Power over Ethernet (PoE) : le dossier d’information

Un système PoE se compose de l’équipement d’approvisionnement en énergie (PSE), qui fournit l’alimentation, et du dispositif alimenté (DA), qui reçoit l’alimentation. L’emplacement du PSE dans le circuit détermine le type de configuration PoE. En général, les solutions PoE sont conçues en tant qu’end-span ou mid-span.

Dans une solution PoE de fin de période, le PSE est généralement intégré dans le port de commutateur Ethernet, le plaçant au début de la liaison avec le dispositif alimenté situé à l’autre extrémité ; ainsi, la puissance traverse la longueur du circuit. D’une extrémité à l’autre.

Les avantages d’une configuration de fin de période incluent la facilité de gestion. Vous n’avez qu’un seul appareil à gérer : le commutateur. Bien sûr, si ce commutateur ne prend pas en charge vos besoins en alimentation PoE, vous devrez décider s’il faut le remplacer ou non.

 
Un autre avantage clé d’une période de fin de service est la continuité du service en cas de coupure de courant. La plupart des commutateurs LAN intègrent aujourd’hui une alimentation sans coupure (UPS). Pendant une coupure de courant, l’ASI s’enclenche pour alimenter le PSE de fin de période et assurer un fonctionnement continu jusqu’à ce que l’alimentation soit rétablie.

Comme mentionné précédemment, lorsque le signal de puissance circule le long de la liaison, il perd de l’énergie. Pour certains longs Hops PoE, une conception de portée terminale ne peut tout simplement pas prendre en charge les exigences de distance et d’alimentation du ou des appareil(s) que vous devez alimenter. Dans ce cas, vous êtes mieux équipé avec une conception à mi-portée.

Comme son nom l’indique, un PoE à mi-portée place le PSE quelque part entre le commutateur Ethernet et l’appareil alimenté. Pour ce faire, il sépare la source d’alimentation du commutateur, créant un injecteur de puissance qui peut être épissé dans la liaison sans perturber les signaux de données existants. Pour cette raison, les mi-portées sont communément appelées injecteurs PoE. Un PSE à mi-portée peut être utilisé comme source d’alimentation autonome, comme illustré à la Figure 1.

Figure 1 : Alimentation à partir d’un équipement LAN avec PSE d’extrémité (haut) et mid-span (bas)

Une solution PoE mid-span peut être subdivisée en injecteur PoE à port unique ou en injecteur multi-port. Un injecteur à port unique est utilisé pour alimenter un seul dispositif. Il est préférable dans les situations où il n’y a pas suffisamment de périphériques PoE pour justifier le coût d’un commutateur PoE, ou si les données doivent d’abord être transmises sur une longue distance (par ex. via la fibre), avant d’être converties en câblage cuivre, puis de faire appliquer PoE.

L’injecteur PoE multi-ports (à mi-portée ou mid-span) a été développé pour injecter de l’énergie dans un réseau Ethernet existant où le commutateur Ethernet ne fournit pas de capacité PoE. Le boîtier d’injecteur PoE multi-ports se trouve entre un commutateur Ethernet existant et les appareils PoE.

L’un des principaux avantages de l’utilisation d’une solution à mi-portée par rapport à l’extrémité est la capacité à alimenter des dispositifs situés loin du commutateur. Un système à mi-portée vous permet également de conserver les commutateurs dont vous disposez, quelle que soit leur capacité à prendre en charge la technologie PoE. L’inconvénient est qu’avec une solution à mi-portée, vous devez installer et gérer un dispositif supplémentaire, l’injecteur, ce qui augmente les coûts et les ressources.

Les DA se trouvent à l’extrémité de réception du système de distribution PoE et fonctionnent avec un courant continu (CC) basse tension. De nombreux DA disposent également d’un répartiteur PoE intégré, qui sépare les signaux d’alimentation et de données pour la redistribution à d’autres appareils. Lorsqu’il est utilisé dans les applications VoIP, LAN wireless et de sécurité IP, un système PoE peut permettre d’économiser jusqu’à 50 % des coûts d’installation globaux en éliminant la nécessité d’installer des câbles électriques et des prises de courant séparés.

Il existe une grande variété d’appareils alimentés qui sont déployés sur les réseaux d’entreprise. Avec l’adoption du PoE++ et ses capacités de 90 watts, la liste s’étend rapidement.

