Eine Einführung in Power-over-Ethernet

Durch die Kombination von Stromversorgung und Kommunikation über ein einziges Cat3- oder Cat5-Kabel können Ingenieure im Vergleich zu Installationen mit getrennten Systemen schnell und kostengünstig wartungsarme Ethernet-Netzwerke aufbauen. Es ist keine Überraschung, dass die Technologie rasch angenommen und unter einem Standard des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) formalisiert wurde. Als „Power-over-Ethernet“ (PoE) bezeichnet, liegen die Hauptvorteile dieser Technologie in ihrer Einfachheit und der Tatsache, dass Strom überall dort verfügbar ist, wo es eine Dose für Datenübertragungen gibt.

Dieser Artikel bietet eine Einführung in PoE und das leistungsstärkere PoE+, umreißt die Standards, erläutert die Komponenten, die Stromversorgungskomponenten, die versorgten Geräte, die "Midspan"- und "Endspan"-Ethernet-Switches und -Splitter und beschreibt ein einfaches System.

Die Anfänge des PoE

PoE entstand zunächst als Antwort auf das Problem der Stromversorgung von VoIP-Telefonen (Voice over Internet Protocol). Herkömmliche Telefone bezogen ihren Strom direkt von den Kupferdrähten, über die die Sprachanrufe laufen. Die immer beliebter werdenden VoIP-Telefone wurden jedoch nicht an diese herkömmlichen Leitungen angeschlossen, sondern nahmen Anrufe über die Ethernet-Kabel des lokalen Netzwerks (LAN) eines Unternehmens entgegen. Die Ethernet-Kabel führten keinen Strom, so dass die VoIP-Telefone über einen Adapter an das Stromnetz angeschlossen werden mussten. Es war eine weniger als elegante Lösung, und wenn die Gebäudeversorgung ausfiel, fielen auch die Telefone aus.

Im Jahr 2000 war der Telekommunikationsausrüster Cisco das erste Unternehmen, das das traditionelle Telefonsystem nachahmte, indem es eine proprietäre Technologie einführte, die es ermöglichte, 48 V_DC über Ethernet-Kabel zu liefern, um VoIP-Telefone mit Strom zu versorgen (Abb.1). Allerdings gewann PoE erst in den Jahren 2001 und 2002 wirklich an Fahrt, als andere Hersteller, insbesondere Hersteller von drahtlosen Zugangspunkten (Wireless Access Points), sich die Technik zunutze machten.

Abbildung 1: Ein VoIP-Telefon von Cisco mit PoE (mit freundlicher Genehmigung von Cisco).

Die Technologie erregte schließlich die Aufmerksamkeit der IEEE, die bereits 1983 für die Festlegung des „Standards für Ethernet“ (IEEE 802.3) verantwortlich war. Die Organisation hielt es für entscheidend, eine Standardversion von PoE zu schaffen, damit jeder Hersteller seine Produkte „PoE-fähig“ machen kann. Die Arbeit wurde einem Arbeitsunterausschuss des IEEE 802.3 Ethernet Committee zugewiesen und mit „802.3af“ bezeichnet. Im Juni 2003 ratifizierte der Arbeitsunterausschuss den PoE-Standard IEEE 802.3af. Im Jahr 2009 wurde ein zweiter Standard, IEEE 802.3at, ratifiziert, der eine ähnliche Technologie definiert, die mehr Leistung zur Verfügung stellen kann.

Was wird in der Norm definiert?

IEEE 802.3af beschreibt eine PoE-Technologie, mit der jedes Gerät mit bis zu 15,4 W Gleichstromleistung (mindestens 44 V_DC und 350 mA) versorgt werden kann. (Aufgrund von Verlusten im Kabel werden für die Versorgung von Geräten nur 12,95 W garantiert).

