Power over Ethernet, caratteristiche e vantaggi

La tecnologia PoE consente di alimentare le telecamere senza utilizzare cavi di potenza. Si tratta di uno standard ormai maturo, ma è necessario prestare attenzione ad alcune peculiarità.

Massimiliano Cassinelli
Ingegnere
Progettista reti TLC

Nell'installazione di un sistema di videosorveglianza, l'alimentazione elettrica delle telecamere rappresenta uno dei problemi più delicati e, spesso, di difficile soluzione.
Questo perché raggiungere, con un cavo di potenza, posizioni defilate comporta, in molti casi, la necessità di realizzare opere murarie.
Un intervento con significativi aggravi in termini di costi, tempo e complessità.
Un problema ancor più grave quando, all'interno di edifici storici o di strutture caratterizzate da una particolare architettura, simili interventi possono rivelarsi addirittura impossibili.
Dal punto di vista normativo, è inoltre necessario ricordare la necessità di ricertificare l'intero impianto elettrico a seguito di qualunque modifica o espansione.
Una norma, quest'ultima, quasi sistematicamente ignorata dagli installatori e, tipicamente, non richiesta nemmeno dei clienti.
Più attenti al risparmio economico che non al rispetto delle normative, dunque.
Operare in questo modo, però, espone a una serie di rischi, sia perché un cliente potrebbe, legittimamente, rifiutarsi di pagare un impianto non a norma, sia perché, in caso di incidente, il mancato rispetto, anche formale, di leggi in vigore, può esporre l'installatore stesso a pesanti sanzioni.
A fronte di queste situazioni, in passato la tecnologia ha proposto l'utilizzo di batterie e pannelli fotovoltaici.
La prima opzione, però, implica elevati costi di manutenzione, in quanto la durata delle batterie è necessariamente limitata.
ll fotovoltaico, invece, ha risolto numerosi problemi, soprattutto nelle installazioni all'aperto, anche se è in particolari condizioni atmosferiche, o a fronte di specifici vincoli architettonici, anche questa opzione potrebbe rivelarsi poco praticabile.

La risposta? Dalla rete
La soluzione alle problematiche di alimentazione elettrica è fornita, da alcuni anni, dalla possibilità di utilizzare la rete di trasmissione dati per fornire anche l'energia necessaria al corretto funzionamento delle telecamere.
La tecnologia utilizzata è nota con l'acronimo PoE (Power over Ethernet) ed è definita dallo standard IEEE 802.3af.
L'idea, relativamente semplice, è infatti quella di sfruttare i doppini, non impiegati per la trasmissione dei dati, per trasportare l'energia elettrica sino alla telecamera stessa, utilizzando direttamente la porta RJ 45.
Si tratta, all'atto pratico, di replicare lo stesso principio già utilizzato nell'alimentazione dei telefoni, che non prevedono un collegamento con la rete elettrica, in quanto l'energia, a bassa tensione, viene convogliata attraverso l'infrastruttura dati.
Il tutto sfruttando l'ulteriore vantaggio connesso al fatto che l'energia elettrica proviene da apparecchiature di telecomunicazione e, per tale ragione, risulta particolarmente semplice collegare anche un gruppo di continuità, garantendo così l'alimentazione in caso di problemi sulla rete di distribuzione nazionale.
L'utilizzo della tecnologia PoE, quindi, sembra offrire una serie di vantaggi immediati agli utilizzatori, che hanno l'opportunità di ridurre sensibilmente i costi di manutenzione e di installazione, assicurando al contempo la continuità elettrica.
In realtà, a una simile soluzione si è arrivati al termine di un percorso di standardizzazione particolarmente delicato, soprattutto perché l'energia elettrica, seppur a bassa tensione, deve transitare in prossimità dei segnali dati e, quindi, potrebbe provocare una serie di disturbi, soprattutto al crescere della larghezza di banda.
A questo si aggiunge il fatto che, proprio perché viene sfruttata una comune presa dati, è necessario impedire che un jack alimentato e inserito in un'apparecchiatura non ingegnerizzata per supportare il PoE, possa provocare guasti.
Parlando di energia elettrica, infine, non possiamo dimenticare l'importanza dell'incolumità delle persone che stanno utilizzando le apparecchiature alimentate.
Per tale ragione, oltre a fornire l'energia elettrica quando un dispositivo viene collegato, il sistema deve essere in grado di interrompere il flusso di elettricità nel momento in cui un apparecchio risulta scollegato.
Da un punto di vista pratico, quindi, è necessario utilizzare apparecchiature ingegnerizzate appositamente per distribuire, oltre ai servizi di comunicazione, anche la corretta quantità di energia elettrica.
Questo significa che al centro del sistema di distribuzione deve essere installato un power Hub, chiamato a fornisce l'energia a un segmento della rete utilizzando i patch panel (Midspan) o gli switch (Endspan).

