Power over Ethernet

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PoE-Beispielanwendung: Ein einziges Ethernet-Kabel geht in den PoE-Splitter, welcher die Signale aufteilt in Datenleitung (graues Kabel) und Stromversorgung (schwarzes Kabel) für den Wireless Access-Point.

Die Stromversorgung über Ethernet, englisch Power over Ethernet (PoE), bezeichnet ein Verfahren, mit dem netzwerkfähige Geräte über das achtadrige Ethernet-Kabel mit Strom versorgt werden können.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptvorteil von PoE ist, dass man ein Stromversorgungskabel einsparen kann und so auch an schwer zugänglichen Stellen oder in Bereichen, in denen viele Kabel stören würden, Ethernet-angebundene Geräte installieren kann. Die Stromversorgung zum Gerät muss nicht separat mit einem Stromkabel und Netzgerät zugeführt oder mit einer Batterie gelöst werden. Das Gerät bezieht die Energie stattdessen über das Datennetz. Dazu muss an zentraler Stelle, im Netzwerkverteiler, neben den Datensignalen zusätzlich Strom in die Datenleitung eingespeist werden. Somit lassen sich einerseits zum Teil Installationskosten einsparen, andererseits kann der damit einfach zu realisierende Einsatz einer zentralen unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) die Ausfallsicherheit der angeschlossenen Geräte erhöhen.

PoE wird von Netzwerkgeräten genutzt, die wenig Leistung benötigen. Es wird typischerweise in IP-Telefonen, kleinen Hubs, Kameras, kleinen Servern oder in schnurlosen Übertragungsgeräten, wie WLAN-Zugangspunkten oder Bluetooth-Geräten eingesetzt.

Normierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zurzeit arbeitet die Normenorganisation IEEE daran, die übertragbare Versorgungsleistung zu steigern. Das neue Protokoll 4PPoE wird zwei neue Leistungsstufen zur Verfügung stellen: 55 W (Level 3) und 90 bis 100 W (Level 4). Über jedes Adernpaar sollen bis zu einem Ampere fließen. Damit werden neue Anwendungen ermöglicht, zum Beispiel der Betrieb leistungsstarker WLAN-Antennen und Überwachungskameras.

Herausforderungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die höhere Stromstärke stellt die Datenverkabelung vor neue Herausforderungen: Wo mehr Strom fließt, wird durch den Widerstand mehr Wärme erzeugt. Wärmere Kabel dämpfen die Datenübertragung mehr als zuvor. Das kann dazu führen, dass nicht mehr genug Signal zum Empfänger gelangt und die Datenübertragung unmöglich wird. Bei der Planung einer neuen, PoE-tauglichen LAN-Verkabelung muss dieser Effekt berücksichtigt werden. Die maximale Übertragungslänge muss den Temperaturbedingungen angepasst und verkürzt werden.

Die relevanten Normentwürfe ISO/IEC TR 29125 und Cenelec EN 50174-99-1 beschreiben, mit welchem Temperaturanstieg im Kabelbündel bei Anwendung von 4PPoE zu rechnen ist. Dabei wird zwischen zwei Anteilen unterschieden: 1.) Erwärmung vom Inneren eines Bündels bis zur Außenseite 2.) Erwärmung des gesamten Kabelbündels von der Außenseite bis zur Umgebungstemperatur. Der zweite Anteil hängt vor allem von den Einbaubedingungen des Kabelbündels ab. Der Temperaturanstieg innerhalb des Kabelbündels hängt dagegen ausschließlich von der Kabelkonstruktion ab. Bei einem typischen U/UTP-Kabel steigt die PoE-bedingte Erwärmung um den Faktor 5, während ein geschirmtes Kabel konstruktionsabhängig einen Faktor von 2,5 bis 3 aufweist. In einem Bündel mit U/UTP-Kabeln entsteht eine zweimal größere Temperaturerhöhung als bei einem vergleichbaren Bündel mit S/FTP-Kabeln. Denn bei geschirmten Kabeln hilft das Metall des Schirms, die Wärme aus dem Bündelinneren nach außen zu transportieren.

Spezifikation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im engeren Sinne wird heute mit PoE meist der IEEE-Standard 802.3af-2003 („DTE Power over MDI) gemeint, der im Juni 2003 in seiner endgültigen Fassung verabschiedet wurde. Vorher gab es bereits einige herstellerspezifische Implementierungen, die ebenfalls unter der Bezeichnung Power over Ethernet gehandelt wurden. Außerdem gibt es einen neueren Standard IEEE 802.3at-2009[1] – vor der Standardisierung auch als PoE+ oder PoE plus bekannt –, der die maximale Leistungsabgabe von 15,4 W auf 25,5 W erhöht.

802.3af unterteilt die beteiligten Geräte in Energieversorger (Power Sourcing Equipment, PSE) und -verbraucher (Powered Devices, PD). Die Versorgungsspannung beträgt 48 V, die maximale Stromaufnahme der Endgeräte 350 mA (802.3at Typ 2: 600 mA) im Dauerbetrieb (kurzzeitig sind beim Einschalten 400 mA erlaubt). Die maximale Leistungsabgabe beträgt 15,4 Watt. Der Standard geht davon aus, dass nach Leitungsverlusten 12,95 Watt nutzbare Leistung übrig bleiben bzw. aufgenommen werden dürfen, um die maximale Leistungsabgabe nicht zu überschreiten.[2] Zur Energieübertragung werden häufig die bei Ethernet und Fast Ethernet freien Aderpaare im Ethernetkabel verwendet. Wenn dies nicht möglich ist (weil z. B. ISDN über die Leitung geführt ist oder bei Gigabit Ethernet), können auch die signalführenden Adern genutzt werden. Die mittels Übertragern entkoppelten Datenleitungen sind ohne PoE gleichspannungsfrei, so dass die Gleichspannung ein- und ausgekoppelt („unter das Signal gelegt“) werden kann, ohne die Datenübertragung zu stören. Die Verbraucher müssen beide Betriebsarten unterstützen, Verbraucher die nur eine Betriebsart unterstützen, sind nicht erlaubt.

