Tecnologia PoE - Power Over Ethernet (Parte-1)

Olá pessoal. Neste novo post o tema será sobre a tecnologia Power over Ethernet, veremos um pouco sobre sua história, normatização, arquitetura, etc.. Espero que apreciem…

INTRODUÇÃO

Possivelmente, na história, a ideia de Power over Ethernet tenha seu marco em 1877, quando a Bell Telephone Company tinha que decidir se o telefone em cada residência, seria alimentado localmente por uma bateria (fonte de energia local), ou se deveria  alimentar cada telefone (dispositvo) remotamente através de fios condutores.

Viajando à década de 1990, finalmente a tecnologia Power over Ethernet - também conhecida como PoE - foi inventada/desenvolvida pela empresa POWERDSINE, entre 1997 e 1998. Adquirida pela MICROSEMI em 2007, a empresa tornou-se a marca POWERDSINE dos sistemas PoE.  

Esta tecnologia permite que os dispositivos baseados em IP, tais como os  telefones IP, pontos de acesso à LAN sem fio, câmeras de segurança de rede, dentre outros, recebam simultaneamente a alimentação (energia elétrica) e os dados, sobre a mesma infraestrutura Ethernet existente, eliminando a necessidade dos altos custos com uma infraestrutura separada para os cabos de energia, tomadas AC elétricas, etc..

Com a grande aceitação da tecnologia pela indústria, o  IEEE, em 1999, começou o projeto de normatização do PoE. Porém somente após quatro anos, em junho de 2003, Power Over Ethernet tornou-se padrão internacional com a aprovação (ratificação) da norma IEEE 802.3af-2003 (PoE), intitulada Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface (MDI). Nesta, foi determinado que somente dois dos quatro pares trançados de fios do cabo Ethernet CAT-5e sejam utilizados para o fornecimento ( ou transmissão) da alimentação de até 15,4W por porta aos dispositivos a serem alimentados.

No entanto, dispositivos mais avançados foram sendo desenvolvidos, requerendo assim, uma alimentação maior do que a especificada na norma supracitada. Para suprir esta necessidade, o IEEE, em 2005,  deu inicio ao desenvolvimento de uma nova norma, a fim de melhorar as diretrizes da tecnologia PoE, objetivando aumentar a sua capacidade de alimentação. Em outubro de 2009, foi ratificada a norma IEEE 802.3at-2009  (PoE+), intitulada Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface (MDI) Enhancements, definindo o fornecimento de até 30W por porta.

Porém existe uma clara tendência e necessidade do mercado em novas tecnologias que permite a transferência de high-power (alta potência) simultaneamente com os sinais de dados, utilizando-se dos quatro pares do cabo Ethernet a uma distância de até 100 metros. Neste contexto podemos citar as seguintes tecnologias (proprietárias) desenvolvidas, as quais são extensões da norma IEEE 802.3at-2009:

- UPOE - Universal Power Over Ethernet:  Tecnologia desenvolvida pela Cisco; utiliza-se dos quatro pares para transmitir até 60W.

- PoH - Power over HDBaseT: Tecnologia desenvolvida pela HDBaseT Alliance; utiliza-se dos quatro pares para transmitir até 100W.

- LTPoE++ - Linear Technology  PoE++ : Tecnologia desenvolvida pela Linear Technology que fornece quatro diferentes níveis de alimentação (38.7W, 52.7W, 70W e 90W).

 ARQUITETURA

Um simples sistema Power Over Ethernet (PoE e/ou PoE+) consiste de um único PSE, segmento de link, e um único PD, tendo sua arquitetura projetada em uma topologia estrela. Mas o que significa e representa  PSE, segmento de link e PD?

1- PSE - Power Sourcing Equipment (Equipamento de Fornecimento de Energia):

Como o próprio nome o descreve, é o equipamento que fornece a alimentação aos dispositivos alimentados (PD) possuindo três tarefas principais:

• Detectar  e determinar o nível de energia do mesmo PD;
• Fornecer alimentação de acordo com o nível de energia detectado;
• Monitorar e finalizar o fornecimento de energia.

