La potenza viaggia sul cavo

POWER-OVER-ETHERNET –

Lo standard Power-Over-Ethernet, che definisce specifiche e procedure per la distribuzione della potenza elettrica attraverso una rete Ethernet, si sta rapidamente diffondendo in diversi ambiti applicativi, grazie ai vantaggi che comporta in termini di flessibilità, accessibilità e mantenibilità.

Sviluppato per la prima volta tra il 1973 e il 1975 presso i laboratori della Xerox Parc come protocollo di comunicazione in broadcasting tra calcolatori connessi mediante un semplice cavo coassiale, lo standard Ethernet Ieee 802.3 è successivamente evoluto fino a diventare negli anni '80 una complessa tecnologia di rete per la creazioni di Lan. Power Over Ethernet (PoE) è l'indicazione comune della clausola 33 dello standard - denominata IEEE-802.3af “Data Terminal Equipment Power via Media Dependent Interface”, che definisce un modo di trasmissione della potenza sulla rete utilizzando l'infrastruttura esistente. Introdotta ufficialmente nel giugno 2003, la specifica PoE ha avuto diffusione rapida, forte di un mercato già consolidato, laddove erano occorsi più di dieci anni allo standard Ethernet per affermarsi nei settori commerciale ed industriale. Il primo switch PoE era già disponibile presso GarrettCom nella primavera del 2005, a meno di due anni dalla definizione della specifica.
Obiettivo della clausola PoE è la definizione delle caratteristiche elettriche e funzionali di due moduli di potenza denominati Pd (Powered Device) e Pse (Power Sourcing Equipment) per dispositivi Ethernet che supportino i livelli fisici 10Base-T, 100Base-TX o 1000Base-T, ovvero i protocolli 10/100 e Gigabit Ethernet su rame. Pi (Power Interface) è il termine generico utilizzato all'interno della specifica per indicare l'interfaccia elettrica e meccanica che consente la connessione del Pse e del Pd al mezzo fisico di trasmissione. Lo standard non definisce i dettagli di implementazione dell'interfaccia ma piuttosto le specifiche elettriche e meccaniche di questa. I principali aspetti discussi, in particolare, riguardano la definizione dei modi attraverso cui erogare potenza su una linea cablata a 100 Ω, la specifica delle caratteristiche elettriche del carico legato al dispositivo alimentato e del cavo di connessione, la definizione di un protocollo che consenta di rilevare dispositivi connessi alla rete che supportino tale funzionalità e di classificarli in base alla potenza richiesta e di un metodo per ridurre la potenza erogata quando il dispositivo alimentato non ne faccia richiesta. Nei successivi paragrafi è presentata una breve introduzione allo standard con la discussione delle modalità di connessione alla rete e delle principali caratteristiche dei Pd e Pse.
Come è facile immaginare, lo standard PoE introduce notevoli vantaggi in una rete, principalmente legati alla possibilità di utilizzare la stessa connessione per la trasmissione di dati e potenza. Ne deriva, in particolare, una drastica riduzione di costi di installazione e manutenzione soprattutto nelle applicazioni su campo; si pensi ad esempio alla realizzazione di reti cablate di sensori distribuiti. La disponibilità della potenza sulla connessione di rete consente in questo caso di evitare di dotare i dispositivi remoti di circuiti di conversione della tensione da AC in DC e di installare punti di accesso alla rete elettrica (il cui costo può arrivare in alcuni casi anche a 1000 dollari per punto). La centralizzazione del sistema di distribuzione della potenza in una rete, del resto, può facilitare in alcuni casi la realizzazione dei sistemi di gestione della potenza stessa, con la possibilità, ad esempio, di controllarne l'erogazione in base al consumo complessivo od alla richiesta del singolo dispositivo connesso; è più facile ed economico, inoltre, dotare la rete di sistemi di backup della potenza mediante, ad esempio, gruppi di continuità centralizzati. Un sistema PoE è più conveniente, più flessibile e più facilmente accessibile.
Alcune delle principali applicazioni, oltre alle già citate reti di monitoraggio distribuite, includono i sistemi di telefonia Voip (Voice-Over-IP), le reti Wlan e gli access-point alle reti wireless, i sistemi di automazione residenziale, le video camere per applicazioni di telesorveglianza, i sistemi di controllo di accesso, i dispositivi di segnalazione remota, le lampade e i sistemi di illuminazione, gli elettrodomestici a basso consumo (come ad esempio i rasoi elettrici).

