Una introducción al Power-over-Ethernet

Al combinar la energía y las comunicaciones a través de un solo cable Cat3 o Cat5, los ingenieros pueden construir redes Ethernet de bajo mantenimiento de forma rápida y económica en comparación con las instalaciones que emplean sistemas separados. No es una sorpresa que la tecnología haya sido rápidamente adoptada y formalizada bajo un estándar del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers). Apodada "Power-over-Ethernet" (PoE, Alimentación por Ethernet), las principales ventajas de esta tecnología son su simplicidad y el hecho de que la energía está disponible dondequiera que haya un toma de datos.

Este artículo ofrece una introducción a PoE y al PoE+ de mayor potencia, esbozando los estándares, explicando los componentes, los dispositivos alimentados, el equipo de suministro de energía, los conmutadores y divisores Ethernet de "midspan" y "endpan", y describiendo un sistema sencillo.

Los primeros días de PoE

PoE surgió por primera vez como una respuesta al problema de la alimentación de los teléfonos de Voz sobre Protocolo de Internet (VoIP). Los teléfonos tradicionales tomaban su energía directamente de los cables de cobre que llevaban las llamadas de voz. Sin embargo, los cada vez más populares teléfonos VoIP no estaban conectados a estos circuitos convencionales, sino que tomaban las llamadas a través de los cables Ethernet de la Red de Área Local (LAN) de una empresa. Los cables de Ethernet no llevaban energía, así que los teléfonos VoIP tuvieron que ser conectados a la red eléctrica a través de un adaptador. Era una solución poco elegante, y si se perdía la energía del edificio, los teléfonos morían.

En 2000, el proveedor de equipos de telecomunicaciones Cisco fue la primera empresa que imitó el sistema telefónico tradicional introduciendo una tecnología patentada que permitió que los cables de Ethernet llevaran un suministro de 48 V_DC para alimentar los teléfonos VoIP (Fig.1). Sin embargo, PoE realmente cobró impulso en 2001 y 2002, ya que otros fabricantes, en particular los fabricantes de puntos de acceso inalámbricos, aprovecharon la técnica.

Figura 1: Un teléfono Cisco VoIP que incorpora PoE (Cortesía de Cisco).

La tecnología finalmente llamó la atención del IEEE, que había sido responsable de establecer el "Estándar para Ethernet" (IEEE 802.3) ya en 1983. La organización creía que era crucial crear una versión estándar de PoE para que cualquier fabricante pudiera hacer sus productos "compatibles con PoE". El trabajo se asignó a un subcomité de trabajo del Comité de Ethernet IEEE 802.3 y se denominó "802.3af". En junio de 2003, el subcomité de trabajo ratificó la norma PoE 802.3af del IEEE. En 2009, se ratificó un segundo estándar, IEEE 802.3at, que definía una tecnología similar que podía manejar más potencia.

¿Qué se define en la norma?

El IEEE 802.3af detalla una tecnología PoE diseñada para proporcionar hasta 15.4 W de corriente continua (mínimo 44 V_CC y 350 mA) a cada dispositivo. (Debido a las pérdidas en el cable, se garantiza que solo 12.95 W están disponibles en el equipo que se va a alimentar).

La tecnología utiliza un solo conector RJ45 estándar y un cable Cat5 (o incluso Cat3) y puede manejar decenas de vatios. Una vez que la red Ethernet se instala para la comunicación, también se puede utilizar para la energía, ahorrando en materiales, mano de obra, tiempo de instalación y costos de mantenimiento continuo.

La energía puede transmitirse por los conductores no utilizados del cable Ethernet, ya que solo se requieren dos de los cuatro pares del cableado Cat5 para las capas físicas típicas de 10 a 100 Mbps (esta técnica se denomina "Alternativa B" en las normas del IEEE). La energía también puede ser transmitida en los conductores de datos del cable aplicando un voltaje de modo común a cada par. Dado que Ethernet utiliza señalización diferencial, ésta no interfiere con la transmisión de datos del cable ("Alternativa A" en las normas).

