未来はさらなるパワーを要求
過去 20 年以上にわたり、ケーブル・プラントはパワー・オーバー・イーサネット (PoE) をサポートしてきました。初期の PoE 導入では 30 ワット (W) までのサポートのみが必要でしたが、今日では、最新の 802.11 Wi-Fi アクセスポイント (WAP)、デジタル・ディスプレイ、ノートパソコン、LED 照明など、より高いレベルの電力を供給できる 4 ペア PoE を必要とするデバイスが増えています。この記事は PoE 関連のトピックの概要です。
内容
- パワー・オーバー・イーサネット (PoE) は安全ですか？
- PoE はどのような目的で使用されるのですか？
- PoE の仕組みは？
- PoE とはどのような電圧の電力ですか？
- PoE にはどのようなメリットがありますか？
- PoE の規格は何ですか？
- PoE にはどのようなクラスがありますか？
- PoE の配線要件はどのようなものですか？
- PoE のテスト方法は？
- PoE のトラブルシューティングに最適なテスターの選択
- 学習を続ける
PoE とは？
パワー・オーバー・イーサネット (PoE) は、クラス 2 低電圧直流 (DC) 電力の一種で、ネットワーク・スイッチなどの給電側機器 (PSE) から、平衡ツイスト･ペア配線 (カテゴリー 6A、6、5e など) を介して供給されます。PoE 電力は、データおよび制御情報と同時に、ネットワーク化された IP ベースの受電側機器 (PD) に供給されます。
PoE はどのような目的で使用されるのですか？
PoE 電力は、IP クロック、VoIP 電話、監視カメラ、アクセス制御パネル、ワイヤレス・アクセス・ポイント (WAP)、POS (point-of-sale) 機器、ノートパソコン、デジタル・ディスプレイなど、さまざまなネットワーク・デバイスの稼動に使用されています。
PoE の仕組みは？
PoE の動作では、電力が供給される前に、デバイスが本当に PoE 準拠の PD であることを確認し、PD の最大電力要件を伝達するためのハンドシェイクが行われます。ハンドシェイクでは、PSE が電圧を印加して PD 内の抵抗の存在と値を確認し、PD の応答に基づいて電力量を供給します。この機能は、より少ない電力を必要とするデバイスの消費電力を削減するのに役立ちます。
PoE とはどのような電圧の電力ですか？
PoE は、米国電気工事規定 (NEC®) によってクラス 2 電力回路とみなされています。クラス 2 回路は、44～57 ボルト (V) の直流電力を供給するものと定義されています。標準的な PoE スイッチの出力電圧は通常 48 V DC です。NEC クラス 2 電力は、クラス 2 変圧器または標準銅導線を介して電源から非PoE電力として供給することもできます。
PoE にはどのようなメリットがありますか？
PoE には主に次の 3 つのメリットがあります。
- • PoE の最大のメリットは、コスト削減です。PoE は、データを伝送するのと同じネットワーク・ケーブルで電力を供給することで、認定電気技術者による高額な交流 (AC) 電力回路とコンセントの設置を不要にします。人件費を大幅に削減できるだけでなく、必要な資材の量も減らすことができます。ネットワーク・ケーブルは AC 電源ケーブルよりもはるかに小さいため、電線管を通す必要がありません。
- • PoE は安全な超低電圧技術であり、火災や感電に対する安全性が確保されています。そのため、低電圧技術者は、安全性を損なうことなく PoE を導入することができます。さらに、PSE は電力を供給する前に PD とハンドシェイクを行う必要があるため、未使用の回路から電力が流出することがありません。これは、デバイスが接続されているかどうかに関係なく、常に電力を供給する標準的な AC 電源コンセントとはまったく異なります。
- • PoE はエネルギー効率に優れています。IT 機器やオーディオ・ビジュアル機器から LED 照明に至るまで、今日の商業ビルのほとんどの電子部品は直流電源で動作しています。これらのデバイスに直流電力を供給するには、交流電力を直流電力に変換する必要があり、最大 30% の損失が生じます。実際、専門家の推定では、世界で発電される交流電力の 70% 以上が、電子デバイスやシステム用の直流電力に変換されています。PoE はデバイスへの交流電力を不要にし、機器の動作に必要な直流電力を直接供給するため、建物内での交流電力から直流電力への変換に伴う損失の多くを排除できます。さらに、PoE は、デジタル IT 技術として、集中型無停電電源 (UPS) によってバックアップされ、可用性と信頼性が向上します。
PoE の規格は何ですか？
