dos tipos de cableado (datos y alimentación) diferentes reduciendo también el tamaño de las canalizaciones. Además facilita la expansión de nuestra red a ubicaciones donde no disponemos de alimentación

¿Qué son los dispositivos PD y PSE?

PD es el acrónimo de Powered Device o dispositivo alimentado por PoE a través del cable Ethernet. PSE es el acrónimo del Power Sourcing Equipment o dispositivo que alimenta al PD a través del cable Ethernet. Está recogido en los siguientes estándares:

El estándar IEEE 802.3af-2003 normalmente conocido como “PoE”. Define las clases 0-3 PoE, con una potencia máxima entregada al PD de 12.95W.

El estándar IEEE 802.3at-2009 normalmente conocido como “PoE+” o “PoE Plus”, es una revisión del estándar IEEE 802.3af-2003 “PoE”. Define las clases 0-4 PoE manteniendo las clases 0-3 del anterior estándar 802.3af “PoE” como “Tipo 1” y el “Tipo 2” sólo incluye la Clase 4 con una potencia máxima entregada al PD de 25.5W.

El estándar IEEE 802.3bt-2018 conocido como “4PPoE”. Incopora las clases 0-4 de los anteriores estándares y añade el “Tipo 3” (Classes 5-6) y el “Tipo 4” (Classs 7-8) con una potencia máxima entregada al PD de 71.3W.

Tipos de PSE

Hay tres tipos de PSE en la actualidad, todos ellos compatibles con cableado Cat5e o superior. El tipo de PSE debe escogerse en base a la infrastructura existente y el número de dispositivos (PD) a conectar.

PoE Switch y PoE Media Converter (conversor de medio PoE)

Un switch PoE es idéntico en apariencia a un switch convencional. Sin embargo, proporciona datos y alimentación a través de sus puertos de cobre (todos o algunos de ellos). Típicamente es la solución más flexible y económica especialmente si se requiere nuevo hardware de conmutación y hemos de alimentar múltiples PD.
Un conversor de medio A PoE combina la conversión de datos Ethernet entre un puerto óptico y otro de cobre donde además proporciona alimentación a través de PoE. Esta solución permite extender nuestra red a distancias de varios kilómetros muy superiores a las que permite el cable trenzado de pares Ethernet.

Inyector PoE de 1 puerto(Midspan)

Un inyector Poe de 1 puerto (Midspan) es un elemento que se intercala en el cable Ethernet entre un switch que no dispone de PoE y por tanto no puede actuar como PSE y el equipo remoto a conectar y alimentador (PD). Suele utilizarse en entornos donde hay tan pocos dispositivos a alimentar que no compensa el colocar un switch PoE o bien si la conexión entre switch y PD no puede realizarse en cobre y ha de realizarse por otros medios que no permiten enviar la alimentación. En este caso una vez recuperado el tráfico en cobre en el punto remoto añadimos el inyector hacia el PD remoto.

Las desventajas de los inyectores PoE son por un lado que requieres de alimentación local y por otro que no son una solución económica si debemos alimentar varios dispositivos (PD). En estos casos es mucho mejor usar switches PoE ya que además disminuimos el número de elementos hardware minimizando las posibilidades de fallo.

IEEE802.3 af/at/bt Negotiation

Cuando conectamos un PD a un PSE, se produce un protocolo de negociación PoE antes de que el PD reciba y el PSE entregue alimentación. Este mecanismo o protocolo inicial nos asegura que podamos conectar un dispositivo sin capacidades PoE a un PSE sin riesgo a ser dañado al no recibir alimentación a través del cable Ethernet. Este mecanismo de negociación está definido en los estándares IEEE 802.3af/at standards

La negociación PoE está dividida en tres fases: discovery, classification y operation.

Discovery

El PSE deja el puerto Ethernet sin alimentación y de forma periódica chequea si algún dispositivo se ha conectado. El nivel bajo de tensión proporcionado durante esta fase de negociación no puede dañar cualquier dispositivo no PoE conectado al puerto. Si por el contrario, conectamos un dispositivo PoE (PD), el PSE lo detecta y pasa a la fase de clasificación.

Power over Ethernet Classification

En este proceso el PSE determina qué tipo de clase PoE debe suministrar por el puerto. Este proceso de clasificación puede ser del tipo 1-event o 2-event en función del tipo de dispositivo PD conectado

1-event classification – para PDs 802.3af/at de Clase 0-3

El PSE envía un pulso de tensión al PD, lee el valor de corriente en el cable, comprueba el tipo de clase PoE en función del valor leído y le proporciona la potencia adecuada a dicho tipo de clase. Si el PD devuelve un valor de Clase 1, 2 o 3, el PSE proporciona potencia de Clase 1, 2 o 3, respectivamente. Si el PD devuelve Clase 0, el PSE entrega potencia Clase 3

2-event classification – para PD 802.3at de Clase 4

Cuando un PD es identificado en la fase anterior como Clase 4 el PSE usa un segundo evento para confirmar que el PD realmente necesita un nivel de potencia superior. Este segundo evento puede ser de dos tipos:

Hardware-based 2-event classification

El PSE realiza primero un proceso de clasificación 1-event como el descrito anteriormente. Si lee un valor de corriente correspondiente a Clase 4 del PD, de momento sólo proporciona potencia Clase 3 y repite el envío del impulso de tensión una segunda vez. Si de nuevo vuelve a leer un valor de corriente Clase 4 entonces pasa a proporcionar potencia Clase 4 al PD.

