Geräte der nächsten Generation bieten verbesserte PoE-Funktionen für IoT-Geräte

Die 5G-Technologie der nächsten Generation, die fortschrittliche mobile Internetkonnektivität mit höheren Geschwindigkeiten bietet, schafft neue Geschäftsmöglichkeiten, indem sie eine Vielzahl von IoT- und Big-Data-Anwendungen ermöglicht. Diese Anwendungen treiben eine beispiellose Nachfrage nach dem Anschluss zusätzlicher Arten von Powered Devices (PDs) an Ethernet-Netzwerke an, darunter IP-Überwachungskameras, 802.11ac- und 802.11ax-Access Points, LED-Leuchten, 5G Small Cells und andere IoT-Appliances. Die Power-over-Ethernet (PoE)-Technologie bietet zahlreiche Vorteile für die Stromversorgung dieser Geräte in 5G-Bereitstellungen und der neuesten IEEE ^® Der 802.3bt-Standard macht dies möglich, indem er die Leistungsgrenze von Power Sourcing Equipment (PSE) und Powered Devices (PDs) auf 90 W bzw. 71,3 W erhöht.

Die Herausforderung besteht darin, PDs bereitzustellen, die diese neueste Generation der PoE-Technologie unterstützen, damit sie mit bestehenden Vor-IEEE ^® . zusammenarbeiten können 802.3bt 2-Paar- und 4-Paar-PDs, die frühere Vorstandard-Spezifikationen für Universal PoE (UPOE) und Power-over-HDBaseT (POH) unterstützen. Die Industrie hat diese Interoperabilitätslücke nun überbrückt und sichergestellt, dass sowohl Vornorm- als auch neue IEEE ^® 802.3bt-2018-kompatible PDs können dieselbe Ethernet-Infrastruktur nutzen, ohne dass Änderungen an bestehenden Switches oder Verkabelung erforderlich sind.

Der Weg zu IEEE 802.3bt

Seit der Ratifizierung des ersten PoE-Standards im Jahr 2003 hat die PoE-Nutzung dramatisch zugenommen und in neue Anwendungen vorgedrungen. PoE bietet enorme Vorteile in Bezug auf die einfache Installation, spart CAPEX- und OPEX-Kosten und bietet einen einheitlichen und sicheren Stromstandard für den weltweiten Einsatz.

Der wichtigste limitierende Faktor bei der Verwendung von PoE in neuen Anwendungen ist die verfügbare Leistung. Während 15,4 W an der Stromquelle für die meisten IP-Telefone und 802.11a/b/g-Access Points ausreichend sind, reichen sie für IP-Videotelefone, 802.11n und Schwenk-Neige-Zoom (PTZ) IP-Kameras nicht aus. Aus diesem Grund hat das Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) im Jahr 2009 IEEE 802.3at veröffentlicht, das 30 W an der PoE-Quelle spezifiziert.

Heutzutage besteht ein Bedarf an noch höherer Leistung, um zusätzliche Geräte zu unterstützen, die mit dem Ethernet-Netzwerk verbunden sind, wie z von denen PoE profitieren kann. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, erhöht der neue Standard IEEE 802.3bt die maximal verfügbare PoE-Leistung hauptsächlich durch die Nutzung aller vier Paare der strukturierten Verkabelung. IEEE 802.3bt erweitert die Energieklassifizierungsinformationen, die während der anfänglichen Verhandlung ausgetauscht werden, um sinnvolle Energieverwaltungsfunktionen zu ermöglichen, die die Unterstützung mehrerer PoE-Klassen ermöglichen und gleichzeitig abwärtskompatibel sind. Diese Verbesserungen lösen die Herausforderung einer höheren Leistung und effizienteren PoE-Bereitstellungssystemen.

