Power over Ethernet geht in die dritte Runde

Ganz schön unter Strom

07. November 2016, 08:00 Uhr   |  Von Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Martin Rottmann.

Ganz schön unter Strom

Wenn der Smart-TV daheim keine stabile WLAN-Verbindung hinbekommt, bleiben Streaming-Kanäle wie etwa Netflix dunkel - vor allem, wenn der Anwender nicht bereit ist, dazu extra ein LAN-Kabel vom Router zum Fernseher zu verlegen. Aber es geht auch ohne Twisted-Pair-Verkabelung und WLAN: Eine Power-LAN-Verbindung streamt die "Games of Throne"-Daten auf kluge Art einfach über die Stromleitung, die somit ganz nebenbei auch zum Datenkabel wird. Andersherum funktioniert dies natürlich auch, und ein vierpaariges Datenkabel lässt sich für die Stromversorgung nutzen. Dies nennt sich dann bekanntlich Power over Ethernet, PoE.

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Auch wenn es in den meisten Fällen kein Problem darstellen sollte, ein Endgerät im Netzwerk mit Strom über die gute alte Steckdose zu versorgen, so ist doch die Idee hinter dem PoE-Gedanken naheliegend und attraktiv.

Auch wenn es in den meisten Fällen kein Problem darstellen sollte, ein Endgerät im Netzwerk mit Strom über die gute alte Steckdose zu versorgen, so ist doch die Idee hinter dem PoE-Gedanken naheliegend und attraktiv. Warum nicht das vorhandene LAN-Kabel auch für die Stromversorgung nutzen, zumal sich etwa in der Nähe von WLAN-Access-Points, Voice-over-IP-Geräten oder IP-Kameras oft nicht genügend viele Steckdosen befinden? Der kommende neue PoE-Standard schafft zudem Einsatzmöglichkeiten für Geräte mit noch höherer Leistungsaufnahme.

PoE-Evolutionsstufen

Mittlerweile arbeiten Hersteller und Standardisierungsfachleute bereits an der dritten Generation der PoE-Norm. Wobei sich die jeweils nächste PoE Entwicklungsstufe von der vorigen nicht nur in einer höheren Leistung (Watt) unterscheidet, sondern auch beim unterstützten Ethernet-Protokoll - und weiteren Dingen. Bei den Leistungsangaben findet man grundsätzlich zwei verschiedene Werte: einen Ausgangswert für das Power Sourcing Equipment (PSE) und die Wattzahl, die am Endgerät, dem Power Device (PD), ankommt.

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Die PoE-Varianten im Vergleich.

IEEE 802.3af - Typ 1, 2003 (PoE)

Die Bündelung von Strom- und Datenübertragung in einem Kabel ist als PoE seit 2003 bekannt und wurde schnell beliebt. In dieser ersten PoE-Generation speist das PSE maximal 15,4 W ins Netz ein, damit 12,95 W (350 mA) am PD ankommen. Dies klingt zwar nicht nach viel, reicht aber allemal für die zuvor aufgezählten Geräte. Sowohl zur Strom- als auch für die LAN-Verbindung nutzt das Konzept jeweils zwei verschiedene Paare. Daher ist die maximale Übertragungsrate auf 100 MBit/s (Fast Ethernet) beschränkt. Schnellere Protokolle wie etwa Gigabit Ethernet benötigen bekanntlich alle vier Adernpaare eines Datenkabels.

IEEE 802.3at Typ 2, 2009 (PoE+)

Sechs Jahre nach dem ersten PoE entstand die nächste Generation, und die festgelegte Leistung verdoppelte sich mit 25,5 W (600 mA) am PD. Auch bei PoE+ nutzen die Systeme nur zwei Paare des Datenkabels zur Stromübertragung. Allerdings können nun alle vier Paare für den Transfer der Datenpakete zum Einsatz kommen. Somit unterstützt PoE+ also auch das 1GBase-T-Protokoll.

IEEE 802.3bt Typ 3 und 4, voraussichtlich 2017 (PoE++)

Der Wunsch nach noch mehr Leistung, mit der sich ganze Rechner nebst Monitor und IP-Telefon über Twisted-Pair versorgen lassen, und die Unterstützung neuer, schnellerer Ethernet-Protokolle führen demnächst zu einem weiterentwickelten PoE-Standard. Die Vorteile höherer Leistung liegen dabei auf der Hand: eine vereinfachte Kabelinfrastruktur verbunden mit einer entsprechenden Kostensenkung. Die in Entwicklung befindliche PoE++-Norm wird in zwei Versionen erscheinen, unterteilt nach Typ 3 und Typ 4.

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Um die höhere Leistung zu ermöglichen, nutzt PoE++ nun alle vier Paare sowohl für die Daten- als auch für die Stromübertragung.

