Il Power over Ethernet (PoE) è una tecnologia che ha rivoluzionato il modo in cui alimentiamo e gestiamo i dispositivi di rete. Permette di trasmettere sia dati che alimentazione elettrica attraverso un singolo cavo Ethernet, semplificando l'installazione e riducendo i costi. In questa guida, esploreremo il funzionamento, le capacità di alimentazione, le normative IEEE di riferimento e le implementazioni PoE standard e non standard.

Nascita ed Evoluzione del PoE

La tecnologia PoE è emersa nei primi anni 2000 come soluzione per ridurre la complessità e i costi di installazione di vari dispositivi di rete. Da allora, è stata integrata in una vasta gamma di applicazioni, rendendo i dispositivi sempre più plug-and-play. Le specifiche di integrazione e progettazione di questa tecnologia sono indicate in alcune normative di riferimento, come la IEEE 802.3af. Queste normative sono in continua evoluzione per rispondere alle esigenze dei dispositivi PoE più esigenti.

Normative IEEE di Riferimento

Le normative IEEE svolgono un ruolo cruciale nella standardizzazione e nell'evoluzione della tecnologia PoE.

IEEE 802.3af

Introdotta nel 2003, la normativa IEEE 802.3af è stata la prima a standardizzare l’uso del PoE, definendo le specifiche tecniche per la trasmissione sicura di energia elettrica insieme ai dati sui cavi Ethernet. Tra i vari punti, questa normativa specifica i limiti di potenza, i metodi di rilevamento e le configurazioni di sicurezza che assicurano la compatibilità e la sicurezza dei vari dispositivi. Questo standard permette ai dispositivi Power Sourcing Equipment (PSE), come switch e iniettori, di fornire fino a 15,4 watt di potenza per porta, con una tensione operativa tra 44 e 57 volt e una corrente massima di 350 mA. È importante considerare che possono esserci delle perdite nelle connessioni del cavo e, per questo motivo, il dispositivo avrà disponibili circa 12,95 W.

IEEE 802.3at (PoE+)

Con PoE+ (IEEE 802.3 at) è possibile spingersi più avanti, fino a circa 30 W per porta.

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IEEE 802.3bt (Ultra PoE)

Il futuro delle reti PoE continua a evolversi con l’introduzione di nuovi standard come l’IEEE 802.3bt (Ultra PoE), rendendo possibile sfruttare questa tecnologia anche in applicazioni che richiedono più potenza. Con la convalida nel 2018 della norma PoE ad alta potenza (Hi-PoE) IEEE 802.3bt, in grado di fornire 100 W su ogni porta, nasce l'allineamento dei fornitori di Hi-PoE, eliminando i problemi di compatibilità tra i diversi prodotti. La norma Hi-PoE è compatibile con le versioni delle norme PoE e PoE+ preesistenti e consente di ampliare l'adozione di prodotti PoE standard e di aumentare la richiesta di prodotti alimentati tramite PoE.

Come Funziona il PoE

Il Power over Ethernet (PoE) permette di trasmettere sullo stesso cavo Ethernet sia i dati che l’alimentazione elettrica. Ma come funziona nello specifico?

Componenti Chiave

  • Power Sourcing Equipment (PSE): Il PSE è il dispositivo che fornisce “potenza” al cavo Ethernet. Questo potrebbe essere uno switch PoE (Endspan) o un iniettore PoE (Midspan). Gli switch PoE integrano direttamente la funzionalità PoE, mentre gli iniettori PoE permettono di aggiungere la capacità PoE a una rete già esistente. Chi fornisce l’energia mediante PoE su cavo Ethernet? Appositi switch con supporto PoE/PoE+. Come abbiamo spiegato nell’articolo Come funziona uno switch e a cosa serve: le funzionalità più importanti, gli switch più versatili consentono di definire, per ciascuna porta Ethernet PoE, la potenza richiesta.
  • Powered Device (PD): I PD sono i dispositivi che ricevono l’alimentazione dal PSE tramite il cavo Ethernet. Alcuni esempi sono i telefoni VoIP, le telecamere IP e i punti di accesso Wi-Fi. Ogni PD è dotato di un circuito di rilevamento PoE che garantisce la compatibilità con il PSE.