La configurazione della connessione PoE

La Fig. 2 mostra schematicamente le tre diverse configurazioni previste dallo standard PoE per la distribuzione della potenza su rete Ethernet. Come si può notare, lo standard prevede che il Pse possa essere integrato in un end-point all'interno di un DTE/Repeater o in un Midspan (il segmento della connessione cablata fisicamente separato dagli Mdi degli end-point).
Nel primo caso (Endpoint Pse) sono possibili due configurazioni alternative. Nella configurazione A la potenza viene erogata attraverso gli stessi doppini utilizzati per la trasmissione dei dati nelle applicazioni 10Base-T e 100Base-TX e sfruttando lo stesso principio della tecniche “phantom power” utilizzate per l'alimentazione di cuffie e diffusori sonori; un doppino trasporta la linea di alimentazione mentre il secondo rappresenta il ritorno. Nella configurazione B, invece, vengono utilizzate per tale scopo i doppini non utilizzati come linee dati. Entrambe le configurazioni sono compatibili con sistemi 1000Base-T che utilizzano tutti e quattro i doppini per la trasmissione di dati.
Lo standard prevede che un Endpoint Pse possa implementare uno o l'altra o entrambe delle configurazioni citate; è tuttavia espressamente vietato che il Pse eroghi potenza contemporaneamente attraverso le due connessioni. Nel caso invece di Midspan Pse è consentita la sola configurazione di tipo B e soltanto per sistemi 10Base-T e 100Base-TX. È previsto che due Pse con configurazioni alternative possano essere connessi allo stesso segmento di link ma anche in questo caso è vietato che entrambi eroghino potenza contemporaneamente. Come vedremo in seguito, un protocollo adeguato è specificato per risolvere tale condizione. Tipicamente i Midspan Pse hanno un costo minore rispetto agli Endpoint Pse e sono disponibili in un numero diverso di configurazioni e numero di porte. Possono essere utilizzati per l'aggiornamento di una rete già esistente senza necessità di sostituire gli switch installati. L'utilizzo di un Midspan consente di erogare potenza soltanto sul segmento di link richiesto mentre un Endpoint Pse lo supporta su tutte le porte presenti.

Il modulo che roga la potenza

il Pse è il modulo demandato a erogare la potenza elettrica. Lo standard definisce il diagramma degli stati che ne descrive il funzionamento e le specifiche elettriche di interfaccia. Le specifiche sono definite al Pi del Pse senza tenere in conto eventuali disturbi legati al carico connesso o alle caratteristiche del cavo di connessione. La Fig. 3 mostra uno schema di principio semplificato del diagramma degli stati di un Pse. Inizialmente il Pse, se abilitato, esegue la procedura per rilevare un eventuale Pd presente sulla connessione, ovvero una segnatura valida; l'operazione del Pse è indipendente dallo stato del link dati. La procedura per determinare la validità della segnatura si basa sulla misura della resistenza serie e della capacità parallela d'ingresso dell'end-point connesso. La misura deve essere effettuata applicando una tensione di rilevamento Vdet che in condizione di circuito aperto è specificata essere fino a 30V e con una corrente massima di corto circuito di 5 mA; in presenza di una segnatura corretta la tensione assume un valore compreso tra 2.8V e 10 V. Il Pse deve eseguire almeno due misure con differenti tensioni nel range specificato e tali che in presenza di una segnatura corretta le due tensioni misurate al Pi del Pse differiscano di almeno 1 V. La segnatura viene ritenuta corretta se la resistenza equivalente del carico misurata dal Pse è compresa tra 19 KΩ e 26.5 KΩ mentre la capacità è inferiore a 150 nF. È invece rigettata in presenza di una resistenza inferiore o uguale a 15 KΩ o superiore o uguale a 33 KΩ, o di una capacità superiore o uguale a 10 uF. La misura, poi, di una resistenza maggiore di 500 KΩ determina la porta come non connessa. In un sistema multiporte, l'architettura del Pse deve garantire corretto isolamento DC tra i circuiti di terminazione per evitare correnti di leakage tra le porte che potrebbero inficiare la validità delle misure, indipendenti per ogni porta, per la verifica della segnatura dell'end-point connesso.
Dopo il rilevamento di una segnatura valida, lo standard prevede che il Pse classifichi il Pd connesso in base alla potenza richiesta. Successivamente il Pse potrà automaticamente rimuovere l'alimentazione in caso di assorbimento di corrente da parte del Pd superiore al valore determinato in fase di classificazione del carico. Inoltre è previsto che il Pse possa comunque decidere di non erogare potenza sotto certe condizioni (la potenza richiesta ad esempio è maggiore di quella attualmente disponibile) anche avendo correttamente identificato e classificato il Pd.
La procedura di classificazione prevede che il Pse eroghi una tensione compresa tra 15.5 V e 20.5 V con una limitazione in corrente a 100 mA verso il Pi; tale limitazione è attiva soltanto dopo 1 ms dall'applicazione della tensione di misura per assicurarsi l'annullamento dei transienti iniziali. Il Pse misura quindi la corrente assorbita configurando in accordo a questa la classe del Pd connesso. Sono definite 5 diverse classi:

