Power over Ethernet (PoE): ficha técnica

Um sistema PoE consiste no equipamento de fonte de alimentação (PSE), que fornece energia e no dispositivo alimentado (PD), que recebe a energia. O lugar em que o PSE está localizado dentro do circuito determina o tipo de configuração de PoE. Normalmente, as soluções de PoE são projetadas como end-span ou mid-span.

Em uma solução de PoE de end-span, o PSE é geralmente integrado na porta do switch de Ethernet, colocando-o no início do link com o dispositivo energizado localizado na outra extremidade; assim, a energia percorre toda a extensão do circuito. Uma extremidade para a outra — end-span.

Entre os benefícios de uma configuração de end-span está a facilidade de gerenciamento. Você basicamente tem um dispositivo para gerenciar: o switch. Claro, se esse switch não suportar suas necessidades de energia PoE, você precisará decidir se deve substituí-lo ou não.

 
Outro benefício importante do end-span é a continuidade do serviço em caso de falta de energia. A maioria dos switches de LAN integram um no-break ou fonte de alimentação ininterrupta (UPS). Durante uma falha de energia, o UPS entra em operação para alimentar o PSE de end-span e garantir a operação contínua até que a energia seja restaurada.

Como mencionado anteriormente, à medida que o sinal de energia se desloca ao longo do link, vai perdendo energia. Para alguns saltos longos de PoE, um design de end-span não consegue suportar a distância e os requisitos de energia do(s) dispositivo(s) que você precisa para alimentar. Nesse caso, é melhor um design de mid-span.

Como o nome indica, um PoE de mid-span (alcance médio em português) coloca o PSE em algum lugar entre o switch de Ethernet e o dispositivo energizado. Para fazer isso, ele separa a fonte de alimentação do switch, criando um injetor de energia que pode ser emendado no link sem interromper os sinais de dados existentes. Por esse motivo, os mid-spans são comumente chamados de injetores de PoE. Um PSE de mid-span pode ser usado como uma fonte de alimentação autônoma, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1: Alimentação de equipamentos de LAN com PSE de end-span (superior) e mid-span (inferior)

Uma solução mid-span de PoE pode ainda ser subdividida em injetor PoE de porta única ou injetor de várias portas. Um injetor de porta única é usado para fornecer energia a um único dispositivo. É preferível em situações em que não há dispositivos PoE suficientes para garantir o custo de um switch PoE, ou se os dados precisarem ser transmitidos primeiro a uma longa distância (por exemplo, via fibra), antes de serem convertidos de volta para cabeamento de cobre e, em seguida, aplicar o PoE.

O injetor PoE multiportas (mid-span) foi desenvolvido para “injetar” energia em uma rede Ethernet existente na qual o switch Ethernet não fornece capacidade de PoE. A caixa do injetor PoE de várias portas fica entre um switch de Ethernet existente e os dispositivos PoE.

Um dos principais benefícios de usar uma solução mid-span em comparação à end-span é a capacidade de alimentar dispositivos localizados longe do switch. O mid-span também permite que você mantenha os switches que tem, independentemente de sua capacidade de suportar PoE. A desvantagem é que, com uma solução de mid-span, você precisa instalar e gerenciar um dispositivo extra, o injetor — aumentando o custo e os recursos.

Os PDs estão na extremidade receptora do sistema de distribuição PoE e operam em corrente contínua (CC) de baixa tensão. Muitos PDs também apresentam um divisor de PoE integrado, que separa os sinais de energia e dados para redistribuição a outros dispositivos. Quando usado em VoIP, wireless LAN e aplicativos de segurança IP, um sistema PoE pode economizar até 50 por cento dos custos gerais de instalação, eliminando a necessidade de fiação e tomadas elétricas separadas.

Há uma ampla variedade de dispositivos alimentados que estão sendo instalados em redes corporativas. Com a adoção do PoE++ e seus recursos de 90 watts, a lista está se expandindo rapidamente.