PoE は、2003年において、オリジナルの IEEE 802.3af 規格 (現在はType 1 PoE と呼ばれる) で初めて導入されました。最大供給電力は 15.4 Wで、13 W がデバイス向けに使用可能でした。その後、PoE Plus と呼ばれるType 2 PoE (IEEE 802.3at) が登場し、最大供給電力は 30 W、25.5 W がデバイス向けに使用可能になりました。Type 1 およびType 2 の PoE は、いずれも次の 2 つの方法の 1 つを使用して、2 つのペアで電力を供給します：Alternative A および Alternative B。
オルタナティブ A では、1-2 ペアと 3-6 ペアを使ってデータと同時に電力が送信されます。
Type 1 および Type 2 Alternative A PoE は、2 ペアおよび 4 ペアのアプリケーションの両方で、データとともに 1-2 ペアおよび 3-6 ペアに同時に電力を供給します。
Alternative B は、使用されていない 4-5 ペアおよび 7-8ペアに電力を供給します。
Type 1およびType 2 Alternative B PoE は、2 ペアのアプリケーションで、使用されていない 4-5 ペアおよび 7-8 ペアに電力を供給します。
Alternative A は、10/100BASE-T のような 2 ペアのアプリケーションと 1000BASE-T のような 4 ペアのアプリケーションに対応しているのに対し、Alternative B は、2 ペアを使用するデータ信号にのみ対応しています。
最新の PoE 規格 802.3bt には、Type 3 と Type 4 があり、以下のように、4 つのペアで電力とデータを同時に供給します。4 ペア PoE または 4PPoE と呼ばれるType 3 PoE は、最大 60 W を供給し、 51 W がデバイス向けに使用可能です。Type 4 は最大 90 W を供給し、71 W がデバイス向けに使用可能です。
Type 3 および Type 4 の 4 ペア PoE は、2 ペアおよび 4 ペアのアプリケーションの両方で、データとともに 4 つすべてのペアに電力を供給します。
PoE にはどのようなクラスがありますか？
PD の電力要件はさまざまであるため、IEEE 802.3 PoE 規格とタイプは、下表に示すように 8 つの異なるクラスに分類されています。
タイプ別および適用規格別の PoE クラス。
相互動作性を強化するために、Ethernet Alliance (PSE スイッチング機器のプロバイダーを代表するメーカーが参加するコンソーシアム) は、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、300 ページにわたるテスト計画に基づいて行われます。これは、メーカー、または University of New Hampshire’s Interoperability Laboratory (UNH-IOL) などの第三者機関によって行われ、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。
受電機器（左）と給電機器（右）の Ethernet Alliance マーク。
PoE の配線要件はどのようなものですか？
下に示すように、Alternative A を用いる Type 1 および Type 2 PoE では、2 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 つの導体に均一に分割されます。
Alternative A を用いる Type 1 および Type 2 PoE は、ペアの各導体上で均等に電力を分割します。
コモン・モードを実現するには、ペア内の各導体の直流抵抗が平衡 (等しい) でなければなりません。この差は「DC 抵抗アンバランス」と呼ばれます。アンバランスが大きすぎると、データ信号に歪みが発生し、ビット・エラー、再送信の原因となり、さらにはデータ・リンクが機能しなくなる可能性もあります。
Type 1 とType 2 PoE Alternative A と同様、4 ペアの Type 3 と Type 4 PoE もコモン・モード電圧を使って電力を供給するため、DC 抵抗アンバランスが重要になります。ただし、タイプ 3 とタイプ 4 では、各ペアの DC 抵抗アンバランス以外にも考慮しなければならないことがあります。複数のペア間で過度の DC 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 が機能しなくなる可能性があります。