Processo di Alimentazione PoE

Il funzionamento del PoE si basa su un’interazione precisa tra hardware e software. I PSE devono essere in grado di rilevare correttamente la firma resistiva dei PD, oltre a negoziare il livello di potenza adeguato.

  1. Rilevamento: Quando un dispositivo viene collegato a una porta PoE, il PSE esegue un controllo per determinare se il dispositivo è compatibile con PoE. Questo viene fatto inviando una tensione di “prova” di basso livello e misurando la resistenza del dispositivo. Un dispositivo compatibile con PoE presenta una firma resistiva specifica che il PSE può rilevare facilmente.
  2. Classificazione: Una volta confermata la compatibilità del PD, il PSE può eseguire una classificazione opzionale per determinare il livello di potenza necessario per il funzionamento del dispositivo. Questo aiuta a gestire in modo efficiente la distribuzione dell’energia, specialmente in reti con molti dispositivi.
  3. Alimentazione: Dopo il rilevamento e la classificazione, il PSE fornisce la potenza necessaria al PD attraverso il cavo Ethernet. Il PSE continua a monitorare la connessione per garantire che il PD rimanga connesso e funzioni correttamente. La potenza è generalmente fornita a una tensione di 48V, con variazioni consentite tra 44V e 57V.
  4. Manutenzione: Se il PD viene disconnesso, il PSE interrompe immediatamente l’alimentazione alla porta, prevenendo potenziali danni elettrici e migliorando la sicurezza della rete. Questo meccanismo assicura che venga fornita alimentazione solo ai dispositivi compatibili.

Quanta Alimentazione Può Fornire il PoE?

Uno degli aspetti più critici del PoE riguarda la quantità di potenza che può essere fornita ai dispositivi collegati. Questo parametro è fondamentale per determinare l’idoneità del PoE nelle diverse applicazioni. Con l’evoluzione delle norme PoE, la quantità di potenza erogabile è aumentata significativamente, ampliando le possibilità applicative.

  • Classe 0: Fino a 15,4 watt (IEEE 802.3af)
  • Classe 1: Fino a 4 watt
  • Classe 2: Fino a 7 watt
  • Classe 3: Fino a 15,4 watt
  • Classe 4: Fino a 30 watt (IEEE 802.3at)
  • Classe 5: Fino a 45 watt (IEEE 802.3bt Tipo 3)
  • Classe 6: Fino a 60 watt (IEEE 802.3bt Tipo 3)
  • Classe 7: Fino a 75 watt (IEEE 802.3bt Tipo 4)
  • Classe 8: Fino a 100 watt (IEEE 802.3bt Tipo 4)

Indipendentemente dal fatto che si utilizzi PoE e/o PoE+, ogni dispositivo PSE, quindi lo switch di rete che fornisce l’alimentazione, dispone di un budget massimo erogabile.

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Distribuzione della Potenza in Rete

La quantità di potenza fornita dal PoE non è solo una questione di standard, ma anche di come questa viene distribuita attraverso la rete, fino ad arrivare ai dispositivi. Ad esempio, un aspetto pratico da considerare è quello della lunghezza del cavo. Come abbiamo visto nell’articolo Cavi ethernet: differenze e caratteristiche, il limite fisico per il trasferimento dei dati con i cavi Cat-5 e Cat-5e è pari a 100 metri (rispettivamente fino a 100 Mbps e 1 Gbps). Con PoE abilitato e dispositivi compatibili, è possibile arrivare ad erogare corrente e tensione (quindi potenza) fino, al massimo, a 100 metri. Massima attenzione, quindi, alla lunghezza del cavo Ethernet e anche alla tipologia se si prevedesse di collegare a valle un access point WiFi PoE che a sua volta offrirà banda di rete a diversi altri dispositivi wireless.

