Power over Ethernet: Gleichgewicht der Leistung
Vier-Paar-PoE und die Risiken
Bei der Einführung von Power over Ethernet (PoE) im Jahr 2003 ging der Standard IEEE 802.3af von einer Gleichstromleistung von maximal 15,4 Watt über zwei Paare aus. Diese Technik nennt sich PoE Typ 1. Diese PoE-Variante eignete sich optimal für VoIP-Telefone, WLAN Access Points (WAPs) der ersten Generation - beispielsweise 802.11g - und einige weitere einfache Geräte. Seither gab es hinsichtlich der Fernspeisung erhebliche Fortschritte. Der kommende IEEE-Standard 802.3bt umfasst PoE-Systeme vom Typ 3, die 60 Watt bereitstellen, zudem Systeme vom Typ 4, die sogar 90 Watt liefern.
Da heute alle vier Paare eines Netzwerkkabels zur Stromversorgung dienen, lässt sich mit Typ-3- oder Typ-4-Leistungsniveaus von der digitalen Beschilderung über moderne Schwenk-Neige-Kameras bis hin zu LED-Leuchten und sogar Desktop-PCs alles mit Strom versorgen. PoE ebnet so echten konvergenten Kabelinfrastrukturen den Weg, was nicht nur die Voraussetzungen für das Internet der Dinge (IoT), sondern auch für das Internet of Everything schafft.
Die höheren Leistungsniveaus sind allerdings nicht ohne Vorbehalte zu betrachten. Wenn alle vier Paare gleichzeitig Strom und Daten liefern, ist es besonders wichtig, den Strom zwischen den einzelnen Leitern eines Paares gleichmäßig aufzuteilen, um ein Leistungsgleichgewicht zu gewährleisten. Das "DC-Widerstand-Unsymmetrie" genannte Phänomen kann ein solches Leistungsgleichgewicht stören und die Signalübertragung beeinträchtigen. Des Weiteren können höhere Leistungsniveaus beim PoE in Kabelbündeln zu einem Wärmeanstieg führen, der auch die Signalübertragung stören kann. Insider erachten es daher als sehr sinnvoll, die neuen PoE-Level zusammen mit den entsprechenden Prüfverfahren genauer unter die Lupe zu nehmen.
PoE-Typ
PoE entstand ursprünglich, um Geräten über Twisted-Pair-Datenkabel eine Niederspannung remote bereitstellen zu können. Dazu gehen an das Kabel etwa 48 Volt als Gleichspannung. Diese kann technisch im Bereich von 37 bis 57 VDC liegen. Dies geschieht über ein Power-Sourcing-Equipment (PSE), in der Regel ein PoE-fähiger Switch im (Etagen-)Verteiler oder - in seltenen Fällen - eine Mid-Span-Spannungsversorgung. Eine Vielzahl von Endgeräten (Powered Device, PD) wird so im Netzwerk mit Strom versorgt, darunter auch Telefone, Wireless Access Points (WAPs), Überwachungskameras und mehr. Die Endpunkte, die mittels vom PSE bereitgestellten 48 VDC betrieben werden, sind als Geräte mit Schutzkleinspannung (SELV) klassifiziert.
PoE vom Typ 1 stellt maximal 15,4 Watt bereit, wobei dem Gerät 13 Watt zur Verfügung stehen. PoE vom Typ 2 (manchmal auch PoE Plus genannt) stellt 30 Watt bereit, von denen dem Gerät 25,5 Watt zur Verfügung stehen. Beide Standards liefern über zwei Paare einer Twisted-Pair-Verkabelung Strom, wobei die IEEE-Standards (beispielsweise IEEE 802.3af und 802.3at) zwei Methoden für die Stromversorgung durch PSE vorgeben: Alternative A und Alternative B.
Bei Alternative A (Bild 1) laufen sowohl Strom als auch Daten über Paar 1-2 und 3-6. Sie ist somit sowohl mit zwei- als auch vierpaarigen Anwendungen kompatibel, darunter auch 10/100Base-T und 1000Base-T. In diesem Szenario erfolgt die Versorgung der Pins mit Strom durch das PSE über den mittleren Anschluss eines internen Signalkoppeltransformators.