導体径と同心度 (真円度) にばらつきのある品質の劣るケーブルを使用すると、DC 抵抗アンバランスのリスクが高くなりますが、各導体が IDC 内に正しく装着されておらず、終端処理に一貫性がない場合も DC 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。802.11 WAPのような PoE と複数のギガビット・イーサネット伝送を組み合わせたデバイスを導入する企業が増えるにつれ、ぺア内およびペア間のも DC 抵抗アンバランスのテストが重要になっています。
温度上昇および Limited Power ケーブル
残念ながら、DC 抵抗アンバランスだけが、ここでの心配事ではありません。PoE にツイスト・ペア・メタル線ケーブルが使用されている場合、ケーブル内の温度の上昇によって挿入損失が大きくなることがあります。これにより、挿入損失テストでチャネルが不合格となったり、ケーブルの長さを短くする必要が生じたりすることがあります。
PoE に使用する複数のケーブルを 1 つにきつく束ねた場合は特に、熱の発生が問題になります。電力が高いほど、大きな熱が発生します。NEC では、Type 3 PoE (60 W) 以上の導体サイズと温度定格に基づき、束ねられるケーブルの本数を規定しています。NEC には、周囲温度が 30 °C (86 °F) の環境に敷設される特定のケーブル束のサイズ、導体ゲージ、および定格温度のケーブルで許容される最大電流容量を記載した電流容量表があります。また、米国電気通信工業会 (TIA) は、ANSI/TIA-568 ケーブル・インフラ規格の中で、束内の温度上昇を制限するためのガイドラインを提供しています。
束ねられたケーブルに高い PoE 電力レベルを流した場合の影響について事実調査を行った結果、Underwriter’s Laboratories (UL) は PoE 用途におけるケーブルの選定を簡素化するために Limited Power (LP) 認証を導入しました。LP 認証は、最悪な敷設環境において、ケーブルの温度定格を超えることなく、PoE 電力を届けることができることを検証済みであることを示します。この認証は、大きな束サイズ、高い周囲温度、および閉ざされた空間や導管などのその他の環境的な影響を考慮します。
LP は認証であり、リスティングやレーティングではないことを理解することが重要です。他の UL リスティングや、NEC で要求されるプレナム、ライザーなどの定格とは異なり、LP 認証ケーブルは任意のものであり、必須要件ではありません。NEC は法律であるため、アンペア容量表に従うことが義務付けられています。ただし、NEC は、アンペア容量表に従う代わりに、LP 認定ケーブルを使用することを認めています。
熱上昇の問題を心配する必要があるのは、60 W (Type 3) 以上の PoE 運用を計画している場合だけであることは良いニュースです。監視カメラなど、多くの PoE 対応デバイスは、それ以下の電力しか必要としません。一方で、将来のデバイスをサポートするために、最終的にどれだけの電力がケーブル経由で供給されることになるのか、まったく分からないという良くないニュースもあります。アンペア容量表に従うか、LP 認証ケーブルを使用することが、将来的にもシステムを保護する良い方法です。他にも、より太い導体、より高い定格温度、シールド構造の使用や、単にケーブル束を使用しない選択肢もあります。
DC 抵抗アンバランスは、より高い温度定格または LP 認証を持つ高品質なケーブルでは一般的に問題にはなりませんが、製品の不出来によって抵抗アンバランスが大きくなりすぎる可能性があります。したがって、LP ケーブル配線の DC 抵抗をテストすることが推奨されます。
PoE のテスト方法は？
前述のように、ペア内およびペア間の DC 抵抗アンバランスをテストすることで、敷設済みケーブル・プラントが 2 ペアおよび 4 ペアの PoE アプリケーションで確実に動作することを確認できます。
フルーク・ネットワークスの DSX CableAnalyzer™ シリーズのメタル線認証ツールを使用することで、ペア内およびペア間の DC 抵抗アンバランスを素早くかつ簡単にテストできます。これは、「DSX CableAnalyzer テスト・リミット」画面の下部にあるオプションで、+PoE サフィックス付きのテスト・リミットを選択することで実行できます。+PoE を選択すると、業界標準 (挿入損失、NEXT、PSNEXT、ACR-N、PSACR-N、ACR-F、PSACR-F、リターン損失など) へのパーマネント・リンクの認証に必要な一般的なテスト・パラメータに加え、ペア内の DC 抵抗アンバランス、ペア間の DC 抵抗アンバランス、DC ループ抵抗の測定が追加されます。
下に示すように、DSX CableAnalyzer は、DC 抵抗アンバランス (2 つの導体間の抵抗差の測定値) と同様に、ペアの 2 つの導体の抵抗の合計として DC ループ抵抗を測定します。Type 3 および Type 4 PoE に対して要求されているように、ペア間の DC 抵抗アンバランスも測定します。次の図は、導体間の DC 抵抗アンバランスはペア 1-2 では不合格であった一方、ペア間の DC 抵抗アンバランスは合格であったことを示しています。
