Le PoE : du courant dans le câble réseau

Parlons technique · IT / Télécom

Une caméra au coin d’un parking, une borne Wi-Fi au plafond, le boîtier de contrôle d’accès qui commande une porte : aucune prise de courant à côté, et pourtant tout fonctionne. Le secret tient dans un seul câble, le câble réseau, qui transporte à la fois les données et l’électricité. C’est le PoE, pour « Power over Ethernet ». Voici comment il marche, ce que disent ses normes, et les pièges à éviter.

Dans mon métier, de la vidéoprotection au contrôle d’accès en passant par le Wi-Fi, le PoE est partout. Autant comprendre ce qui se passe dans ce petit câble.

Un câble, deux usages

Un câble réseau en cuivre contient huit fils, groupés par deux et torsadés ensemble : ce sont les quatre paires torsadées. Elles servent à transporter les données, sous forme de signaux électriques très rapides. Le PoE ajoute par-dessus une tension continue, comme celle d’une pile, mais plus élevée : entre 44 et 57 volts à la sortie de la source dans la première version de la norme, jamais plus de 57 volts. Les deux cohabitent sans se gêner : les données circulent normalement pendant que l’appareil est alimenté.

La norme distingue deux rôles. D’un côté, l’équipement d’alimentation (en anglais PSE, pour Power Sourcing Equipment) : le plus souvent un commutateur PoE, parfois un petit boîtier ajouté sur le câble, l’injecteur. De l’autre, l’appareil alimenté (PD, pour Powered Device) : caméra, borne Wi-Fi, téléphone IP, portier vidéo, UTL de contrôle d’accès. En contrôle d’accès, c’est en effet l’UTL, le boîtier qui commande une ou plusieurs portes, qui reçoit le PoE : les lecteurs de badges y sont raccordés par leur propre câble, et un lecteur alimenté en PoE reste très rare (voir Technologies d’identification).

L’intérêt est double. Un seul câble suffit jusqu’à l’équipement, sans poser de prise au plafond ou en haut d’un mât. Et l’alimentation devient centralisée : si le commutateur est secouru par un onduleur, toutes les caméras qu’il alimente continuent de filmer pendant une coupure de courant.

Un courant qui demande la permission

On pourrait craindre d’abîmer un ordinateur portable en le branchant sur une prise PoE. La norme a prévu ce cas dès sa première version. Avant d’envoyer la moindre puissance, l’équipement d’alimentation envoie une toute petite tension, sans danger, pour « sonder » ce qui est branché au bout du câble. Seul un appareil PoE répond avec la bonne signature, une sorte de poignée de main électrique. Un appareil qui ne répond pas correctement ne reçoit rien.

Pendant la classification, l’appareil indique à quelle classe de puissance il appartient. L’équipement d’alimentation sait alors combien il doit lui réserver. Les appareils récents peuvent ensuite affiner leur demande en dialoguant avec le commutateur par le réseau, grâce à un protocole appelé LLDP. Une fois l’appareil alimenté, la surveillance reste active : le courant est coupé si l’appareil est débranché, s’il consomme plus que prévu ou si un court-circuit apparaît dans le câble.

Attention : cette prudence ne vaut que pour le PoE conforme aux normes IEEE. Il existe des solutions d’alimentation propres à certains fabricants, que l’Ethernet Alliance, le consortium qui certifie les produits PoE, distingue explicitement du PoE normalisé. Avant de mélanger des équipements de marques différentes, vérifiez sur les fiches techniques la mention 802.3af, 802.3at ou 802.3bt.

Trois normes, huit classes

Le PoE est défini par l’IEEE, l’organisme qui écrit aussi les normes d’Ethernet et du Wi-Fi. Chaque nouvelle version a augmenté la puissance, en restant compatible avec les précédentes. La première, 802.3af, a été approuvée en juin 2003. La deuxième, 802.3at, a été publiée en 2009. La troisième, 802.3bt, approuvée en septembre 2018, utilise pour la première fois les quatre paires du câble pour transporter le courant, au lieu de deux. Toutes ces versions sont aujourd’hui intégrées au grand texte de référence d’Ethernet, IEEE 802.3.