Figura 2: Principais avanços da tecnologia PoE e padrões de suporte

Aqui estão apenas alguns dos tipos de dispositivos:

Pontos de acesso sem fio: É moleza instalar uma rede Wi-Fi com pontos de acesso sem fio compatíveis com PoE. Basta puxar uma única gota de Ethernet para o local de instalação do ponto de acesso (AP) e depois conectar o PA em uma extremidade e um switch PoE na outra.

Switches de rede: Pequenos switches de rede alimentados por PoE são uma jogada garantida em instalações de "borda de rede". Coloque-os em pequenos racks ou escritórios onde seja necessário conectar cinco ou seis dispositivos.

Câmeras de segurança e NVRs: As câmeras de segurança podem ser alimentadas por PoE, simplificando muito a instalação, especialmente em locais onde a energia é difícil de acessar. Os switches PoE+ podem alimentar até mesmo as câmeras PTZ (pan-tilt-zoom) mais potentes.

Alto-falantes IP: Os alto-falantes IP são um novo tipo de dispositivo VoIP mais adequado para aplicativos de radiochamada e notificação. O cabeamento digital do PoE é perfeito para transportar vários fluxos de áudio de alta qualidade e sua fiação flexível simplifica a instalação e a operação do sistema.

Telefonia IP: Os telefones VoIP alimentados por PoE não são nada novos, mas a tecnologia continua a amadurecer, fornecendo conectividade avançada. Além do cabeamento simplificado, o PoE tem a vantagem de permitir que a equipe de TI ligue e desligue remotamente os telefones que precisam ser reinicializados para restaurar a funcionalidade.

Placas de sinalização/exibição digital: A popularidade da sinalização digital está aumentando, e o PoE permite que os instaladores capitalizem esse mercado em crescimento. Agora, os monitores digitais alimentados por PoE estão levando as coisas mais além com recursos e desempenho altamente interativos e mais funcionais.

Iluminação: Uma nova aplicação surpreendente para o PoE é a iluminação. Não é uma ideia nova, mas há alguns produtos exclusivos de iluminação PoE baseados em LED disponíveis.

E muito mais: Há uma ampla variedade de outros dispositivos PoE disponíveis, incluindo teclados de controle de acesso, relógios sincronizados, quadros de mensagens, codificadores de vídeo para converter saídas de câmera analógica tradicional para IP, PCs thin client e muito, muito mais

O mercado de PoE pode ser dividido em três segmentos principais — comercial, industrial e residencial — com a maior parte do crescimento vindo de aplicações comerciais e industriais. A crescente popularidade do segmento de dispositivos de Power over Ethernet (PoE) comerciais é atribuída ao aumento da demanda do setor de varejo, setor de saúde e edifícios de escritórios. Dentro de cada setor, o PoE fornece a infraestrutura comum para suportar uma ampla variedade de dispositivos energizados: Telefones VoIP, sistemas de controle de acesso, controles de iluminação, alarmes, scanners de código de barras, RFID, relógios, câmeras de segurança IP, monitores de sinalização digital, monitores de computador, terminais PoS, pontos de acesso sem fio, sensores de edifícios inteligentes, controle de acesso a edifícios, sistemas de detecção de incêndio, sistemas AV e muito mais.

Tabela 1: Exemplos da proliferação de dispositivos PoE que estão sendo implantados em vários ambientes

Enquanto isso, a internet das coisas industrial (IIoT) adiciona outra dimensão significativa ao potencial de crescimento do PoE. À medida que as empresas de fabricação, distribuição e logística continuam estendendo suas redes até a borda, elas vão implantando grandes quantidades de sensores e controladores de baixa potência para ajudar a impulsionar melhorias em áreas como automação, controle de qualidade e processamento. De acordo com uma pesquisa da Verified Markets Research, Inc., “O mercado da Internet das Coisas Industrial (IIoT) foi avaliado em US$ 61,27 bilhões em 2018 e está projetado para atingir US$ 103,38 bilhões em 2026, crescendo a um CAGR de 6,7% de 2019 a 2026.” Esse crescimento está impulsionando ainda mais a adoção e o desenvolvimento do PoE.