  • classe 0 (fino a 15.4 W)
  • classe 1 (fino a 4 W)
  • classe 2 (fino a 7.0 W)
  • classe 3 (fino a 15.4 W)
  • classe 4 (riservata per usi futuri).

Lo standard prevede che il Pse eroghi potenza al Pd in base alla classe determinata entro un periodo di tempo predefinito dal termine della procedura di identificazione e classificazione; in caso contrario tale procedura deve essere ripetuta. Qualora il Pse supporti entrambe le configurazioni A e B descritte in precedenza, la potenza deve essere erogata sullo stesso doppino sul quale è stata rilevata una segnatura valida.
Come accennato inizialmente, lo standard prevede che due Pse con configurazioni diverse possano essere connessi allo stesso segmento di link. In questo caso è definita una procedura di back-off che evita che i due dispositivi interferiscano reciprocamente nella misura della segnatura finendo per non erogare mai potenza anche in presenza di un Pd valido. La procedura prevede dei tempi di attesa diversa (1 e 2 secondi rispettivamente) che un Pse deve rispettare a seconda del tipo di configurazione supportata prima di cercare nuovamente una segnatura valida nel caso di insuccesso.
Dopo aver erogato potenza, il Pse esegue infine in maniera indefinita delle procedure di monitoraggio per determinare eventuali condizioni di sovraccarico, di corto-circuito o di assenza della segnatura Mps (Maintain Power Segnature). Qualora una di queste condizioni perduri oltre il limite di tempo prestabilito, è previsto che il Pse rimuova la potenza sulla linea di alimentazione. La Mps, in particolare, è definita da due diverse componenti in AC e DC; lo standard prevede che il Pse in maniera opzionale verifichi l'una o l'altra o entrambe. Come nel caso della segnatura utilizzata per rilevare la presenza di un Pd, anche per le componenti in AC e DC della Mps lo standard definisce nel dettaglio le condizioni da applicare per la misura (tensione a circuito aperto, frequenza in alternata, massima corrente). La componente in AC, quindi, viene ritenuta valida se il Pse misura al proprio Pi una impedenza in alternata minore di 27 kΩ. Diversamente la potenza viene rimossa qualora siano rilevati valori superiori a 1980 kΩ e per un periodo di tempo maggiore di 400 ms; nell'intervallo tra le due soglie indicato, il comportamento del Pse non è specificato. La componente DC viene invece ritenuta non valida qualora il Pse misuri una corrente assorbita dal carico compresa tra 0 mA e 5 mA per un periodo di tempo maggiore di 400 ms.
Oltre al diagramma a stati, lo standard definisce anche un layer applicativo per la gestione del Pse che tuttavia non è mandatorio implementare. Se il Pse è presente nello stesso package fisico del physical layer e sono implementate le clausole 22 dell'Mii e 35 del Gmii allora la gestione del Pse può avvenire attraverso l'interfaccia di controllo dell'Mii; diversamente, funzionalità equivalenti devono essere fornite. Lo standard definisce quindi per il Pse due registri di controllo e di stato agli indirizzi, rispettivamente, 11 e 12. Il registro di controllo consente, in particolare, di abilitare o disabilitare il Pse e di configurare (laddove supportato) quale delle due configurazioni previste dallo standard (A o B) utilizzare (tale configurabilità è evidentemente supportata qualora siano implementate entrambe le configurazioni, diversamente in lettura il sistema ritorna l'indicazione della sola configurazione attiva). Il registro di stato riporta, invece, indicazioni relative alla presenza di una segnatura valida o meno e all'occorrenza di una delle condizione di errore di corto circuito, overload, power denied o Mps assente; sono riportati inoltre la classe del Pd rilevato sulla rete e lo stato del Pse (in riferimento alla macchina a stati del Pse come descritta in precedenza).
Oltre a descrivere il funzionamento logico di un Pse, lo standard PoE ne definisce le caratteristiche elettriche principali. La tensione erogata, ad esempio, deve essere compresa tra 44 V e 57 V - includendovi eventuali variazioni legate alla linea ed alla temperatura di lavoro - e con una regolazione di carico entro questo intervallo che garantisca un transiente massimo sulla tensione di uscita di 3.5V/μs e una corrente massima di 350 mA dc al valore minimo della tensione di alimentazione. La potenza massima erogabile in continuo è fissata in 15.4W. Sono inoltre specificati il tempo massimo di completamente della procedura di rilevamento del Pd connesso (500 ms), di classificazione di questo (75 ms) e di successiva abilitazione della potenza (400 ms); il tempo di attesa dopo una condizione di errore prima di riprende la procedura di alimentazione del Pd è fissato in almeno 750 ms.

