Power over Ethernet eli PoE tarkoittaa nimityksensä mukaisesti virran syöttämistä laitteelle samalla ethernet-kaapelilla, jota käytetään laitteelle tapahtuvassa datansiirrossa. Tällä tavoin tehoa voidaan syöttää riittävästi pienikokoisille laitteille. Teknologiaa sovelletaan laajalti älykkäissä rakennuksissa, joissa käytetään pieniä jännitetasoja eikä normaaliin verkkojännitteeseen liittyviä turvamääräyksiä tarvitse soveltaa. Suurin syy, mikä tekee PoE-teknologiasta mielenkiintoisen, on, että sen avulla voidaan merkittävästi pienentää asennuskustannuksia.

Koska toimistorakennuksissa on yleensä valmiina olemassa rakenteisiin asennettu ethernet-kaapelointi akkuvarmisteisella UPS-laitteistolla varustettuna, kestävien järjestelmien toteuttaminen käy helposti. PoE-laitteita voidaan liittää samaan valmiina olevaan kaapelointiin ja tehoa voidaan syöttää sellaisiin sovelluksiin kuin valaistukseen ja turvakameroihin. Ethernet-kaapelia pitkin on mahdollista syöttää tehoa PoE-laitteesta jopa sadan metrin etäisyydellä oleviin laitteisiin.

PoE-virransyötön etuja älyrakennuksissa

Yksi selkeä etu PoE-teknologian käyttöönotosta on se, että sen avulla DC-tehonsyöttö on mahdollista olemassa olevaa ethernetiä pitkin. Vaikka teknologian käyttö edellyttää verkkokytkimien päivittämistä PoE-käyttöön soveltuvilla porteilla, saatava kustannusetu on merkittävä, koska ylimääräisten kuparikaapelien vetämistä ei tarvitse tehdä. Kuparin hinta on vuodesta 2000 vuoteen 2021 noussut 1,40 dollarista kilolta (0,65 dollarista naulalta) lähes 9 dollariin kilolta (4,05 dollariin naulalta, lähde: macrotrends). Lisää säästöä syntyy, kun tehoa vastaanottavan laitteen yhteydessä ei tarvitse muuttaa vaihtovirtaa tasavirraksi.

PoE-teknologian käyttö antaa joustavuutta tehoa tarvitsevien laitteiden sijoitteluun. Verkkovirran liitäntärasiat on usein sijoitettu lähelle lattiatasoa, mikä ei ole paras mahdollinen sijaintipaikka Wi-Fi-yhdyspisteille, mikro- ja pikosolujen reitittimille eikä kameroille. Mahdollisimman kattavan peiton aikaan saamiseksi on suositeltavaa pyrkiä välttämään näiden laitteiden sijoittamista lähelle esteitä, mikä merkitsee, että ne on parasta sijoittaa katon korkeudelle. Toisin kuin verkkovirtajohdot ethernet-kaapelit reititetään usein laskettujen kattojen muodostamiin tyhjiin kaapelointitiloihin, jolloin kaapeloinnin hyödyntäminen on helppoa.

Yhdistämällä tehonsyötön ja datansiirron toisiinsa PoE-teknologia mahdollistaa erilaisten sovellusten kuten valaistuksen, turvakameroiden ja digitaalisten kylttien järkevän kokoaikaisen valvonnan ja ohjauksen. Akkuvarmisteisilla UPS-laitteilla varustetut keskitetyt PoE-verkot turvaavat kriittisten laitteiden jatkuvan toiminnan sähkökatkosten aikana.

Kuva 1: PoE-teknologian tarjoamia etuja älykkäille rakennuksille.

