パワーオーバーイーサネット

Power over Ethernet ( PoE ) は、ツイストペア イーサネットケーブル上でデータとともに電力を伝送するいくつかの標準またはアドホックシステムのいずれかを表します。これにより、1 本のケーブルでデータ接続と、ワイヤレス アクセス ポイント(WAP)、IP カメラ、VoIP 電話などのネットワーク デバイスに電力を供給するのに十分な電力の両方を提供できます。

イーサネット ケーブルを介して電力を伝送するための一般的な手法はいくつかあります。そのうち 3 つは、 2003 年から電気電子技術者協会 (IEEE)標準IEEE 802.3によって標準化されています。

3 つのテクニックは次のとおりです。

• 代替案 Aは、一般的なCat 5ケーブルで10BASE-Tおよび100BASE-TX がデータ用に使用する 4 つの信号ペアのうち同じ 2 つを使用します。
• 代替案 B は、10BASE-T/100BASE-TX のデータ導体と電源導体を分離し、トラブルシューティングを容易にします。
• 4PPoEは、4 本のツイストペアをすべて並列に使用することで、達成可能な電力を増加させます。

代替案 A は、10 および 100 Mbit/s イーサネット バリアントのデータと同じワイヤで電力を伝送します。これは、コンデンサー マイクの電源として一般的に使用されるファントム電源技術に似ています。各ペアに共通の電圧を適用することで、データ導体に電力が伝送されます。ツイストペア イーサネットは差動信号を使用するため、データ伝送には影響しません。コモン モード電圧は、標準のイーサネットパルス トランスのセンター タップを使用して簡単に抽出できます。ギガビット イーサネット以上では、代替案 A と B の両方で、データにも使用されるワイヤ ペアで電力が伝送されます。これは、これらの速度では 4 つのペアすべてがデータ伝送に使用されるためです。

4PPoE は、ツイストペア ケーブルの 4 ペアすべてを使用して電力を供給します。これにより、パン、チルト、ズーム カメラ(PTZ)、高性能ワイヤレス アクセス ポイント(WAP)、さらにはノート PC のバッテリーの充電などのアプリケーションに、より高い電力を供給できます。

IEEE PoE 規格では、スペアペア (代替 B )、コモンモード データ ペア電力 (代替 A )、および 4 ペア伝送 ( 4PPoE ) の既存の慣行を標準化するほか、給電装置(PSE) と受電装置(PD) 間の信号伝達も規定しています。この信号伝達により、適合デバイスの存在を給電装置が検出できるようになり、デバイスと給電装置が、非互換デバイスの損傷を回避しながら、必要な電力量または利用可能な電力量をネゴシエートできるようになります。

オリジナルのIEEE 802.3af-2003 ^[1] PoE規格は、各ポートで最大15.4WのDC電力（最小44V DCおよび350mA）^{[2] [3]を供給します。 [4]}一部の電力はケーブルで消費されるため、受電デバイスで利用できる電力は12.95Wのみであることが保証されています。^[5]

IEEE 802.3at-2009 ^{[6] PoE規格は、} PoE+またはPoE plusとも呼ばれ、タイプ2デバイスに最大25.5Wの電力を供給します。^[7] 2009規格では、受電デバイスが4組すべての電源を使用することを禁止しています。^{[8]これらの規格は両方とも、その後}IEEE 802.3-2012出版物に組み込まれました。^[9]

IEEE 802.3bt-2018規格は、802.3atの電力機能をさらに拡張します。これはPoE++または4PPoEとも呼ばれます。この規格では、オプションで4対すべてを電力として使用して、最大51Wの供給電力（タイプ3）と最大71.3Wの供給電力（タイプ4）の2つの追加電力タイプが導入されています。^[10]ツイストペアの各ペアは、最大600mA  （タイプ3）または960mA（タイプ4）の電流を処理する必要があります。^{[11]さらに、} 2.5GBASE-T、5GBASE-T、および10GBASE-Tのサポートが含まれています。^[12]この開発により、新しいアプリケーションへの扉が開かれ、高性能ワイヤレスアクセスポイントや監視カメラなどのアプリケーションの使用が拡大します。

