Messtechnik für Power over Ethernet
Datenkabel als Alleskönner
Betrachtet man heute elektronische Geräte, fällt auf, dass diese immer mehr Funktionen bekommen. Der Fernseher von heute ist flacher und zugleich "smarter" geworden als seine bulligen Röhrenvorgänger. Eine Türsprechanlage verfügt neuerdings neben der klassischen Gegensprechfunktion über eine Kamera und einen Bildschirm für Videoübertragungen. Wem das nicht ausreicht, der kann diese Funktionen auch per App von überall auf der Welt von seinem Smartphone aufrufen.
Doch was bedeutet dies alles für die Datenverkabelungen? Bis vor ein paar Jahren waren zum Beispiel in Privatwohnungen kaum Datenleitungen mit eingeplant oder gar installiert. Doch in Zeiten von gestiegenen Sicherheitsbedürfnissen der Menschen und der Digitalisierung des Privatlebens wachsen auch die Ansprüche an eine Verkabelung in Privathaushalten. Eine Fritzbox im Privathaushalt ist heute fast ein gegebener Standard und bei größeren Gebäuden und Räumlichkeiten eine Videoüberwachung ebenfalls als Grundausstattung anzusehen. Doch wie vernetzt ein Anwender diese Technik richtig und effizient? Zumal sie in vielen Bestandsgebäuden gar nicht vorgesehen war. In diesem Kontext lässt sich in letzter Zeit eine deutliche Fokussierung beim Datenkabel als praktischer "Alleskönner" ausmachen.
Hersteller von Datenkabeln reagieren auf zunehmende Nachinstallationen mit dünneren und flexibleren Kabelquerschnitten auf enge bereits bestückte Kabelkanäle. Die Hersteller von aktiver Netzwerktechnik versuchen dagegen mit ihrer Plug-and-Play-Werbung, den Endkunden oder Netzwerkbetreiber mit der Einfachheit ihrer Produkte zu überzeugen. Schlussendlich soll das Ziel sein, ein (Ethernet-) Kabel für die Stromversorgung, Datenübertragung und Steuerung zu verbauen. Dies lockt viele Endkunden an, die auf eine einfache und schnelle Lösung ihrer Probleme hoffen.
Ethernet-Kabel wird zum Stromkabel
Neben der Datenübertragung dient die Netzwerkverkabelung dank Power over Ethernet (PoE) auch zur Stromversorgung von Endgeräten wie WLAN Access Points, Kameras, IP-Telefone, kleine Server, Niederstrom-Beleuchtung und vielem mehr. Der Hauptvorteil von PoE ist, dass sich ein Stromversorgungskabel einsparen lässt und ein Betreiber so auch an schwer zugänglichen Stellen oder in Bereichen, in denen viele Kabel stören würden, Ethernet-angebundene Geräte installieren kann. Das Gerät bezieht die Energie stattdessen über das Datennetz.
Die höhere Stromstärke stellt die Datenverkabelung vor neue Herausforderungen. Wenn mehr Strom fließt, entsteht dadurch aufgrund des Widerstands mehr Wärme. Wärmere Kabel dämpfen die Datenübertragung mehr als zuvor. Im schlimmsten Fall kann es 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 ein Betreiber diesen Effekt berücksichtigen. Die maximale Übertragungslänge ist den Temperaturbedingungen anzupassen und bei Bedarf zu verkürzen.
Die relevanten Normentwürfe ISO/IEC TR 29125 und Cenelec EN 50174-99-1 beschreiben, mit welchem Temperaturanstieg im Kabelbündel bei Anwendung von 4PPoE (4 Pair Power over Ethernet) zu rechnen ist. Bei einem typischen 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 UTP-Kabeln entsteht eine zweimal größere Temperaturerhöhung als bei einem vergleichbaren Bündel mit SFTP-Kabeln.
Eine weitere Herausforderung ist der Spannungsabfall bei längeren Leitungen. Dabei ist der Leiterquerschnitt zu beachten. Neuere dünnere Katagorie-6A-Kabel sind oft in AWG 26 ausgeführt, und es besteht die Gefahr, dass bei längeren Strecken die Spannungsversorgung für die PoE-Endgeräte nicht mehr ausreicht. Kategorie-7A-Kabel haben meist einen Querschnitt von AWG23/22, sind in diesem Punkt also eher unproblematisch.