Die Herausforderung für die Hersteller proprietärer PoE-Lösungen bestand früher darin, Schäden an nicht PoE-fähigen Endgeräten zu vermeiden. Obwohl die Adern 4, 5, 7 und 8 bei 10BASE-T und 100BASE-TX nicht verwendet werden, bedeutet das nicht, dass es nicht doch Netzwerkkarten o. ä. gibt, bei denen die entsprechenden Pins nach irgendwohin durchgeschleift sind. Wenn dort versehentlich Power over Ethernet anliegen sollte, kann dies zu irreparablen Schäden am Gerät führen. 802.3af löst dieses Problem durch ein als Resistive Power Discovery bezeichnetes Verfahren. Hierbei legt der Energieversorger zunächst mehrfach eine nur minimale Spannung auf die Adern, mit der sich im Normalfall kein Gerät beschädigen lässt. Er erkennt dabei, ob und wo der Energieverbraucher einen 25-kΩ-Abschlusswiderstand besitzt und damit PoE-fähig ist. Daraufhin wird der Verbraucher mit einer geringen Leistung versorgt und muss nun signalisieren, zu welcher von vier im Standard definierten Leistungsklassen er gehört. Erst dann erhält das Gerät die volle Leistung und kann den Betrieb aufnehmen.

Leistungseinspeisung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Einspeisung der Leistung für die zu versorgenden Geräte (PD) kann dabei durch sogenannte Endspan-Devices (z. B. Switches) oder Midspan-Devices (Einheiten zwischen Switch und Endgerät) erfolgen.

Als Midspan-Devices werden zumeist Hubs oder sogenannte PoE-Injektoren eingesetzt, die Strom auf die jeweiligen Drähte liefern. Aufgrund des zusätzlichen Platzbedarfs und der zusätzlich notwendigen Patchkabel in Verteilerschränken sind auch Patchpanels (Verteilerfelder, PoE-Patchpanel) verfügbar, die den Strom liefern. Diese ersetzen die herkömmlichen Patchpanels und belegen somit keinen zusätzlichen Platz in den Verteilerschränken. Durch entsprechende Managementsoftware können bei diesen Verteilerfeldern die einzelnen Ports stromfrei oder stromführend definiert werden.

Aktivierungsschritte bei PoE[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schritt Aktion Zulässiger Spannungsbereich
nach 802.3af
Detektion Feststellung ob Endgerät einen Widerstand im Bereich von 15–33 kΩ aufweist 2,7–10,1 V
Klassifikation Messung des genauen Widerstandwertes um Leistungsklasse festzustellen 14,5–20,5 V
Startup Eigentliche Stromversorgung aktivieren > 42 V
Normale Operation Stromversorgung im Versorgungsmodus 36–57 V
PoE-PCI-Netzwerkkarte mit aktivem
4/5-Port-Switch. Die 48 V werden
mit einem Aufwärtswandler aus den 12 V vom PC-Netzteil erzeugt.

Verfügbare Leistungsklassen und Klassifizierungssignatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Klasse Verfügbare Leistung am versorgten Gerät Klassifizierungssignatur
0 0,44–12,96 W 0 bis 4 mA
1 0,44–3,84 W 9 bis 12 mA
2 3,84–6,49 W 17 bis 20 mA
3 6,49–12,95 W 26 bis 30 mA
4 12,95-25,50 W (nur 802.3at/Typ 2) 36 bis 44 mA

Allgemeine Merkmale[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hardware
Leistung
Die abgegebene Spannung liegt zwischen 44 V und 54 V (in der Regel 48 V), die Leistung von 15,4 W (eingeteilt in 4 Klassen, 802.3af) bzw. 25,50 W (5 Klassen, 802.3at) bei Kabellänge bis zu 100 m.
Wirkungsgrad/Effizienz
Durch die geringen Leiterquerschnitte, die hohen Leitungslängen und die geringe Systemspannung entsteht eine nennenswerte Verlustleistung in der Leitung, was v. a. bei Klasse 4-PD zu schlechten Systemwirkungsgraden führt.
Beispiel: bei Klasse 4 können 25,5 W am PD entnommen werden, die Leitung kann bis zu 12 Ohm Schleifenwiderstand aufweisen, und es ist ein maximaler Strom von 0,6 A zulässig. Somit entstehen im Kabel 4,32 W Verlustleistung, was einem Wirkungsgrad von ca. 86 % entspricht. Hinzu kommen die Verluste in den Netzteilen von PSE und PD.
In Summe sind Wirkungsgrade von unter 70 % nicht ungewöhnlich.
Varianten der Energieübertragung
  • Fernspeisung (Strom über von Daten genutzter Adernpaare), auch als Phantomspeisung oder Mode A bezeichnet
  • Strom über von Daten ungenutzter Aderpaare, auch als Spare-Pair-Speisung oder Mode B bezeichnet
Varianten der Energieversorgung
  • Endspan (direkte Versorgung durch PoE-Switch)
  • Midspan (Versorgung über zwischengeschaltete Quellen, Beispiel: PoE-Injektor)

Referenzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.3at-2009.pdf, IEEE 802.3at-2009, Information technology -- Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specifications -- Amendment3: Data Terminal Power via the Media Dependent Interface Enhancement.
  2. Bei Typ 1 darf das Kabel nicht mehr als 20 Ω Widerstand bieten, bei Typ 2 maximal 12 Ω.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]