IEEE 802.3bu-2016 ^[13]改正では、シングルペアの パワーオーバーデータライン（PoDLは、自動車や産業用途向けのシングルペアイーサネット規格100BASE-T1および1000BASE-T1用^[14]2ペアまたは4ペアの規格では、ペアの各導体に同じ電圧が印加されるため、各ペア内には送信データを表す電圧以外の差動電圧はありません。シングルペアイーサネットでは、電力はデータと並行して送信されます。PoDLは当初、0.5～50W（PD時）の10の電力クラスを定義しました。

その後、PoDLはシングルペアバリアントの10BASE-T1、^[15] 2.5GBASE-T1、5GBASE-T1、および10GBASE-T1 ^[16]に追加され、2021年現在、^{[アップデート]}追加の中間電圧と電力レベルを含む合計15の電力クラスが含まれています。^[15]

PoEで電源供給を受けるデバイスの例としては、以下のものがある。^[17]

• VoIP電話
• PTZを含むIPカメラ
• WAP
• IPTVデコーダー
• ネットワークルーター
• 離れた部屋に設置されたミニネットワーク スイッチ。1 本のアップリンクケーブルからイーサネット ポートの小規模なクラスターをサポートします。PoE 電源は PD (または PoE 入力) ポートに供給されます。これらのスイッチは、PoE パススルーを使用してリモート PoE デバイスに電力を供給できます。
• インターホン、拡声システム、廊下用スピーカーアンプ
• 部屋や廊下の壁掛け時計。ネットワーク タイム プロトコル (NTP) を使用して時刻が設定されます。
• 無線 ISP が使用する、アンテナ内蔵の屋外屋根設置型無線、4G/LTE、802.11 または 802.16 ベースの無線 CPE (顧客構内機器)
• 屋外のポイントツーポイントマイクロ波およびミリ波無線、および一部のフリースペースオプティクス（FSO）ユニットは、通常、独自のPoEを備えています。
• センサー、コントローラー、メーターなどの産業用制御システムコンポーネント。
• ヘルプポイント、インターホン、入場カード、キーレス エントリなどのアクセス制御コンポーネント。
• インテリジェント照明コントローラと発光ダイオード（LED） 照明器具^[18]
• ネットワークオーディオブレイクアウトやルーティングボックスなどの舞台や劇場の機器
• リモートPOSキオスク
• インラインイーサネットエクステンダー^[19]
• PoEスプリッターは、多くの場合異なる電圧（例：5V）で電力を出力し、リモートデバイスに電力を供給したり、携帯電話を充電したりします。

電源供給装置（PSE）は、イーサネットケーブルに電力を供給する（供給する）装置である。この装置は、一般にエンドスパン（IEEE 802.3afではエンドポイントと呼ばれる）と呼ばれるネットワークスイッチ、またはPoE非対応スイッチとPoE装置の間の中間装置であるミッドスパン装置と呼ばれる外部PoEインジェクタである。 [ ^20]

受電デバイス(PD) とは、PoE によって電力が供給され、エネルギーを消費するデバイスです。例としては、ワイヤレス アクセス ポイント、VoIP 電話、IP カメラなどがあります。

多くの受電デバイスには、オプションの外部電源用の補助電源コネクタが付いています。設計に応じて、デバイスの電力の一部、まったく、またはすべてを補助ポートから供給できます。^{[21] [22]}また、補助ポートは、PoE供給電源が故障した場合のバックアップ電源として機能することもあります。

PoEの支持者は、PoEが長期的に世界規模のDC電源ケーブル標準となり、集中管理が難しい多数の個別のACアダプタに取って代わることを期待している。 ^[23]このアプローチの批判者は、PoEは電圧が低いため本質的にAC電源よりも効率が低く、イーサネットの導体が細いことでさらに効率が悪くなると主張している。イーサネットアライアンスなどのPoEの支持者は、引用されている損失はケーブルの品質、長さ、受電デバイスの電力消費の観点から最悪のシナリオであると指摘している。^[24]いずれにしても、中央PoE供給が複数の専用AC回路、変圧器、インバータに取って代わる場合、ケーブル配線での電力損失は正当化できる可能性がある。