As aplicações residenciais do PoE também testemunharam um crescimento maciço recentemente, com a adoção constante de segurança doméstica baseada em IP, eletrodomésticos inteligentes, controles de automação e muito mais. Como resultado da crescente demanda por mais dispositivos/sistemas energizados e conectados, o mercado de PoE deve ultrapassar US$ 2 bilhões até 2025³.

IEEE 802.3af (2003): Conhecido simplesmente como PoE, este primeiro padrão de PoE fornecia até 15,4 watts (dc) de energia usando dois dos quatro pares em redes 10/100/1000BASE-T. As soluções de PoE que atendiam a esse padrão também são chamadas de Tipo 1, pois foram inicialmente projetadas para suportar dispositivos de baixa potência (15 W). Os primeiros aplicativos Tipo 1 incluíam relógios IP, telefones VoIP e câmeras de segurança simples.

IEEE 802.3at (2009): a segunda geração de PoE (Tipo 2) é conhecida como PoE+. Ela ampliou o padrão IEEE802.3af para fornecer mais alimentação CC aos PDs. A saída PSE máxima para o PoE tipo 2 é 30 W, com uma entrada PD mínima de 24,4 W. Isso torna o PoE+ bom para aplicações como iluminação LED de maior potência. As redes de PoE que atendem ao padrão IEEE 802.3at também são compatíveis com o padrão 802.3af anterior.

IEEE 802.3bt (2018): PoE++ é o padrão PoE mais atual e o primeiro a especificar o uso de todos os quatro pares trançados* para suportar a rede 2.5G/5G/10GBASE-T. O padrão define dois tipos de PoE — Tipo 3 e Tipo 4 — que fornecem até 60 W e 100 W, respectivamente. O padrão IEEE 802.3bt suporta conectividade legada de 10 Mbps, 100 Mbps e 1 Gbps, bem como conectividade de 2,5, 5 e 10 Gbps. Ele também suporta expansão energética entre switches Ethernet e dispositivos conectados, permitindo que até mesmo dispositivos não utilizados sejam desligados remotamente para maior eficiência energética.

*Em 2011, a Cisco apresentou o Universal Power Over Ethernet (UPoE) patenteado, que ampliou o padrão IEEE 802.3at para usar todos os quatro pares de cabeamento e fornecer até 60 watts de energia. Embora a UPoE continue sendo uma tecnologia não padronizada, ela ainda é usada em muitos casos.

Duas outras variáveis importantes que contribuem para a alta carga térmica são o tamanho e o espaçamento de cada feixe de cabos. Os padrões de instalação de cabos ISO/IEC 14763-2, ISO/IEC TR 29125, CENELEC TR 50174-99-1 e TIA-TSB-184-A recomendam feixes de cabos com 24 cabos ou menos para permitir as piores condições no que diz respeito a instalação, alimentação e medição do condutor. Com base no trabalho extensivo de modelagem e medição realizado durante o desenvolvimento do CENELEC TR 50174-99-01 e TIA TSB 184-A, o tamanho de pacote recomendado é de 24 cabos.

Tabela 3: Capacidade atual por par na temperatura ambiente de 45° C para uma categoria de cabo em comparação com o número de cabos no feixe para cabos padrão com classificação para 60˚ C

Deve-se notar também que, considerando os níveis de potência mais altos associados ao PoE de quatro pares (4PPoE), a infraestrutura de cabeamento específica e os feixes de cabos devem ser gerenciados para garantir a dissipação de calor adequada. Por exemplo, a instalação em conduítes degrada o desempenho térmico — com um aumento de temperatura mais alto do que a instalação ao ar livre. A instalação de conduítes deve ser limitado apenas às áreas exigidas pela autoridade local com jurisdição (AHJ), usando uma porcentagem máxima de preenchimento de 40 por cento e tamanhos máximos de feixe de 24 cabos por feixe.