Un point déroute souvent : la puissance qui sort du commutateur n’est pas celle qui arrive à l’appareil. Une partie se perd en chaleur dans le câble, et la norme en tient compte. Elle donne donc deux chiffres pour chaque classe, comme le montre ce tableau.

Bonne nouvelle : tout ce petit monde est compatible. Un commutateur récent alimente sans difficulté une vieille caméra 802.3af. À l’inverse, un appareil gourmand branché sur une source plus ancienne reçoit ce que celle-ci peut donner. S’il est conçu pour cela, il fonctionne alors en mode réduit : c’est sa fiche technique qui le précise. Ne vous fiez donc pas au seul mot « PoE » sur un commutateur : regardez quelle norme et quelle puissance il fournit par prise.

Pour les bases du câblage, des commutateurs et du Wi-Fi, lire Comprendre le réseau d’un bâtiment.

Le budget PoE : faire ses comptes avant d’acheter

Un commutateur PoE possède une alimentation interne de taille limitée. Il ne peut donc pas fournir la puissance maximale sur toutes ses prises en même temps : la puissance totale disponible s’appelle son budget PoE, et figure sur sa fiche technique.

Prenons un exemple fictif, pour la méthode. Un commutateur de seize prises annonce un budget de 120 watts. On veut y brancher huit caméras de classe 3. Si l’on compte, par prudence, la puissance de leur classe à la sortie du commutateur, soit 15,4 watts chacune, on arrive à 8 × 15,4 = 123,2 watts. C’est déjà trop, alors que huit prises restent libres. Selon les modèles, le commutateur réserve la puissance de la classe annoncée ou tient compte de la consommation réelle : la norme 802.3bt prévoit d’ailleurs une option, l’Autoclass, qui mesure ce que l’appareil consomme vraiment, pertes du câble comprises, pour alimenter plus de prises avec le même budget.

Commutateur PoE ou injecteur ?

La norme prévoit deux façons de fournir le courant : directement depuis le commutateur, ou depuis un équipement intercalé sur le câble, entre un commutateur ordinaire et l’appareil. Ce second cas, c’est l’injecteur, appelé midspan dans la norme (« à mi-chemin »).

Le câble, maillon oublié

Le PoE fonctionne sur le câblage réseau normalisé, avec la même règle de distance que les données : 100 mètres au plus entre le commutateur et l’appareil. Mais faire passer du courant dans un câble n’est pas anodin. Tout fil électrique oppose une petite résistance au courant ; cette résistance transforme une partie de l’énergie en chaleur. C’est pour cela que l’appareil reçoit moins que ce qui sort du commutateur.

La norme part donc d’une hypothèse sur le câble : une résistance de boucle, aller et retour, de 20 ohms au plus dans la première version, prévue pour d’anciens câbles, puis de 12,5 ohms au plus depuis la 802.3at. Un câble trop fin, trop long ou de mauvaise fabrication dépasse cette valeur. Résultat : plus de pertes, plus de chaleur, et moins de puissance au bout du câble. Utiliser les quatre paires, comme le fait la 802.3bt, divise par deux les pertes dans le câble pour une même puissance : c’est l’une des raisons de son efficacité.

La chaleur pose un autre problème quand les câbles sont serrés en gros faisceaux dans un chemin de câbles : chacun chauffe un peu, et ceux du centre n’arrivent plus à évacuer cette chaleur. Le sujet est assez sérieux pour qu’un document international lui soit consacré, la spécification technique ISO/IEC TS 29125, qui traite du câblage destiné à alimenter des équipements à distance : échauffement selon le nombre de câbles par faisceau, conditions d’installation, moyens de limiter la hausse de température. Avec l’option Autoclass, le commutateur garde d’ailleurs une petite marge de puissance pour compenser l’échauffement du câble en service.

En pratique, trois réflexes suffisent. Choisir un câble de catégorie reconnue, d’un fabricant sérieux, plutôt que le premier prix venu. Exiger la recette du câblage, cette mesure de chaque lien qui prouve qu’il tient ses performances. Et, quand on prévoit beaucoup d’appareils puissants, en parler dès la conception avec l’installateur, pour dimensionner les faisceaux et les chemins de câbles.