Um dispositivo PSE pode ser:

• Endspan / Endpoint PSE: 

São os Switches Ethernet que além de possuir todas as funcionalidades de comutação (L2) e roteamento (L3) de dados, integra a tecnologia PoE  provendo alimentação em todas as portas. Endspans são muito utilizados em Greenfield Installations (ou instalações novas) e, como podemos observar na ilustração abaixo, este tipo de PSE é instalado numa das extremidades do cabeamento Ethernet.

• Midspan PSE (ou PoE injector).

Estes equipamentos são, geralmente, instalados no rack entre o Switch Ethernet (no-PoE) e o dispositivo alimentado (PD), conforme ilustração abaixo. São muito utilizados em ambientes já em produção onde não há necessidade de um Endspan.  As vantagens em utilizar o Midspan são muitas; algumas delas são: a economia de custos referente a aquisição e instalação de um Endspan e a preservação da infraestrutura existente.

A norma IEEE 802.3at-2009 define estes PSEs em dois tipos, são eles: 

• Tipo-1 (IEEE 802.3af-2003):  PSE que fornece uma alimentação de no máximo 15.4W sobre dois pares de condutores.
• Tipo-2 (IEEE 802.3at-2009):  PSE que fornece uma alimentação de no máximo 30W sobre dois pares de condutores.

2- PD - Powered Device ou Powered End Station

São os dispositivos que recebem a alimentação transmitida pelo Endspan ou Midspan PSE, através do cabeamento Ethernet. Alguns exemplos de dispositivos (PD) são IP Phones, WLan APs, Network Cameras, etc..

A norma também define dois tipos de PDs:

• Tipo-1 (IEEE 802.3af-2003): PD que recebe alimentação de no máximo 12,95W sobre dois pares de condutores.
• Tipo-2 (IEEE 802.3at-2009): PD que recebe alimentação de no máximo 25,5W sobre dois pares de condutores.

3 -  Link segment 

É a infraestrutura de cabeamento que prove a conectividade de dados e a alimentação simultaneamente. As normas IEEE 802.3.af/at definem que seja utilizado cabo da Classe-D (a.k.a Cat5e ou maior), como especificado na norma ISO/IEC 11801:1995.

NORMA ANSI/EIA/TIA 568

Antes de comentar sobre as Alternativas de transmissão PoE, acredito ser oportuno descrever de forma sucinta, os dois sistemas de codificação de cores para os pares condutores no cabeamento UTP, definidos pelas normas ANSI/EIA/TIA T568A e T568B, bem como a ordem de cada par no conector RJ-45 - também conhecido como 8P8C ou CM8V - definido pela norma ANSI/TIA-968-A.

Podemos observar nas figuras abaixo, cada sistema de codificação de cores e número dos pares condutores (fios) definido pelas respectivas normas T568A e T568B.

Seja qual for a escolha no projeto, o sistema de codificação (T568A ou T568B) deve estar definido de forma bem clara e ser metodicamente respeitado em cada extremidade do segmento do link e, de uma forma geral, em toda a infraestrutura de cabeamento.

ALTERNATIVAS DE TRANSMISSÃO DA ALIMENTAÇÃO

Para integrar a alimentação e os dados sobre o cabeamento, duas técnicas foram definidas pela norma IEEE 802.3at; são elas:

Alternativa A:

Conhecida como “phanton power”, esta alternativa é o método mais simples para fornecer alimentação aos PDs, pois utiliza-se dos dois pares de condutores que transmitem os dados. Conforme os diagramas abaixo, nos padrões Ethernet 10Base-T e 100Base-TX,  os condutores utilizados por um Endspan e Midspan respectivamente, são os pinos 1-2 e pinos 3-6:

 

Os diagramas que vemos abaixo, representam um Endspan e um Midspan respectivamente, no padrão Ethernet 1000Base-T.  São utilizados os mesmos pares de condutores para transmissão da alimentação,

 

Mas como foi possível utilizar esta técnica “Phanton Power” sem haver uma interferência?