Bei Alternative B (Bild 2) wird Strom über die Ersatzpaare 4-5 und 7-8 eingespeist. Sie ist kompatibel mit Datensignalen, die nur zwei Paare verwenden, darunter auch 10/100Base-T-Anwendungen. In diesem ist Paar 4-5 durch das PSE mit positiver Spannung und Paar 7-8 mit negativer Spannung überlagert.
PDs sind entweder für Alternative A oder Alternative B ausgelegt. Um sicherzustellen, dass ein Gerät tatsächlich ein PD ist, und zur Übermittlung der maximalen Leistungsanforderungen des PDs kommt es zu einem Handshake, bei dem das PSE Spannung anlegt, um das Vorhandensein und den Wert eines Widerstandes im PD zu prüfen. Die Menge des bereitgestellten Stroms ist abhängig von der Antwort des PDs. Diese Funktion sorgt bei Geräten, die weniger Strom benötigen, für einen niedrigen Strompegel. Der aktuelle Standard 802.11bt für PoE umfasst sowohl PoE vom Typ 3 als auch PoE vom Typ 4, wobei beide Typen nun über alle vier Paare sowohl Strom als auch Daten liefern. PoE vom Typ 3 stellt maximal 60 Watt Gleichstromleistung bereit, wobei für das Gerät 51 Watt zur Verfügung stehen. Typ 4 stellt maximal 90 W bereit, wovon dem Gerät 71 Watt zur Verfügung stehen.
Komplikationen durch Unsymmetrie
In PoE-Anwendungen mit zwei Paaren, die mit der Alternative A arbeiten und daher sowohl Strom als auch Daten über die Paare 1-2 und 3-6 liefern, wird Strom durch Anlegen einer Gleichtaktspannung übertragen. Gleichtaktspannung bedeutet im Wesentlichen, dass der Transformator den Strom wie in Bild 4 gleichmäßig zwischen den einzelnen Leitern des Paars aufteilt.
Um einen Gleichtakt zu erzielen, muss der DC-Widerstand der beiden Leiter im Paar gleich oder ausgeglichen (symmetrisch) sein. Der DC-Widerstand eines Leiters ist im Wesentlichen ein Maß für das Vermögen des Leiters, dem elektrischen Strom Widerstand entgegenzusetzen. Er steigt mit der Länge des Leiters. Zudem ist er abhängig von der Größe des Leiters: Der Widerstand nimmt mit größeren Leiterdurchmessern ab. Eine Widerstandsdifferenz zwischen zwei Leitern heißt im Fachjargon DC-Widerstands-Unsymmetrie. Liegt die DC-Widerstands-Unsymmetrie bei null (liegt also keine Widerstandsdifferenz zwischen zwei Leitern vor), ist der Strom gleichmäßig aufgeteilt und ein Gleichtakt erreicht.
Oft kommt es bezüglich des Unterschieds zwischen DC-Schleifenwiderstand und DC-Widerstand-Unsymmetrie zu Verwirrung. Der in Ohm gemessene DC-Schleifenwiderstand ist die Summe des DC-Widerstands zweier Leiter in einem an einem Verbindungsende als Schleife ausgeführten Paar. Abhängig vom Leitungsdurchmesser und nur durch die Entfernung beeinflusst, beschreibt der DC-Schleifenwiderstand das Vermögen einer bestimmten Kabellänge, über ein Paar eine bestimmte Strommenge bereitzustellen. Entsprechend den IEEE-Standards beträgt der Channel-DC-Schleifenwiderstand eines Paares 25 Ohm oder weniger, während der DC-Schleifenwiderstand einer Permanent-Link-Verbindung 21 Ohm oder kleiner sein sollte. Bild 5 zeigt den Unterschied zwischen DC-Schleifenwiderstand und DC-Widerstand-Symmetrie.
