Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Lo standard Power over Ethernet (PoE) ha semplificato notevolmente l’installazione di numerosi dispositivi basati sulla tecnologia IP, consentendo a uno stesso cavo di trasportare nello stesso tempo sia i dati sia l’alimentazione.
Introduzione
Grazie all’adozione dello standard PoE, dispositivi quali access point wireless e telecamere per la videosorveglianza possono essere controllati e alimentati con un singolo cavo, riducendo i costi di installazione. Lo standard PoE è inizialmente nato con soluzioni proprietarie di vario tipo, la maggior parte delle quali, tuttavia, sfruttava il fatto che soltanto due delle quattro coppie di fili intrecciati di un normale cavo Ethernet vengono effettivamente utilizzate per il trasferimento dati (fa eccezione, tuttavia, lo standard Gigabit, noto anche come 1000BASE-T, il quale utilizza tutte e quattro le coppie di fili). Si pensò così di utilizzare queste due coppie di fili “spare” proprio per trasmettere l’alimentazione ai dispositivi remoti collegati sulla medesima rete, alimentandole con una tensione di 24 oppure di 48 V. Per estendere questa funzionalità anche ai dispositivi in tecnologia Gigabit, si pensò poi di utilizzare le linee dati per trasportare sia le informazioni sia l’alimentazione. Si arrivò così, nel 2003, all’introduzione da parte dell’IEEE della normativa 802.3af relativa ai dispositivi di tipo PoE. Con il passare degli anni si sviluppò l’esigenza di disporre di maggiore potenza e di superare quindi le limitazioni imposte dallo standard originale 802.3af. Nel 2009 è stato perciò introdotto il nuovo standard 802.3at (noto anche come PoE+), grazie al quale la potenza disponibile per ogni porta Ethernet è stata quasi quadruplicata, estendendo significativamente la gamma di potenziali applicazioni. Due fattori sono stati determinanti per lo sviluppo e il successo dello standard PoE: i sistemi VoIP (Voice over IP) e le reti wireless (WLAN). Nel primo caso, l’esigenza era quella di alimentare i comuni telefoni da tavolo senza richiedere un’alimentazione separata; qualcosa di simile, quindi, ai vecchi apparecchi telefonici completamente elettromeccanici, nei quali l’alimentazione (48 VCC) era prelevata dagli stessi fili che trasportavano il segnale audio. Nel caso delle applicazioni per reti wireless, invece, l’esigenza era quella di utilizzare degli access point per i quali era spesso difficile o troppo costoso ricorrere a un’alimentazione in corrente alternata. La possibilità di alimentare dispositivi Ethernet con lo stesso cavo utilizzato per trasportare i dati ha fatto diminuire considerevolmente i costi di installazione della tecnologia IP. Esistono comunque altri vantaggi derivanti dall’utilizzo dello standard PoE, che possiamo riassumere nella seguente lista:
- migliore controllo sulla potenza dei dispositivi collegati remotamente che conduce a una migliore gestione della potenza della rete complessiva. I dispositivi di rete remoti, ad esempio, possono essere selettivamente disabilitati (spenti) durante i periodi di scarso utilizzo, oppure per ragioni di sicurezza. È inoltre possibile controllare e configurare remotamente i dispositivi connessi alla rete tramite l’utilizzo del protocollo SNMP (Simple Network Management Protocol);
- permette di realizzare un sistema di backup per l’alimentazione di sistemi critici, quali, ad esempio, i telefoni VoIP e le telecamere per la videosorveglianza. Questi dispositivi possono infatti in questo modo essere equipaggiati con un sistema di alimentazione ridondante in grado di intervenire quando si verificano blackout sulla linea di rete;
- minori costi di cablaggio e di installazione: non è richiesto un cavo addizionale per l’alimentazione dei dispositivi remoti, e può essere quindi adottato uno stesso cavo CAT5/5E/6. Non è inoltre richiesta una linea per l’alimentazione alternata, e le relative prese di rete;
- è una tecnica sicura: grazie al suo innato meccanismo di individuazione e riconoscimento dei dispositivi collegati alla rete, il sistema è infatti in grado di salvaguardare l’incolumità dei dispositivi non-PoE, evitando di fornire loro l’alimentazione;
- flessibilità: poiché esiste uno standard, viene anche garantita l’interoperabilità tra dispositivi fabbricati da produttori diversi.
