quarta-feira, 10 de maio de 2017

PoE - Integração PoE e fibra óptica



O artigo traz uma visão geral abrangente da tecnologia PoE - Power over Ethernet e descreve como usar o cabeamento de fibra óptica para superar a limitação de distância de 100 metros do cabeamento das redes de cobre (UTP).


Omnitron Systems
Data: 10/05/2017
Edição: RTI Março 2017 - Ano XVIII - No 202
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O PoE - Power over Ethernet é uma tecnologia que permite a transferência segura de energia CC em conjunto com dados sobre o cabeamento de rede padrão. Os dados e a energia podem compartilhar o mesmo cabo, são independentes e não afetam um ao outro.

Os benefícios de PoE

Quais são os benefícios do uso de PoE e por que um projetista de rede iria querer usar essa tecnologia? PoE é atualmente implantado onde o fornecimento de alimentação CA é inconveniente, de alto custo ou inviável. O PoE pode alimentar dispositivos localizados em tetos, telhados, postes, cercas, oleodutos, rotas de trânsito e outros locais de difícil acesso. O custo de trazer a energia elétrica para cada dispositivo é eliminado ao alimentar os equipamentos por meio do cabo UTP.
  • Flexibilidade - Mova facilmente dispositivos para qualquer lugar onde um cabo LAN possa ser implantado; instale dispositivos onde for difícil obter fonte de energia.
  • Simplicidade - Instale apenas o cabo Ethernet para o dispositivo final; minimize a confusão de cabos e economize espaço.
  • Segurança - Nenhuma alimentação CA é necessária para aplicações externas; não há necessidade de atender aos códigos de instalações elétricas para edifícios.
  • Economia de custos - Não há necessidade de instalar tomadas e de contratar eletricistas licenciados.
  • Funcionalidade - Os dispositivos finais podem ser reinicializados remotamente.

Portas e cabeamento de cobre

O PoE utiliza cabeamento de rede padrão (cabo Ethernet, Categorias 5 ou 6 e UTP). O cabeamento é conectado a um dispositivo de rede via uma porta RJ-45

Dispositivos PoE

O PSE - Power Sourcing Equipment é o dispositivo que fornece ou injeta energia em uma rede PoE. Existem dois tipos de PSE: o endspan e o midspan. O primeiro está localizado na extremidade de um link, enquanto um midspan fica no meio do link.
Um PD - Powered Device é um dispositivo que consome energia do PSE. Um exemplo de um PD é um telefone baseado em voz sobre IP de um desktop. Um switch PoE endspan é um switch Ethernet com capacidades PoE incorporadas de forma que os dados e a energia sejam enviados via cabo UTP.
Um injetor PoE midspan é tipicamente um dispositivo de duas portas que injeta energia em um ponto ao longo do cabeamento UTP. Midspans são usados para alimentar PDs que estão conectados a switches que não fornecem PoE. O midspan injeta energia CC no cabo e os dados passam via injetor de forma transparente. Na maioria desses dispositivos, o limite de distância de 100 metros se aplica em toda extensão – desde o switch até o PD.

Normas IEEE para PoE

Antes das normas indicadas a seguir, diversos fabricantes estavam desenvolvendo suas próprias implementações proprietárias de PoE. A mais comum é a tecnologia legada da Cisco.

IEEE 802.3af

Em 2003, o IEEE ratificou o padrão PoE 802.3af que permite até 15,4 Watts de potência para cada porta.

IEEE 802.3at

No final de 2009, o IEEE ratificou o padrão PoE 802.3at conhecido como PoE+. 802.3at é necessário porque os fornecedores de PD estão começando a produzir dispositivos que requerem mais potência do que os 15,4 Watts disponíveis com 802.3af. Com 802.3at, os PDs podem ser alimentados com até 34,2 Watts.
802.3at é compatível com 802.3af. Se um PSE for “at” e o PD for “af ”, ele vai funcionar corretamente. O PSE reconhece que o PD é “af ” e apenas fornece a potência que ele precisa. A situação inversa, contudo, não funcionará – se o PSE for apenas “af ”, ele não será capaz de alimentar um PD “at”.
O nível de potência de PoE ou PoE+ fornecido por um PSE variará, dependendo do requisito de energia do PD. Por exemplo, um PSE compatível com o padrão IEEE 802.3af pode fornecer até 15,4 Watts, mas se o PD for um telefone IP que requer apenas 6 Watts, então o PSE fornecerá 6 Watts de PoE.