Typ 3 liefert 50 Watt an das Endgerät (PD), und bei Typ 4 sind es sogar 80 Watt. Beide Versionen sind rückwärtskompatibel zu den vorherigen beiden PoE-Normen. Um die höhere Leistung zu ermöglichen, nutzt das System nun alle vier Paare sowohl für die Daten- als auch für die Stromübertragung. Schon seit PoE+ ist bekannt, dass die Übertragung von Strom über die Datenverkabelung auch zu Problemen führen kann. Unter gewissen Bedingungen können sich Kabelbündel stark erwärmen. Mit PoE++ verschwinden diese unschönen Nebenwirkungen leider nicht, wie die Grafik auf dieser Seite unten zeigt.

Probleme 2.0

Die Übertragung von Energie über eine universelle Kommunikationsverkabelung führt zu einem Anstieg der Temperatur in der Verkabelung, die unter anderem von der übertragenen Energiemenge, dem Leiterquerschnitt sowie Art und Umfang des Kabelschirms abhängig ist. Selbst die Anzahl der "Knoten" im Adernpaar hat Auswirkungen auf die Erwärmung. Darüber hinaus sind auch die Beschaffenheit des Kabelkanals (Material und Platzverhältnisse) sowie die Zahl der Kabel, die zusammen in einem Bündel verlegt sind, wichtig.

Geht man in Bürogebäuden von einer maximalen Umgebungstemperatur von 45°C aus, bleibt nur noch ein Spielraum von etwa 20°C für eine zusätzliche Wärmebelastung, die durch PoE hinzukommen darf. Darüber hinaus übrschreitet das System die zulässige Betriebstemperatur. Nexans hat untersucht, wie sich unterschiedliche Kabelkonstruktionen auf den Temperaturanstieg durch PoE++ im Inneren großer Kabelbündel zu 259 Kabel auswirken. Während bei ungeschirmten Kabeln die Erwärmung um etwa 35°C zunimmt, liegt sie selbst bei einem einfach geschirmten Kabel deutlich unter 20°C. Dies ist schon entscheidend, denn mit zunehmender Temperatur im Kabelbündel nimmt auch die Einfügungsdämpfung zu. Das Kabel verliert damit einen Teil seiner Übertragungseigenschaften.

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Nexans hat untersucht, wie sich unterschiedliche Kabelkonstruktionen auf den Temperaturanstieg durch PoE++ im Inneren großer Kabelbündel zu 259 Kabel auswirken.

Die in den Normen angegebenen Dämpfungswerte und die Herstellerangaben gehen schließlich nur von einer Umgebungstemperatur von 20°C aus. Bei geschirmten Kabeln verringert sich die maximale Reichweite um etwa 0,2 Prozent je Grad Celsius, bei ungeschirmten Kabeln im Bereich von 20°C bis 40°C gar um 0,4 Prozent, ab 40°C bis 60°C schließlich um 0,6 Prozent.

Da im deutschsprachigen Raum mehrheitlich hochgeschirmte Kabel der Kategorie 7 und 7A zum Einsatz kommen, muss sich der Anwender hierzulande um die Problematik der Kabelerwärmung allerdings deutlich weniger Gedanken machen.

Beim FTTO-Konzept (Fiber to the Office) erfolgt die PoE-Speisung übrigens in unmittelbarer Nähe zu den Verbrauchern. Auf diese Weise bleiben die Link-Längen mit etwa drei bis fünf Metern so kurz wie möglich, was die Verluste um bis zu 80 Prozent reduziert.

Wenn es funkt

Bei Trennung der Steckverbindung unter Last kommt es aufgrund der höheren Stromstärke zu einem deutlich stärkeren Funkenabriss - diese Problematik ist schon seit PoE+ ein Thema. Die Lichtbögen beschädigen mit der Zeit sichtbar und unvermeidlich die Kontakte der RJ45-Buchse. Eine RJ45-Buchse, die die Kriterien der Norm IEC 60603 erfüllt, stellt jedoch nicht automatisch sicher, dass die Funkenbildung ohne Einfluss auf die Datenübertragung bleibt, da diese Norm nichts dazu aussagt.

Nur durch ein entsprechendes Produktdesign des RJ45-Steckerherstellers überlappen sich die beiden Kontaktflächen von Stecker und Buchse außerhalb der Zone des Funkeneinschlags, sodass es hier zu keinerlei Beeinträchtigungen der Datenübertragung kommt.

Fazit: Stecker kritischer als Kabel

In den deutschsprachigen Ländern verlegen die Betreiber schon seit Langem überwiegend hochgeschirmte Kabel mit einem Leiterquerschnitt von mindestens AWG23. Geeignete Kabel unterstützen nicht nur Highspeed Ethernet, sondern sind auch die beste Wahl, wenn es darum geht, ein PoE++-taugliches Netz zu planen. Bei komplexen Anforderungen an das Netzwerk sollte ein Anwender sich keinesfalls scheuen, die Hilfe eines Beratungsingenieurs eines Kabelherstellers in Anspruch zu nehmen.

Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Martin Rottmann ist Business Development Manager bei Nexans Cabling Solutions ().

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