PoE を IEEE 802.3azエネルギー効率の高いイーサネット(EEE) 標準と統合すると、さらなるエネルギー節約が実現する可能性があります。EEE と PoE の事前標準統合 (2011 年 5 月のホワイト ペーパーで概説されているMarvellのEEPoEなど) では、リンクあたり 3 W 以上の節約が達成されると主張しています。この節約は、より高電力のデバイスがオンラインになると特に顕著になります。^[25]

標準ベースのPower over Ethernetは、IEEE 802.3af-2003（後にIEEE 802.3-2005に条項33として組み込まれた）または2009年の更新であるIEEE 802.3atの仕様に従って実装されています。この標準では、高電力レベルにはカテゴリ5以上のケーブルが必要ですが、必要な電力が少ない場合はカテゴリ3ケーブルを使用できます。^[26]

電力は、イーサネットケーブルにある2 つ以上の差動ペアワイヤを介してコモン モード信号として供給され、イーサネット スイッチなどの PoE 対応ネットワーク デバイス内の電源から供給されるか、または、非 PoE スイッチと組み合わせて使用​​できる追加の PoE 電源である ミッドスパン電源を使用してケーブル配線に注入できます。

ファントム電源技術を使用すると、電源供給されたペアでデータも伝送できるようになります。これにより、ケーブルの 4 ペアのうち 2 ペアのみを使用する10BASE-Tおよび100BASE-TXだけでなく、データ伝送に 4 ペアすべてを使用する1000BASE-T (ギガビット イーサネット)、2.5GBASE-T、5GBASE-T、および10GBASE-Tでも使用できます。これが可能なのは、ツイストペア ケーブル上のイーサネットのすべてのバージョンが、トランス結合による各ペアでの差動データ伝送を指定しているためです。DC 電源と負荷の接続は、両端のトランス センター タップに行うことができます。したがって、各ペアはDC 電源の片側として共通モードで動作するため、回路を完成させるには 2 つのペアが必要です。DC 電源の極性はクロスオーバー ケーブルによって反転できます。電源供給を受けるデバイスは、予備のペア 4–5 および 7–8、またはデータ ペア 1–2 および 3–6 のいずれかのペアで動作する必要があります。極性はスペア ペアの標準によって定義され、ダイオード ブリッジを使用してデータ ペアに対して曖昧に実装されます。

注:

A、B、4 ペアの 3 つのモードが利用可能です。モード A は、100BASE-TXまたは 10BASE-T のデータ ペアに電力を供給します。モード B は、予備ペアに電力を供給します。4 ペアは、4 つのペアすべてに電力を供給します。PoE は、1000BASE-T、2.5GBASE-T、5GBASE-T、および 10GBASE-T イーサネットでも使用できます。この場合、予備ペアはなく、すべての電力はファントム技術を使用して供給されます。

モード A には、同じペアを使用して極性が異なる 2 つの代替構成 (MDI と MDI-X) があります。モード A では、ピン 1 と 2 ( T568B配線のペア #2) が 48 V DC の片側を形成し、ピン 3 と 6 (T568B のペア #3) がもう一方の側を形成します。これらは、10BASE-T および 100BASE-TX でのデータ伝送に使用される 2 つのペアと同じであり、このようなネットワークでは 2 つのペアのみで電力とデータの両方を提供できます。極性が自由であるため、PoE はクロスオーバー ケーブル、パッチ ケーブル、およびAuto MDI-Xに対応できます。

モード B では、ピン 4 ～ 5 ( T568Aと T568B の両方でペア #1) が DC 電源の片側を形成し、ピン 7 ～ 8 (T568A と T568B の両方でペア #4) がリターンを提供します。これらは10BASE-T と 100BASE-TX の予備ペアです。したがって、モード B では 4 ペア ケーブルが必要です。