Grupo de trabalho PoE IEEE 802.3bt tipo 3

Na ocasião da elaboração deste artigo, o padrão IEEE para 60 W estava em desenvolvimento pelo grupo de trabalho IEEE 802.3bt Tipo 3, não tendo sido ainda ratificado. PoE 60 W fornece energia para os quatro pares de cabos.

Opções de alimentação PoE IEEE sobre cabeamento UTP

PoE suporta quatro opções de alimentação usando diferentes combinações de oito pinos em uma porta RJ-45 padrão que se conecta a quatro pares de cabos no cabeamento UTP.

Normas IEEE Alternativa A IEEE (alimentação nos pinos 1/2 e 3/6) e alternativa B IEEE (alimentação nos pinos 4/5 e 7/8)

A norma PoE IEEE especifica dois modos de detecção e alimentação para diferentes pinos e cabos: Alternativa A ou Alternativa B. Ambas suportam Fast Ethernet ou Gigabit Ethernet, e PoE ou PoE+.
Para estar em conformidade com as normas IEEE, um PD tem de suportar tanto a Alternativa A quanto a B, enquanto um PSE pode suportar a A ou a B, ou ambas.

Implementação de 60 W

Na ocasião da elaboração deste artigo, o padrão 60 W ainda não tinha sido ratificado. Em vez de um padrão PoE 60 W, os fabricantes de equipamentos tinham desenvolvido suas próprias implementações.
As tecnologias UPoE (“Universal PoE”) da Cisco e HpoE (“High Power over Ethernet”) da Microsemi são comerciais, fornecendo PoE 60 W. Elas são inversamente compatíveis com PoE IEEE 802.3af e PoE+ IEEE 802.3at.
Implementações típicas usam as alternativas A e B para alimentação PoE.
Fig. 1 – Switch PoE endspan é um switch com capacidade PoE de forma que dados e energia trafeguem sobre o cabo UTP

Modo legado não compatível com as normas

O modo legado não compatível com as normas IEEE é proprietário da Cisco. Ele foi implementado antes de o padrão 802.3af ser ratificado em 2003. Este modo usa os pinos 4/5 e 7/8 para a alimentação CC, mas a polaridade é invertida.
O modo legado de detecção por ampla capacitância (large-capacitor detection) está disponível para alimentação nas alternativas A e B. Para dispositivos VoIP legados, a detecção por ampla capacitância é tipicamente a alternativa B (potência nos pinos 4/5 e 7/8), mas o método de detecção não segue os padrões IEEE. Em vez disso, o PSE verifica o PD para confirmar uma assinatura exclusiva de alta capacitância. Se ele reconhecer a assinatura, então ele injeta energia de acordo com a alternativa B.
A alternativa A com 10/100Base-T injeta energia CC positiva nos pinos 1 e 2 e CC negativa nos pinos 3 e 6. Na Fast Ethernet, esses são também os pares de dados, logo os dados e a energia compartilham os mesmos cabos. O “compartilhamento” do cabo é realizado usando uma técnica denominada phantom power, que foi originalmente usada como um método de transmissão de energia CC por meio de cabos para operar microfones que contêm circuitos eletrônicos ativos.
Fig. 2 – Midspans são usados para fornecer energia a dispositivos conectados a switches que não fornecem PoE
A alternativa B com 10/100Base-T introduz energia CC positiva nos pinos 4 e 5 e a alimentação CC negativa nos pinos 7 e 8. Na Fast Ethernet, esses são os pares “reserva”, logo a corrente elétrica não está compartilhando cabos com dados, e não há phantom power.
A alternativa A IEEE com 1000Base-T introduz a alimentação CC positiva nos pinos 1 e 2 e a CC negativa nos pinos 3 e 6. Na Gigabit Ethernet, todos os quatro pares transportam dados, logo phantom power é sempre necessária para Gigabit PoE.
A alternativa B IEEE introduz a alimentação CC positiva nos pinos 4 e 5 e a CC negativa nos pinos 7 e 8.
A implementação de alta potência introduz energia nos quatro pares do cabos (nos pinos 1/2, 3/6, 4/5 e 7/8). Isso permite que mais energia seja disponibilizada para os PDs alimentados por alta potência.