Figura 1: Uno switch PoE
La tecnologia PoE/PoE+ può inoltre essere applicata a dispositivi inizialmente non in grado di supportarla. Il PoE, a differenza delle soluzioni proprietarie sviluppatesi inizialmente, lo standard IEEE 802.3af ha portato maggiore chiarezza e uniformità sul mercato, due aspetti ulteriormente arricchiti dall’adozione del più recente standard IEEE 802.3at. Lo standard PoE definisce due topologie distinte di alimentazione. Nel primo scenario, l’alimentazione è fornita da un dispositivo (detto PSE, acronimo di Power Source Equipment) collocato in corrispondenza di un hub o di uno switch di rete (detto Endspan). Nel secondo scenario, lo standard prevede la possibilità di iniettare potenza nella rete attraverso un dispositivo PSE collocato in un punto intermedio della rete stessa (in questo caso si parla di dispositivo Midspan); questo tipo di soluzione è molto importante, in quanto permette di supportare anche le reti già esistenti e meno recenti (i cosiddetti sistemi legacy) che non prevedevano l’utilizzo del PoE. Il dispositivo di rete collocato in corrispondenza del nodo remoto viene invece indicato con il termine PD (Powered Device). Lo standard PoE è nato per supportare tutte le reti 10BASE-T, 100BASE-TX, e 1000BASE-T. Vediamo ora in maggiore dettaglio in che cosa consistono i PSE e i PD.
Figura 2: Un telefono VoIP con PoE
Figura 3: Schema PSE Endspan base
Figura 4: Schema PSE Endspan fino a 1 Gb
PSE
Come accennato in precedenza, il dispositivo PSE è quello che fornisce fisicamente la potenza richiesta alla rete, e può essere di tipo Endspan (quando rappresenta un nodo terminale della rete, solitamente all’interno di un hub o di uno switch), oppure di tipo Midspan (quando è posto in posizione intermedia nella rete, per incrementare il livello di potenza). Si osservi come, in genere, i PSE Midspan siano collegati in un punto qualunque del cavo Ethernet (di lunghezza massima pari a 100 metri) che collega la porta di un normale hub o switch di rete a una stazione remota. Il principale vantaggio offerto da questo tipo di dispositivo è che gli switch di rete di tipo standard, inclusi quelli già operativi da diverso tempo, possono essere utilizzati in applicazioni PoE, dal momento che l’alimentazione viene fornita dai dispositivi PSE Midspan e non dallo switch stesso. Dal punto di vista dell’alimentazione, lo standard IEEE 802.3at (PoE+) definisce due tipi di PSE:
- tipo 1 - questo PSE può fornire una potenza massima (su due coppie di fili intrecciati) pari a 15,4 W, con una tensione in uscita compresa tra 44 e 57 VCC, utilizzando cavi CAT3 o di categoria superiore. Il PSE di tipo 1 è stato definito per supportare le installazioni di tipo legacy;
- tipo 2 - questo PSE è in grado di erogare fino a 30 W (su due coppie di fili in trecciati) oppure fino a 60 W (su quattro coppie di fili), con una tensione di uscita compresa tra 50 e 57 VCC, utilizzando cavi CAT5 o di categoria superiore. Il valore nominale della tensione erogata è solitamente pari a 48 V.
Lo standard supporta inoltre due diverse opzioni alternative per quanto riguarda l’inserimento della potenza all’interno della rete:
- alternativa A - la potenza viene trasferita sulle prese centrali dei trasformatori di disaccoppiamento, sulle coppie di segnali 1-2 e 3-6;
- alternativa B - la potenza viene trasferita sulle coppie di segnali 4-5 e 7-8. In Figura 1 è mostrato un esempio di switch di rete in grado di supportare lo standard PoE.
Figura 5: Schema PSE Midpsan base
Figura 6: Schema PSE Midpsan fino a 1 Gb
PD
I dispositivi PD sono in pratica gli “utilizzatori” della rete, cioè i dispositivi che assorbono la potenza. Un dispositivo PD può assorbire fino a un massimo di 13 W nel caso sia di tipo 1; fino a 25,5 W nel caso sia di tipo 2 su due coppie di fili; o infine fino a 51 W nel caso sia di tipo 2 su quattro coppie di fili. In tutti i casi elencati, la tensione può variare tra 37 e 57 VCC, e tiene quindi conto delle perdite di potenza che si possono verificare lungo il cavo. Ogni PD deve essere in grado di ricevere potenza indipendentemente da quale tipo di schema di alimentazione è stato adottato. Durante la fase iniziale della connessione, il PD negozia con il PSE la classe di potenza da utilizzare. Al fine di evitare potenziali danni ai dispositivi non-PoE, tutti i PD devono disporre di una resistenza da 25 kΩ posta tra le coppie di fili alimentate in modo tale da permettere il loro riconoscimento da parte dei PSE. Questo accorgimento consente inoltre al PSE di rilevare quando un PD viene disconnesso dalla rete. Esistono in commercio vari tipi di dispositivi PoE PD, tra i quali ricordiamo i seguenti:
- apparecchi telefonici e sistemi video in tecnologia VoIP;
- access point wireless per reti WLAN a/b/g/n;
- telecamere per la videosorveglianza e per i sistemi di allarme;
- pannelli luminosi per scritte scorrevoli e messaggi video;
- sistemi di accesso e protezione degli edifici;
- sistemi di allarme antigas e antincendio;
- orologi e rilevatori di presenza digitali.
In Figura 2 è mostrato un comune telefono VoIP provvisto di funzionalità PoE.