Il modulo che riceve la potenza

Il Pd (Powered device) è il modulo atto a ricevere la potenza dalla linea di rete per l'alimentazione dell'end-point; lo standard impone che il Pd sopporti entrambi le configurazioni A e B descritte in precedenza ma non permette che il dispositivo richieda la presenza della tensione di alimentazione su entrambe allo stesso tempo. Il Pd deve essere insensibile alla polarità della tensione applicata in ingresso, accettare una tensione tra 0V e 57V senza che questo provochi danni permanenti all'end-point e non erogare potenza in uscita al proprio Pi in nessuna condizione. La Fig. 4 mostra una versione semplificata del diagramma a stati che rappresenta il comportamento del modulo; la logica è evidentemente più semplice di quanto implementato dal Pse. In uno stato iniziale in cui sia in grado di ricevere la tensione di alimentazione richiesta ma questa non sia ancora presente, il Pd deve presentare una segnatura valida ad uno qualunque dei due doppini di alimentazione previsti al proprio Pi secondo quanto specificato in precedenza. Successivamente all'applicazione della tensione sulla rete da parte del Pse, il Pd deve poi forzare una segnatura non valida sul doppino dal quale non derivi la tensione di alimentazione e una Mps valida invece su questo. Affinchè la Mps sia valida, il Pd deve assorbire una corrente in ingresso uguale o maggiore della corrente minima specificata, per una durata minima di 75 ms e con un dropout seguente (opzionale) non superiore ai 250 ms, ed esibire una impedenza resistiva e capacitiva entro i limiti stabili dallo standard. Come accennato in precedenza, durante il normale funzionamento, la potenza assorbita dal Pd potrà variare entro l'intervallo consentito o anche essere nulla; non deve però superare il valore massimo consentito dalla classe a cui è stato associato. Qualora in Pd non richieda più potenza può forzare una segnatura MPS non valida sulla porta di alimentazione per segnalare la richiesta al Pse. Come nel caso del Pse, lo standard PoE definisce i limiti per le specifiche elettriche del Pd. Il Pd deve necessariamente accendersi con una tensione di alimentazione maggiore di 42 V; la tensione minima di spegnimento invece è fissata in 30 V. La corrente di picco massima assorbita deve essere inferiore a 400 mA per i dispositivi di classe 0 e 3, 120 mA per quelli di classe 1 e 210 mA per quelli di classe 2. La potenza media assorbita (riferita ad una tensione di alimentazione compresa tra 44 e 57 V con una resistenza serie di 20 Ω e mediata sul periodo di 1 secondo) deve essere inferiore a 12.95 V e la corrente di inrush in ingresso inferiore a 400 mA. Tale corrente viene limitata automaticamente dal Pse all'accensione se la capacità d'ingresso del Pi del Pd è inferiore di 180 uF; diversamente la limitazione deve essere implementata dal Pd stesso