Dispositivos alimentados com PoE, PoE+ e 60 W

PoE, PoE + e 60 W permitem a alimentação de uma grande variedade de dispositivos de rede.

Dispositivos alimentados

Câmeras IP

Fig. 3 – Modo legado - Alternativa A 10/100Base-T
As câmeras IP são usadas em aplicações de monitoramento de tráfego, segurança e videovigilância. Elas são também usadas para a garantia de qualidade nas áreas de produção e processamento de alimentos. Essas aplicações podem utilizar câmeras PoE de altas resolução e velocidade, que exigem taxas de dados em Gigabit. As câmeras IP PTZ (pan-tilt-zoom) controlam o foco e a direção da lente da câmera e normalmente requerem energia adicional (PoE+). As câmeras usadas em climas extremamente frios incorporam dispositivos de ventilação e remoção de gelo que frequentemente requerem energia adicional fornecida por PoE+.

Dispositivos sem fio

Os pontos de acesso sem fio são normalmente alimentados por PoE, uma vez que são instalados em tetos e telhados. Muitos dispositivos sem fio padrão 802.11n e small cells, usados para aumentar a capacidade de redes wireless em áreas de uso intenso, exigem alimentação PoE+ para habilitar a conectividade de alta largura de banda em áreas amplas.

Telefones IP

Os telefones baseados em VoIP são amplamente adotados e usados nas empresas de todo o mundo. Como são dispositivos de rede, eles utilizam PoE para extrair dados de voz e energia através do cabo de rede.

Consoles de vídeo e telefones para videoconferência/ telepresença

Terminais de videoconferência utilizados em aplicações de telepresença e teleconferência podem ser alimentados por PoE, exigindo conectividade de alta largura de banda.
Fig. 4 - Modo legado - Alternativa B 10/100Base-T

Dispositivos de controle de acesso e leitores de crachás

Instalações como empresas, hospitais e aeroportos utilizam sistemas de bloqueio de portas e leitura de crachás que requerem energia em cada porta para controlar e monitorar o acesso ao edifício.

Relógios IP

Os relógios IP PoE são alimentados por meio do cabo Ethernet, logo não há necessidade de baterias ou energia CA. Todos os relógios são sincronizados por um servidor SNTP, mantendo a precisão e consistência dos tempos em todos os relógios. Os relógios IP também podem economizar nos custos de mão de obra, sendo automaticamente reinicializados após uma interrupção de energia e ajustados para o horário de verão.

Sistemas de sinalização digital e mensagens

A sinalização via LEDs funciona como sistemas de mensagens para exibição de anúncios de rotina como horários de ônibus, notícias locais ou feeds de dados meteorológicos. A sinalização digital via LCD pode exibir os mesmos tipos de informações, além de publicidade, direções e mapas, menus de restaurantes, etc. Durante uma crise, os displays funcionam como um sistema de alerta de emergência.

Thin clients

Os thin clients executam aplicativos a partir de um servidor e atuam como dispositivos virtuais. Eles precisam de menos energia do que os PCs tradicionais e podem utilizar PoE tanto para o terminal como para o monitor.
Fig. 5 - Modo legado - Alternativa A 1000Base-T

Desafios na implantação de PoE

O PoE é uma tecnologia útil na alimentação de dispositivos remotos; porém, assim como em qualquer cabo UTP, o desafio está na largura de banda e a distância limitada de até 100 m, de acordo com a norma ANSI/TIA/EIA para Categoria 5E (TIA/EIA 568-5-A). Os injetores de energia do PSE, particularmente os midspans, não aumentam a distância da rede de dados.

Integração de PoE e fibra óptica

Uma solução comum para superar as limitações de distância e largura de banda é usar a fibra óptica. Como a energia CC não pode ser conduzida sobre a fibra óptica, um conversor de mídia, que funciona como um PSE, é usado para injetar energia na(s) porta(s) RJ-45. Um conversor de mídia com PoE converte o sinal da fibra óptica para o cobre e transmite energia CC para o PD via cabeamento UTP.
Conversores de mídia com PoE/PoE+:
  • Convertem o sinal de cobre para fibra óptica.
  • PoE é injetada via cobre.
  • A fibra óptica é implantada até a fonte de alimentação CA ou CC e o PoE é distribuído via Cat 5 até o dispositivo alimentado.
Fig 6 – Modo legado - Alternativa B 1000Base-T