Während der Gleichstrom-Schleifenwiderstand ein wesentlicher Messwert für PoE-Systeme ist, der angibt, ob das System in der Lage ist, eine bestimmte Strommenge bereitzustellen, ist die DC-Widerstand-Unsymmetrie als Messwert für die Datenübertragung in Verbindung mit PoE wichtiger. Während PDs eine gewisse DC-Widerstand-Unsymmetrie tolerieren können, führt eine zu große Unsymmetrie zu einer Sättigung des Transformators, wodurch dieser seine Arbeit als Transformator einstellt. Ist dies der Fall, erscheint die Wellenform von Ethernet-Datensignalen verzerrt, und es kommt zu Bit-Fehlern, erneuten Übertragungen und sogar zu nicht mehr arbeitenden Datenverbindungen.
Genau wie PoE vom Typ 1 und Typ 2 mit Alternative A wird durch PoE vom Typ 3 und Typ 4 ebenfalls Strom durch Anlegen einer Gleichtaktspannung bereitgestellt. In Vier-Paar-PoE-Systemen vom Typ 3 und vom Typ 4 ist nicht mehr nur die DC-Widerstand-Unsymmetrie in den einzelnen Paaren von Bedeutung, denn eine unverhältnismäßig große DC-Widerstand-Unsymmetrie zwischen mehreren Paaren kann zu einem Ausfall des PoE-Systems führen.
Wie verliert das System seine Symmetrie?
Probleme in der PSE oder dem PD mit Transformatoren können eine DC-Widerstand-Unsymmetrie hervorrufen. Dies kommt mit moderner Technik allerdings selten vor. Eine DC-Widerstand-Unsymmetrie entsteht dafür häufiger durch mangelhafte Installation, schlechtes Auflegen und geringe Kabelqualität.
Bewährte Verfahren für die Kupferverkabelung - wie etwa von BICSI gelehrt und gefordert - umfassen die Einhaltung von Mindestbiegeradien und das Beibehalten der Paarverdrillung bis so nahe an den Anschlusspunkt wie möglich. Diese Verfahren sind wichtig, um den Leistungsparametern zu entsprechen, und zwar ganz besonders in Anwendungen mit höherer Frequenz, beispielsweise 1000Base-T und 10GBase-T. Gleiches gilt für das Verhindern der DC-Widerstand-Unsymmetrie.
Bei den Installationsverfahren zur Verhinderung einer DC-Widerstand-Unsymmetrie kommt es darauf an, die Abschlüsse der einzelnen Leiter möglichst einheitlich zu gestalten. Durch Herunterdrücken einzelner Leiter zum IDC-Block auf der Rückseite einer Netzwerkbuchse wird die Leiterisolierung zurückgeschoben, der Kupferleiter freigelegt und so die Verbindung hergestellt. Es ist nicht immer einfach, dabei die richtige und einheitliche Kontaktierung sicherzustellen. Eine bestimmte Kraft ist erforderlich, um die Leiter aufzulegen: Mangelnde Erfahrung, Ermüdung der Hand sowie größere Leiterdurchmesser können das einheitliche Auflegen beeinträchtigen. Wenn zwei Leiter eines Paares, das PoE überträgt, unterschiedlich konfektioniert sind, kann dies zu DC-Widerstand-Unsymmetrie führen.
Mit dem richtigen Auflegewerkzeug lässt sich ein einheitliches Konfektionieren erreichen und so eine DC-Widerstand-Unsymmetrie in PoE-Systemen minimieren. Es gibt im Wesentlichen drei Arten von Auflegewerkzeugen für das Konfektionieren von Twisted-Pair-Kupferkabeln: manuell, Impakt und mehradrig. Bei manuellen Auflegewerkzeugen muss der Großteil der Kraft durch menschliche Energie aufgebracht werden, was eine höhere Ungleichmäßigkeit über zwei Leiter eines Paares mit sich bringen kann, da es schwierig ist, jedes Mal genau die gleiche Kraft für jeden einzelnen Leiter auszuüben. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Ermüdung der Hand einsetzt. Impakt-Werkzeuge, die weniger Kraft von Seiten des Installateurs erfordern, sind eine bessere Option, können aber gleichwohl zu ungleicher Konfektionierung von einem Leiter zum nächsten führen. Die beste Option für die Gewährleistung von einer gleichmäßigen Konfektionierung sind mehradrige Werkzeuge, die alle vier Paare mit einem Druck auf das Werkzeug auflegen, wobei auf alle Leiter die gleiche Kraft wirkt. Mehradrige Werkzeuge reduzieren auch die Ermüdung der Hand und verkürzen die Installationszeit verglichen mit Einzeldraht-Auflegewerkzeugen erheblich.