La normativa si evolve
L'utilizzo di questa tecnologia è stato formalizzato nel 2003, con la ratifica del primo standard, lo Ieee 802.3af.
Successivamente, la stessa IEEE ha emanato lo standard 802.3at, conosciuto anche con il termine PoEplus, che ammette il transito di un'energia superiore a 30 W, in grado di alimentare anche apparecchiature caratterizzate da un consumo relativamente elevato.
Volendo sfruttare adeguatamente le opportunità dell'alimentazione elettrica attraverso la rete dati, è però necessario conoscere la terminologia specifica e, soprattutto, gli acronimi che caratterizzano un simile mercato:

- PD (Powered Device): dispositivo abilitato per il PoE
- PSE (Powered Sourcing Equipment): sorgente Ethernet abilitata al PoE
- MDI (Medium Dependent Interface): il media che trasporta l'energia, ovvero - in questo caso - il sistema di cablaggio strutturato

La IEEE 802.3af prevede, inoltre, una serie di ulteriori specifiche.
In particolare, è definita la sorgente che porta energia sul sistema di cablaggio strutturato attraverso un cavo bilanciato a 100 Ohm.
A questo si aggiungono le caratteristiche di carico dell'apparecchio alimentato dalla sorgente e uno specifico protocollo, che permette di identificare la presenza di un apparecchio che può essere alimentato direttamente dalla rete dati.
In questo modo viene impedita la fornitura di energia elettrica quando non richiesta e, soprattutto, non necessaria.
Infine, anche in sé non obbligatorio, esiste un metodo per classificare gli apparecchi in funzione dell'energia richiesta.
Il sistema di controllo consente, quindi, di trasmettere l'energia solo ai terminali che ne facciano effettivamente richiesta, evitando qualunque erogazione incontrollata.
È inoltre necessario che il sistema sia in grado di proteggere gli apparecchi collegati da eventuali sovraccarichi o corto circuiti.
Il tutto nel rispetto delle reti dati e senza la necessità di apportare modifiche o aggiunte al sistema di cablaggio esistente.

Attenti ai disturbi
Il problema delle interferenze, provocate dal passaggio di energia elettrica nei cavi adiacenti, rappresenta uno degli aspetti che, insieme alla sicurezza, devono essere valutati con particolare attenzione nell'impiego di un sistema PoE.
Situazioni particolari, infatti, potrebbero indurre una sensibile riduzione delle prestazioni.
Un fenomeno aggravato dal fatto che il passaggio di energia elettrica, all'interno di un conduttore, provoca il riscaldamento del cavo stesso e, per conduzione, di quelli adiacenti.
Con la conseguenza di una minore conducibilità e, quindi, di minore velocità nella trasmissione dei dati.
Anche per questa ragione è necessario utilizzare cavi di elevata qualità, che offrono margini sensibilmente maggiori rispetto ai valori previsti dagli standard.
In questo modo, a fronte di una possibile degradazione delle prestazioni, le prestazioni offerte rimangono sufficientemente elevate per rispondere alle esigenze di comunicazione e di larghezza di banda.
Per prevenire simili problematiche, di tipo prettamente fisico, solo state stabilite una serie di limitazione.
Il particolare, i cavi di categoria 5e/classe D sono adatti a sopportare questo servizio solo per tensioni massime di 80 Vdc.
Allo stesso modo, i connettori RJ-45 sono stati stimati per 250 V / 1,5 A.
Il tutto senza dimenticare che, per problemi di carattere termico, la corrente massima in un singolo cavo non può superare i 35 mA.
In ogni caso, vengono definiti valori SELV (Safety-Extra Low Voltage) per livelli di tensione inferiori a 60 Vdc.