Die Technologie verwendet einen einzigen Standard-RJ45-Steckverbinder und ein Cat5-Kabel (oder sogar Cat3-Kabel) und kann Dutzende von Watt handhaben. Sobald das Ethernet-Netzwerk für die Kommunikation installiert ist, kann es auch für die Stromversorgung genutzt werden, wodurch Material, Arbeit, Installationszeit und laufende Wartungskosten eingespart werden.

Der Strom kann auf den unbenutzten Leitern des Ethernet-Kabels übertragen werden, da nur zwei der vier Paare in Cat5-Verkabelungen für die typischen 10 bis 100 Mbit/s der physischen Schichten erforderlich sind (diese Technik wird in den IEEE-Standards als „Alternative B“ bezeichnet). Strom kann aber auch auf den Datenleitern des Kabels übertragen werden, indem an jedes Paar eine Gleichtaktspannung angelegt wird. Da Ethernet eine differenzielle Signalübertragung verwendet, wird die Datenübertragung des Kabels dadurch nicht gestört („Alternative A“ in den Standards).

IEEE 802.3af definiert zwei Arten von PoE-Geräten, Stromquellen (Power Sourcing Equipment, PSE) und versorgte Geräte (Powered Device, PD). Ein PSE bezieht Strom aus seinem eigenen konventionellen Netzteil und verwaltet dann den Strom, der über das Ethernet-Kabelnetzwerk an das PD gesendet wird, das den benötigten Strom über einen RJ45-Stecker aufnimmt, ohne ein eingebautes Netzteil zu benötigen. PoE ist in der Lage, PDs über typische Ethernet-Kabelstrecken von bis zu 100 Metern zu versorgen. PDs sind Geräte wie die ursprünglichen VoIP-Telefone und drahtlosen Zugangspunkte, Sicherheitskameras, Verkaufsterminals (POS), Temperaturkontrollsysteme und sogar Bordunterhaltungssysteme.

Die IEEE-PoE-Standards standardisieren nicht nur die bestehende Praxis für die Energieübertragung von Ersatzpaaren und Gleichtakt-Datenpaaren, sondern sehen auch die Signalisierung zwischen PSE und PD vor. Durch diese Signalisierung können konforme Geräte von der PSE erkannt werden, wodurch Schäden an Nicht-PoE-Geräten, die an ein Netzwerk angeschlossen sind, vermieden werden. Die SPE und das PD „verhandeln“ über die erforderliche oder verfügbare Energiemenge. Um ein PD zu erkennen, legt der PSE eine Gleichspannung zwischen 2,8 und 10 V über den Leiter an. Die PSE bestimmt dann durch Messung des Schleifenstroms, ob ein PD angeschlossen ist. Das PD sollte eine ohmsche Last zwischen 19 und 27 kΩ mit einem Parallelkondensator von 120 nF oder weniger als Signatur aufweisen.

Abbildung 2 zeigt ein Schema einer PSE, die ein PD versorgt.

Abbildung 2: Eine typische PoE-Anwendung (mit freundlicher Genehmigung von Texas Instruments).

Erweiterung des Standards

Während PoE rund 13 W an das PD liefern kann, könnten einige Geräte von mehr Leistung profitieren (z. B. Kameras mit Schwenk-, Neige- und Zoomfunktionen (PTZ)). Um diesen Produkten gerecht zu werden, wurde 2009 ein zweiter Standard, IEEE 802.3at, eingeführt. Die auch als „PoE+“ bekannte Technologie kann bis zu 25,5 W Gleichstrom an das PD liefern. Die PSE bietet 50 bis 57 V_DC im Vergleich zu 44 bis 57 V_DC für PoE. Der Strom für PoE+ wurde im Vergleich zu den 350 mA der früheren Technologie auf 600 mA erhöht.

PoE+ verwendet nur Cat5-Kabel (das acht interne Drähte hat, im Vergleich zu den vier Drähten von Cat3), was die Wahrscheinlichkeit einer möglichen Impedanz und die Verlustleistung verringert. Darüber hinaus bietet PoE+ Netzwerkadministratoren größere Möglichkeiten, wie z.B. die Bereitstellung neuer Ferndiagnosefunktionen für die Stromversorgung, die Statusberichterstattung und die PD-Energieverwaltung (einschließlich Ferneinschalten der Stromversorgung eingebetteter Geräte).