Die Aktivitäten des IEEE 802.3bt Call for Interest (CFI) begannen Anfang 2013, und die Ratifizierung des Standards erfolgte im September 2018. Der neue Standard erfüllt die bestehenden Marktbedürfnisse und gilt als wichtiger Katalysator für das Wachstum des PoE-Marktes, da er die Expansion erleichtert von PoE-Anwendungsfällen, indem die Leistungsgrenze von PSEs und PDs auf 90 W bzw. 71,3 W erhöht wird.

Vor dieser IEEE 802.3bt-Initiative gab es jedoch parallele Bemühungen, die Leistungsabgabe an PDs zu erhöhen. Es begann mit dem PoE-Standard IEEE 802.3af-2003, der jedem Gerät über zwei Kabelpaare der Kategorie 5e (Cat5e) bis zu 15,4 W Ausgangsleistung zur Verfügung stellte. Der Standard IEEE 802.3at-2009, auch bekannt als PoE+, führte den „Typ 2“ PSE/PD ein, der 30 W Ausgangsleistung und 25,5 W Lastleistung unterstützen kann. Letzteres ist hauptsächlich eine Erweiterung des ersten Standards. Als nächstes standardisierte die HDBaseT Alliance das HDBaseT-Protokoll, das die Verlängerung von HDMI-Verbindungen auf bis zu 100 m über Cat5e- oder bessere Kabel ermöglicht. Im Jahr 2011 hat die HDBaseT Alliance den Power over HDBaseT (PoH)-Standard geschaffen, der die maximal lieferbare Leistung auf 95 W über vier Paare erweitert.

Die folgende Tabelle 1 fasst die Standards vor IEEE 802.3bt zusammen:

Tabelle 1:Die erweiterte Leistungsfähigkeit ermöglicht eine PD-Eingangsleistung von bis zu 95 W, wenn die Kanallänge bekannt ist.

IEEE 802.3bt fügt eine Reihe von Funktionen hinzu. Neben der Einführung von Typ-3- und Typ-4-PSEs/PDs und der Arbeit über vier Paare unterstützt es auch die Single- und Dual-Signatur-PD-Konstruktionen und fügt die Klassen 5 bis 8 als Teil eines verbesserten gegenseitigen Identifizierungsprozesses hinzu. Automatische Klassenfunktionalität wurde hinzugefügt und die Leistungsfähigkeit wurde erweitert, solange die Kanallänge bekannt ist. Schließlich bietet es Unterstützung für geringen Standby-Strom und unterstützt 10G-BASE-T mit PoE. Die folgende Tabelle 2 zeigt die PoE-Funktionen, die nach der Ratifizierung des IEEE 802.3bt-Standards verfügbar waren.

Tabelle 2:Die erweiterte Leistungsfähigkeit ermöglicht eine PD-Eingangsleistung von bis zu 60 W für Typ 3 und bis zu 90 W für Typ 4, wenn die Kanallänge bekannt ist.

Eines der Ziele des IEEE 802.3bt-Standards besteht darin, die in ISO/IEC 60950 definierten Anforderungen an begrenzte Stromquellen und Sicherheitskleinspannung (SELV) zu erfüllen. Diese Konformität bedeutet jedoch, dass die Leistung 100 W pro Port nicht überschreiten darf. Trotz dieser Leistungsobergrenze sind 100 W pro Port immer noch ausreichend für Anwendungen, die nach den vorherigen IEEE-Standards bisher nicht unterstützt wurden, was die potenzielle Anzahl von PoE-Port-Implementierungen erweitert.

Gewährleistung der Interoperabilität

Die IEEE 802.3bt-Spezifikationen stellen sicher, dass das IEEE 802.3bt-System automatisch mit älteren Typ-1- und Typ-2-Geräten funktioniert, solange die PSE (in Bezug auf die Leistung) in der Lage ist, das PD zu unterstützen und beide standardkonform sind. Sollte das PD eine höhere Leistung benötigen (IEEE 802.3bt PD) und die PSE kann dies nicht unterstützen (IEEE 802.3af/at PSE), bleibt das PD entweder ausgeschaltet oder schaltet sich ein und verbraucht nur die von der PSE verfügbare Leistung.