Iniettori PoE (Midspan)

Questo metodo prevede l’utilizzo di iniettori PoE, che vengono inseriti tra uno switch tradizionale e i dispositivi da alimentare (PD). Gli iniettori PoE vanno posizionati in serie tra lo switch e i PD e possono essere installati facilmente in un rack di rete. Molti iniettori PoE Midspan offrono funzionalità di monitoraggio e gestione della potenza, permettendo di controllare l’erogazione della potenza per ciascuna porta. Se lo switch della tua rete è un normale switch per computer, oppure un router, è probabile che non abbia porte POE. Se vuoi collegare una telecamera IP POE, puoi usare questo iniettore POE che, come dice il nome, "inietta" alimentazione in una linea che ne è priva. Gli iniettori hanno due porte di rete RJ45. Nella porta di ingresso entra le rete senza alimentazione poe e dalla porta di uscita esce la linea POE, verso la telecamera. L'iniettore supporta sia linee 10/100 che 10/100/1000 e fornisce alimentazione POE IEEE802.3af/3at fino a 25W per tutte le telecamere, incluse le motorizzate. Va collegato al 220V, con il cavo incluso.

Un esempio di iniettore PoE è l'Iniettore PoE Ingresso/uscita RJ45 10/100/1000 Mbps Potenza 30 W Distanza massima 100 m PoE/PoE+ IEEE802.3af/at Stabilizzato e protetto.

Switch PoE (Endspan)

La configurazione Endspan, d’altra parte, utilizza switch che integrano direttamente la funzionalità PoE nelle loro porte, eliminando la necessità di dover utilizzare dispositivi aggiuntivi come gli iniettori PoE. Gli switch PoE Endspan supportano vari standard PoE come IEEE 802.3af, 802.3at e 802.3bt e generalmente offrono funzionalità avanzate, come il controllo dinamico dell’erogazione di potenza per ottimizzare l’efficienza energetica e prevenire sovraccarichi. Inoltre, supportano funzioni di rete più specifiche, come VLAN, QoS e gestione SNMP, rendendoli ideali per reti complesse e ad alte prestazioni. Molti switch PoE sono anche in grado di gestire l'alimentazione in modo tale che i dispositivi PoE ad esso collegati possano effettivamente essere alimentati. Questo è l'ideale per le applicazioni di gestione remota in cui potrebbe essere necessario riattivare le apparecchiature IT come server e router per il ripristino.

Implementazioni Standard e Non Standard

Oltre alle configurazioni PoE standard supportate dalle normative IEEE, esistono anche implementazioni non standard che vengono utilizzate in applicazioni specifiche.

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  • High-Power PoE: Alcuni produttori offrono soluzioni PoE proprietarie che superano i limiti degli standard IEEE, fornendo potenze significativamente superiori. Un esempio è il PoE a 60 watt di Cisco, utilizzato per alimentare dispositivi come access point Wi-Fi di alta gamma e telecamere di sorveglianza.
  • Configurazioni Personalizzate: In alcune installazioni, le configurazioni di PoE possono essere personalizzate per soddisfare esigenze specifiche, come lunghezze di cavo estese o ambienti con interferenze elettromagnetiche elevate. Queste configurazioni richiedono una progettazione accurata per garantire l’affidabilità e la sicurezza del sistema.
  • Soluzioni Industriali: Le implementazioni non standard sono comuni anche in ambienti industriali dove le condizioni operative possono essere estreme. Le soluzioni industriali PoE devono essere progettate per resistere a temperature estreme, umidità e vibrazioni.

Vantaggi del PoE

La tecnologia PoE, talvolta denominata anche "alimentazione in linea", consente di ridurre sensibilmente il numero di cavi necessari per installare una rete. Tra gli altri vantaggi vi sono:

  • Maggiore flessibilità nella scelta della posizione delle apparecchiature installate.
  • Riduzione dei tempi morti e costi di cablaggio e alimentazione contenuti.
  • Necessità di un solo set di cavi per collegare le apparecchiature Ethernet, per una maggiore semplicità di installazione e un ingombro ridotto.
  • Nessuna necessità di rivolgersi a elettricisti per l'installazione, riducendo sia i costi che i tempi.
  • Possibilità di spostare facilmente le apparecchiature ovunque sia possibile portare un cavo di rete LAN, per causare disservizi minimi sul luogo di lavoro.
  • Maggiore sicurezza, in quanto la tensione di rete non entra in gioco.
  • Possibilità di garantire l'alimentazione delle apparecchiature mediante un dispositivo UPS anche in caso di assenza di alimentazione di rete.
  • Le apparecchiature possono essere disattivate o ripristinate in remoto, senza necessità di pulsanti di ripristino o interruttori di alimentazione.

