IEEE:n uusin PoE-standardi antaa mahdollisuuden syöttää entistä enemmän tehoa Ethernet-laitteille verkon kautta. Standardin bt-versio hyödyntää Ethernet-kaapelin kaikkia neljää paria ja antaa mahdollisuuden syöttää datan ohella käyttötehoa laitteille jopa 71,3 wattia.

Dataverkon PoE-toiminto (Power over Ethernet) on IEEE:n standardien 802.3af ja 802.3at määrittelemä verkko-ominaisuus. PoE:n avulla Ethernet-kaapeli voi samanaikaisesti syöttää sekä dataa että tehoa verkkolaitteille olemassa olevien datayhteyksien kautta.

IEEE:n SA-komitea hyväksyi pari vuotta sitten uusimman PoE-standardiversion IEEE 802.3bt, joka mahdollistaa huomattavasti aiempaa suurempien tehojen syöttämisen Ethernet-linkin kautta. Tässä artikkelissa käsitellään tämän laajennuksen merkitystä ja suunnittelijoiden mahdollisuuksia hyödyntää sen tarjoamia etuja.

Miksi sitten edelleen käytetään kiinteitä kaapeliyhteyksiä, vaikka langattomat verkkoarkkitehtuurit ovat helposti saatavilla? Langaton yhteyshän on tietysti kätevä, mutta kiinteästi asennettuja CAT5e-kaapeleita on kuitenkin valmiina miljoonia kilometrejä erilaisissa liikerakennuksissa ja yksityiskodeissa, joten kaapeliyhteydet ovat edelleen hyvässä käytössä.

Lisäksi langallisen yhteyden hakkerointi tai sieppaus on vaikeampaa kuin langattoman (yritysverkot ovat enimmäkseen kiinteitä kaapeliverkkoja). Pitkälle ulottuvat langalliset verkot ovat myös kustannuksiltaan melko edullisia.

Esimerkiksi teräsbetonista, tiilistä ja kivestä koostuvassa rakennuksessa hyvänlaatuisen langattoman signaalin jakamiseen tarvitaan monissa tapauksissa myös hyvää tuuria (5G tuo tullessaan paremman kattavuuden sisätiloihin, mutta sitä ei ole laajasti saatavilla vielä vähään aikaan). Ja jos joku ulkopuolinen haluaa kytkeytyä Ethernet-verkon signaaliin, on kaapeli ensin katkaistava – onnea vaan yritykselle.

Lisäksi langaton yhteys saattaa helposti häiriintyä ulkopuolisten signaalien ja radioaaltojen vuoksi. Sen sijaan kaapeliyhteys on yleensä suojattu ja tarjoaa käyttäjälle ’kytke ja käytä’ -ominaisuuden sekä toteuttaa sen paremmalla palvelulaadun (QoS) tasolla.

802.3bt-järjestelmäarkkitehtuuri

Verkkojen järjestelmäarkkitehtuurissa käytetään tehonsyöttöön PSE-laitteita (Power Sourcing Equipment). Ne ovat tehonohjaimia, jotka syöttävät tehoa Ethernet-kaapelin kautta PD-laitteille (Powered Device).

Standardi IEEE 802.3bt määrittelee: ”PD on laiteosa, joka joko kuluttaa tehoa tai pyytää syöttötehoa osallistumalla PD-tunnistuksen algoritmiin. Laitteella, joka voi toimia PD:nä, voi olla kyky käyttää syöttötehoa vaihtoehtoisesta teholähteestä. PI-liitännän (Power Interface) kautta tehoa pyytävä PD-laite voi samanaikaisesti käyttää tehoa vaihtoehtoisesta teholähteestä.”

Tyypillinen PD-laite on IP-puhelin, langaton liitäntäpiste, turvakamera tai muu vastaava laite, joka saa tehonsyötön Ethernet-kaapelin kautta. PI-liitäntä puolestaan on mekaaninen ja sähköinen liitäntäväline PSE- tai PD-laitteen ja siirtomedian välillä. Tämä on määritelty IEEE802.3bt -standardissa artiklan 1.4.324 ’PD PI Current Definitions’ mukaisesti.