Schließlich bietet PoE+ eine dynamische Energiezuweisung, eine optimierte Energieverteilung und eine gute Ausnutzung der Stromversorgung, was zu einer erhöhten Systemeffizienz und reduzierten Kosten führt.

Tabelle 1 vergleicht PoE (IEEE 802.3af) und PoE+ (IEEE 802.3at).

Tabelle 1: Vergleich zwischen PoE und PoE+.

Endspans und Midspans

PSEs können als Endpans (ein Ethernet-PoE-fähiger Switch) oder als Midspans (ein Power-Hub, der in Verbindung mit einem bereits im Netzwerk vorhandenen, nicht mit Strom versorgten Ethernet-Switch verwendet wird) implementiert werden. PDs können sowohl von Endspans als auch von Midspans versorgt werden.

Endspans versorgen Geräte direkt. Gemäß den Spezifikationen können die Endspans entweder die Reservepaare oder die Datenpaare im Kabel verwenden, die auch für Gigabit-Ethernet-Übertragungen verwendet werden können. Endspannen erfordern PoE-fähige Switches und werden daher in der Regel für neue Installationen spezifiziert, die eine neue Ausrüstung erfordern.

Midspans verwenden ein zwischengeschaltetes, mit Strom versorgtes Patchpanel oder „Injektor“, das zwischen einem vorhandenen Ethernet-Switch und den PDs platziert wird. Der Midspan befindet sich in der Regel neben dem Switch und wird dann als PSE betrachtet, so dass das Kabel unbelastet zu entfernten Geräten geführt werden kann. Die Spezifikation erlaubt es Midspans, nur das Reservepaar im Kabel zu verwenden; folglich können sie nicht für die Stromübertragung über Datenleitungen wie Gigabit-Ethernet-Verbindungen verwendet werden.

Es gibt eine Reihe von Midspan-Injektoren, die zur Ergänzung eines älteren Ethernet-Netzwerks leicht erhältlich sind. Laird Technologies liefert sein Netzteil POE-48I für diese Art der Anwendung. Das Netzteil stellt sich eingangsseitig automatisch ein und verfügt über einen geregelten Spannungsausgang. Das Gerät funktioniert mit jeder Ausrüstung, die dem Standard IEEE 802.3af entspricht. Das POE-48I bietet einen einzelnen Port und kann 48 V bei 500 mA für bis zu 24 W liefern.

Die Microsemi Analog Mixed Signal Group bietet den Midspan-Injektor PowerDsine 9001GR, der einen einzelnen Port bietet und dem leistungsstärkeren Standard IEEE 802.3at entspricht. Mit einer Leistung von bis zu 30 W bei 55 V ermöglicht der 9001GR eine Fernspeisung für eine neue Reihe von Anwendungen wie PTZ-Kameras und Videotelefone. Das Gerät ist abwärtskompatibel zu IEEE 802.3af und kann bestehende 10/100Base-T-Netzwerkgeräte und neue drahtlose 1000Base-T-Geräte wie WiMAX und IEEE 802.11n (drahtlose Zugangspunkte) mit Strom versorgen. Abbildung 3 veranschaulicht typische Anwendungen.

Abbildung 3: Anwendungsbeispiel zum Midspan-Ethernet-Switch PowerDsine 9001GR.

Darüber hinaus sind viele Multiport-Midspans verfügbar. Phihong bietet Midspans mit 8, 16 und 24 Ports an. Der POE370U ist ein Midspan-Injektor mit 24 Ports, der mit IEEE802.3af konform ist. Jeder Port liefert 15,4 W ohne zusätzliches Energiemanagement. Das Gerät bietet Erkennung, Abschaltung und Überlastschutz und kann mit einem 1HE-Rack-Montagekit geliefert werden.