O espaçamento entre feixes nos caminhos também afeta a carga térmica geral em todos os feixes. Durante os testes de laboratório, os engenheiros da CommScope observaram o seguinte:

• Quando os feixes são separados por 0,3x do diâmetro agrupado, eles se aquecem como um único feixe.
• A temperatura de um único feixe de 24 cabos do SYSTIMAX® GigaSPEED X10D aumenta 5 graus Celsius quando energizado, enquanto cinco feixes de 24 cabos do SYSTIMAX GigaSPEED X10D aumentam em 14 graus Celsius.
• Quando os cinco feixes de 24 cabos são dispostos lado a lado sem espaços de ar, a temperatura de cada um deles aumenta em 14 graus Celsius. Espaçando os mesmos feixes em 0,66x o diâmetro do feixe, o aumento da temperatura ficava limitado a 10 graus Celsius.
• Quando o número de feixes de 24 cabos foi aumentado para nove e disposto sem lacunas de ar entre eles, o resultado foi um aumento na temperatura foi de 22 graus Celsius. Espaçando os mesmos feixes em 0,84x o diâmetro do feixe, o aumento de temperatura foi reduzido para 19 graus Celsius.

Fatores que afetam a carga térmica

A corrente de saída contínua máxima do PSE no modo normal — em um par ou 480 miliamperes (mA) CC por condutor — é 1920 mA CC. Isso representa a corrente máxima permitida para o padrão 802.3bt. A solução de cabos selecionada deve atender ou exceder esse requisito.

Os sistemas de cabeamento da CommScope dão um passo adiante, pois eles têm a garantia de suportar todas as implementações definidas em todos os padrões PoE IEEE. Embora não seja padronizada, a implementação de UPoE da Cisco também é suportada. O PoE IEEE 802,3 e o UPoE da Cisco são cobertos pelo programa de garantia estendida de produtos e garantia de aplicações da CommScope, quando instalados em uma instalação certificada da CommScope que atenda às diretrizes de projeto e instalação relevantes.

Tabela 5: Capacidade atual por par na temperatura ambiente de 45 graus Celsius para uma categoria de cabo versus número de cabos no feixe

O conselho da CommScope é implantar o cabo de Categoria 6A, especialmente para aplicações PoE de quatro pares, e incluir duas passagens de cabo por dispositivo conectado. Isso garante espaço máximo para crescimento futuro e dobra o número de distribuições de zona disponíveis no futuro. É tecnicamente fácil justificar a escolha da Categoria 6A para fins de PoE. Quanto mais alta a Categoria, mais altas as correntes suportadas e, como visto anteriormente, melhor a resistência ao aquecimento do feixe, de modo o desempenho será melhor em longas distâncias.

Contrário ao que diz a crença popular, a rede sem fio precisa de fios. Recentemente, o cabeamento para suportar aplicações sem fio melhorou significativamente. A Categoria 6A de hoje está se tornando rapidamente o padrão para novos sistemas in-building wireless e Wi-Fi. A categoria 6A combina bem com a tecnologia LAN 10GBASE-T e alimentação remota; também suporta soluções de cobertura e capacidade multi-operadoras e multi-tecnologia.

Um sistema de gestão de infraestrutura automatizada (AIM), como a solução imVision da CommScope, pode automatizar essa manutenção de registros para ajudar a garantir que projetos compatíveis com os padrões sejam documentados. Ele faz isso correlacionando o uso de energia do switch em tempo real por porta com o tamanho do feixe de cabos e o tipo de cabo, conforme mostrado na Figura 9.

Figura 9: Documentar tamanhos de feixe e níveis de energia usando a solução de gestão de infraestrutura automatizada imVision

O número de cabos em um feixe é um número estático; no entanto, o status do PoE e do cabeamento de dados muda. Isso se deve à natureza dinâmica da conectividade entre o switch e as portas do painel. Sempre que alterações de conectividade são feitas, o imVision atualiza automaticamente o status dos cabos dentro do feixe de cabos, fornecendo assim uma visão em tempo real do estado PoE de cada feixe de cabos.