Aiemmissa PoE-standardeissa käytettiin vain neljää Ethernet-kaapelin kahdeksasta johtimesta tasavirran siirtämiseen. IEEE-työryhmä päätti ottaa käyttöön kaikki kahdeksan johdinta 802.3bt-standardia varten.

Standardin lisäysdokumentissa 2 todetaan¹⁾, että ”Tämä lisäys laajentaa tehonsyöttöä käyttämällä strukturoidun johdinrakenteen kaikkia neljää paria, minkä ansiosta päätelaitteiden käytettävissä on enemmän syöttötehoa. Tämä lisäys mahdollistaa päätelaitteille myös alhaisemman tehonkulutuksen valmiustilassa ja tarjoaa mekanismin käytettävissä olevan tehobudjetin parempaan hallintaan.”

IEEE-standardikomitean tavoitteena oli kohottaa teholähteestä (PSE) tehoa kuluttavalle laitteelle (PD) syötettävän tehon määrää. Tämä nimellistasoltaan enimillään 71,3 watin syöttöteho voidaan siirtää PD-laitteelle (PSE:stä saadaan 90 W) ja samalla saada PD-laitteelta vaadittavan valmiustilan tehotaso merkittävästi alemmaksi.

Autoclass-ominaisuus

Standardin 802.3bt osassa 145.8.8.2 on valinnainen fyysisen kerroksen luokituksen laajennus nimeltään Autoclass. Kun tämä ominaisuus on käytössä, PSE määrittää liitettyjen PD-laitteiden kuluttaman todellisen maksimitehon. Autoclass on määritetty ainoastaan yksinkertaisen allekirjoituksen vaativille PD-laitteille (ks. seuraavan jakson määritelmät allekirjoituksista).

Kun PSE-laite toteuttaa Autoclass-toiminnon, se mittaa tehon P_autoclass sen saavuttaessa tason POWER_ON ja linjan pd_autoclass ollessa tilassa TOSI. Ellei PD:lle syötettävä teho pahimmassa tapauksessa saavuta haluttua täyttä tehoa, Autoclass-toiminto ratkaisee tilanteen, jos sen toimina on sallittu. Tarkempia tietoja Autoclass-toiminnosta löytyy mm. artikkelista ‘Optimizing PoE Output Power Through Autoclass’.

Yksin- tai kaksinkertainen allekirjoitus

IEEE 802.3bt -standardi tuo mukanaan kaksi uutta PD-toimintoa: yksin- tai kaksinkertainen allekirjoitus. Yhden allekirjoituksen PD:llä on sama MPS-luokitus (Maintain Power Signature) ja tunnistusallekirjoitus molempien parien kesken. Kaksinkertaisen allekirjoituksen PD:llä taas on itsenäisesti erilaiset allekirjoitukset kummankin parin kesken. 802.3bt-standardi tarjoaa erottelukyvyn tunnistaa yksin- tai kaksinkertaisen PD-kytkennän välinen ero uuden lisätyn Connection Check -toiminnon avulla.

Kaksinkertaisen allekirjoituksen PD vaatii kaksi rinnakkaista PD-liitäntää, koska tässä topologiassa tarvitaan kaksi erillistä parisettiä. Kunkin PSE:n syöttämä teho summataan yhteen jokaisen PD-liitännän jälkeen. Tämä on kallis ratkaisu – suunnittelijat saattavatkin siksi valita yhden allekirjoituksen ratkaisun, joka maksaa noin puolet vähemmän. Ajatellaan vaikka kaksoisallekirjoitusta hyödyntävää valvontakameraa, jossa yksi pari on kytketty kameraan ja toinen pari lämmittimeen tai pan/zoom-moottoriin.

PD-puoli tarvitsee yleensä myös muuntajan jokaiselle PSE:ltä tulevalle johdinparille (GB Ethernetin osalta katso kuvaa 1, jossa V_pd,B voi soveltua 10/100Base-T:lle), aktiivisen tasasuuntaussillan, 802.3bt-yhteensopivan PD-liitäntäohjaimen ja DC-DC-muuntimen. PD-laitteen mahdollisia lisäosia ovat Schottky-diodit, vastukset ja kondensaattorit.

Kuva 1. 802.3bt-yhteensopivan PD-puolen sovelluskaavio. Tasasuuntaussiltana toimii ON Semiconductorin FDMQ8205A ja liitäntäohjaimena NCP1096 (kuva: ON Semiconductor).