Massima attenzione alla sicurezza
Oltre a tutelare l'incolumità delle persone, prevenendo il rischio di shock elettrici, la tecnologia PoE è chiamata a preservare l'integrità delle apparecchiature alimentate, fornendo energia solo ai device ingegnerizzati per funzionare con una simile alimentazione.
Per questa ragione, la IEEE 802.3af ha stabilito che il PSE possa erogare energia elettrica solo dopo aver identificato un resistore da 25 kOhm.
A questa funzionalità, chiaramente obbligatoria, si aggiunge la possibilità che il sistema determini la massima energia da fornire a un apparecchio.
Per ottenere un simile risultato, il PSE induce, durante la fase di verifica, una tensione compresa fra 15 e 20 V. Poi, in funzione della corrente consumata, il PD viene classificato su una scala di cinque classi.
È altrettanto importante che, nella fase di startup, il sistema eroghi tensione in modo crescente, utilizzando un tempo di salita di oltre 15 ms, prevenendo così la formazione di rumore sulle reti dati.
In condizioni di normale operatività, ogni porta di un PSE è infine in grado di erogare 15,4 W di potenza a una tensione compresa fra 44 e 57 V, con una incapacità di staccare l'energia in un lasso di tempo compreso fra 50 e 75 ms in presenza di sovraccarico.
Un ulteriore rischio legato all'utilizzo dei sistemi Power over Ethernet potrebbe essere indotto dalla connessione di un apparato - non predisposto per questa tecnologia - a una porta in cui era precedentemente collegata una soluzione alimentata attraverso la rete dati.
Per tale ragione, è stato stabilito che il PSE scolleghi l'energia dopo 400 ms, un tempo che non permette a nessun operatore di effettuare l'inserimento di un nuovo connettore.
Per ottenere questi risultati, le apparecchiature sono state equipaggiate con un chip specifico che sostituisce i vecchi condensatori.
È però importante ricordare che, benché gli apparecchi realizzati seguendo le direttive dello standard IEEE 802.3 af dominino il mercato, esistono ancora in commercio (o installate) alcune apparecchiature non normalizzante.
È quindi opportuno valutare le reali caratteristiche delle soluzioni utilizzate.

Quando conviene il PoE
La stabilità raggiunta da questa tecnologia e i vantaggi resi possibili dal fatto che le telecamere possono essere alimentate attraverso il solo cavo dati, ovviamente in rame, senza la necessità di predisporre anche un cablaggio elettrico - con tutte le complicazioni che questo comporta - rappresentano le principali ragioni che inducono a utilizzare il PoE in alcune installazioni.
Non dobbiamo però dimenticare che l'impiego di una simile tecnologia comporta un investimento più elevato.
Allo stesso modo, le telecamere PoE hanno, a parità di prestazioni, un costo maggiore rispetto ad analoghe soluzioni “tradizionali”.
Simili valutazioni, di tipo prettamente economico, sono comunque relativamente semplici e intuitive.
Appare, invece, meno immediato focalizzare l'attenzione sul fatto che tutta l'energia necessaria all'alimentazione delle apparecchiature periferiche deve transitare attraverso l'armadio di cablaggio.
Questo comporta, oltre a una maggior densità di apparecchiature, anche una serie di problemi termici legati all'elevata concentrazione di soluzioni che, immancabilmente, producono calore.
L'innalzamento della temperatura, infatti, può pregiudicare il corretto funzionamento delle apparecchiature informatiche e indurre situazioni di potenziale pericolo.
Per tale ragione, è necessario valutare il calore da dissipare e, quindi, dimensionare adeguati sistemi di raffreddamento.
Il tutto senza dimenticare che, per garantire la business continuity, è comunque necessario prevedere un adeguato sistema di backup e di ridondanza.

Pubblica i tuoi commenti