Inoltre, un sistema PoE centralizzato è più facile da gestire e, in caso di interruzione di corrente, può essere alimentato da un UPS (gruppo di continuità) collegato allo switch PoE, garantendo la continuità della sorveglianza. Aggiungere nuove telecamere è più semplice.

Applicazioni del PoE

Il PoE ha trovato applicazione in diversi settori, grazie alla sua versatilità e ai vantaggi che offre. Alcuni esempi includono:

  • Telecamere di videosorveglianza IP: Il PoE semplifica drasticamente l'installazione di telecamere di videosorveglianza IP. Tradizionalmente, l'installazione di una telecamera richiedeva due cavi: uno per l'alimentazione e uno per la trasmissione dei dati (o del segnale video, nel caso delle analogiche). Con il PoE, non c'è più bisogno di installare prese elettriche dedicate in ogni punto in cui si posiziona una telecamera, riducendo notevolmente i costi di cablaggio e il tempo necessario per l'installazione, rendendola più rapida e meno invasiva.
  • Telefoni VoIP: Alimentare telefoni VoIP tramite PoE semplifica l'installazione e la gestione dei dispositivi, soprattutto in ambienti aziendali.
  • Access Point Wi-Fi: Il PoE facilita l'installazione di access point Wi-Fi in posizioni strategiche, senza la necessità di prese elettriche nelle vicinanze.
  • Infrastruttura per edifici e smart city: Illuminazione a LED.
  • Sistemi di vendita al dettaglio: POS, telefoni VoIP e firma digitale.
  • Dispositivi di rete ad alte prestazioni: Access point wireless (WAP) che supportano IEEE 802.11ac e 802.11ax, torrette IP, TV e monitor.
  • Videocamere di sorveglianza ad alta definizione: Con funzioni di panoramica-inclinazione-zoom, con riscaldatori per ambienti difficili.
  • Reti industriali e per l'assistenza sanitaria.
  • Vendita al dettaglio: POS, distributori automatici.

Superare i Limiti di Distanza

Per i dispositivi remoti che devono ricevere sia alimentazione che dati e che si trovano oltre la portata massima dei 100 metri del rame, gli amministratori di rete hanno a disposizione diverse opzioni:

  • Data closet remoto: Inserire un data closet remoto.
  • LAN extender: Utilizzare LAN extender per la conversione da Ethernet a DSL.
  • Convertitori da UTP a coax: Impiegare convertitori da UTP a coax.
  • Tecnologia wireless: Installare la tecnologia wireless.
  • Cavi in fibra ottica: Sfruttare i vantaggi dei cavi in fibra ottica per ampliare la portata della rete. La fibra ottica è in grado di aumentare l'estensione della rete fino a 160 km per link, senza i problemi di deterioramento dei dati sulla lunga distanza normalmente associati al cablaggio in rame.

I LAN extender possono aumentare l'estensione della rete fino a 10 km, tuttavia, oltre i 9,9 km la velocità di trasmissione dei dati cala sensibilmente. Da 100 Mbps, la velocità di trasmissione può rallentare fino a 2,3 Mbps. Inoltre, il cablaggio in fibra offre anche una serie di vantaggi in termini di sicurezza. Non genera emissioni elettromagnetiche ed è estremamente difficile da violare. Infine, poiché non è suscettibile a interferenze elettriche o alla perdita di dati in seguito a sbalzi di temperatura o condizioni atmosferiche, la rete in fibra si rivela anche estremamente affidabile.

La fibra può andare da un armadio dati esistente a un'area con accesso all'alimentazione. I Convertitori di Media PoE possono essere alimentati con corrente AC o DC . Il Convertitore di Media è collegato all'alimentatore e al cavo in fibra. La rete Ethernet in rame (UTP o STP) può essere prolungata di altri 100 metri verso l'unità PD. Il Convertitore di Media PoE converte i dati da fibra a rame, aggiunge potenza e li trasmette all'unità PD.