SCHEMI DI ALIMENTAZIONE
Esistono quattro schemi base di alimentazione, ciascuno dei quali supporta due metodi alternativi per l’inserimento della potenza. La prima alternativa (alternativa A, indicata in colore verde negli schemi) utilizza le coppie di segnali 1-2 e 3-6 per trasportare sia i dati sia l’alimentazione. La polarità è in questo caso indeterminata. La seconda alternativa (alternativa B, indicata in colore rosso negli schemi) utilizza le coppie di segnali 1-2 e 3-6 per trasportare i dati, e le coppie di segnali 4-5 e 7-8 per trasportare l’alimentazione. La polarità, in questo caso, è sempre definita. È importante sottolineare che lo standard non prevede l’utilizzo contemporaneo di entrambe le possibilità: una scelta tra quale delle due sia più adatta alla specifica applicazione deve perciò essere compiuta.
- PSE Endspan, in grado di supportare solamente reti 10BASE-T/100BASE-TX (si veda la Figura 3);
- PSE Endspan, in grado di supportare reti di tipo 10BASE-T/100BASETX/ 1000BASE-T (si veda la Figura 4);
- PSE Midspan, in grado di supportare solamente reti 10BASE-T/100BASE-TX (si veda la Figura 5);
- PSE Midspan, in grado di supportare reti di tipo 10BASE-T/100BASETX/ 1000BASE-T (si veda la Figura 6).
L’INTEROPERABILITÀ
Un fattore chiave del successo degli standard PoE e PoE+ è legato all’importante caratteristica dell’interoperabilità. Con ciò si intende dire che un dispositivo PoE+ è in grado di coesistere con altri dispositivi all’interno di una rete PoE. In altre parole, un dispositivo PoE+ è in grado di alimentare dispositivi PD di tipo PoE tramite cavi CAT3 e CAT5. Analogamente un dispositivo PD POE+ deve essere in grado di rilevare quando viene alimentato da un dispositivo PSE di tipo PoE o PoE+. I dispositivi di rete sono classificati di tipo 1 quando sono compatibili solamente con lo standard PoE, mentre sono classificati di tipo 2 quando sono compatibili con lo standard PoE+. Durante la fase di power-on, i dispositivi PSE e PD di tipo 2 identificano le caratteristiche del collegamento prima di applicare tutta la potenza.
GESTIONE DELL’ALIMENTAZIONE
Durante la fase di power-on della connessione, dopo aver determinato il tipo di collegamento, ogni PSE deve determinare la classe di potenza del PD, cioè quale potenza massima può essere erogata al PD. Lo standard PoE/PoE+ fornisce due meccanismi per gestire la potenza erogata al PD. Il primo meccanismo è basato sul livello fisico, mentre il secondo è basato sul livello del collegamento.
CLASSIFICAZIONE BASATA SUL LIVELLO FISICO
Questo tipo di classificazione utilizza le caratteristiche del cavo di collegamento e le caratteristiche elettriche del PD per determinare quale classe di potenza assegnare al PD stesso. Questo meccanismo di classificazione è simile a quello utilizzato nello standard PoE, con l’aggiunta però di una classe di potenza addizionale. In Figura 7 è mostrata la suddivisione delle classi di potenza per un dispositivo PD conforme allo standard PoE+, mentre in Figura 8 sono indicate le classi per un analogo dispositivo PoE. Dall’esame di queste immagini si deduce che lo standard PoE+ è compatibile all’indietro con i dispositivi PoE. Esistono infatti cinque classi di suddivisione della potenza, quattro delle quali (dalla 0 alla 3 incluse) possono essere utilizzate da entrambi gli standard, mentre la classe 4 è a uso esclusivo dei dispositivi PoE+.
CLASSIFICAZIONE BASATA SUL LIVELLO DEL COLLEGAMENTO
Con questo tipo di classificazione, una volta stabilito il collegamento, il PSE e il PD comunicano utilizzando il Media Endpoint Discovery, un’estensione dell’Ethernet Link Layer Discovery Protocol, chiamata anche LLDP-MED. Questo metodo di classificazione presenta il vantaggio di determinare il valore di potenza con una risoluzione maggiore (con incrementi di soli 1,11 W) rispetto allo schema di classificazione basato sul livello fisico. Inoltre, esiste la possibilità per il PSE e il PD di eseguire un’allocazione dinamica della potenza.
Figura 7: Le classi di potenza PoE+
Figura 8: Le classi di potenza PoE
CONCLUSIONI
Lo standard PoE/PoE+ ha acquisito un considerevole successo proprio perché è una tecnica utile per alimentare dispositivi di rete remoti come telefoni VoIP, access point per reti WLAN e telecamere per la videosorveglianza. La prima versione dello standard limitava la potenza massima erogabile a 12,95 W, ma la successiva introduzione del nuovo standard 802.3at ha quasi quadruplicato la potenza portandola al valore limite di 51 W, estendendo così la gamma delle possibili applicazioni.
