Power over Ethernet Plus

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Lo standard Power over Ethernet (PoE) non è certo una novità, ma recenti sviluppi hanno creato le condizioni sia per estendere il range delle possibili applicazioni che per meglio gestire i consumi energetici.

L’idea alla base dello standard PoE è sostanzialmente semplice: stante la diffusione di Ethernet e delle relative infrastrutture, perché non permettere ai cavi di veicolare oltre ai dati anche la potenza senza dover alimentare localmente i device in rete? Sulla soluzione “data/power mix” si erano attivate non poche aziende leader di settore, tra cui Cisco, 3Com e Intel, con proposte inevitabilmente proprietarie, tal per cui se da un lato l’utente poteva ottenere i vantaggi impliciti in questo approccio, dall’altro doveva affrontare le criticità conseguenti la mancanza di interoperabilità e compatibilità, aspetti che in genere comportano l’impossibilità di fruire al meglio delle proposte del mercato, dovendo di fatto mantenere un riferimento obbligato con un dato fornitore. Come risultato, le applicazioni non sono certo mancate, ma senza quel trend di crescita che la soluzione PoE avrebbe meritato. Ma a partire dal 1999 si erano iniziate a creare le premesse per una svolta, con l’impegno della IEEE nella definizione di uno standard di riferimento, che arrivò nel 2003 come IEEE 802.3af. Questo portò il necessario ordine nel settore, con l’avvio di un sensibile interesse da parte del mercato e la crescita delle applicazioni di reti Ethernet in cui ai dati, su coppie distinte nello stesso cavo, si abbinava l’alimentazione, seppur con limitazioni che non erano percepite in tutta la loro portata. Lo standard 802.3af, infatti, prevede per i Power Sourcing Equipment (PSE) la possibilità di alimentare i Powered Device (PD) con un massimo di 15,4W (12,95W “delivered”), valore certamente adeguato per innumerevoli dispositivi ma insufficiente per far fronte alla sempre più ampia pervasività di Ethernet in nuovi contesti in cui le funzionalità richieste potevano essere soddisfatte da nuove categorie di sistemi la cui maggiore performance comportava inevitabilmente consumi energetici più alti. Un caso emblematico è quello delle videocamere con funzionalità PTZ (Pan-Tilt-Zoom), che oltre alla semplice cattura delle immagini possono, tramite opportune motorizzazioni, gestire in modo più dinamico la visualizzazione delle zone controllate. Dalle applicazioni PoE 802.3af erano escluse anche le telecamere “ruggedized” per applicazioni outdoor, dove la maggior richiesta di energia è da collegarsi in genere alle esigenze di riscaldamento degli apparati. I limiti di alimentazione impedivano poi di utilizzare al meglio pannelli di visualizzazione con LED ad alta luminosità, tipici del contesto Controllo Traffico, ma anche apparati wireless remoti con multipli moduli RF, dedicati a trasmissione e ricezione su ampio raggio dei dati che arrivano dalla parte cablata di una rete Ethernet o che verso questa sono diretti, e questo sempre per i limiti di potenza imposti dallo standard vigente. Da sottolineare che i dispositivi wireless “high-powered” sono abbastanza comuni nelle applicazioni di tipo remoto e con elevato livello di distribuzione, e qui i maggiori costi sono proprio imputabili a sistemi di alimentazione e cablaggio, e i PSE compatibili con 802.3af non rappresentavano un’alternativa perseguibile rispetto a sorgenti di alimentazione tradizionali.

Un nuovo standard per nuove potenzialità

Alla fine del 2009,la IEEEha ratificato lo standard 802.3at, nuova versione di PoE denominata PoE Plus che avrebbe dovuto aprire nuovi scenari e le cui potenzialità solo di recente hanno iniziato a manifestarsi in termini applicativi, anche perché vi erano dei sottintesi che probabilmente non completamente percepiti dal mercato. Prima di tutto cresce il livello massimo di potenza del PSE, passando da 15,4W a 34,2W (25,5W “delivered”), valore sostanzialmente doppio che ha aperto anche al campo dei computer embedded e dei terminali. Poi c’è il discorso della maggior efficienza, in quanto IEEE 802.3at definisce una nuova modalità di comunicazione e identificazione tra PSE e PD. Come livelli di protocollo, nel precedente 802.3af il livello fisico (o Layer 1) del modello di riferimento OSI era opzionale mentre nel nuovo 802.3at è d’obbligo, ed è stato introdotto un meccanismo di classificazione data-layer (Layer 2) denominato Link Layer Discovery Protocol (LLDP), con cui si consente a un PSE di richiedere informazioni di stato ai PD con, in risposta, un’allocazione dinamica della potenza. In pratica si è introdotta una sorta di intelligenza nella gestione dell’alimentazione: mentre prima la “power al location” era semplicemente di tipo on/off, in 802.3at si provvede alla fornitura di potenza in base alle esigenze. Questa modalità è particolarmente risolutiva in applicazioni dove si devono limitare al massimo i consumi, per esempio installazioni remote alimentare da batterie o pannelli fotovoltaici. È interessante notare come all’aumento dell’apporto di potenza in applicazioni più esigenti si sia di fatto abbinata un’omogeneizzazione con il più ampio contesto dell’efficienza energetica, creando le condizioni per eliminare gli sprechi e per accogliere il contributo sempre più consistente delle fonti di energia alternative.

Protezione elettrica nelle applicazioni PoE

Vi sono ancora alcune considerazioni che possono essere fatte in merito alle soluzioni PoE: dato che si parla non solo di dati ma anche di energia che passa attraverso i cavi, quali sono le protezioni contro sovratensioni e sbalzi di corrente? I dispositivi PoE sono spesso installati all’aperto e quindi potenzialmente vulnerabili dal punto di vista elettromagnetico. Per esempio, delle scariche elettriche conseguenti fulmini o fenomeni atmosferici intensi possono causare sbalzi di corrente sia direttamente per induzione magnetica oppure indirettamente per loop di terra. Intervengono in tal caso i Surge Protection Device (SPD), cui si applicano gli standard IEC 62305-4 e IEC 61643-21:2000: il primo è il riferimento per la definizione di zone di protezione (LPZ, Lightning Protection Zones) per sistemi elettrici ed elettronici secondo una precisa catalogazione basata su probabilità e tipologia di evento, mentre il secondo riguarda il testing dei dispositivi. In ambito SPD sono compresi switch elettronici che provvedono a scaricare a terra correnti di picco quando si eccedono determinati valori di tensione, con diversi tipi tecnologie e di semiconduttori, per esempio SAD (silicon avalanche diode) e MOV (Metal Oxide Varistor), a seconda di potenza, velocità di commutazione e anche effetti sui segnali della specifica applicazione Ethernet, come avviene con i MOV che determinano un’attenuazione del segnale in reti Ethernet ad alta velocità. Una problematica indubbiamente complessa che però nulla toglie alla valenza dell’approccio PoE, stante i vantaggi applicativi ed economici finalmente resi disponibili dalle specifiche PoE Plus.

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