Uno standard in forte diffusione

L'articolo ha presentato una breve introduzione allo standard PoE che definisce specifiche e procedure per la distribuzione della potenza elettrica attraverso una rete Ethernet. Flessibilità, accessibilità, mantenibilità e riduzione dei costi sono i principali vantaggi della nuova tecnologia che sta diffondendosi piuttosto rapidamente in molti ambiti di applicazione. Una indagine di mercato di Venture Development Corporation ha stimato che nel solo 2007 sono stati venduti oltre 10 milioni di telefoni VoIP, 1,5 milioni di punti di accesso wireless e 1 milione di camere IP che supportano la tecnologia PoE. E se i numeri sono già questi, ad appena cinque anni dalla pubblicazione ufficiale dello standard, non è difficile prevedere, nel prossimo futuro, una continua crescita e una diffusione sempre più capillare. L'aggiornamento della specifica, del resto, con l'emissione dello standard PoE Plus (si veda il box), la promessa di una maggiore potenza disponibile sulla rete e l'integrazione con i sistemi 10-Gigabit non potrà che accelerare tale processo.

Il Power Over Ethernet diventa Plus

Nel dicembre 2004 lo Ieee ha definito un gruppo di lavoro (Ieee 802.3at - comunemente indicato come Power Over Ethernet Plus) per studiare una possibile estensione dello standard PoE, sull'onda di una crescente diffusione nei sistemi Ethernet di dispositivi (quali camera pan-tilt-zoom, videofonini IP, terminali Pos, laptot, lettori Rfid) che richiedono potenze di alimentazioni superiori a quanto previsto dalla specifica 802.3af. Soluzioni proprietarie avevano del resto già iniziato a diffondersi per rispondere a tali esigenze. Lo standard PoE in effetti è stato definito sostanzialmente avendo presenti le limitazioni delle infrastrutture Cat3, che agli inizi di questo secolo sembravano ancora in grado di sostenere la crescita della rete. In realtà se si considera che lo standard PoE utilizza solo due doppini per la distribuzione della potenza, o che cavi di categoria superiore (Cat5, ad esempio) presentano una resistenza inferiore di quasi il 40% che determina una minore dissipazione di potenza lungo la trasmissione, ci si rende conto che la prospettiva di erogare fino a 60 W su una connessione Ethernet non è poi tanto irrealistica. Per ora, lo standard PoE+ - secondo gli obiettivi come aggiornati a maggio 2008 - assume come riferimento una infrastruttura Iso/Iec 11801-1995 Class D / Ansi /Tia/Eia-568.B-2 categoria 5 con resistenza di loop di 25 Ω e si pone come obiettivo l'erogazione di una potenza minima di 24 W sulla rete (comunque pari quasi al doppio del massimo consentito dallo standard PoE) con una tensione di alimentazione minima in uscita dal Pse di 50V. Oltre ad una maggiore potenza, dovrebbe essere previsto un meccanismo dinamico di gestione della stessa che utilizzi il protocollo Lldp-Md (una estensione dello standard Ieee 802.3AB) per la comunicazione tra Pse e Pd; in particolare è introdotta una modalità di sleep del Pd per applicazioni power-saving. Altro obiettivo dello standard è la definizione delle caratteristiche di Midspan Pse compatibili con la specifica 1000Base-T (non coperta dal PoE) e l'estensione alle reti 10GBase-T. Lo standard sarebbe dovuto essere stato approvato entro il 2008, ma i lavori sono ancora in corso; con tutta probabilità la versione definitiva sarà emessa nel 2009.

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