ホワイトペーパー
パワー・オーバー・イーサネットの設置ガイド
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概要
数年前、ツイスト･ペアー・ネットワーク・ケーブルで低電圧直流電流（DC）電力とデータを同時に供給するというアイデアを思いつき、パワー・オーバー・イーサネット（PoE）が誕生しました。2003年の創業以来、PoE 技術は、VoIP 電話、監視カメラ、Wi-Fi アクセス・ポイント（AP）から LED ライト、ラップトップ、デジタル・ディスプレイまで、ネットワーク IP ベースの電源デバイスの範囲を拡大し、サポートするように進化してきました。この最新の電力供給方法の利点を実現するには、導入とトラブルシューティングを成功させることが不可欠です。
このページに記載されていること
PoE の仕組み
ネットワークに接続されたデバイスの場合、PoE は従来の交流 (AC) 電源回路やコンセントの必要性を排除します。カテゴリー 6A、カテゴリー 6、カテゴリー 5e などのツイスト･ペアー・ネットワーク・ケーブルで 43 ～ 57 VDC の効率的な低電圧を利用します。つまり、PoE は、従来の AC ライン給電デバイスに比べて、安全性を脅かすことなく設置でき、資格のある電気技師、導管、電気ボックスの必要性など、厳しい要件も少なく、人件費や材料費を削減できます。
PoE 回路とは？
PoE 回路は 3 つ要素で構成されています。
- データ信号と同じケーブルで電力を供給する、給電機器 (PSE)。通常、これは PoE 対応のネットワーク・スイッチを指しますが、スイッチが電力を供給できない場合には、ミッドスパンインジェクタが使用されることもあります。
- 電力信号とデータ信号の両方を伝送するツイスト･ペアー・ネットワーク・ケーブル。PoE の IEEE 規格では、4 ペアのツイスト・ケーブル・システムにおける 2 対または 4 対の電力供給が規定されています。
- PSE によって供給される電力を消費する受電機器 (PD)
図 1. PoE の基本設計と名称
PoE の現行規格
IEEE 802.3規格は、PD が PSE から電力を受け取る方法を定義します。PoE システムでは、PD が要求した後にのみ PSE から電力が供給されます。これは、ネゴシエーションと呼ばれるプロセスの一部です。このプロセスでは、接続されたデバイスが PoE に準拠しているかどうかを PSE が検出し、デバイスが動作するために必要な電力量だけを供給することが含まれます。PD が切断されると、PSE は直ちに電源を切断します。このため、常にコンセントに電力が流れている一般的な AC 電源と比べて、PoE は格段に安全性が高くなります。
初めての PoE 規格である IEEE 802.3af は 2003 年に採用され、2 ペアで最大 15.4W の電力を供給します。その後、2005 年に採用され、（PoE+ としても知られる）IEEE 802.3at が 2005 年に採用され、最大 30 W までの給電をサポートしました。2年後、Cisco は全 4 ペアを使用する Universal PoE (UPOE) を開発し、最大 60 W まで給電可能となりました。さらに 2018 年 9 月、IEEE は 802.3bt を承認し、最大 60 W および 90W の給電を可能にしました。
図 2 は、IEEE PoE 規格を示しており、8 つの異なる電力レベル（クラス）によって定義され、それぞれが 4 つの構成方式で供給可能であることを表しています。タイプ 1 と 2 は 2 ペアを使用し、タイプ 3 と 4 は 4 ペアを使用します。
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図 2: PoE クラス、タイプと規格。 |
PoE 導入を成功させるための 3 つのステップ
PoE の実装は 3 つのプロセスによって保証されます。
- 機器の選択
- ケーブル認証
- 敷設とトラブルシューティング
各ステップの要件について見ていきましょう。
ステップ 1：機器の選択
PoE は大きなメリットをもたらしますが、標準化は不可欠です。PoE という用語自体は商標ではありません。どのベンダーも PoE 機能を主張できます。また、PoE+ や PoE++、Cisco の Universal PoE (UPOE) など、システム業者によって採用された用語もあります。
これらの方式はいずれも IEEE 規格に適合していますが、規格外の PoE を実装する業者もいるため、多くの混乱が生じています。たとえば、「パッシブ」PoE の実装では、PSE と PD の間で交渉が行われることなく、常時オンの状態で電力が供給されます。その他の実装では、機器やデバイスが自らの機能を通知するために使用されるリンク層探索プロトコル (LLDP) よりも上位のレイヤーで電力レベルのネゴシエーションが行われます。
このため、現場の技術者だけでなく、設計者の間にも対応機器の組み合わせについて混乱が生じています。当然のことながら、最近の調査によれば、インストーラー、インテグレーター、エンドユーザーを含む 800 名以上を対象とした結果、回答者の 5 人中 4 人が PoE システムの統合に困難を経験していることがわかりました。
イーサネット・アライアンス 認証プログラム
この混乱を解消し、相互運用性を高めるために、PSE スイッチ機器、PD、テスト・ソリューションのメーカーからなるコンソーシアムである Ethernet Alliance が、PoE 認証プログラムを開発しました。このプログラムは、メーカーが自社製品と他の IEEE-802.3 ベースの PoE ソリューションとの相互動作性を証明するための方法を提供するとともに、証明済みの製品の簡単なラベルを提供しています。