Gewissenhaftes Auflegen muss auch mit Produktionsverfahren von hoher Qualität einhergehen, da die Gesamtqualität des Kabels und der Verbinder sich ebenfalls auf die DC-Widerstand-Unsymmetrie auswirken kann. UTP-Kabel von hoher Produktionsqualität erfordert eine sorgfältige Auswahl von Kupferleitern und den Gebrauch von strengen Kontrollen zur Einhaltung der korrekten physischen Geometrie des Kabels. Wenn ein Kabel von geringer Qualität Schwankungen in Durchmesser, Konzentrizität, Umfang und Glätte des Kupferleiters aufweist, besteht ein höheres Risiko für DC-Widerstand-Unsymmetrie in den PoE-Systemen. Zu bedenken ist dabei, dass sich der DC-Widerstand zum Teil relativ zur Größe eines Leiters verhält. Wenn sich die Größe von zwei Leitern also unterscheidet, ist es sehr wahrscheinlich, dass auch der DC-Widerstand nicht gleich ist.
Ein Test
Der IEEE-Standard 802.3-2012 gibt eine maximale DC-Widerstand-Unsymmetrie von drei Prozent zwischen Leitern in einem Paar vor. Dies bedeutet, dass der Unterschied beim DC-Widerstand zwischen zwei Leitern drei Prozent des gesamten Gleichstrom-Schleifenwiderstands eines Paares nicht übersteigen darf. Zusätzlich zu dieser DC-Widerstand-Unsymmetrie in einem Paar fordert der vorgeschlagene IEEE 802.3bt-Standard auch, dass die DC-Widerstand-Unsymmetrie zwischen zwei beliebigen Paaren nicht mehr als sieben Prozent des gesamten parallelen Widerstands der beiden Paare betragen darf.
Interessierte finden die gesuchten Werte für die DC-Widerstand-Unsymmetrie in den Spezifikationen der Kabelhersteller, die TIA-Standards fordern jedoch weder eine Überprüfung des Schleifenwiderstands noch der Widerstand-Unsymmetrie als Vor-Ort-Messung. Im Gegensatz zur Überprüfung des Gleichstrom-Schleifenwiderstands ist das Fehlen der Forderung nach einer Feldmessung auf DC-Widerstand-Unsymmetrie aber auch teilweise darauf zurückzuführen, dass ältere Messgeräte nicht in der Lage sind, solche Messungen auszuführen. Diese sind folglich in erster Linie als Mittel zur Labormessung durch die Kabelanbieter ausgelegt.
Wenn allerdings lediglich der Gleichstrom-Schleifenwiderstand gemessen wird, tritt das Problem auf, dass bei kürzeren Kabellängen die entsprechende Prüfung möglicherweise bestanden wird, während die DC-Widerstand-Unsymmetrie dabei immer noch größer ausfallen kann als der in den IEEE-Standards vorgesehene Maximalwert. Mit anderen Worten: Eine alleinige Überprüfung des DC-Schleifenwiderstands ist nicht immer ausreichend, um zu ermitteln, ob PoE unterstützt wird.
Aktuell sorgen sich nicht wenige Experten um die erhebliche Menge an Kabeln mit verkupfertem Aluminium (CCA), verkupfertem Stahl und anderen nicht standardmäßigen Leitern auf dem Markt, die als Kabel der Kategorie 5e, Kategorie 6 oder Kategorie 6A ausgegeben werden. Solche Kabel mögen zwar für Anwender attraktiv erscheinen, die allein nach billigen Vernetzungslösungen suchen, CCA-Kabel sind jedoch nicht mit Industriestandards konform und unterstützen aufgrund ihres erhöhten Gleichstrom-Widerstands, der um 55 Prozent höher sein kann als bei einem soliden Kupferkabel des gleichen Durchmessers, PoE-Anwendungen nicht in geeigneter Weise.