El IEEE 802.3af define dos tipos de dispositivos PoE, el Equipo de Fuente de Energía (PSE) y el Dispositivo Alimentado (PD). Un PSE obtiene la energía de su propia fuente de alimentación convencional y luego administra la energía enviada a través de la red de cable Ethernet a la PD, que toma la energía que necesita a través de un conector RJ45 sin necesidad de una fuente de alimentación incorporada. PoE puede alimentar a los PD a través de los típicos cables de Ethernet de hasta 100 metros. Los PD son dispositivos como los teléfonos VoIP originales y los puntos de acceso inalámbricos, cámaras de seguridad, terminales de puntos de venta (POS), sistemas de control de temperatura e incluso sistemas de entretenimiento en vuelo.

Además de estandarizar la práctica existente para la transmisión de energía de pares de datos en modo común y de reserva, las normas PoE del IEEE prevén la señalización entre el PSE y el PD. Esta señalización permite que los dispositivos conformes sean detectados por el PSE, evitando daños a los dispositivos no PoE conectados a una red. El PSE y el PD "negocian" la cantidad de energía necesaria o disponible. Para detectar una DP, el PSE aplica un voltaje de CC entre 2.8 y 10 V a través del conductor. El PSE determina entonces si hay una DP conectada midiendo la corriente de bucle. La PD debe presentar una carga resistiva entre 19 y 27 kΩ con un condensador paralelo de 120 nF o menos como firma.

La figura 2 muestra un esquema de un PSE alimentando un PD.

Figura 2: Una aplicación típica de PoE (Cortesía de Texas Instruments).

Mejora de la norma

Aunque PoE puede suministrar alrededor de 13 W a la DP, algunos dispositivos podrían beneficiarse de una mayor potencia (por ejemplo, las cámaras con capacidades de paneo, inclinación y zoom [PTZ]). Para atender a estos productos, en 2009 se introdujo una segunda norma, la IEEE 802.3at. También conocida como "PoE+", la tecnología puede suministrar hasta 25.5 W CC a la PD. El PSE proporciona 50 a 57 V_CC comparado con 44 a 57 V_CC para el PoE. La corriente para el PoE+ se aumenta a 600 mA en comparación con los 350 mA de la tecnología anterior.

PoE+ utiliza solo cable Cat5 (que tiene ocho cables internos, comparado con los cuatro cables de Cat3), lo que disminuye la posibilidad de una posible impedancia y reduce la disipación de energía. Además, PoE+ permite a los administradores de la red mayores capacidades, tales como proporcionar nuevos diagnósticos de energía a distancia, informes de estado y gestión de la energía de la DP (incluyendo el ciclo de energía a distancia de los dispositivos incorporados).

Por último, el PoE+ proporciona una asignación dinámica de la energía, una distribución optimizada de la energía y una buena utilización de la fuente de alimentación, lo que permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir los costos.

La tabla 1 compara PoE (IEEE 802.3af) y PoE+ (IEEE 802.3at).

Tabla 1: Comparación entre PoE y PoE+.

Los espacios finales y los espacios intermedios...

Los PSE pueden implementarse como endpans (un conmutador Ethernet habilitado para PoE) o como midspans (un concentrador de energía utilizado junto con un conmutador Ethernet no alimentado que ya está instalado en la red). Los PD pueden recibir energía correctamente desde los endspans o midspans.

Los endspans aplican la energía directamente a los dispositivos. Según las especificaciones, los endspans pueden utilizar los pares de repuesto o los pares de datos del cable, que también se pueden utilizar para las transmisiones de Gigabit Ethernet. Los endspans requieren interruptores habilitados para PoE y, por lo tanto, tienden a ser especificados para nuevas instalaciones que demandan equipos nuevos.

Los midspans usan un panel de parcheo alimentado por un intermediario, o "inyector", colocado entre un conmutador Ethernet existente y los PD. El midspan se encuentra generalmente adyacente al interruptor, y se considera entonces como el PSE, lo que permite que el cable se extienda sin obstáculos a los dispositivos remotos. La especificación permite a los midspans utilizar solo el par de repuesto del cable; por consiguiente, no pueden utilizarse para enviar energía a través de líneas de datos como las conexiones gigabit Ethernet.