製品の認証は、承認済みの機器を使用した 300 ページにわたるテスト計画によって定義されます。認証試験は、メーカー、またはニューハンプシャー大学相互運用性研究所 (UNH-IOL) などのサードパーティによって実施される場合があります。PSE および PD 両方の機器が認証されます。この厳格なプロセスに合格した機器には、下に示す EA 承認マークのラベルが付けられます。
設計者や PoE 機器の設置業者は、PSE と PD に付けられたマークを比較するだけで適合性を確認できます。PSE の定格が PD の要件以上の場合は機能性が保証されます。
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図 3. 受電機器（左）と給電機器（右）の Ethernet Alliance マーク。
ステップ 2：ケーブル認証
PoE は、標準的なカテゴリ 6A、6、およびカテゴリ 5e のツイスト･ペアー構内配線ケーブルで動作するように設計されています。しかし、高速データを伝送するケーブルに DC 電力を付加すると、配線にはいくつかの追加要件が課されます。
- ケーブルの全体抵抗が低くなければなりません。高すぎると、PSE と PD 間で電力が浪費され、PD は必要な電力を受けることができません。
- PoE では、2 ペアまたは 4 ペアにコモン・モード電圧を印加することで電力を供給し、電流は 2 つまたは 4 つの導体に均一に分割されます。これを実現するためには、ペア内の各導体の直流抵抗が均衡している必要があり（等しくなければなりません）、その差異は直流抵抗アンバランスと呼ばれます。過度な直流抵抗アンバランスはデータ信号を歪ませ、ビットエラーや再送を引き起こし、場合によってはデータリンクが機能しなくなる原因となります。
- カテゴリ・ケーブルの全 4 ペアに電力を供給するタイプ 3 とタイプ 4 の PoE実装では、各ペアの直流抵抗アンバランス以外も考慮しなければなりません。複数のペア間で過度の直流抵抗アンバランスが発生すると、データ伝送に悪影響を与え、PoE が正常に動作しなくなることもあります。
IEEE はこの抵抗測定の重要性を認識し、1 ペア内の DC ループ抵抗と DC 抵抗アンバランスの要件を 802.3 規格に盛り込みました。米国電気通信工業会 (TIA) は、カテゴリー 5e、6、および 6A ケーブル・チャネルの ANSI/TIA-568.2 ケーブル配線規格にもこれらのパラメータを指定しています。
残念ながら、ほとんどの設置は TIA-1152-A フィールド・テスト規格に基づいて認証されており、この規格ではこれらの測定を任意項目として定義しています。劣悪な終端処理、すなわち各導体が IDC 内に適切に装着されておらず、成端処理に一貫性がない場合、直流抵抗アンバランスが発生する可能性があります。ケーブル製造業者の仕様にはケーブルの DC 抵抗アンバランスが記載されていることもありますが、DC 抵抗アンバランス性能を確認するには、敷設後に現場試験を必ず行う必要があります。
これらの抵抗測定を標準機能として備えたケーブル認証テスター（フルーク・ネットワークス DSXCableAnalyzer™ シリーズなど）を使用すると、ペア内およびペア間で DC 抵抗のバランスが取れていないことをすばやく簡単にテストできます。したがって、導入するケーブル・プラントは 2 対および 4 対の PoE アプリケーションで動作することが保証されます。ケーブル配線システムの保証を取得するには、通常、認証試験も必要とされます。また、将来のトラブルシューティングを容易にする役割も果たします。DSX CableAnalyzer 認証テスターを使用すれば、測定結果を保存・管理できるほか、LinkWare™ PC管理ソフトウェアや LinkWare™ Live クラウド・サービスを通じてレポートを作成できます。これにより、現場から直接結果をアップロードすることも可能になります。
図 4. ペア間の抵抗アンバランスの結果を表示する Versiv。
ステップ 3：敷設とトラブルシューティング
PSE の能力と PD の要件を把握すると、敷設とトラブルシューティングを簡単に行えます。
残念ながら、現実の現場では、PoE 給電デバイスをサポートする技術者がこの情報にアクセスできないことがよくあります。EA 認証済みの PD の要件を確認すること自体は容易ですが、技術者は通常 PSE からかなり離れた場所で作業しているため、スイッチの機能を確認するには、配線室やデータ・センターまで長い距離を歩かなければなりません。また、自分の PD に接続されているケーブルを特定しなければならない場面も少なくありません。場合によっては、PSE に直接アクセスできず、その容量を確認するために IT チームへ連絡する必要が生じることもあります。技術者は、ケーブルの検出とスイッチへのアクセスに半日を無駄にすることもあります。
PoE 問題を解決するために設計されたツール
フルーク・ネットワークスは、これらの問題を解決し、技術者の大幅な手間と時間を省くために、2 つのツールを開発しました。LinkIQ™ ケーブル + Wi-Fi + ネットワーク・テスターおよび MicroScanner™ ケーブル・ビューアー。いずれかのツールをケーブルに差し込むだけで、PSE に接続されていれば、そのリンクで利用可能な電力のワット数とクラス（0～8）が表示され、どのペアに電力が供給されているかも確認できます。技術者はこの結果を PD の要件と比較することで、十分な電力を供給できるかどうかを確認できます。両製品はいずれも、Ethernet Alliance の Gen2 PoE 認定プログラム・テスト・プランを正常に完了済みであり、すべての IEEE 準拠デバイスで動作することを保証します。このテスターは、IEEE 非準拠のさまざまな技術にも対応できるよう設計されています。