Wie viel Strom darf es sein?
Power over Ethernet ist seit 2003 durch die IEEE 802.3af-2003 standardisiert. Zuvor gab es jedoch schon einige proprietäre Implementierungen verschiedener Hersteller. Seit 2009 gibt es einen neueren Standard IEEE 802.3at-2009 - vor der Standardisierung auch als PoE+ oder PoE plus bekannt -, der die maximale Leistungsabgabe von 15,4 W auf 25,5 W erhöht.
Da RJ45-Stecker und Twisted-Pair-Kabel nicht für Ströme im Ampere-Bereich ausgelegt sind, kommt eine Spannung von im Mittel 48 Volt zum Einsatz. Die maximale Leistungsaufnahme beträgt 15,4 Watt pro Switch-Port, was in etwa 12,95 Watt nutzbare Leistung für das Endgerät bedeutet (IEEE802.3af-2003). Dieser Verlust entsteht durch die Kabellänge und den verwendeten Leiterquerschnitt.
Derzeit arbeiten die Gremien an einem neuen Standard IEEE 802.3bt (auch 4PPoE, PoE++). Hauptaugenmerk ist es, die übertragbare Versorgungsleistung zu steigern und 10GBase-T zu unterstützen. Der neue Standard wird zwei neue Leistungsstufen zur Verfügung stellen: 55 W (Level 3) über zwei Leitungspaare und 90 bis 100 W (Level 4) über alle vier Leitungspaare. Die Idee von PoE++ ist es, den gesamten Arbeitsplatz mit Strom versorgen zu können. Mit 100 Watt könnte man komplette Rechner mit Bildschirm inklusive Telefon über ein LAN-Kabel betreiben.
Höhere Anforderungen an die Datenverkabelung stellen auch neue Anforderungen an die Messwerkzeuge. Es gilt, Fehlern vorzubeugen und sie bei Bedarf innerhalb kürzester Zeit zu beheben. Dazu bietet beispielsweise Klein Tools eine Reihe von Messgeräten und Werkzeugen an. Im Besonderen ist dabei der VDV Commander zu nennen, der über Messoptionen und Funktionen verfügt, die ihn gerade für Netzwerke empfiehlt, bei denen Power over Ethernet zum Einsatz kommt. Ein solches Gerät ist zum Beispiel in der Lage, die richtige Verdrahtung des Kabels zu prüfen und dabei Unterbrechungen, Kurzschlüsse und Vertauschungen übersichtlich auf dem farbigem Display anzuzeigen. Darüber hinaus beherrscht das Tool eine sogenannte TDR-Messung (Time Domain Reflektometer). Dies bedeutete, das sich die Länge der einzelnen Paare messen lässt, womit sich nicht nur ein Fehler, wie etwa eine Unterbrechung, genau lokalisieren lässt, sondern auch die Länge des Links ermittelt werden kann. Dies ist unter anderen auch deshalb wichtig, weil zu lange Kabel zu hohe Leistungsverluste hervorrufen und Endgeräte möglicherweise nicht mehr richtig funktionieren.
Als neues Feature bietet der VDV Commander eine echte PoE-Messung. Dazu wird er in den Auslass des Endgerätes gesteckt und baut eine Verbindung mit dem Switch auf. Dabei prüft das Tool, welche PoE-Standards oder -Klassen unterstützt sind. Anschließend testet es unter Last, ob die spezifizierte maximale Entnahmeleistung am Ende der Verbindung für das Endgerät zur Verfügung steht. Damit ist möglich, eine Netzwerkinstallation vor der Inbetriebnahme auf ihre PoE-Konformität zu testen. Die Ausgabe eines Testberichts an den PC in Form von aussagekräftigen Protokollen dient dem Installateur als Nachweis für die erfolgreiche Durchführung seiner Arbeit. Das Gerät verfügt zusätzlich noch über Funktionen zur Leitungsverfolgung. Dabei speist es ein Signal in das Kabel ein und kann dieses mit einem Empfänger verfolgen. Kodierstecker für RJ-45 und Koax helfen dabei, die Dosen dem Anschluss am Patch-Panel zuzuordnen.
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