Die Midspan-Anbieter können auch „Splitter“ anbieten. Dies sind Geräte, die einen PoE-Eingang in zwei Ausgänge aufteilen: Daten und Stromversorgung. Die Leistung für die Stromversorgung kann mit konventionelleren Mitteln, wie z.B. einem Gleichstromkabel, in das Endgerät umgeleitet werden. Splitter fungieren als Vermittler zwischen einem konformen PSE und einem nicht konformen PD.

Laird Technology bietet den aktiven PoE-Splitter POE-12S-AFI an, der PoE-Leistung von jedem IEEE802.3af-Router oder Netzteil annehmen kann. Das Gerät verfügt über einen Überlast- und Kurzschlussschutz und schaltet bei einem Kurzschluss sofort ab, ohne das PoE-System zu beschädigen.

Auswahl zwischen einem Endspan- oder Midspan-PoE-Netzwerk

Die Implementierung und der Betrieb von Endspans ist kostenintensiver und nur mit PDs möglich, die durch den IEEE-Standard definiert sind, aber es gibt einige gute Gründe für die Wahl dieser Technik. Zum Beispiel neigen Ingenieure dazu, Endspan-Switches auszuwählen, wenn sie alle alten Switches ersetzen oder wenn die Installation neu ist.

Ein weiterer Grund für die Verwendung von Endpans besteht darin, die unpraktischen und unbequemen zusätzlichen Patchkabel und die zusätzliche Arbeit zu vermeiden, die mit dem Anschluss eines herkömmlichen Ethernet-Switches an einen Midspan-PoE-Hub verbunden sind. Außerdem verdoppeln zwei Geräte anstelle von einem die potenziellen Ausfallpunkte und machen das Leben für Administratoren in Unternehmen, die auf eine separate IP-Adresse für jedes Gerät im Netzwerk bestehen, komplizierter.

Ingenieure, die Endspan-Switches auswählen, sollten sich darüber im Klaren sein, dass viele Endspans nur maximal 200 W liefern können, so dass ein Switch mit 24 Ports nur maximal 8,3 W pro Port liefern kann, was unter der im PoE-Standard angegebenen maximalen Leistung von 15,4 W liegt.

Ingenieure, die bereits über relativ neue Ethernet-Switches verfügen, bevorzugen Midspan-Switches, da es teuer wäre, die Switches zu ersetzen, nur um PoE-Funktionalität zu erhalten. Der Techniker muss jedoch sicherstellen, dass der Switch-Hersteller mit der Unterstützung von Midspan-Produkten durch das Netzwerk zufrieden ist und dass genügend Platz für diese Produkte vorhanden ist.

Aus elektrischer Sicht werden Midspan-Switches bevorzugt, wenn der Netzwerktechniker für bestimmte PDs nicht standardisierte Spannungen wie 24, 12 und 5 V verwenden möchte und die von jedem Port verfügbare Leistung maximieren möchte. Midspan-Switches sind auch eine nützliche Option für Netzwerke, die viele ältere Geräte umfassen, die sowohl über eigene Stromquellen als auch über PoE-Geräte verfügen.

Midspan-Switches haben in der Regel eine längere Garantie als Endspan-Switches (zwei Jahre im Vergleich zu einem Jahr) und können sowohl mit Standard- als auch mit proprietären Anwendungen arbeiten.

Abbildung 4 zeigt Netzwerke, die mit Endspan- und Midspan-Switches aufgebaut sind.

Abbildung 4: Diagramm von Netzwerken mit Endspan- und Midspan-Switches.

Traditionell enthielten PSEs diskrete Schaltungen, die in die Kommunikationsschnittstelle zwischen der Stromversorgung, dem Ethernet-Netzwerk und der Stromversorgung unterteilt waren. Um die Implementierung noch einfacher zu machen, haben Chiphersteller jedoch eine Reihe von integrierten PSE-Controllern herausgebracht, um den Betrieb einer PoE+-Installation zu optimieren.