Les bonnes questions à poser

Avant d’acheter ou de valider un devis, cinq questions simples :

• Quelle norme ? Les appareils et le commutateur indiquent-ils 802.3af, 802.3at ou 802.3bt, et quelle classe ?
• Quel budget ? La puissance totale du commutateur couvre-t-elle tous les appareils, avec de la marge ?
• Quel secours ? Le commutateur est-il branché sur un onduleur capable de tenir la charge, combien de temps ?
• Quel câble ? Quelle catégorie, quelle longueur, et un rapport de recette est-il fourni ?
• Quelle certification ? L’Ethernet Alliance tient un programme de certification qui teste l’interopérabilité des produits PoE : une première génération pour les normes 802.3af et 802.3at, une seconde pour la 802.3bt.

Le PoE a ses limites. Au-delà de 100 mètres, il faut une baie intermédiaire, une liaison en fibre avec une alimentation locale, ou une technologie dédiée aux longues distances, avec ses compromis (lire UniFi Long-Range : 800 mètres de PoE sur un seul câble). Et un appareil qui demande plus de 71,3 watts sort du cadre de la norme : il lui faut sa propre alimentation.

Petit lexique

• Appareil alimenté (PD) : équipement qui reçoit son électricité par le câble réseau, comme une caméra ou une borne Wi-Fi.
• Autoclass : option de la norme 802.3bt qui mesure la consommation réelle d’un appareil pour mieux répartir le budget PoE.
• Classe PoE : niveau de puissance, de 1 à 8, qu’un appareil annonce à la source au moment du branchement.
• Équipement d’alimentation (PSE) : commutateur ou injecteur qui fournit le courant dans le câble réseau.
• Ethernet Alliance : organisation du secteur qui certifie l’interopérabilité des produits PoE, d’après les normes IEEE.
• Faisceau de câbles : ensemble de câbles posés serrés les uns contre les autres ; avec le PoE, ceux du centre chauffent davantage.
• IEEE : organisation internationale qui rédige notamment les normes d’Ethernet (802.3) et du Wi-Fi (802.11).
• Injecteur PoE (midspan) : boîtier intercalé sur le câble, qui ajoute l’alimentation quand le commutateur n’en fournit pas.
• LLDP : protocole qui permet à un appareil et au commutateur d’échanger des informations, dont la puissance réellement nécessaire.
• Paire torsadée : deux fils de cuivre enroulés l’un autour de l’autre ; un câble réseau en contient quatre.
• PoE (Power over Ethernet) : technique qui fait passer l’électricité dans le câble réseau, en même temps que les données.
• Signature PoE : réponse électrique par laquelle un appareil prouve qu’il est compatible, avant que le courant lui soit envoyé.
• UTL (unité de traitement local) : boîtier de contrôle d’accès installé près des portes, auquel sont raccordés les lecteurs de badges et les serrures ; c’est lui qui décide d’ouvrir. Il peut être alimenté en PoE, les lecteurs presque jamais.

Pour aller plus loin

• Le guide de base de la rubrique : Comprendre le réseau d’un bâtiment.
• Ethernet Alliance, programme de certification PoE (en anglais).
• Ethernet Alliance, Overview of 802.3bt Power over Ethernet, livre blanc détaillé (en anglais).
• IEEE, fiche de la norme 802.3bt-2018 (en anglais).

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Sources : IEEE Standards Association, fiches des normes IEEE 802.3af-2003 et IEEE 802.3bt-2018 ; Ethernet Alliance, Overview of 802.3bt Power over Ethernet (décembre 2019) et PoE Certification Program ; IEC, ISO/IEC TS 29125:2017, Telecommunications cabling requirements for remote powering of terminal equipment (sommaire et introduction), qui renvoie au câblage de la série ISO/IEC 11801 ; IEEE 802.3, clause 40.7 (liaison 1000BASE-T de 100 m sur câble de catégorie 5), d’après la citation qu’en donne Fluke Networks.