Figure 2 : Principales avancées technologiques PoE et normes de support

Voici quelques-uns des types de dispositifs concernés :

Points d’accès wireless :Les points d’accès wireless compatibles PoE peuvent faire de l’installation du réseau Wi-Fi un gâteau. Il suffit d’effectuer une seule connexion Ethernet à l’emplacement d’installation du point d’accès, puis de connecter le point d’accès à une extrémité et un commutateur PoE à l’autre extrémité.

Commutateurs réseau : Les petits commutateurs de réseau alimentés par PoE sont une faille d’ouverture dans les installations de périphérie de réseau. Les localiser dans de petits racks ou bureaux où un installateur peut avoir besoin de connecter cinq ou six appareils.

Caméras de sécurité et NVR : Les caméras de sécurité peuvent être alimentées par PoE, simplifiant grandement l’installation, en particulier dans les endroits où l’alimentation est difficile à accéder. Les commutateurs PoE+ peuvent aussi alimenter les caméras PTZ (pan-tilt-zoom) les plus gourmandes en énergie.

Haut-parleurs IP : Les haut-parleurs IP sont un nouveau type d’appareil VoIP qui convient le mieux aux applications d’annonce et de notification. Le câblage numérique PoE est parfait pour transporter plusieurs flux audio de haute qualité et son câblage flexible simplifie l’installation et le fonctionnement du système.

Téléphonie IP : Les téléphones VoIP alimentés par PoE ne sont rien de nouveau, mais la technologie continue d’évoluer, offrant une connectivité avancée. Au-delà du câblage simplifié, la technologie PoE offre l’avantage que le personnel informatique est capable de redémarrer à distance les téléphones qui doivent être redémarrés pour restaurer les fonctionnalités.

Panneaux d’affichage/signalisation numérique : La popularité de la signalisation numérique augmente, et le PoE permet aux installateurs de capitaliser sur ce marché en pleine croissance. Aujourd’hui, les écrans numériques alimentés par PoE franchissent une nouvelle étape avec des fonctionnalités et des performances hautement interactives et plus fonctionnelles.

Éclairage :Une nouvelle application surprenante pour le PoE est l’éclairage. L’idée ne date pas d’aujourd’hui, mais il existe désormais des produits d’éclairage PoE à LED uniques disponibles.

Et bien plus encore : Il existe une grande variété d’autres périphériques PoE disponibles, y compris des claviers de contrôle d’accès, des horloges synchronisées, des cartes de messages, des encodeurs vidéo pour convertir les sorties de caméra analogiques traditionnelles en sorties IP, des PC clients légers, et bien plus encore.

Le marché du PoE peut être divisé en trois segments principaux, commerciaux, industriels et résidentiels, la majorité de la croissance provenant d’applications commerciales et industrielles. La popularité croissante du segment des appareils Power over Ethernet (PoE) est attribuée à la demande croissante du secteur de la vente au détail, du secteur de la santé et des immeubles de bureaux. Dans chaque secteur, le PoE fournit l’infrastructure commune pour prendre en charge une grande variété d’appareils alimentés : Téléphones VoIP, systèmes de contrôle d’accès, contrôles d’éclairage, alarmes, scanners de codes-barres, RFID, horloges, caméras de sécurité IP, écrans de signalisationnumérique, écrans d’ordinateur, terminaux de points d’accès, points d’accès wireless, capteurs de bâtiment intelligents, contrôle d’accès au bâtiment, systèmes de détection incendie, systèmes audiovisuels et plus encore.

Tableau 1 : Exemples de la prolifération des appareils PoE déployés dans divers environnements.

Parallèlement, l’Internet industriel des objets (IIoT) ajoute une autre dimension significative au potentiel de croissance de la PoE. Alors que les entreprises de fabrication, de distribution et de logistique continuent d’étendre leurs réseaux à la périphérie, elles déploient d’énormes quantités de capteurs et de contrôleurs à faible puissance pour contribuer à l’amélioration dans des domaines tels que l’automatisation, le contrôle qualité et le traitement. Selon une étude de Verified Markets Research, Inc., le marché de l’Internet industriel des objets (IIoT) a été évalué à 61,27 milliards USD en 2018 et devrait atteindre 103,38 milliards USD d’ici 2026, avec un taux de croissance de 6,7 % entre 2019 er 2026. Cette croissance stimule davantage l’adoption et le développement du PoE.