Diese Controller reduzieren die Komplexität und die Anzahl der externen Komponenten, die für PoE- und PoE+-Geräte erforderlich sind, indem sie die Schnittstellenschaltung mit einem Linearregler oder Schaltnetzteil kombinieren, der/das die Versorgungsspannung in die für das Ethernet-Kabel geeignete 50 bis 57 V_DC konvertiert. (Weitere Informationen über diese Komponenten finden Sie im TechZone-Artikel „Power-over-Ethernet passt sich an höhere Nachfrage an„).

Wie geht es weiter? - IEEE 802.3bt

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich PoE seit seiner Entwicklung zu Beginn des Jahrhunderts zu einer beliebten Technologie insbesondere für kommerzielle und industrielle Anwendungen entwickelt hat. Die Technologie ist relativ einfach zu implementieren, insbesondere bei Neuinstallationen, und die Einführung von Midspan-Switches hat die Herausforderung, PoE zu alten Netzwerken hinzuzufügen, erleichtert. Die Einführung von PoE+ (IEEE 802.3at) hat die für PDs verfügbare Leistung erhöht, was zur Einführung neuer Anwendungen geführt hat, die zuvor zu leistungshungrig waren, um mit der älteren Technologie betrieben zu werden.

Seit 2009, als IEEE 802.3at ratifiziert wurde, hat sich die PoE-Technologie ständig weiterentwickelt, da die Ingenieure daran interessiert sind, neue PDs hinzuzufügen, die noch mehr Leistung benötigen. In dem Bemühen, IEEE 802.3at zu ergänzen, wurden viele proprietäre PoE-Protokolle mit der Fähigkeit, bis zu 60 W und sogar bis zu 95 W zu liefern, unter verschiedenen Namen auf den Markt gebracht, wie z. B:

• UPoE (Cisco)
• LTPoE (Linear Tech/Analog Devices)
• PoH (MicroSemi/Mikrochip)
• PoE++ (Industrie)
• 4PPoE (Industrie)

Beachten Sie, dass diese Technologien sich nicht an die aktuellen Standards halten und nicht interoperabel sind, was für nicht kompatible Hardware schädlich sein kann. Sie schufen jedoch einen Präzedenzfall für die Entwicklung einer leistungsstärkeren Version des Standards.

Ende 2018 wurde der neue Standard IEEE 802.3bt für PoE ratifiziert, der eine Leistungsabgabe von 71,3 W an die PDs bei einer Sendeleistung von 90 W von der PSE-Seite ermöglichte.

Tabelle 2 fasst die Optionen für die PSE-Leistungsabgabe und PD-Leistungsaufnahme für alle Standards zusammen:

Tabelle 2: PoE-Leistungsoptionen für alle Standards (mit freundlicher Genehmigung von Microchip)

Anmerkung 1: Erweiterte Leistungskapazität für PD-Eingang bis zu 60 W und 90 W ist zulässig, wenn die Kabellänge 2 bis 5 Meter beträgt.

Der neue Standard PoE IEEE 802.3bt bietet nicht nur die Möglichkeit, mehr Leistung über Ethernet-Kabel zu übertragen, sondern definiert auch viele andere neue Funktionen/Verbesserungen im Vergleich zu den vorherigen Standards IEEE 802.3af und IEEE 802.3at:

• Unterstützt zwei PD-Konstruktionen: PD mit Einfach-Signatur und PD mit Doppel-Signatur
• Funktioniert über vier Ethernet-Kabelpaare
• Funktionalität für automatische Klassifizierung (Autoclass)
• Erweiterte Leistungskapazität bei bekannter Kabellänge
• Unterstützung für niedrige Standby-Leistungsaufnahme (kurz MPS)
• Unterstützt 2.5G-BaseT, 5G-BaseT, 10G-BaseT
• Abwärtskompatibel zu IEEE 802.3at/af

Weitere Informationen über den neuen Standard IEEE 802.3bt finden Sie auf der Website der AE Ethernet Alliance.