Power over Ethernet (PoE): die Faktendatei
Die zunehmende Verbreitung von IP-verbundenen Netzwerkgeräten im Unternehmen hat nicht nur den Bedarf an schnelleren Datenraten gesteigert, sondern auch die Leistung. Dadurch wurde die Tür für Power-over-Ethernet (PoE) weit geöffnet.
PoE ermöglicht es verbundenen Geräten, Daten- und Stromverbindungen über ein einziges Kupfer-Ethernet-Kabel zu teilen, wodurch die Infrastruktur optimiert und der Betrieb vereinfacht wird. Während PoE seit 1999 Teil des Unternehmensnetzwerks ist, haben seine Fähigkeiten und Bedeutung in den letzten Jahren mit der Entwicklung von PoE-Geräten mit höherer Wattzahl große Fortschritte gemacht. Dazu gehören gängige Geräte wie Desktoptelefone, Sicherheitskameras, Videomonitore und drahtlose Zugangspunkte für Wi-Fi oder drahtlose Dienste im Gebäude.
Mit den heutigen fortschrittlichen PoE-Technologien und -Geräten müssen Unternehmensnetzwerke nicht mehr für jedes angeschlossene Gerät ein separates Netzteil (Wechselstrom) betreiben. Und das ist erst der Anfang. Zu den Vorteilen von PoE gehören auch besser konzipierte elektrische Sicherheitsfunktionen, ein besseres Gerätemanagement und geringere Installation- und Wartungskosten.
Ob Wi-Fi-Zugangspunkte, Sicherheitskameras, LED-Beleuchtung, IP-Telefone, RFID-Sicherheits- oder Gebäudemanagementsysteme, die wachsende Palette an PoE-Geräten bietet Unternehmen eine großartige Möglichkeit, die Remote-Stromversorgung zu nutzen und infrastrukturbezogene Ausgaben besser zu verwalten, während sie die vorhandene Verkabelung verwenden. Erfahren Sie jetzt, wie.
Die Stromversorgung von Telekommunikationsgeräten über Twisted-Pair-Verkabelung ist so alt wie das Telefon.
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Was ist PoE und wie funktioniert es?
PoE1 ist ein System zur sicheren Übertragung von Strom und Daten an Remote-Geräte unter Verwendung von Standard-Ethernet-Verkabelung, Kategorie 3 und höher. PoE funktioniert, indem der elektrische Strom in eine Niederspannungsversorgung umgewandelt und dann über strukturierte Verkabelung an PoE-fähige Geräte übertragen wird. Das System soll verhindern, dass Daten- und Leistungssignale einander stören. Strom wird an die Datenleiter durch Anlegen einer gemeinsamen Spannung an jedes Paar übertragen. Da Twisted-Pair-Ethernet-Differenzsignalisierung verwendet, stört dies die Datenübertragung nicht. PoE ist somit in der Lage, sowohl Leistungs- als auch Datensignale zu übertragen, ohne das Datensignal zu stören.
Während Signalstörungen beseitigt werden, ist eine gewisse Verlustleistung unvermeidlich. Beispielsweise führen Systeme, die den PoE 802.3af-2003-Standard erfüllen, 15.4 Watt Leistung an die Verkabelung, aber es ist zu erwarten, dass nur 12.95 Watt vom mit Strom versorgten Gerät empfangen werden. Die gute Nachricht ist, dass sich mit der Weiterentwicklung von PoE-verbundenen Geräten auch die zu ihrer Unterstützung erforderlichen Branchenstandards weiterentwickelt haben. Weitere Informationen finden Sie in Kapitel 4.1.
Durch die Verwendung von Kommunikationskabeln zur Bereitstellung von Remote-Strom ermöglicht PoE eine kostengünstige Stromversorgung für eine Vielzahl von Geräten. Weitere Vorteile sind:
- Im Vergleich zu Wechselstrom kleinere Kabel- und Steckergrößen, wobei eine höhere Dichte ermöglicht wird.
- Kontinuierliche Überwachung des Stromkreises auf Fehler und andere Betriebsbedingungen.
- Niederspannungsverkabelung kann als Teil des ITC-Netzwerks für sicherere, kostengünstigere Installationen installiert werden
- Mehr Kontrolle und verbesserter Betrieb der Geräte für besseres Anlagenmanagement.
- Synergien zwischen Stromversorgung und Kommunikation ermöglichen eine intelligente Infrastruktur
- USV-Backup, was einen robusten und zuverlässigen Betrieb ermöglicht.
Ein PoE-System besteht aus dem Energieversorgungsgerät (PSE), das die Leistung liefert, und dem angetriebenen Gerät (PD), das die Leistung empfängt. Die PSE-Position innerhalb des Stromkreises bestimmt den Typ der PoE-Konfiguration. Normalerweise werden PoE-Lösungen als End-Span oder Mid-Span konzipiert.
In einer PoE-End-Span-Lösung ist das PSE normalerweise in den Ethernet-Switch-Port integriert. Es wird am Anfang der Verbindung platziert, wobei sich das mit Strom versorgte Gerät am anderen Ende befindet. Daher bewegt sich der Strom über die Länge des Stromkreises. Von einem Ende zum anderen: End-Span.
Zu den Vorteilen einer End-Span-Konfiguration gehört die einfache Verwaltung. Sie haben im Grunde ein Gerät zu verwalten: den Switch. Wenn dieser Switch Ihren PoE-Strombedarf nicht unterstützt, müssen Sie selbstverständlich entscheiden, ob Sie ihn ersetzen möchten oder nicht.