Les applications PoE résidentielles ont également connu une croissance massive récemment, avec l’adoption constante de la sécurité domestique basée sur IP, des appareils domestiques intelligents, des contrôles d’automatisation et plus encore. En raison de la demande croissante de dispositifs/systèmes plus alimentés et connectés, le marché PoE devrait dépasser les 2 milliards USD d’ici 2025³.

IEEE 802.3af (2003) : Connue simplement sous le nom de PoE, cette première norme a fourni jusqu’à 15,4 watts (CC) en utilisant deux des quatre paires des réseaux 10/100/1000BASE-T. Les solutions PoE qui répondent à cette norme sont également appelées Type 1, car elles ont été initialement conçues pour prendre en charge les appareils basse puissance (15 W). Les premières applications de type 1 comprenaient des horloges IP, des téléphones VoIP et des caméras de sécurité simples.

IEEE 802.3at (2009) : la deuxième génération de PoE (Type 2) est appelée PoE+. Elle a étendu la norme IEEE802.3af pour fournir plus d’alimentation CC aux DA. La sortie PSE maximale pour le type 2 PoE est 30 W, avec une entrée DA minimale de 24,4 W. Cela rend PoE+ adapté aux applications telles que l’éclairage LED à puissance élevée. Les réseaux PoE conformes à la norme IEEE 802.3at sont également rétrocompatibles avec la norme 802.3af antérieure.

IEEE 802.3bt (2018) : La norme PoE++ est la plus récente et la première à spécifier l’utilisation des quatre paires torsadées* pour prendre en charge le réseau 2.5G/5G/10GBASE-T. Cette norme définit deux types de PoE, Type 3 et Type 4, qui fournissent jusqu’à 60 W et 100 W, respectivement. La norme prend en charge la connectivité existante de 10 Mb/s, 100 Mb/s et 1 Gb/s ainsi que la connectivité de 2,5, 5, et 10 Gb/s. Elle prend également en charge la mise à l’échelle de l’alimentation entre les commutateurs Ethernet et les appareils connectés, permettant même aux appareils inutilisés de se mettre hors tension à distance pour une efficacité énergétique accrue.

*En 2011, Cisco a introduit son Universal Power Over Ethernet (UPoE) propriétaire, qui a étendu la norme IEEE 802.3at pour utiliser les quatre paires de câblages afin de fournir jusqu’à 60 watts de puissance. Bien qu’UPoE reste une technologie non standardisée, elle est toujours utilisée dans de nombreux cas.

Deux autres variables importantes qui contribuent à une charge thermique élevée sont la taille et l’espacement de chaque faisceau de câbles. Les normes 14763-2, ISO/IEC TR 29125, CENELEC TR 50174-99-1 et TIA-TSB-184-A recommandent des faisceaux de 24 câbles ou moins afin de limiter la chaleur générée par le courant et pour tenir compte des conditions les plus défavorables relatives au calibre des conducteurs, à l’alimentation et à l’installation. Sur la base d’une modélisation et d’un travail de mesure approfondis effectués pendant le développement de CENELEC TR 50174-99-01 et TIA TSB 184-A, la taille de faisceau recommandée est celle des 24 câbles.

Tableau 3 : Courant permanent admissible par paire à une température ambiante de 45 ˚C pour une catégorie de câble, par rapport au nombre de câbles dans le faisceau pour des câbles standard classés à 60 ˚C

Il convient également de noter que, étant donné les niveaux de puissance plus élevés associés à la PoE à quatre paires (4PPoE), l’infrastructure de câblage spécifique et les faisceaux de câbles doivent être gérés pour assurer une dissipation thermique adéquate. Par exemple, l’installation en conduit nuit à la performance thermique, car la température y augmente davantage que dans les installations ouvertes. Les installations en conduit doivent se faire seulement lorsque l’autorité locale compétente l’exige, avec un pourcentage de remplissage maximal de 40 pour cent et une taille maximale de 24 câbles par faisceau.