Älyrakennussovellukset ja PoE-standardit

Alkuperäinen PoE-standardi (IEEE 802.3af) on ratifioitu 2003 ja siinä enimmäistehoksi oli määritelty 15 wattia. Se otettiin laajasti käyttöön esimerkiksi IP-puheluissa, rakennusten pääsyoikeuksien hallinnassa ja virransyötössä aiemman sukupolven hajautetuille Wi-Fi-yhteyspisteille. Myöhemmissä standardiversioissa, kuten IEEE 802.3at (30 W / 2009) ja IEEE 802.3bt (90 W / 2018), enimmäissyöttötehon määrää on kasvatettu silmällä pitäen vaativampia sovelluksia kuten nopeampia Wi-Fi-verkkoja, turvakameroita, kaiuttimia, myyntipäätteitä, ledivalaistusta ja vastaavia sovelluksia.

Kuva 2: PoE-standardit ja -sovellukset.

PoE-topologia

 Kuvassa 3 esitetään tyypillinen PoE-topologia. PoE-verkkokytkintä kutsutaan tehoa syöttäväksi laitteeksi (PSE): se syöttää DC-tehoa asiakaslaitteelle, jota kutsutaan tehoa vastaanottavaksi laitteeksi (PD). Määräysten mukaisesti PSE:n tulee syöttää tehoa PD:lle enimmillään satametristä ethernet-kaapelia (tyypillisesti CAT5/6) pitkin.

Kuva 3: Tyypillinen PoE-topologia (lähde: Ethernet Alliance).

Koska ethernet-kaapelin enimmäispituus on sata metriä, syntyy jonkin verran tehohäviöitä matkan varralla, jolloin pahimmassa tapauksessa PD:n vastaanottama teho on pienempi kuin PSE:n syöttämä teho. Tämä on otettu määräyksissä huomioon siten, että 13 wattia on sallittua 802.3af:ssä, 25,5 wattia 802.3at:ssä ja 71,3 wattia 802.3bt:ssä. DC-jännitealue voi vaihdella 42 voltista 57 volttiin PD:lle ”bt”-standardin mukaan. Verkossa olevat laitteet, joiden tuloportit eivät tue PoE-teknologiaa, voidaan silti yhdistää käyttämällä PoE-jaotinta erottamaan datansiirto ja DC-tehonsyöttö toisistaan. Tämä saattaa myös vähentää tarvetta käyttää AC/DC-muuntimia ja sijoittaa laitteita lähelle verkkopistoketta.

PoE-toimiset valvontakamerat

Nykyaikaiset turvajärjestelmät käyttävät yleensä kameroita, joissa pienmoottorit liikuttavat sitä kolmen akselin suunnissa tai panoroivat, kääntävät ja zoomaavat (PTZ, pan, tilt, zoom), ja tyypillisesti kamerat ovat teräväpiirtoisia HD-digikameroita. Näitä kameroita voidaan ohjata manuaalisesti johdotettua yhteyttä kuten ethernetiä käyttäen tai ohjelmallisesti automaattisesti liikuttaa ja zoomata, kun kohteet on havaittu ennalta määritellyssä tarkkailukohdassa tai koko näkymäkentän alueella.

Jotkut kamerat on voitu myös asettaa tutkimaan näkymää suorittamalla jatkuvasti 360 asteen panerointia ja pystysuunnassa 0-180 asteen kääntyä samalla, kun zoomaus voidaan tehdä optisesti tai digitaalisesti. Tällaisten turva- ja valvontakameroiden tarvitsema tehonsyöttö voidaan nyt toteuttaa PoE-teknologian avulla IEEE 802.3at -standardin mukaisesti.