Der größere Widerstand führt zu einer stärkeren Erwärmung des Kabels und einer niedrigeren verfügbaren Spannung am versorgten Gerät. Einige CCA-Kabel können vermutlich den DC-Schleifenwiderstandstest für kürzere Verbindungen bestehen, aber aufgrund mangelnder Übereinstimmung unter den Leitern in der Regel eine zu große DC-Widerstand-Unsymmetrie in den Paaren aufweisen. Eine wichtige Bemerkung dazu: Die ANSI/TIA- und ISO/IEC-Standards erfordern verdrillte Kabel mit 100 Prozent Kupfer.
Die in den Anbieterspezifikationen enthaltene und im Labor ausgeführte Messung auf DC-Widerstand-Unsymmetrie ist sicher wichtig, doch bietet die Messung auf DC-Widerstand-Unsymmetrie nach erfolgter Installation im Feld tatsächlich die einzige Möglichkeit, zu ermitteln, ob zwischen Leitern oder Paaren der gleiche Widerstand vorliegt. Die gute Nachricht ist, dass heute Feldmessgeräte zur Verfügung stehen, die in kurzer Zeit überprüfen, ob in einem Paar und zwischen Paaren eine DC-Widerstand-Unsymmetrie vorliegt. Wie im Bild rechts gezeigt, messen diese Messgeräte den DC-Schleifenwiderstand als Summe des Widerstands von zwei Leitern in einem Paar sowie die DC-Widerstand-Unsymmetrie, also den Unterschieds des Widerstands zwischen den zwei Leitern. Wie für PoE vom Typ 3 und Typ 4 wird ebenfalls die DC-Widerstand-Unsymmetrie zwischen den Paaren gemessen. Das Bild zeigt auch, dass die DC-Widerstand-Unsymmetriemessung für Leiter-zu-Leiter und Paar 1-2 nicht bestanden wurde, während die DC-Widerstand-Unsymmetriemessung für Paar-zu-Paar bestanden ist.
Es bedarf einer sorgfältigen Abwägung, ob eine DC-Widerstand-Unsymmetriemessung als erweiterte Prüfanforderung vor Ort miteinzubeziehen ist, um die IEEE-PoE-Anforderungen zu checken. Experten halten jedoch die DC-Widerstand-Unsymmetriemessungen innerhalb eines Paares und DC-Widerstand-Unsymmetriemessungen zwischen Paaren für immer wichtiger, da immer mehr Unternehmen Gigabit-Ethernet-Konzepte verwirklichen und es mehr PoE-Geräte gibt, die gleichzeitig Strom und Daten nutzen, beispielsweise 802.11ac-WAPs, die PoE und Datenübertragung mit 10 GBit/s kombinieren.
Nicht die einzige Sorge
Leider ist die DC-Widerstand-Unsymmetrie nicht der einzige Aspekt, um den man sich in PoE-Systemen vom Typ 3 und vom Typ 4, die zusammen mit den Daten eine höhere Leistung bereitstellen, Gedanken machen muss. Wird PoE über Twisted-Pair-Kupferkabel bereitgestellt, wird ein Teil der Leistung in Form von Wärme abgeführt. Dabei kann es zu einem Temperaturanstieg im Kabel kommen. Dann kommt es jedoch auch zu einem Anwachsen der Einfügedämpfung, was zu Problemen bei der Signalübertragung führen kann. Ein Wärmeanstieg kann außerdem langfristig das Kabel schädigen.
Die Temperaturabhängigkeit von Kabeln ist in den Verkabelungsstandards längst berücksichtigt, und sowohl TIA als auch ISO geben einen Lastminderungsfaktor für die Einfügedämpfung vor, mit dem sich die maximale Channel-Länge bei erhöhten Temperaturen über 20 °C ermitteln lässt. Die Lastminderungsanforderungen von geschirmten und ungeschirmten Kabeln sind unterschiedlich. Beispielsweise werden ungeschirmte Kabel der Kategorie 6A bei 60 °C anstelle der standardmäßigen 90 Meter auf 75 Meter herabgesetzt, während geschirmte Kabel der Kategorie 6A lediglich auf 83 Meter herabgesetzt werden. Diese Werte basieren auf einer standardmäßig maximalen Betriebstemperatur von 60 °C für Kabel. Für Kabel, die für eine höhere Betriebstemperatur ausgelegt sind, fällt die Minderung geringer aus.