L’espacement entre les faisceaux dans les chemins affecte également la charge thermique globale sur tous les faisceaux. Pendant les tests en laboratoire, les ingénieurs de CommScope ont observé les éléments suivants :

• Lorsque les faisceaux sont séparés par 0,3x du diamètre du faisceau, ils chauffent comme un seul faisceau.
• Un seul faisceau de 24 câbles de SYSTIMAX® GigaSPEED X10D chauffe 5 degrés Celsius lorsqu’il est sous tension, tandis que cinq faisceaux de 24 câbles de SYSTIMAX GigaSPEED X10D augmentent de 14 degrés Celsius.
• Lorsque les cinq faisceaux de 24 câbles sont disposés côte à côte sans laisser d’air, ils ont chacun augmenté de 14 degrés Celsius en température. En espaçant les mêmes faisceaux de 0,66x, le diamètre du faisceau, l’augmentation de température était limitée à 10 degrés Celsius.
• Lorsque le nombre de faisceaux de 24 câbles a été augmenté jusqu’à neuf et agencé sans aucun espacement d’air entre eux, le résultat était une augmentation de la température de 22 degrés Celsius. En espaçant les mêmes faisceaux de 0,84x le diamètre du faisceau, l’augmentation de température a été réduite à 19 degrés Celsius.

Facteurs ayant un impact sur la charge thermique

Le courant de sortie continu maximal du PSE en mode normal, sur une paire ou 480 milliampères (mA) dc par conducteur, est 1920 mA dc. Cela représente le courant maximal autorisé pour la norme 802.3bt. La solution de câblage que vous sélectionnez doit satisfaire ou dépasser cette exigence.

Les systèmes de câblage CommScope vont encore plus loin, car ils garantissent la prise en charge de toutes les implémentations définies dans toutes les normes PoE IEEE. Bien qu’elle ne soit pas standardisée, la mise en œuvre UPoE de Cisco est également prise en charge. 802,3 Le PoE IEEE et l’UPoE de Cisco sont couverts par la garantie produit étendue CommScope et le programme d’assurance d’application, lorsqu’ils sont déployés dans une installation CommScope certifiée qui répond aux directives de conception et d’installation pertinentes.

Tableau 5 : Capacité actuelle par paire à 45 degrés Celsius de température ambiante pour une catégorie de câble par rapport au nombre de câbles dans le faisceau.

Le conseil de CommScope est de déployer un câble de catégorie 6A, en particulier pour les applications PoE à quatre paires, et d’inclure deux passages de câble par appareil connecté. Cela garantit une marge de manœuvre maximale pour la croissance future et double le nombre de distributions de zones disponibles à l’avenir. Techniquement, il est facile de justifier le choix de la catégorie 6A à des fins PoE. Plus la catégorie est élevée, plus les courants supportés sont élevés et, comme nous l’avons vu précédemment, une meilleure endurance au chauffage du faisceau, de sorte qu’il sera plus performant sur de longues distances.

Contrairement à la croyance populaire, les réseaux wireless ont besoin de fils. Récemment, le câblage pour prendre en charge les applications sans fil s’est considérablement amélioré. La catégorie 6A d’aujourd’hui devient rapidement la catégorie par défaut pour les nouveaux systèmes Wi-Fi et sans fil intégrés. La catégorie 6A s’associe parfaitement à la technologie LAN 10GBASE-T et à l’alimentation à distance ; elle prend également en charge des solutions multi-opérateurs, multi-technologies et de capacité.

Un système de gestion automatisée des infrastructures (Automated Infrastructure Management, AIM) tel que la solution imVision® de CommScope peut automatiser cette conservation des dossiers pour garantir que les conceptions conformes aux normes sont documentées. Pour ce faire, il met en corrélation l’utilisation de l’alimentation du commutateur en temps réel par port avec la taille du faisceau de câbles et le type de câble, comme illustré à la Figure 9.

Figure 9 : Documentation des tailles de groupe et des niveaux de puissance à l’aide de la solution de gestion automatisée des infrastructures imVision

Le nombre de câbles dans un faisceau est un nombre statique ; cependant, l’état du PoE et du câblage de données change. Cela est dû à la nature dynamique de la connectivité entre les ports du commutateur et du panneau. Chaque fois que des modifications de connectivité sont apportées, imVision met automatiquement à jour l’état du câble dans un faisceau de câbles, fournissant ainsi une vue en temps réel de l’état PoE de chaque faisceau de câbles.