Aproveitamento dos benefícios da fibra óptica

Há várias soluções disponíveis para estender as distâncias dos links da rede PoE, incluindo os extensores de LAN que convertem o sinal Ethernet para DSL, conversores de UTP para coaxial e tecnologia sem fio. O cabeamento de fibra óptica fornece várias vantagens para essas tecnologias:

Distância mais longa – até 160 quilômetros

  • 100 metros com UTP, até 900 metros com extensores de LAN.
  • 360 metros com cabo coaxial.
  • 64 km com 900 MHz wireless (requer linha de visada).

Maior capacidade de largura de banda – Gigabit +

  • Rede à prova de futuro.
  • Não há deterioração de dados pela distância (os extensores de LAN perdem 90% da largura de banda através de longas distâncias).

Segurança

  • Sem emissão eletromagnética ou broadcasting.
  • Dificulta derivações.

Mais confiável

  • Não é sensível à interferência elétrica, temperatura ou condições atmosféricas.
  • As aplicações populares que utilizam fibra óptica são:
  • Conectividade da fibra óptica com dispositivos remotos como pontos de acesso sem fio 802.11n e câmeras de 1 Gbit/s.
  • Redes de campus que requerem conectividade da fibra óptica para aplicações de alta largura de banda e longa distância.
  • FTTD – fiber to the desk que habilita a transmissão de voz/dados/vídeo com alta largura de banda para uma variedade de aplicações de negócios.
Fig. 7 – Modo legado - 60 W 1000Base-T

Conversores de mídia PoE

Os conversores de mídia PoE funcionam como outros conversores, mas eles também injetam energia sobre o cabeamento UTP. Os conversores de mídia PoE estão disponíveis em Gigabit Ethernet e Fast Ethernet e suportam PoE (15,4 W), PoE+ (32,4 W) e 60 W.
Funcionam como mini-switches PoE e estão disponíveis em diversas configurações multiportas, incluindo portas de fibra óptica dual e RJ-45 dual. Podem suportar conectores de fibra fixos ou transceptores SFP - Small Form Pluggable.


Alimentação dos conversores de mídia PoE

Os conversores de mídia PoE são alimentados em CC e estão disponíveis com uma fonte de alimentação CA para CC (100 a 240 VCA), que é conectada por meio de um conector tipo barrel. Eles também podem ser alimentados por uma entrada de alimentação CC direta.

Como funcionam os conversores de mídia PoE

A fibra óptica (figura 8 esquerda) é originada em um switch de fibra óptica. Isso pode ser a partir de um centro de TI, sala de servidores, armário de dados, etc, ou aindar um switch de cobre com um rack de conversores de mídia.
A fibra óptica é trazida para o conversor de mídia PoE localizado perto de uma fonte de alimentação CA ou CC. O conversor de mídia não apenas converte o sinal da fibra para o cobre, como também funciona como um PSE e injeta energia PoE (alimentação CC) sobre o cabo Ethernet de cobre.
Na outra extremidade do cabo Ethernet estão os PDs. Esses PDs podem ser câmeras IP, pontos de acesso sem fio, telefones IP, etc. Os PDs estão em locais até 100 metros de distância do conversor de mídia PoE.

Opções de arquitetura de rede com conversores de mídia PoE

Os conversores de mídia PoE multiportas propiciam projetos de redes flexíveis. Portas de fibra óptica simples são implantadas em topologias em estrela, usando uma configuração ponto a ponto com o switch de fibra óptica no centro da rede.
Os conversores de mídia PoE com portas de fibra dual habilitam o enlace de múltiplos conversores de mídia em uma configuração em cadeia (daisy chain) linear. Essa arquitetura pode ser usada em diversas aplicações externas onde PDs como câmeras IP e/ou pontos de acesso sem fio são instalados ao longo de linhas de trem e metrô, rodovias, oleodutos, poços de minas, cercas de perímetro, etc.
As portas de fibra óptica dual podem ser usadas para implantar links de fibra redundantes para aplicações de missão crítica que exigem proteção da instalação de fibra óptica. Há uma porta de fibra ativa e uma porta de fibra de proteção, que pode suportar uma comutação (“switchover”) devido à falha da fibra de menos de 50 milissegundos.

