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Power over Ethernet (PoE)

Stromversorgung über das Ethernet-Kabel – ein Mehrfachvorteil


IEEE 802.3 af/at Erfahren Sie in diesem Artikel, warum Power over Ethernet (PoE) nicht nur eine einfache Lösung für bevorstehende Gesetzesänderungen bietet, die jeden Verbraucher betreffen, sondern auch aus wirtschaftlichen Gründen als eine Lösung der Zukunft gilt. ROI-Zeiten von weniger als zwölf Monaten, ein Beitrag zum Umweltschutz durch effizientere Nutzung des knappen Ressource Energie und nicht zuletzt Kosteneinsparungen sprechen für PoE. Und bei den bei jeder Technik auftretenden kleineren Problemchen stehen Ihnen unsere Spezialisten mit Rat und Tat zur Seite.

Power over Ethernet ist nichts grundsätzlich Neues. Parallel zu dem Bestreben, den Verkabelungsaufwand z. B. in denkmalgeschützten Gebäuden durch den Einsatz von WLAN zu minimieren, wurden auch Techniken entwickelt, um die strukturierte IT-Verkabelung für verschiedene Zwecke zu verwenden. Ob Telefonie oder Ethernet – von den acht Adern wurden nur vier für die Kommunikation benutzt. Eine mögliche Doppelbelegung mit zwei Endgeräten pro Kabel blieb dabei die Ausnahme, das sie nicht mit den einschlägigen Standards konform ist. Eine Verwendung der Datenleitung zur gleichzeitigen Stromversorgung der Endgeräte war dagegen nicht ausgeschlossen.

Also wurden bald erste Produkte entwickelt, bei denen auf der Verteilerseite der Strom über einen sogenannten Injektor ein- und auf der Endgeräteseite über einen Splitter ausgekoppelt wurde. In der Praxis bürgerte sich der Begriff „aktives Ethernet“ ein, der aber zu diesem Zeitpunkt noch keinem Standard unterlag. Da die Hersteller auch unterschiedliche Spannungen für ihre Geräte nutzen (meist 5, 12, 24 oder 48 Volt), musste der Anwender in der Regel auf proprietäre Lösungen des gleichen Herstellers zurückgreifen. Eine Verwechslung hatte nicht selten abgebrannte Eingangsschaltkreise zur Folge.

Den Durchbruch brachte die Entwicklung des im Juni 2003 finalisierten Standards 802.3af, in dem u. a. Spannung und maximale Strombelastung geregelt wurden. Da für den Verbraucher nicht zweifelsfrei ersichtlich ist, ob auf der Versorgungsseite eine PoE Einspeisung vorhanden ist, und beispielsweise ein ISDN-Endgerät durch den PoE-Strom beschädigt werden könnte, wurde ein Schutzmechanismus implementiert, das sogenannte Resistive Power Discovery Verfahren: Sobald der PoE-Versorger den Anschluss eines Endgerätes erkennt, gibt er mehrfach einen minimalen Strom bei maximal 10 Volt auf die Adern, der keinen Verbraucher beschädigt. Die PoE-Implementierung des Endgerätes muss gemäß Standard einen Abschlusswiderstand von 15 bis 33 kOhm verwenden, der vom Versorgungsgerät erkannt wird. Danach folgt ein Identifizierungsprozess bei 14,5–20,5 Volt, mit dem die erforderliche Leistungsklasse des Endgerätes ermittelt wird. Danach stellt der PoE-Versorger den für diese Leistungsklasse erforderlichen Strom bei 36–57 Volt (meist 48 Volt) zur Verfügung. Erst jetzt nimmt der Verbraucher den tatsächlichen Betrieb auf.

Die zulässigen Werte eines PoE-Verbrauchers liegen bei maximal 350 mA im Dauerbetrieb. In der Einschaltphase sind maximal 400 mA zulässig. Bei 48 Volt ergibt sich daraus eine maximale Leistungsabgabe von 15,4 Watt, was unter Berücksichtigung der Leitungsverluste einen Wert von mindestens 12,95 Watt zur Versorgung des Verbrauchers bedeutet. In diesem Bereich können z. B. drahtlose Access Points, Bluetooth-Geräte, IP-Kameras, IP-Telefone aber auch Hubs und sogar kleine Server versorgt werden.

Worin bestehen nun die Vorteile?