PoE のトラブルシューティングに最適なテスターの選択
PoE システムは、適切に認証されたケーブリング・プラントであっても問題に直面することがあります。原因は、ケーブルのラベル表記の誤り、破損、間違ったポートへの接続、または完全な断線である可能性もあります。他にも、PoE スイッチが適切に構成されておらず、十分な電力が供給できていないなどの原因も考えられます。ワイヤー上の機器がよく見えないと、こうした問題のトラブルシューティングに何時間もかかることがあります。そのような場合は、ワイヤーをトレースして、異常がないか、そしてどこに接続されているかを確認しなければなりません。たとえそれがわかったとしても、電源が正しく設定されているかどうかはスイッチを見ただけではわからないため、IT 部門に問い合わせて原因を突き止める必要があります。適切な PoE テスターを選択することで、トラブルシューティングを容易にすることができます。
フルーク・ネットワークスは、これらの問題を解決し、長時間にわたるフラストレーションを軽減するために、次の 2 つのツールを開発しました。LinkIQ™ ケーブル + ネットワーク・テスターおよび MicroScanner™ ケーブル・ビューアー。PSE に接続されている場合は、リンクで利用可能な電力クラス (0～8) が表示されます。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。
これらのテスターは、他の多くの面でも非常に貴重です。
- • 最大 10 Gbps のポート速度を特定します。ポートの速度が遅いと、WAP やカメラの性能が制限されることがあります。
- • 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。
- • これらのテスターは、ケーブルをトレースするためのトーンソースとして機能します。識別装置を離れたケーブルに接続することで、ケーブル経路を特定できるため、ケーブルが外れていたり、誤って配線されたりしている場合に最適です。
どちらのテスターも Ethernet Alliance の Gen2 PoE 認証プログラムの認証を受けているため、IEEE 準拠のすべてのデバイスで正常に動作することを保証します。これらのテスターは、IEEE に準拠していないさまざまなテクノロジーでも動作するようにも設計されていますが、対応する認証プログラムがないため、弊社の専門知識が頼りになります。
フルーク・ネットワークス の MicroScanner ケーブル・ビューアーは、Ethernet Alliance Gen2 PoE 認証を受けています。
LinkIQ は、PSE に負荷をかけることで PoE のトラブルシューティングをさらに一歩進め、スイッチとケーブル・リンクが表示電力を供給できるかどうかを判定します。PoE 負荷をテストするために、LinkIQ は、標準ベースのリンク層検出プロトコル (LLDP) やシスコ検出プロトコル (CPD) などの検出プロトコル・パケットをスイッチから受信でき、これによりスイッチは接続されたデバイスを検出し、その性能を表示できます。
PoE 負荷テスターとして、LinkIQ は、電力を伝送するペア、ネゴシエートされた電力クラス (0-8)、および PSE がデバイスに提供する負荷電力 (ワット) を表示します。また、負荷時にデバイスが満たす必要のある最低必要電圧と、その要件を満たしていることを確認するための負荷時の実測電圧も表示します。PSE と PD 間の電力ネゴシエーションは、ハードウェアとソフトウェア両方のレベルで行われ、デバイスがネットワークに接続できることを確認し、PoE スイッチによる動的割り当てを可能にします。LinkIQ は、ハードウェア・クラスとソフトウェア・クラスの両方の情報を表示します。
LinkIQ は、ハードウェアとソフトウェアの両方について、ネゴシエートされた電力クラスと実際の負荷に基づく PoE 負荷テストを可能にします。
LinkIQ にはさらに便利な機能があります。最大 10 Gbps のケーブル・パフォーマンスを評価し、接続されているスイッチの名前、ポート、および VLAN 番号を表示します。また、ケーブル配線またはスイッチのレポートを生成し、人気のある LinkWare™ PC ソフトウェアを使用して保存または印刷することができます。
適切な PoE テスト機器とテスト戦略により、設置されたケーブル・プラントが PoE をサポートできることを証明できるほか、設置された PoE システムのチェックとトラブルシューティングを行うことができ、すべての PoE プロジェクトを円滑に進めることができます。