Se volete ampliare i servizi Ethernet e andare oltre il limite generale dei 100 metri dello standard IEEE 802.3 e se un nuovo cablaggio in fibra è troppo costoso, gli Estensori Ethernet sono la soluzione perfetta. Gli Estensori Ethernet Perle estendono in modo trasparente i collegamenti 10/100/1000 Ethernet su cablaggi di rame. Utilizzate un doppino telefonico (CAT5/6/7), un cavo coassiale o un cablaggio di rame esistente già in uso nei circuiti di allarme, in circuiti E1/T1, RS-232, RS-422, RS-485 e applicazioni CCTV e CATV. Gli Estensori Ethernet PoE possono funzionare come un PD o un PSE.

PSE e PD: Qual è la Differenza?

I tipi di dispositivi utilizzati in ambienti PoE sono sostanzialmente due, il Power Source Equipment (PSE) e il Powered Device (PD). Il PSE fornisce l'alimentazione, mentre il PD la riceve. Un PSE PoE è in grado di fornire fino a 15,4 watt di potenza a 48 V DC. Un PSE PoE+ offre invece fino a 30 watt di potenza a 48 V DC. Un dispositivo PSE Hi-PoE eroga al massimo 100 Watt di potenza.

Cablaggio e Standard IEEE

Gli standard IEEE richiedono quattro doppini. Il cavo CAT5 dispone di quattro doppini intrecciati, ma solo due delle coppie sono utilizzate per i dati. Le specifiche consentono di utilizzare per l'alimentazione le coppie residue o le coppie dati.

Come Viene Inniettata l'Alimentazione

L'alimentazione viene "iniettata" nel cablaggio sul lato dell'armadio. Questo può essere fatto tramite switch LAN / WAN "end-span" che incorporano circuiti di alimentazione. In alternativa, se non si desidera sostituire gli switch LAN esistenti o solo per alimentare alcuni segmenti, è possibile collegare i pannelli di permutazione di alimentazione "mid-span" o gli iniettori tra lo switch e il dispositivo alimentato (PD). I PD finali devono supportare PoE.

Quando un Powered Device (PD) PoE viene attivato, informa lo switch Ethernet endspan o midspan, mediante uno scambio di informazioni, che è in grado di ricevere alimentazione mediante il cavo Ethernet. Un PD completamente compatibile con PoE IEEE è in grado di ricevere alimentazione attraverso linee dati o pin inutilizzati dell'interfaccia Ethernet.

Precauzioni e Sicurezza

In questo ambito, gli amministratori di rete devono andare molto cauti, in quanto alcuni PD dichiarati compatibili con la specifica PoE IEEE si limitano in realtà a utilizzare sorgenti di alimentazione Midspan che impiegano solo i doppini non utilizzati per la trasmissione dei dati. Gli iniettori Midspan non verificano sempre se il dispositivo terminale che alimentano è un PD e, di conseguenza, potrebbe danneggiare i dispositivi non-PD della rete. Per proteggersi dai picchi di corrente in ingresso che possono verificarsi durante l'attivazione, è importante che i PD dispongano di dispositivo di protezione dalla corrente in ingresso. Grazie a questo sistema di protezione, il PD si avvia con una fase a basso assorbimento di potenza per proteggere il dispositivo che fornisce l'alimentazione (PSE) e passa quindi a una fase di assorbimento elevato che gli consente di ottenere la potenza necessaria al funzionamento fino a un massimo di 100 watt.

PD a Firma Singola e Doppia Firma

802.3bt ha introdotto due nuove topologie PD: single-signature e dual-signature. I PD a firma singola condividono la stessa firma di rilevamento, la firma di classificazione e mantengono la firma di alimentazione tra entrambi i set di coppie. Questo di solito è usato con applicazioni a carico singolo. Le PD a doppia firma dispongono di firme di rilevamento indipendenti, firme di classificazione e mantengono le firme di alimentazione su ciascun set di coppie. Questo è l'ideale per applicazioni multi-carico, come telecamere di sorveglianza con un riscaldatore.

Oggi, l'implementazione di PD a doppia firma consente di consegnare 51 W al PD. Tuttavia, è probabile che le distribuzioni PD più recenti utilizzino PD a firma singola per risparmiare sul costo complessivo del prodotto e sfruttare la maggiore disponibilità di potenza di 71 W. Sarà importante determinare se il PSE supporta PD a firma singola, PD a doppia firma o entrambi quando si pianifica una distribuzione. Un PSE che supporta entrambi non dovrà essere sostituito in quanto i PD vengono aggiornati.

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