1) Keine doppelte Verkabelung

Da wir hier von IP-Geräten ausgehen, benötigen diese systembedingt ein Ethernet-Kabel. Durch PoE entfällt der Netzanschluss. Trotz steigender Rohstoffpreise ist die reine Materialersparnis an 230-Volt-Kabeln erst bei größeren Distanzen ein wesentlicher Faktor. Allerdings wird für Arbeiten am Stromnetz ein Elektriker benötigt, den Anschluss über das Ethernet-Kabel kann und darf der IT-Techniker selbst erledigen. Da die Einspeisung am PoE-Verteiler über Standard-Netzkabel erfolgt, sind keine Fachkenntnisse erforderlich. Das System ist sogar nahezu unterbrechungsfrei „Plug & Play“. Wird die PoE-Versorgung nachträglich implementiert, reichen pro Port ein zusätzliches Patchkabel und der PoE-Verteiler. An der Verkabelung selbst sind keinerlei Änderungen erforderlich. Wird PoE bei der Neuinstallation gleich eingeplant, können die PoE-Verteiler das sonst übliche TP-Patchfeld ersetzen, andernfalls ergibt sich ein Platzbedarf von 1–2 HE für 24 Ports. Die Längenbeschränkungen werden ebenfalls durch die Ethernet-Norm festgelegt, PoE muss nicht zusätzlich berücksichtigt werden.

2) Zentrale Notstromversorgung über USV

Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit der Notstromversorgung der Endgeräte. Wer schon einmal ein entsprechendes Notkonzept entwickelt und implementiert hat, kennt die durch die Verlegung zusätzlicher Stromkreise und den Einbau einer zweiten Reihe von Versorgungsdosen verursachten, nicht unerheblichen Zusatzkosten für eine zentrale oder dezentrale USV. Dabei kommt es in der Praxis aber trotzdem immer wieder zum Ausfall, da ausgerechnet das zu schützende Endgerät, in Unkenntnis oder wegen mangelnder Sorgfalt, an die falsche Dose angeschlossen wurde. Oder an den USV-Kreis werden Verbraucher angeschlossen, die dafür nicht vorgesehen waren. Durch den erhöhten Verbrauch wird die geplante Überbrückungszeit verfehlt, und das Gesamtkonzept scheitert.

Bei der Notstromversorgung über PoE werden die PoE-Versorger im Verteiler mit an die USV-Anlage angeschlossen. Eine zusätzliche Verkabelung entfällt. Die Wartung der USV erfolgt zentral und somit kostengünstig. Sollen einzelne Ports, also einzelne Endgeräte, unterschiedlich behandelt werden, kommen verwaltbare PoE-Geräte zum Einsatz. Über intelligentes Software-Management können die Endgeräte anhand der IP- oder MAC-Adresse erkannt und ein- oder ausgeschlossen werden.

3) Stromeinsparung durch und über das Management

Energieeffizienz und die damit einhergehende Verminderung des CO2-Ausstoßes sind nicht länger nur eine Frage des „grünen Gewissens“. Mit der Ratifizierung der neuen EU-Richtlinien werden alle Anwender, auch im B2B-Bereich, gesetzlich verpflichtet, bei Netzteilen bestimmte Effizienzkoeffizienten zu erreichen. Wer hierbei die energiepolitischen Diskussionen anderen überlässt und darauf vertraut, dass Ressourcenschonung durch Stromsparen schon von den Herstellern umgesetzt werden wird, der vergisst, dass er die Rechnung in Euro und Cent zahlen muss, nämlich durch seine Strom- und Betriebskostenrechnung.

Dabei ist Stromsparen nicht schwer und im doppelten Sinn Sache des Managements: einerseits des Betriebsmanagements, das eine auf ROI-Berechnungen gestützte Entscheidung für die Umsetzung treffen muss, und anderseits des IT-Managements, das die Realisierung vorzunehmen hat. Zum Einsatz kommen dabei verwaltbare PoE-Geräte, sodass mithilfe von SNMP einzelne Verbraucher zielgerichtet zu- oder abgeschaltet werden können. Warum sollte ein Gerät auch mit Strom versorgt werden, wenn der Benutzer längst seinen Arbeitsplatz verlassen hat? Andererseits sollen natürlich Sonderfunktionen, Notfalleinrichtungen und -geräte sowie Überwachungseinrichtungen weiter in Betrieb bleiben. In intelligenten Systemen stehen dafür Funktionen wie Remote-On/Off, zeitgesteuerte An- und Abschaltung und ein Web-Monitoring der unterbrechungsfreien Stromversorgung zur Verfügung.