Kuvasta 2 nähdään, että luokan 8 nelostyypin PD-laitteet voivat enimmillään kuluttaa 71,3 wattia syöttötehoa. Alhaisimmalla sallitulla 52 voltin PSE-jännitteellä ja huonoimmalla tuetulla 6,25 ohmin kanavaresistanssilla virtaa kulkee kaapelin läpi 1,73 ampeeria.

Kuva 2. Huonoimmalla sallitulla 6,25 ohmin kanavaresistanssilla kuormaan saadaan vakioteho 71,3 W. Suurin nimellisvirta syöttöjärjestelmän läpi voi olla 1,73 A eli 0,433 ampeeria johdinta kohti (kuva viitteestä 2).

Ongelmatilanteet hallintaan

IEEE 802.3bt -standardin mukaan ”PD määritetään sen fyysisessä kytkentäpisteessä kaapelointiin. Ominaisuuksia kuten jännitteenkorjaimien aiheuttamia häviöitä, teholähteiden heikkoa hyötysuhdetta, sisäisten piirien erottamista ulkopuolisesta maatasosta tai muita PI-liittimen jälkeisten piirien ominaisuuksia ei ole määritelty. PD:lle määritellyt rajat spesifioidaan PI-liitännässä eikä missään PD:n sisäisessä pisteessä, ellei erikseen mainita.”

Seuraavassa on joitakin seikkoja, jotka suunnittelijan tulee ottaa huomioon mahdollisimman vankan suunnitteluarkkitehtuurin saavuttamiseksi:

1. On oltava tietoinen kanavan muiden laitteiden (diodit, muuntajat jne.) aiheuttamasta virran epätasapainosta PSE:n ja PD:n välillä. Niin kauan kuin suunnittelija on tietoinen tästä epätasapainosta, sen lieventämiseen voidaan käyttää luovia vaihtoehtoja. Tämä riippuu suunnitteluarkkitehtuurista. Yksi vahva suositus on käyttää mahdollisimman hyvää maadoitusta sekä laajoja maavirtojen paluureittejä, jotka voivat johtaa suuria virtoja.
2. Virran epätasapaino Ethernet-kaapeloinnin parien välillä: Ongelmana on, että kaapelintoimittajat harvoin testaavat tai kertovat suunnittelijoille eriteltyjä tietoja eri parien välisestä epätasapainosta. Yleensä virran epätasapaino spesifioidaan ainoastaan kunkin parin johtimien välille.
3. Kaapelin kuumenemista pitää varoa: Kaapelien lämpenemiseen liittyviä tietoja on yleensä runsaasti tarjolla, mutta suunnittelijan vastuulla on pitää lämpötilan nousu hallittuna. IEEE:n työryhmä päätti, että lämpötilan nousun tulisi olla alle 10 celsiusastetta. Kaikissa kaapelijohtimissa sovellettiin 300 milliampeerin virta-arvoa, joka vastaa 51 watin tehon jakamista tasapainoisesti kunkin 100 metrin pituisen kaapelin päähän asti. Suunnittelijat voivat tähän kokeilla joitakin ratkaisuja, esimerkiksi resistanssiarvoltaan pienemmän kaapelin käyttämistä I²R-tehohäviön vähentämiseksi, vähäisempää kaapelimäärää kussakin nipussa tai vain osittaista tehonsyöttöä kaapelinippuun.

Oikea tapa tehohäviön (kuumenemisen) määrittämiseksi mille tahansa kaapelille on käyttää vakiotehoista kuormaa sekä kohteeseen soveltuvaa jännitelähdettä syöttävänä lähteenä²⁾.

Joissakin kaapelien lämpenemiseen liittyvissä tutkimuksissa kaapeliniput on testattu 2,0 A virralla. Eli jos käytetään 24AWG-tyyppistä kaapelia, se synnyttää 164 milliwatin tehotiheyden metriä kohti. Tehotiheydellä tarkoitetaan pituusyksikköä kohti kaapelissa jakautuvaa tehoa seuraavasti:

164 mW/m = ((2,0A)²x 4,09 ohmia)/100m)

R_Ch-arvo perustuu 24AWG-kaapelin kiinteän kuparin resistanssiin 20 ^oC lämpötilassa.