A resposta está na frequência utilizada por ambos, ou seja, a Alimentação (energia DC) que é transmitida contêm uma frequência menor ou igual a 60Hz, enquanto que os Dados transmitidos têm frequências que podem variar 10 a 100 milhões Hz.

Alternativa B:

Nesta alternativa, a alimentação é transmitida pelos dois pares de condutores conhecidos como “spare pairs“, os quais não são utilizados nos padrões Ethernet 10Base-T e 100Base-TX.   Conforme os diagramas abaixo, de um Endspan e Midspan respectivamente, os condutores utilizados são pinos 4- 5 (+) e pinos 7-8 (-) .

Abaixo estão os diagramas de um Endspan e de um Midspan respectivamente, e podemos novamente conferir que, no padrão Ethernet 1000Base-T, são utilizados somente os condutores 4-5 (+) e 7-8 (-) para transmissão da alimentação.

 

Qualquer um dos dois dispositivos PSE (Endspan ou Midspan) poderá fornecer alimentação utilizando somente uma das duas Alternativas (A ou B) no mesmo segmento de link, mas não utilizar-se de ambas Alternativas - A e B - ao mesmo tempo no mesmo segmento de link. Os dispositivos PDs são projetados para aceitarem Power over Ethernet em qualquer forma de alternativa, seja ela A ou B, nas normas Ethernet 10Base-T, 100Base-TX ou 1000Base-T.Abaixo um quadro resumido:

PROCESSO DE ALIMENTAÇÃO  PoE

A especificação IEEE802.3at fornece uma rotina "handshaking" entre o PSE e o PD, antes deste começar a ser alimentado por aquele. Isto assegura que o PSE só aplique a energia DC em cada par de condutores quando um dispositivo conectado tenha sido detectado como compatível.  Esta rotina "handshaking" é composta pelas seguintes funções:

Detecção:  

Para detectar um dispositivo PD, o PSE aplica duas pequenas tensões DC  (V¹ e V² de 2.8V até 10V) no cabo Ethernet extraindo o valor de impedância (Signature Resistance) para determinar se o dispositivo é um PD válido (todo dispositivo PD tem que conter um resistor de assinatura (signature resistor) de 19kOhm~26.5kOhm).  

Classificação:

O PSE tentará classificar o dispositivo PD “interrogando-o” com uma outra tensão DC no segmento do link. Ao receber esta tensão DC, o dispositivo PD envia uma resposta ao PSE com o valor de DC que corresponde à sua classificação. Ao receber a resposta do PD, o PSE identifica e fornece a alimentação requerida.

Transmissão de alimentação:

Uma vez que alimentação está sendo entregue, o PSE monitora continuamente o consumo de DC pelo dispositivo PD.

Desconexão segura:

A norma IEEE802.3at  especifica que quando um PSE parar de receber a assinatura de alimentação do PD, o PSE deve interromper a alimentação, evitando danos.

Na ilustração abaixo podemos ter uma melhor compreensão de como é o processo num todo,  além da tabela de classificação com todos os níveis.

ALGUNS BENEFICIOS QUE PoE PROPORCIONA 

Entre os benefícios da PoE, destacam-se:

- O Baixo Custo: 

   Power over Ethernet elimina a necessidade de uma infraestrutura de cabeamento para alimentação de cada PD.  Não é necessário serviços de um eletricista licenciado para infra de energia AC.

- A Flexibilidade: 

   PDs podem ser localizados independentemente das fontes de energia AC, em locais onde o acesso à energia AC é praticamente impossível ou não exista.

- Confiabilidade:

   Ao ser implementada com UPS (Uninterruptible Power Supplies), Power over Ethernet  permite que os PDs funcionem mesmo quando há queda de energia.

- Gestão:

   Dispositivos PoE podem ser gerenciados via SNMP (Simple Network Management Protocol).

 

Bom pessoal, finalizo aqui esta primeira parte sobre PoE.

Bons estudos  e obrigado.

Juliano Ramalho.

REFERÊNCIAS

- Understanding 802.3at - MICROSEMI

- From A to A+ IEEE 802.3at PoE+ White paper - kORENIX

- IEEE Std 802.3at-2009 - Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface (MDI) Enhancements

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