Je nach Anwendungsfall lassen sich damit bis zu 30 % der Stromkosten einsparen. Ein kleines Beispiel soll dies verdeutlichen: Ausgehend von einer mittelgroßen Firma mit 50 Verbrauchern, z. B. 40 Voice-Endgeräten und 10 WLAN-Access Points, ergibt sich bei angenommenen 15 Watt Verbrauch pro Gerät und einer Verfügbarkeitszeit von 10 Stunden (8h + 2h Gleitzeit) eine Einsparzeit von 14 Stunden. 0,015 kW * 50 Geräte * 14h = 10,5 kWh pro Tag oder >3800 kWh pro Jahr. Wird am Wochenende und den Feiertagen nicht gearbeitet, kommen weitere ca. 60 * 10 Stunden hinzu = 450 kWh. Insgesamt ergeben sich daraus rund 4300 kWh, also bei 20 Cent inkl. Abgaben 850 Euro pro Jahr. Somit amortisiert sich die PoE-Investition bereits innerhalb des ersten Jahres vollständig. PoE-Versorger gibt es übrigens auch bereits als 1-Port-Versionen.

Neue Entwicklungen: 802.3at

Am Markt zeichnet sich ein Bedarf an PoE-Geräten mit höherer Leistung ab, was angesichts der vorangegangenen Überlegungen nicht verwunderlich ist. Hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeiten sollen auch Gigabit-Ethernet-Endgeräte genutzt werden können. Obwohl bei GE alle acht Leitungen benutzt werden, ermöglicht der PoE-Standard eine Umsetzung dieser Anforderungen. Hierzu werden die Ethernet-Daten und der Strom überlagert übertragen. Auch hier gelten keinerlei Einschränkungen hinsichtlich Anwendung usw.

Um PoE auch bei Geräten mit erhöhtem Leistungsbedarf nutzen zu können, wurde der Standard 802.3at entwickelt, der zwar aktuell noch nicht endgültig abgeschlossen wurde, aber bereits seit einige Zeit in verschiedenen Geräten erfolgreich umgesetzt wird. Die festgelegten Maximalwerte liegen bei einer Leistung von 32 Watt und somit bei mehr als dem Doppelten der 802.3af-Norm. Typische Endgeräte, die diese Leistung benötigen, sind Access Points nach 802.11n, GE-Geräte, IP-Kameras mit erweiterten Funktionen wie Zoom, Motorantrieb und Farbe, WiMax-Funkstationen, Thin Clients, Videotelefone und andere.

Da der Preis dieser Produkte im Verhältnis zur Leistung geringer ist, lassen sich noch kürzere Amortisationszeiten erreichen.

PoE in Ethernet-Switches

Je nach Ausführung spricht man bei PoE-Geräten entweder von End-Span, also Ethernet-Switches mit PoE-Ports, oder Mid-Span, also Geräten, die zwischen Switch und Endgerät geschalten werden.

Welche dieser Lösungen ist vorzuziehen? Glaubt man den Herstellern, ist es immer die von ihnen angebotene. Wägen wir also lieber die Vor- und Nachteile ab:

Für End-Span spricht, dass

  • kein zusätzliches Patchkabel benötigt wird. Allerdings sind die Kosten für ein 0,5-m-Patchkabel vernachlässigbar.
  • kein zusätzlicher Einbauplatz benötigt wird. Nur in seltenen Fällen sind vergleichbare Typen von Switches mit und ohne PoE unterschiedlich hoch.
  • kein zusätzliches Gerät benötigt wird und somit ein potentiell weiterer Point-of-Failure ausgeschlossen werden kann.


Für Mid-Span spricht, dass

  • in den meisten Umgebungen nicht alle Ethernet-Ports PoE benötigen. Somit müssen auch nur die Ports versorgt werden, die PoE benötigen.
  • der Preisunterschied von Switches mit und ohne PoE derart hoch ausfällt, dass Mid-Span-Lösungen bei gleicher Portzahl nur etwa die Hälfte des Differenzpreises kosten.
  • Geräte nach den unterschiedlichen Standards verfügbar sind. Somit können die Produkte angeschafft werden, die wirklich benötigt werden.
  • z. B. bei der nachträglichen Erweiterung um Endgeräte, die 802.3at benötigen, auch ein 1-Port-Gerät einfach integrierbar ist. Bei einer End-Span-Lösung müsste die ganze Versorgerseite ausgetauscht werden.
  • das erwähnte Stromspar-Management verfügbar ist. Bei End-Span fehlt diese Funktion derzeit ganz.
  • die Leistung des Geräts auf die maximale Portzahl ausgelegt ist. Bei End-Span steht fast ausnahmslos nur eine Teilleistung zur Verfügung (siehe nachfolgenden Absatz).