Kuva 3. Kanavana toimii 24AWG-tyyppinen suojaamaton parikaapeli (UTP) ja kuormituksena 2,0 A vakiovirta (kuva viitteestä 2).

4. PD:lle syötettävän tehon (PD:t ovat vakiotehokuormia) ja PSE-tehon välillä on epälineaarinen suhde. Kaikkien PD-laitteiden tehontarve vaihtelee. PD:n suurempi virrantarve tarkoittaa suurempaa jännitehäviötä kaapelissa IR-häviöiden muodossa. Kun PD saa alhaisemman jännitteen kuin tarvitsee, se vaatii enemmän virtaa. Eli korkeamman PD-jännitteen käyttäminen pienemmällä virralla stabiloi tämän vaikutuksen. Turvallisuuden varmistamiseksi PSE-jännite tulee rajoittaa alle 57 voltin maksimiarvon.

PD:n testaus

Jos valmistajalla on tarjota demokortti tai referenssisuunnitelma, sitä kannattaa aina käyttää sovelluksessa. Nämä kortit on luotu huolellisesti asianmukaisilla reititys- ja maadoitusmenetelmillä, jotta arkkitehtuurista tulisi paras mahdollinen. Gerber-tiedostot suunnitelmalle ovat yleensä helposti saatavissa valmistajalta. Niitä kannattaa käyttää suunnittelussa. Nämä menetelmät vähentävät lopullisen suunnitelman laajamittaisen testauksen tarvetta.

Suunnitellun ratkaisun tuotantotestaukseen sekä todellisessa järjestelmässä testaamiseen on tarjolla joitakin hyviä ratkaisuja kuten Reach Technologyn PoE-testeri PoE5 100 W PoE tai tuotetesteri RT-PoE5 IEEE 802.3bt Power-over-Ethernet PSE.

New Hampshiren yliopiston InterOperability Laboratory puolestaan on huipputasoinen kolmannen osapuolen testauslaitos PoE-sertifioinnin testaamiseksi. Sifos Technologiesilla taas on tarjolla 4-parien testaamiseen kompakti PowerSync-analysaattori erityisesti 802.3bt PoE:lle. Nämä ratkaisut auttavat suunnittelijoita varmistamaan vankan järjestelmän.

Yhteenveto

Tämän artikkelin tarkoitus on selittää, mitä PoE-tehonsyöttö ja IEEE 802.3bt -standardi pitävät sisällään. Näin lukija toivottavasti oppii määrittelemään PD- ja PSE-laitteet sekä tuntemaan niiden vahvuudet ja rajoitukset oikeaoppisessa signaalin ja syöttötehon siirrossa sekä ymmärtämään paremmin standardin ja sen paranneltujen ominaisuuksien arvon PoE-järjestelmässä.

Tärkein näkökohta on, että artikkelin korostama IEEE 802.3bt -standardi antaa suunnittelijoille mahdollisuuden syöttää entistä enemmän tehoa PD-laitteille sekä tarjota yhä monipuolisempia energiavaihtoehtoja.

Artikkelissa on myös esitetty syitä, miksi langallisen järjestelmän hyödyntäminen langattomassa maailmassa tarjoaa paremman turvallisuuden, ennustettavuuden ja luotettavuuden. Nykyisten kaapeliverkkojen laaja infrastruktuuri on paljon vähemmän altis ympäristön aiheuttamille häiriöille kuin langaton verkko ja se voidaan myös toteuttaa pienemmillä järjestelmäkustannuksilla sekä paremmalla palvelun laatutasolla (QoS).

Artikkelissa on myös esitetty joitakin tärkeitä seikkoja, jotka on sudenkuoppien välttämiseksi otettava huomioon suunniteltaessa 802.3bt-pohjaisia PD-laitteita, jotta suunniteltu lopullinen järjestelmä olisi mahdollisimman kestävä ja luotettava.

Lisäksi suunnittelijoille on annettu vinkkejä käyttökelpoisista PD-laitteiden testausmenetelmistä useiden nettilinkkien ja lähdeviitteiden avulla.

Viitteet

¹⁾ IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs, IEEE Standards Association, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.3bt

²⁾ Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Germany