PoE-toimiset langattomat verkot

Wi-Fi-yhteyspisteet ja -reitittimet ovat myös yleisiä PoE-teknologian sovelluskohteita. Molempien tehonkulutus riippuu usein nopeustoiminnoista ja tuettujen yhteyksien lukumääristä. Nykyaikaisten verkkojen aluetta ja suorituskapasiteettia voidaan kasvattaa käyttämällä esimerkiksi MIMO-tekniikkaa. Toteuttamalla Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) -nopeuksilla toimiva AP/reititinsovellus PoE-standardit mukautuvat seuraavasti:

1. Wi-Fi 6, 4x4 kaksitaajuinen rinnakkainen: 802.3at
2. Wi-Fi 6, 8x8 kaksitaajuinen rinnakkainen: 802.3at/bt
3. Wi-Fi 6, 4x4 kolmikaistainen rinnakkainen: 802.3at/bt

Vaikka Wi-Fi AP/reitittimet toimitetaan AC/DC-teholähteellä varustettuna, voidaan niiden tehonsyöttö hoitaa myös PoE-jaotinta käyttäen. Sitä vastoin esimerkiksi Ciscon Meraki MR56 Wi-Fi 6 (802.11ax, 8 yhteyttä) -reititin tukee nykyisin 802.3at-standardia, mikä tarkoittaa, että RJ45-portti voidaan liittää suoraan PoE-toimiseen PSE-kytkimeen tehonsyötön toteuttamiseksi.

PoE-toimiset piko- ja mikrosolut

Piko- ja mikrosoluja käytetään, kun halutaan laajentaa tai lisätä kännykkäverkon solun peittoa erityisen kuormitetuilla alueilla kuten rakennusten sisällä, toimistoissa, ostoskeskuksissa ja stadioneilla. Tavanomaiseen soluun verrattuna pikosolun peittoalue on tyypillisesti pienempi ollen enimmillään noin 200 metriä ja mikrosolun peittoalue voi olla niinkin pieni kuin 10 metriä. Nämä kooltaan pienet laitteet ovat juuri sopivia ehdokkaita PoE-toiminteisiksi alla olevan esimerkkilaitteen tapaan:

1. Apex 4G/LTE 3,5 GHz Outdoor Picocell (35 W): 802.3bt

PoE-virta digitaalisiin tauluihin

Leditelevisiot ovat hyvin tehokas viestinnän muoto. Niillä voidaan esittää asiakaskohtainen dynaaminen digitaalinen ilmoitusnäyttö mitä erilaisemmilla alueilla, kuten yrityksen toimistotiloissa, vähittäiskaupan älyratkaisuissa, hotelleissa ja paikallistason julkishallinnossa. Wi-Fi:n tavoin digitaaliset kyltit ovat vain niin hyviä, kuin niiden sijainti sallii. Esimerkiksi suurikokoiset näyttöruudut tyypillisesti asennetaan roikkumaan katosta, jolloin suuret yleisömassat näkevät niissä esitettävän sisällön. Sen sijaan älykioski- tai maksupäätesovelluksissa on parempi käyttää pienempikokoisia näyttöjä, jotka voivat olla myös kosketusnäyttöjä henkilökohtaisemman, vuorovaikutteisemman käyttäjäkokemuksen aikaan saamiseksi.

Leditelevision tehonkulutus vaihtelee merkittävästi. Samsungin 55” LED TV:n tyypillinen tehonkulutus on speksien mukaan 69 wattia, kun erään toisen valmistajan samankokoinen laite kuluttaa 120 wattia tehoa. On tärkeää pitää mielessä, ettei television tehontarve pääse missään vaiheessa ylittämään PD-tehoa. Standardin 802.bt mukaisesti syöttöteho voi vaihdella 90 watista 71,3 wattiin riippuen PSE:n ja television välisen ethernet-kaapelin pituudesta.

Markkinoilla on tarjolla useita digitaalisiin kyltteihin soveltuvia PoE-toiminteisia televisioita. On mielenkiintoista nähdä, alkavatko leditelevisioiden valmistajat integroida 802.bt- standardin ominaisuuksia suurikokoisiin televisioihinsa lisätäkseen suosiotaan digitaalisten kylttien markkinoilla. Alla on listattu eräitä LED TV -laitteita:

1. 55” Samsungin 4K LED TV (#Q70T) 69 W (tyypill.): 802.3bt (PoE-jaotin tarvitaan)
2. 46” HD Thinlabs Inc:n kosketusnäytöllä: 802.3bt (PoE-jaotinta ei tarvita)
3. 10” Samsungin digitaalinen ilmoitusnäyttö (DB10E-TPOE): 802.3at (PoE-jaotinta ei tarvita)
4. Samsungin digitaalinen ilmoitusnäyttö (DH48E) 44 W (tyypill.): 802.3bt (PoE-jaotin tarvitaan)
5. 40”” Samsungin digitaalinen ilmoitusnäyttö (H40B) 44 W (tyypill.): 802.3bt (PoE-jaotin tarvitaan)
6. 16” medTV:n PDI-P16TV-GB2-P -televisio (25 W): 802.3at (PoE-jaotinta ei tarvita)

PoE-toiminteinen älykäs valaistus

PoE-teknologia ja ledivalaistus sopivat hyvin yhteen, sillä ledit kuluttavat tasavirtaa jota myös PoE:t syöttävät. Tällöin vältytään AC/DC-tehonmuutoksen aiheuttamilta kustannuksilta.

Mainiona esimerkkinä siitä, miten PoE-teknologia soveltuu älyrakennuksien käyttöön, on onsemin Connected Lighting Platform -konsepti (kuva 4). Se perustuu modulaariseen suunnitteluun, jossa on mahdollista tuottaa 7000 lumenia kahteen 16 ledin muodostamaan nauhaan, joita ohjataan kahdella FL7760-ohjaimella. NCP1096 802.3bt -ohjaimeen perustuva PoE-moduuli syöttää enimmillään 90 wattia DC-tehoa lediohjainmoduuliin. Ohjainmoduulissa on myös toinen liitäntä, josta voidaan yhdistää RSL10 Bluetooth 5 radio langattomasti älypuhelimen yhdyskäytävään mahdollistaen yhteyden pilveen. Näin saadaan toteutettua älykäs valaistus.

Kuva 4: PoE-moduulilla toteutettava älykäs valaistus.

PoE-toiminteiset VoIP-puhelimet

Voice over Internet -protokollan (VoIP) sovelluksissa käytetään ehkä eniten PoE-teknologiaa. VoIP digitoi matalataajuiset analogiset äänisignaalit datapaketeiksi, jotka siirtyvät ethernet-protokollan mukaisesti WAN-alueverkossa (WAN). Sieltä puhelu siirtyy pilveen kytkimien ja reitittimien kautta. VoIP kuluttaa tehoa ainoastaan 4-7 wattia, joten se täyttää erinomaisesti 802.3af-standardin vaatimukset. Nykyaikaiset RJ45-liittimellä varustetut VoIP-puhelimet on suunniteltu vastaanottamaan sekä dataa että syöttötehoa ethernet-kaapelia pitkin ilman, että ulkoista PoE-jaotinta tarvittaisiin.

Yhteenveto

Samaa kaapelia pitkin tapahtuva tehonsyöttö ja datayhteys on ratkaisultaan hyvin käyttökelpoinen ja kilpailukykyinen; vertailun vuoksi ei tarvitse kuin panna merkille, miten USB on mullistanut tehonsyötön monissa kuluttajalaitteissa. Sama kehityskulku on odotettavissa PoE-teknologian esiinmarssille kaupallisissa ja teollisuussovelluksissa. PoE-konseptin etuna on tarjota yksikaapeliset ratkaisut kohdesovelluksissa, jotka itsekin saavat suoraan etua sen tuomasta helppoudesta.

Digitaalisen tietoliikenteen ja tehonhallinnan pitkäaikaisena asiantuntijana onsemi on paalupaikalla tarjoamassa PoE-ratkaisuja. Samalla kun yhä useammat laitevalmistajat tiedostavat teknologian edut, alkavat myös loppukäyttäjät vaatia PoE-ratkaisuja. Siirtyminen kohti älykkäämpiä integroituja tehosyötön ja datansiirron yhdistäviä ratkaisuja kohti on alkanut.