電力モード A と B のどちらを使用するかは、PD ではなく PSE が決定します。モード A またはモード B のみを実装する PD は、規格で禁止されています。^[36] PSE はモード A またはモード B、あるいはその両方を実装できます。PD は、電力供給ペア間に 25 kΩ の抵抗を配置することで、規格に準拠していることを示します。PSE が高すぎる抵抗または低すぎる抵抗 (短絡を含む) を検出すると、電力は供給されません。これにより、PoE をサポートしていないデバイスが保護されます。オプションの電力クラス機能により、PD は高電圧でセンス抵抗を変更することで電力要件を示すことができます。

電力を維持するために、PDは少なくとも5～10mAを少なくとも60ms使用する必要があります。PDがこの要件を満たさないまま400ms以上経過すると、PSEはデバイスが切断されているとみなし、安全上の理由から電力を遮断します。^[37]

PSE には、エンドスパンとミッドスパンの 2 種類があります。エンドスパン (一般に PoE スイッチと呼ばれる) は、Power over Ethernet 伝送回路を含むイーサネット スイッチです。ミッドスパンは、通常のイーサネット スイッチと受電デバイスの間にあるパワー インジェクタで、データに影響を与えずに電力を注入します。エンドスパンは通常、新規インストール時や、その他の理由 ( 10/100  Mbit/s から 1 Gbit/s への移行など) でスイッチを交換する必要があるときに使用され、PoE 機能を追加するのに便利です。ミッドスパンは、新しいイーサネット スイッチを交換して構成する必要がなく、ネットワークに PoE のみを追加する必要がある場合に使用されます。

IEEE 802.3at対応デバイスはタイプ2とも呼ばれます。802.3at PSEはLLDP通信を使用して802.3at対応を通知することもできます。^[40]

クラス4はIEEE 802.3at（タイプ2）デバイスでのみ使用でき、電源投入段階で有効なクラス2およびマーク2電流が必要です。クラス4電流を流す802.3afデバイスは非準拠とみなされ、代わりにクラス0デバイスとして扱われます。^{[43] : 13}

リンク層検出プロトコル(LLDP) は、デバイスを管理するためのレイヤー 2 イーサネット プロトコルです。LLDP を使用すると、PSE と PD 間で情報を交換できます。この情報は、タイプ、長さ、値(TLV) 形式でフォーマットされます。PoE 標準では、PSE と PD が利用可能な電力を通知およびネゴシエートするために使用する TLV 構造が定義されています。

セットアップフェーズは次のとおりです。

• PSE (プロバイダー) は、802.3af フェーズ クラス 3 を使用して PD (消費者) を物理的にテストします。
  • PSE が PD に電力を供給します。
• PD が PSE に送信: 私は PD です。最大電力 = X、要求された最大電力 = X。
• PSE が PD に送信: 私は PSE です。許容される最大電力 = X。
  • PD は PSE によって指定された量の電力を使用できるようになりました。

この電力交渉のルールは次のとおりです。

• PDは物理的な802.3afクラスを超える電力を要求してはならない
• PDはPSEが宣伝する最大電力を超えて電力を消費してはならない
• PSEは、PSEが許可した最大電力を超える電力を消費するPDを拒否する場合があります。
• PSEは使用中のPDに割り当てられた電力を削減してはならない
• PSEは節電モードを介して電力削減を要求することがある^{[47] : 10}

独自の実装は10以上あります。^[48]より一般的な実装については以下で説明します。

一部の Cisco WLAN アクセス ポイントとVoIP 電話は、 PoE を提供するための IEEE 標準が確立される何年も前から、独自の形式の PoE ^{[49]をサポートしていました。Cisco のオリジナルの PoE 実装は、IEEE 802.3af 標準にソフトウェア アップグレードできません。Cisco のオリジナルの PoE 機器は、ポートあたり最大}10 Wを供給できます。供給される電力量は、Cisco 独自のCisco Discovery Protocol (CDP) に追加された電力値に基づいて、エンドポイントと Cisco スイッチの間でネゴシエートされます。CDP は、Cisco スイッチから Cisco VoIP 電話に音声 VLAN 値を動的に通信する役割も担っています。