Eines der ersten Beispiele für Lösungen, die diese Interoperabilität bieten, ist ein PSE-Chipsatz von Microchip, der die Interoperabilität von Pre-Standard-Switches mit neuen IEEE 802.3bt-2018-kompatiblen Produkten ermöglicht. Der Chipsatz folgte einem früheren PSE-Chipsatz von Microchip zur Implementierung des weit verbreiteten PoH-Vierpaar-Leistungsstandards für 95-W-PDs und ist auch das Herzstück eines Angebots von IEEE 802.3bt-2018-konformen PoE-Injektoren und Midspans, die die Interoperabilitätslücke schließen für Benutzer.

IEEE 802.3bt-2018-konforme PoE-Injektoren und -Midspans werden zwischen PDs und einem vorhandenen Switch installiert, sodass Benutzer jede Kombination aus Vorstandard- und IEEE 802.3bt-2018-konformen PDs mit Strom versorgen können. Die Verfügbarkeit von Single- und Multi-Port-Optionen ermöglicht es neuen IEEE 802.3bt-kompatiblen Switches, PDs vor dem Standard mit Strom zu versorgen.

Für Systementwickler bieten IEEE 802.3af/at/bt-PoE-Chipsätze die Skalierbarkeit, um die zwei- und vierpaarigen Systeme, die für die Unterstützung von Vorstandard- und IEEE 802.3bt-2018-kompatiblem PoE erforderlich sind, in ein einziges Board-Design zu integrieren . Diese Chipsätze müssen die Wärmeableitung gleichmäßig über das System ausgleichen können und sollten alle erforderlichen Manager- und Controller-Funktionen für den Bau von PSE-Geräten enthalten, die 90 bis 99,9 Watt Leistung pro Port liefern können und gleichzeitig bis zu 48 Ports für IEEE 802.3bt Typ 3 unterstützen (Klassen 1-6) und Typ 4 (Klassen 7-8) Anwendungen. Ein zusätzlicher Aspekt ist die Möglichkeit für Systeme, die auf diesen Chipsätzen basieren, von früheren Standards auf IEEE 802.3bt per Software-Update ohne Hardwareänderungen aktualisiert zu werden.

Eine letzte Sorge der Entwickler besteht darin, ob sie PDs vor Verbindungen mit umgekehrter Polarität schützen und den Stromspeicher sowie die Kosten für die Bereitstellung von IEEE 802.3bt Typ 4 Klasse 8 Strom reduzieren können. Auch dies wurde mit den neuesten IEEE 802.3bt-Lösungen durch die Verfügbarkeit von Vollbrücken-Gleichrichtergeräten gelöst, die auf der mit Strom versorgten Seite der PoE-Verbindung verwendet werden.

Der neue Standard IEEE 802.3bt ermöglicht die Bereitstellung von 90 W über vier Paare von Cat5e-Kabeln und mehr. Es wird erwartet, dass diese PoE-Ebene die maximal definierte Ebene ist, da höhere Ebenen für die vorhandenen Kabel und Anschlüsse, die in heutigen Infrastrukturen bereitgestellt werden, möglicherweise nicht sicher sind. Der Standard wird alle bestehenden Vorstandardlösungen ersetzen, die heute 60 W/75 W/95 W liefern, wie UPOE oder 4PPoE. Anbieter von PoE-Systemen und -Geräten stellen einen Fahrplan für die Implementierung dieser neuen Standards bereit und unterstützen gleichzeitig frühere Vorstandard-Implementierungen, einschließlich derjenigen, die UPOE- und POH-Spezifikationen unterstützen. Korrekt implementiert, Vorstandard und neues IEEE ^® 802.3bt-2018-kompatible PDs können dieselbe Ethernet-Infrastruktur nutzen, ohne dass Änderungen an bestehenden Switches oder Verkabelung erforderlich sind.