Während ein Wärmeanstieg im Allgemeinen solange keine Sorgen bereitet, wie die Umgebung des Kabels und die Umgebungstemperatur es zulassen, dass die Wärme an die Luft abgeführt werden kann, ist der Sachverhalt im Fall von mehreren in einem engen Bündel zusammengefassten Kabeln ein anderer. In einem solchen Szenario kann die durch PoE in den Kabeln generierte Wärme in den in der Mitte des Bündels gelegenen Kabeln nicht angemessen abgeführt werden. Der National Electric Code (NEC) in der Version von 2017 befasst sich mit dem Wärmeanstieg in Kabelbündeln, die in PoE-Systemen mehr als 60 W (also PoE vom Typ 3 und höher) übertragen. Unter Verwendung von Tabellen zur Strombelastbarkeit spezifiziert der NEC die zulässige Anzahl von Kabeln in einem Bündel auf Grundlage der Leitergröße und der Temperatureinstufung für eine gegebene Strombelastung pro Leiter.
Anstatt zur Bestimmung der erforderlichen Bündelgröße für ein gegebenes Kabel und eine gegebene Strombelastbarkeit mit der Tabelle zur Strombelastbarkeit zu arbeiten, können alternativ zum Beispiel Kabel zum Einsatz kommen, die von Underwriters Laboratories eine sogenannte Limited-Power-Zertifizierung (LP) erhalten haben. Diese LP-zertifizierten Kabel wurden durch das Bündeln von Kabeln in Kabelkanälen unter Erhöhung der Stromstärke und durch Messen des Temperaturanstiegs in den Kabeln überprüft und überschreiten nicht die vorgegebenen Temperaturwerte für einen bestimmten Stromwert pro Paar. Die TIA entwickelt zudem Richtlinien zur Begrenzung des Temperaturanstiegs in einem Bündel.
Solche Richtlinien und Anforderungen hinsichtlich der Bündelung von Kabeln werden damit zur Norm für Kabel ab einer bereitgestellten Stromstärke von 60 W, es gibt jedoch für eine ordnungsgemäße Überprüfung der Leistung noch keine Alternative. Steigt die Wärme nämlich in einem Kabelbündel auf einen Wert an, bei der die Messung der Einfügedämpfung nicht bestanden wird, erreichen die Verbindungen nicht mehr die erforderlichen Leistungsgrenzwerte für Feldmessungen.
Da PoE vom Typ 3 und vom Typ 4 künftig höhere Niveaus für die Leistung zulässt, werden mehr Geräte diese Vorteile nutzen können. Damit beginnt gewissermaßen eine neue Ära, in der WAPs, LED-Leuchten, Sicherheits-Devices, digitale Anzeigen, Geräte für die Gebäudeautomation und sogar Desktop-PCs keinen Netzanschluss mehr benötigen. Mit der höheren Zahl an Kupfer-Twisted-Pair-Kabeln für Netzwerke, die sowohl Strom als auch Daten an derart zahlreiche Geräte übertragen, ist eine geeignete Prüfung dieser Systeme wichtiger denn je.
Zum entscheidenden Kriterium wird damit auch ein Messgerät, das eine DC-Widerstand-Unsymmetrie feststellen kann. Eine solche Messung ist bei einer Feldmessung miteinzubeziehen. Dieses Vorgehen schafft eine einfache Möglichkeit, schnell und kostengünstig sicherzustellen, dass die Kabel sowohl die Datenübertragung als auch PoE in geeigneter Weise unterstützen. Gleichzeitig bleibt eine adäquate und gemäß den Industriestandards ausgeführte Abnahmemessung ein absolutes Muss, wobei eine nicht bestandene standardmäßige Messung der Einfügedämpfung einen Hinweis auf einen zu großen Wärmeanstieg im PoE-System liefern kann.
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