図 5. Ethernet Alliance による PoE 認証を受けた MicroScanner ケーブル・ビューアーは、ワット数とクラス (0～8 / の電力がリンクで利用可能で、どのペアが電力を供給しているかを示します。
LinkIQ テスターは PoE テストをさらに進化させ、PSE からハードウェアおよびソフトウェアの両レベルで実際に交渉された PoE クラスと利用可能なワット数を表示します。これにより、PD がスイッチから確実に電力を受け取れるだけでなく、動的な電力割り当てを効率的にネゴシエートできることを保証します。LinkIQ テスターは、接続に負荷をかけ、ポートごとの電圧をリアルタイムで測定して、スイッチとケーブル・リンクが公称どおりの電力を供給できるかどうかを検証することで、追加テストを実行します。これは、PoE 対応スイッチが接続デバイスの要件に基づいて各ポートに電力を配分するライブ PoE ネットワークのテストに最適です。複数のデバイスに給電している場合、スイッチに新たな PD へ供給するだけの余剰電力が残っていない可能性があります。
図 6. Ethernet Alliance による PoE 認証を受けた LinkIQ テスターは、PSE から交渉されたPoE クラスとワット数をハードウェアとソフトウェアの両レベルで表示し、さらに PoE 負荷テストを実施してポートから供給される電圧を測定し、適切に動作しているか検証します。
LinkIQ テスターと MicroScanner テスターは、他の面でも技術者にとって非常に価値の高いツールです。これらは最大 10 Gbps までのポート速度を特定できるので、有用な情報を得られます。なぜなら、ポート速度が遅いと、Wi-Fi アクセスポイントやカメラ、その他の高速デバイスの性能を制限してしまう可能性があるからです。これらのテスターは、ケーブルが損傷している場合、各ペアの長さ、破損の可能性、またはその他の障害を表示します。LinkIQ および MicroScanner テスターは、フルーク・ネットワークスの IntelliTone™ 200 Pro プローブを使用してトーン発生源としても利用でき、壁内やケーブル束、スイッチ、パッチ・パネル、壁面コンセントなどでケーブルを特定する際に役立ちます。
LinkIQ テスターは、ネットワークのトラブルシューティングに役立つ追加機能を提供します。スイッチ名、通知速度、特定のポート番号、リンクに割り当てられた仮想 LAN (VLAN) が表示されます。LinkIQ Duo テスターの「リンク LED の点滅」機能を使えば、接続されているスイッチポートを特定することも可能です。さらに、IP ping テストを実行して、リンクが特定のターゲットアドレスに到達できるかどうかを確認し、遅延を測定することもできます。
図 7. LinkIQ テスターは、スイッチ名、通知速度、リンクに割り当てられた特定のポート番号と仮想 LAN (VLAN) を表示し、IP ping テストを実行します。
図 8. LinkIQ Duo テスターは、無線アクセス・ポイントの詳細を表示します。これには、名前、ネットワーク・サポート、使用する帯域、技術、信号強度などが含まれます。
LinkIQ テスターは、Wi-Fi 6E に Wi-Fi 解析を追加する LinkIQ Duo モデルとしても利用できます。ほとんどの Wi-Fi AP は PoE 対応で、LinkIQ Duo テスターは PoE と Wi-Fi の両方を 1 つのツールでトラブルシューティングできます。Wi-Fi 環境の分析を容易にするため、テスターは包括的なテスト一式を実行し、結果をネットワーク別、チャネル別、またはアクセスポイント別といった見やすい形式で表示してくれます。また、LinkIQ テスターはレポートを生成し、人気のある LinkWare PC ソフトウェアを使って保存や印刷を行うことができます。
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ケーブルのトラブルシューティング |
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ケーブル・パフォーマンス・テスト |
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10 MB/秒～10 Gb/秒 |
TIA、ISO、および国際規格の認証を取得済み |
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PoE の抵抗測定 |
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スイッチ・ポート速度の識別 |
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スイッチ・テスト（名前、ポート、VLAN） |
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負荷あり PoE ポート・テスト |
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Wi-Fi 解析およびテスト |
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レポート |
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図 8. PoE デバイスとケーブル配線用 フルーク・ネットワークス・テストの比較
PoE プロジェクトを円滑に進めるには、適切な機器を選定し、ケーブルを認証し、さらに技術者が設置状況を容易に確認・トラブルシュートできる正しいテスターを備えていることが重要です。
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