シスコのプレスタンダード方式では、PSE（スイッチ）は送信ペアで高速リンクパルス（FLP）を送信します。PD（デバイス）は、ローパスフィルタを介して送信ラインを受信ラインに接続します。PSEは、代わりにFLPを受け取ります。PSEは、ペア1と2の間に共通モード電流を提供し、割り当てられた電力のデフォルトは48 V DC ^[50]と6.3 W ^{[51]になります。その後、PDは、オートネゴシエーションモードのスイッチポートに}5秒以内にイーサネットリンクを提供する必要があります。その後、TLVを含むCDPメッセージがPSEに最終的な電力要件を伝えます。リンクパルスが中断されると、電源がシャットダウンされます。^[52]

2014年にシスコは、別の非標準PoE実装を作成しました。ユニバーサルパワーオーバーイーサネット（UPOE）。UPOEはネゴシエーション後に4つのペアすべてを使用して最大60Wを供給できます。^[53]

LTPoE++と呼ばれる独自の高出力開発は、単一のCat 5eイーサネットケーブルを使用して、38.7、52.7、70、および90Wのさまざまなレベルの電力を供給できます。^[54]

2007年にMicrosemiに買収され、その後2018年にMicrochipに買収されたPowerDsineは、1999年からミッドスパンパワーインジェクターを販売しています。MicrochipのマルチPoE PSE ICを使用すると、PoEインジェクターとスイッチはIEEE 802.3 PoE標準とプレスタンダード構成をサポートできます。Polycom 、3Com、Lucent、Nortelなどのいくつかの企業は、 PowerDsineの古いPower over LAN PoE実装を使用していました。^[55]

パッシブ PoE システムでは、インジェクタは受電デバイスと通信して電圧やワット数の要件をネゴシエートすることはなく、常に電力を供給するだけです。一般的な 100 Mbit/s パッシブ アプリケーションでは、802.3af モード B のピン配置 (§ ピン配置を参照) を使用します。ピン 4 と 5 に DC プラス、ピン 7 と 8 に DC マイナス、ピン 1–2 と 3–6 にデータがありますが、極性は異なる場合があります。ギガビット パッシブ インジェクタは、データ ピンにトランスを使用して電力とデータがケーブルを共有できるようにし、通常は 802.3af モード A と互換性があります。最大 12 ポートのパッシブ ミッドスパン インジェクタが利用可能です。

5ボルトを必要とするデバイスは、通常、ケーブルの電圧降下が大きくなりすぎるため、短距離（約15フィート（4.6メートル））を超えるイーサネットケーブルでは5VのPoEを使用できないため、リモートエンドに24Vまたは48Vから5VへのDC-DCコンバータが必要です。^{[56] [信頼できない情報源？ ]}

パッシブ PoE 電源は、さまざまな屋内および屋外の無線機器で一般的に使用されています。最も一般的に使用されているのは、Motorola (現在の Cambium)、Ubiquiti Networks、MikroTikなどです。802.11a、802.11g、および 802.11n ベースの無線に同梱されているパッシブ PoE 24 VDC 電源の以前のバージョンは、通常 100 Mbit/s のみです。

パッシブDC-DCインジェクタも存在し、9Vから36V DC、または36Vから72V DC電源を、ピン4と5に「+」、ピン7と8に「-」を備えた安定化された24V 1A、48V 0.5A、または最大48V 2.0AのPoE給電に変換します。これらのDC-DC PoEインジェクタは、さまざまな通信アプリケーションで使用されています。^[57]

ISO /IEC TR 29125 およびCenelec EN 50174-99-1 ドラフト規格では、4PPoE の使用によって予想されるケーブル バンドルの温度上昇について概説しています。次の 2 つのシナリオが区別されています。

1. 束は内側から外側に向かって熱くなり、
2. 周囲の温度に合わせて外側から加熱する束。

2 番目のシナリオは環境と設置に大きく依存しますが、1 番目のシナリオはケーブルの構造によってのみ影響を受けます。標準的なシールドなしケーブルでは、PoE 関連の温度上昇は 5 倍になります。シールド ケーブルでは、設計に応じてこの値は 2.5 ～ 3 倍に低下します。

• 登録後に標準規格を無料でダウンロードできるIEEE GETプログラム
• ieee802.org: I​​EEE 802.3af タスクフォース
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