Exemplos de aplicações de conversores de mídia PoE

Fig. 8 – Implantação PoE

Fibra óptica para câmeras de rede IP

Neste exemplo, as câmeras IP são implantadas em toda a instalação. As câmeras são montadas em locais remotos, longe do servidor de vídeo do switch de fibra óptica e onde a energia CA não está prontamente disponível.
A fibra é distribuída a partir de um switch no núcleo da rede ou no armário de dados principal. Os links de fibra óptica ligados em daisy chain são conectados a locais remotos onde os conversores de mídia PoE são instalados perto das fontes CA ou CC. Os conversores de mídia PoE têm portas de downlink e de uplink de fibra óptica e portas RJ-45 dual para duas câmeras IP em cada local.
Links redundantes de fibra óptica são usados para uma câmera de segurança de missão crítica. O conversor de mídia PoE+ tem uma porta de fibra óptica para o link de fibra ativa e uma porta para o link de fibra de proteção, com comutação para falha da fibra em menos de 50 milissegundos. O conversor de mídia PoE+ fornece energia para uma câmera PTZ e tem proteção de energia fornecida por backup por um UPS.

Fibra óptica para dispositivos sem fio

Nesta aplicação, pontos de acesso sem fio são instalados em locais remotos de um edifício de escritórios, aeroporto ou sistema de transporte de massa. PoE+ e Gigabit Ethernet são usados para pontos de acesso 802.11n implantados em uma topologia daisy-chain. O número de pontos de acesso é limitado pela largura de banda agregada de todos os dispositivos.
Um link de fibra óptica dedicado ponto a ponto é executado até outro local onde um conversor de mídia PoE+ fornece dados e energia para um ponto de acesso 802.11n.

FTTD, telefones IP, terminais de vídeo, thin clients e PCs

Neste exemplo, uma rede FTTD é implantada para aproveitar os benefícios de segurança, largura de banda e distância do cabeamento de fibra óptica.
A rede começa em um switch de fibra óptica no armário de dados. Isso pode ser o núcleo da rede em uma área fisicamente segura do edifício. Os cabos de fibra óptica são implantados até cada escritório/desktop, onde eles são terminados por conversores de mídia PoE que são alimentados por uma fonte CA ou CC.
Os conversores de mídia PoE fornecem conversão de mídia de fibra óptica para cobre e enviam dados e energia para itens como telefones IP e equipamentos de videoconferência.

Automação de edifícios: Controles de acesso, relógios e sistemas de mensagens

A automação de edifícios inclui todas as aplicações PoE deste artigo. O PoE está se tornando parte integrante das redes de edifícios e sistemas de baixa tensão. Além disso, as redes PoE reduzem o consumo de energia e podem ganhar pontos na certificação LEED.
Neste exemplo, relógios IP, dispositivos de acesso com leitor de crachás, mensagens via sinalização eletrônica e controles do sistema HVAC são implantados. O ambiente pode ser um edifício de escritórios, hospital, aeroporto, etc. A fibra óptica é usada porque as distâncias das conexões necessárias no edifício/ campus frequentemente excedem os 100 metros do cabeamento UTP.
A fibra óptica é distribuída a partir de um switch no núcleo da rede ou no armário de dados principal. Links de fibra óptica em daisy-chain conectam diferentes salas/escritórios, onde os conversores de mídia PoE estão localizados perto de fontes de alimentação CA ou CC convenientes. Os conversores de mídia PoE têm portas de downlink e uplink de fibra óptica e portas RJ-45 dual que fornecem dados e energia para os relógios IP e sistemas de acesso com leitor de crachás.
Um link de fibra óptica dedicado ponto a ponto é executado até outro local onde um conversor de mídia PoE fornece dados e energia para um sistema de mensagens via sinalização com LEDs e um controle de termostato do sistema HVAC.

Conclusão

Os conversores de mídia PoE combinam os benefícios de PoE, PoE+ ou 60 W e cabeamento de fibra óptica em um dispositivo compacto, confiável e econômico. Classificados como PSE, os conversores de mídia PoE fornecem energia para PDs utilizando os mesmos cabos UTP que transportam os dados Ethernet. Isso permite alimentar dispositivos em locais de difícil acesso, com acesso limitado a tomadas de energia CA, ou locais onde a alimentação CA gera problemas de segurança.
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