Hay una gama de inyectores midspan disponibles para añadirlos a una red Ethernet heredada. Laird Technologies suministra su POE-48I fuente de alimentación para esta aplicación. La fuente de alimentación es de rango automático en el lado de la entrada y tiene una salida de voltaje regulado. El dispositivo funcionará con cualquier equipo que cumpla con el estándar IEEE 802.3af. El POE-48I tiene un solo puerto y puede suministrar 48 V a 500 mA hasta 24 W.

Microsemi Analog Mixed Signal Group ofrece un inyector de un solo puerto, midspan que cumple con el estándar de mayor potencia IEEE 802.3at, el PowerDsine 9001GR. Al generar hasta 30 W a 55 V, el 9001GR permite la alimentación remota para una nueva gama de aplicaciones, incluyendo cámaras PTZ y videoteléfonos. El dispositivo es compatible con IEEE 802.3af y puede alimentar los dispositivos de red 10/100Base-T existentes y los dispositivos inalámbricos 1000Base-T emergentes como WiMAX y los puntos de acceso inalámbrico IEEE 802.11n. La figura 3 ilustra las aplicaciones típicas.

Figura 3: Ejemplo de aplicación para conmutador Ethernet Midspan PowerDsine 9001GR.

También se dispone de muchos midspans multipuerto. Phihong suministra a los midspans con 8, 16 y 24 puertos. El POE370U es un inyector midspan de 24 puertos que cumple con el IEEE802.3af. Cada puerto suministra 15.4 W sin necesidad de una gestión adicional de la energía. La unidad ofrece protección contra la detección, desconexión y sobrecarga, y puede suministrarse con un kit de montaje en bastidor de 1 U.

Los proveedores de midspan también pueden ofrecer "divisores". Son dispositivos que utilizan una entrada PoE que se divide en dos salidas: datos y energía. La energía puede ser redirigida al dispositivo final usando medios más convencionales, como un cable de CC. Los divisores actúan como un dispositivo intermediario entre un PSE conforme y un PD no conforme.

Laird Technology suministra el divisor PoE activo POE-12S-AFI que puede aceptar la energía PoE de cualquier enrutador o fuente de alimentación IEEE 802.3af. La unidad incorpora protección contra sobrecargas y cortocircuitos y cortará la energía inmediatamente cuando se detecte un cortocircuito sin que se dañe el sistema PoE.

Eligiendo entre una red PoE de extremo a extremo o de medio alcance...

Los Endspans cuestan más para implementar y operar solo con PD definidos por el estándar IEEE, pero hay algunas buenas razones para seleccionar esta técnica. Por ejemplo, los ingenieros tienden a seleccionar los interruptores de los extremos si están reemplazando todos los antiguos, o si la instalación es nueva.

Otra razón para usar endspans es evitar los desordenados e incómodos cables de parcheo adicionales y el trabajo extra que implica conectar un conmutador Ethernet convencional a un concentrador PoE midspan. Además, dos dispositivos en lugar de uno duplican los posibles puntos de fallo y hacen la vida más compleja a los administradores que trabajan en empresas que insisten en una dirección IP separada para cada equipo de la red.

Los ingenieros que seleccionen los conmutadores de terminales deben tener en cuenta que muchas unidades de terminales sólo pueden proporcionar un máximo de 200 W, por lo que un conmutador de 24 puertos sólo puede proporcionar un máximo de 8.3 W por puerto, por debajo de la potencia máxima de 15.4 W especificada en la norma PoE.

Los ingenieros que tienen conmutadores Ethernet relativamente nuevos ya instalados prefieren los conmutadores de midspan porque sería caro sustituirlos solo para obtener la funcionalidad PoE. Sin embargo, el ingeniero debe asegurarse de que el fabricante del interruptor esté contento de que la red sea compatible con los productos del midspan, y de que haya suficiente espacio para acomodarlos.

Desde una perspectiva eléctrica, se prefieren los interruptores de medio alcance si el ingeniero de la red quiere utilizar voltajes no estándar como 24, 12 y 5 V para determinados DP, y está interesado en maximizar la cantidad de energía disponible de cada puerto. Los conmutadores Midspan también son una opción útil para las redes que comprenden muchos dispositivos heredados que tienen sus propias fuentes de energía, así como dispositivos PoE.