Letztendlich muss der Anwender entscheiden, welche Lösung er verwenden will. Allerdings spricht sowohl der Preis- als auch der Featurevorteil für Mid-Span-Lösungen.

 



Typische PoE-Mid-Span-Installation: Power over Ethernet integriert Daten und Betriebsstrom (15 W, 48 V) in ein einziges Ethernet-Kabel. Die Technologie ermöglicht IP-Telefonen, WLAN-Access Points, Netzwerkkameras und anderen Firmenendgeräten den sicheren Strombezug über Kabel der Normenkategorien 5 und 5E ohne jegliche Änderung an der bestehenden Infrastruktur. (Abb. Microsemi)

Leistungsangaben bei PoE-Switches

In der Praxis müssen wir immer wieder feststellen, dass Anwender Probleme mit der Versorgung durch PoE-Switches haben. Dies ist häufig auf ein Missverständnis der Herstellerangaben zurückzuführen und wird meist erst im Zuge des weiteren Ausbaus festgestellt. Anwender werden von der Aussage verwirrt, dass sie einen PoE-Switch erwerben, eventuell noch verstärkt durch Angaben wie „PoE-Funktionalität auf allen Ports“, und nehmen fälschlicherweise an, dass ein 24-Port-PoE-Switch auch 24 PoE-Endgeräte versorgen kann.

Gemeint ist, dass PoE-Endgeräte an jedem beliebigen Port angeschlossen werden können, aber nicht unbedingt an allen gleichzeitig. Sehr häufig sind die Netzteile nur für den Betrieb von PoE-Geräten an z. B. der Hälfte der Ports ausgelegt, während an den übrigen Ethernet-Geräte mit eigener Stromversorgung erforderlich sind. Man sollte also unbedingt auf die verfügbare Maximalleistung achten.
Auch die Angabe, dass ein 24-Port-PoE-Switch mit einem 200-Watt-Netzteil ausgestattet ist, verwirrt mehr, als sie klärt. 802.3af sieht nämlich unterschiedliche Leistungsklassen für Endgeräte vor: 0 = 0,44–12,96 W, 1 = 0,44–3,84 W, 2 = 3,84–6,49 W und 3 = 6,49–12,95 W. Hinzu kommen noch die Leistungsverluste der Leitungen. Würde man nun für das 200-Watt-Netzteil die maximale Anzahl der Geräte nach Klasse 3 berechnen, ergäben sich bei 200 W / 12,94 W lediglich 15 Geräte, und nicht 24. Die 12,94-Watt-Aufnahme entspricht je nach Leitungslänge maximal den 15,4 Watt am Switch-Port. Man muss außerdem berücksichtigen, dass der Switch für den Betrieb ebenfalls Leistung aus dem Netzteil benötigt.
Verlassen Sie sich in diesen Fällen nur auf schriftlich bestätigte Angaben. Fragen Sie im Zweifelsfall nach, denn Sätze wie „kompatibel zu 802.3af“ bedeuten ebenfalls eher eine Einschränkung als eine Leistungsgarantie. Sonst könnten auch Sie enttäuscht werden, wenn im laufenden Betrieb PoE-Geräte plötzlich nicht mehr arbeiten, weil die Leistungsaufnahme durch zu viele Geräte oder durch die Alterung der Bauteile an die zulässigen Grenzen stößt und das Switch-Netzteil abschaltet – oder im Extremfall sogar zerstört wird.

Zusammenfassung

Power over Ethernet ist sowohl im Hinblick auf zukünftige Gesetze als auch unter wirtschaftlichen Aspekten eine Lösung der Zukunft – die hier und heute bereits verfügbar ist und sich meist innerhalb kurzer Zeit amortisiert.


Bei Planung, Auswahl, ROI- und Leistungsberechnung stehen Ihnen unsere Spezialisten gerne zur Seite.