Software-based LLDP classification

El PSE realiza primero un proceso de clasificación 1-event como el descrito anteriormente. Si lee un valor de corriente correspondiente a Clase 4 del PD, de momento sólo proporciona potencia Clase 3 and solicita confirmación al PD vía protocolo LLDP de nivel 2 de si realmente es Clase 4. Si se confirma, el PSE proporciona potencia Clase 4.

Soporte para 2-event classification

El estándar IEEE 802.3at define que los PD Clase 4 deben soportar ambos tipos de 2-event classification (hardare y LLDP) mientras que el PSE no es necesario que soporte ambos aunque sí recomendable. Los inyectores PoE suelen soportar únicamente un método mientras que los switches PoE suelen soportar ambos.

Cálculo del PoE Power Supply Budget

A continuación explicamos cómo calcular la potencia PoE que necesitamos de nuestro PSE.

Paso 1: Suma el consumo en Watts de todos los PD

Suma el consumo estimado de potencia de todos los PD a conectar al PSE en watts. Considera el nivel máximo de potencia para cada clase de PD. Si desconoces la clase de algún dispositivos asume Clase 0.

Por ejemplo, según IEEE802.3af, un dispositivo Clase 0 puede consumir 9W, sin embargo, como es Clase 0 asume un consumo de 15.4 watts.

Redondea el valor al alza y puntualmente considera el posible consumo adicional del cable de cobre no apantallado entre el PD y el switch PoE..

Por ejemplo, si una cámara Clase 4 consume 25.5 watts, redondea a 30 watts para tener un margen por las posibles pérdidas del cable Ethernet entre cámara y switch PoE.

Considera un margen en el número de puertos del switch para futuras ampliaciones. Es conveniente disponer de un puerto libre para diagnósticos o monitorización. Y muchos clientes quieren disponer de puertos libres para añadir más PD en el futuro.

Paso 2: Ten en cuenta las condiciones climáticas

Cuando calculamos el Power budget es imprescindible tener en cuenta las condiciones climáticas.

Ten en cuenta que cualquier fuente de alimentación ofrecerá con el paso del tiempo aproximadamente el 70% de su potencia nominal en condiciones ideales (temperaturas constantes entre 32°F/0°C and 120°F/50°C).

Si la fuente de alimentación está sometida a temperaturas extremas (por debajo de 0ºC o por encima de 50ºC) considera un 60% de su potencia nominal con el paso del tiempo.

Para condiciones extremas, considera usar switches de tipo industrial con fuente interna de 48VDC y añade fuentes de 220VAC de entrada y salida 48VDC también de rango industrial.

Paso 3: Selecciona la fuente de alimentación adecuada

Después de obtener el consumo (budget) necesario escoge la fuente adecuada teniendo en cuenta los márgenes AC a la entrada, la estabilidad DC a la salida y el rango de temperaturas. Es siempre recomendable sobredimensionar la fuente para absorber posibles picos de consumo en el arranque de los equipos.

Energy-Efficient Ethernet(EEE)

Energy-Efficient Ethernet(EEE) es un conjunto de mejoras en pares trenzados, twinaxial, backplane y fibra óptica Ethernet que reducen el consumo durante los períodos de baja actividad de datos. El objetivo es reducir el consumo hasta un 50% o más manteniendo la compatibilidad con los equipos existentes.

Cabling

Los cableados Cat5e o supoeriores son adecuados para los dispositivos IEEE 802.3af y IEEE 802.3at.

La máxima distancia recomendada para cualquier cable Ethernet es de 328 ft (100m) desde el switch al PD. Esta distancia no se ve extendida cuando intercalamos un inyector o midspan, es decir, debemos seguir considerando los 100m en el conjunto switch-inyector-PD.

En cualquier caso, la tecnología AI Extend se está imponiendo entre los dispsitivos PoE y permite extender la distancia hasta 250m. Los switches Fiberroad AI POE incluyen esta función a través de microinterruptores pudiendo activarse o desactivarse según se requiera. Debemos tener en cuenta que esta funcionalidad extiende la distancia pero reduce el ancho de banda y el caudal del datos Ethernet.
Notas:
  • La alimentación sólo puede aplicarse en un solo modo en cada momento y este modo lo decide el PSE. El PSE puede soportar modos A o B, o ambos. en general no suele ser un problema ya que los estándars IEEE 802.3af/at obligan a los PD que soportes ambos modos.
  • En Modo B, la técnica 'phantom power' permite que los mismos pares de cobre puedan llevar tensión y datos Ethernet a 10/100 Mbit/s.
  • Ambos modos A y B están soportados en Gigabit Ethernet. La técnica 'phantom power' se usa en ambos modos ya que el estándar Gigabit Ethernet necesita de los 4 pares para la transmisión de datos.
  • El estándar IEEE 802.3bt “4PPoE” usa los cuatros pares para proveer alimentación en Gigabit Ethernet, de aquí su nombre – 4PPoE (“4-pair Power over Ethernet”).