Los interruptores de Midspan tienden a tener garantías más largas comparadas con los de Endpans (dos años comparados con uno) y pueden funcionar tanto con aplicaciones estándar como con aplicaciones propietarias.

La figura 4 muestra las redes construidas con interruptores de extremo y de medio alcance.

Figura 4: Diagrama de redes que utilizan interruptores de extremo y de medio alcance.

Tradicionalmente, los PSE incorporaban circuitos discretos divididos en la interfaz de comunicación entre la fuente de alimentación, la red Ethernet y la fuente de alimentación. Sin embargo, para facilitar aún más la implementación, los vendedores de silicio han sacado una gama de controladores integrados de PSE para optimizar el funcionamiento de una instalación de PoE+.

Estos controladores reducen la complejidad y el número de componentes externos que se requieren para los equipos PoE y PoE+ al combinar los circuitos de interfaz con un regulador lineal o una fuente de alimentación de conmutación que convierte la tensión de alimentación a los 50 a 57 V_CC adecuados para el cable de Ethernet. (Para más información sobre estos componentes, ver el artículo de TechZone "Power-over-Ethernet Adapts to Meet Higher Demand").

¿Qué es lo siguiente? - IEEE 802.3bt

En resumen, desde su desarrollo en la primera parte del siglo, el PoE se ha convertido en una tecnología popular, especialmente para aplicaciones comerciales e industriales. La tecnología es relativamente sencilla de aplicar, especialmente para las nuevas instalaciones, y la introducción de conmutadores midspan ha facilitado el reto de añadir PoE a las redes heredadas. La introducción de PoE+ (IEEE 802.3at) ha aumentado la potencia disponible para las DP, lo que ha dado lugar a la introducción de nuevas aplicaciones que antes estaban demasiado ávidas de energía para funcionar con la tecnología más antigua.

Desde 2009, cuando se ratificó el IEEE 802.3at, la tecnología PoE ha seguido evolucionando porque los ingenieros están deseando añadir nuevos PD que requieren una potencia aún mayor. En un esfuerzo por complementar el IEEE 802.3at, se introdujeron en el mercado muchos protocolos PoE patentados con capacidad para suministrar hasta 60 W hasta 95 W bajo diferentes nombres, como por ejemplo

• UPoE (Cisco)
• LTPoE (Linear Tech/Analog Devices)
• PoH (MicroSemi/Microchip)
• PoE++ (Industria)
• 4PPoE (Industria)

Tenga en cuenta que estas tecnologías no cumplen con las normas actuales y no son interoperables, lo que puede ser perjudicial para el hardware no compatible. Sin embargo, sentaron un precedente para que se desarrollara una versión de mayor potencia de la norma.

A finales de 2018, se ratificó un nuevo estándar IEEE 802.3bt para PoE que permitió la entrega de energía de 71.3 W a los PD mientras se enviaban 90 W desde el lado del PSE.

La tabla 2 resume las capacidades de envío de energía del PSE y de recepción de energía del PD para todas las normas:

Tabla 2: Capacidades de energía PoE para todos los estándares (Cortesía de Microchip)

Nota 1: Se permite una capacidad de potencia extendida para la entrada de DP de hasta 60 W y 90 W si la longitud del cable es de 2 a 5 metros.

Además de ofrecer la posibilidad de transmitir más energía a través de cables de Ethernet, el nuevo estándar PoE IEEE 802.3bt define muchas otras nuevas características/mejoras en comparación con los anteriores estándares IEEE 802.3af y IEEE 802.3at, entre ellas:

• Admite dos construcciones de PD: DP de una sola firma y DP de doble firma
• Funciona con cuatro pares de cable Ethernet
• Funcionalidad de clase automática (Autoclass)
• Capacidad de potencia extendida con una longitud de cable conocida
• Soporte de energía de reserva baja (MPS corto)
• Admite 2.5G-BaseT, 5G-BaseT, 10G-BaseT
• Compatible con el IEEE 802.3at/af

Más información sobre el nuevo estándar IEEE 802.3bt se puede encontrar en el sitio web de AE Ethernet Alliance.