Ein weiterer wichtiger Vorteil von End-Span ist die Servicekontinuität im Falle eines Stromausfalls. Die meisten LAN-Switches integrieren heute eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Während eines Stromausfalls wird die USV eingeschaltet, um das End-Span-PSE zu versorgen und einen kontinuierlichen Betrieb sicherzustellen, bis die Stromversorgung wiederhergestellt ist.
Wie bereits erwähnt, verliert das Stromsignal, wenn es entlang der Verbindung fließt, an Energie. Für einige lange PoE-Hops kann ein End-Span-Design den Abstands- und Leistungsbedarf der Geräte, die Sie betreiben müssen, einfach nicht unterstützen. In diesem Fall ist ein Mid-Span-Design besser.
Wie der Name schon sagt, platziert ein Mid-Span-PoE das PSE irgendwo zwischen dem Ethernet-Switch und dem eingeschalteten Gerät. Dazu trennt es die Stromquelle vom Switch und erzeugt eine Stromeinspeisung, die in den Link gespleißt werden kann, ohne die vorhandenen Datensignale zu unterbrechen. Aus diesem Grund werden Mid-Spans häufig als PoE-Injektoren bezeichnet. Ein Mid-Span-PSE kann als eigenständige Stromquelle verwendet werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Stromversorgung von LAN-Geräten mit End-Span-PSE (oben) und Mid-Span (unten)
Eine Mid-Span-PoE-Lösung kann weiter in Single-Port-PoE-Injektor oder Multi-Port-Injektor unterteilt werden. Ein Single-Port-Injektor mit einem Anschluss wird verwendet, um ein einzelnes Gerät mit Strom zu versorgen. Er wird in Situationen bevorzugt, in denen es nicht genügend PoE-Geräte gibt, um die Kosten eines PoE-Switches zu rechtfertigen, oder wenn die Daten zuerst über eine große Entfernung (z. B. über Glasfaser) übertragen werden müssen, bevor sie wieder in Kupferkabel geleitet und dann mit PoE angewendet werden.
Der PoE-Injektor mit mehreren Ports (Mid-Span) wurde entwickelt, um Strom in ein bestehendes Ethernet-Netzwerk einzuspeisen, in dem der Ethernet-Switch keine PoE-Fähigkeit bietet. Die PoE-Injektorbox mit mehreren Anschlüssen befindet sich zwischen einem vorhandenen Ethernet-Switch und den PoE-Geräten.
Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung einer Mid-Span-Lösung im Vergleich zu einer End-Span-Lösung ist die Fähigkeit, Geräte zu betreiben, die sich weit vom Switch entfernt befinden. Mit Mid-Span können Sie auch die Switches behalten, die Sie haben, unabhängig von ihrer Fähigkeit, PoE zu unterstützen. Der Nachteil ist, dass Sie mit einer Mid-Span-Lösung ein zusätzliches Gerät, den Injektor, installieren und verwalten müssen, was Kosten und Ressourcen erhöht.
Die PDs befinden sich am Empfangsende des PoE-Verteilersystems und arbeiten mit Niederspannungsstrom. Viele PDs verfügen auch über einen integrierten PoE-Splitter, der die Leistungs- und Datensignale für die Umverteilung an andere Geräte trennt. Bei Verwendung in VoIP-, WLAN- und IP-Sicherheitsanwendungen kann ein PoE-System bis zu 50 % der Gesamtinstallationskosten einsparen, da keine separate elektrische Verdrahtung und Steckdosen installiert werden müssen.
Es gibt eine Vielzahl von strombetriebenen Geräten, die in Unternehmensnetzwerken eingesetzt werden. Mit der Einführung von PoE++ und seinen 90-Watt-Fähigkeiten wird die Liste schnell erweitert.
Abbildung 2: Wichtige Fortschritte in der PoE-Technologie und unterstützende Standards
Hier sind nur einige der Gerätetypen:
Drahtlose Zugangspunkte: Mit PoE-kompatiblen drahtlosen Zugangspunkten wird die Installation von Wi-Fi-Netzwerken zum Kinderspiel. Ziehen Sie einfach einen einzelnen Ethernet-Drop an den AP-Installationsort und verbinden Sie dann den AP an einem Ende und einen PoE-Switch am anderen Ende.
Netzwerk-Switches: Kleine PoE-betriebene Netzwerk-Switches sind ein voller Erfolg in Edge-of-Network-Installationen. Positionieren Sie sie in kleinen Racks oder Büros, in denen ein Installateur fünf oder sechs Geräte anschließen muss.
Sicherheitskameras und NVRs: Sicherheitskameras können PoE-betrieben sein, was die Installation erheblich vereinfacht, insbesondere an Orten, an denen die Stromversorgung schwer zugänglich ist. PoE+-Switches können selbst die leistungsstärksten PTZ-Kameras (Pan-Tilt-Zoom) mit Strom versorgen.
IP-Lautsprecher: IP-Lautsprecher sind eine neue Art von VoIP-Gerät, das am besten für Paging- und Benachrichtigungsanwendungen geeignet ist. Die digitale Verkabelung von PoE eignet sich perfekt für die Übertragung mehrerer Audioströme von hoher Qualität, und die flexible Verkabelung vereinfacht die Installation und den Systembetrieb.
IP-Telefonie: PoE-betriebene VoIP-Telefone sind nichts Neues, aber die Technologie entwickelt sich weiter und bietet fortschrittliche Konnektivität. Neben der vereinfachten Verkabelung bietet PoE den Vorteil, dass IT-Mitarbeiter Telefone, die zur Wiederherstellung der Funktionalität neu gestartet werden müssen, aus der Ferne aus- und wieder einschalten können.
Digitale Beschilderung und Anzeigetafeln: Digitale Beschilderung gewinnt an Beliebtheit und PoE ermöglicht es Installateuren, von diesem wachsenden Markt zu profitieren. Jetzt gehen PoE-betriebene digitale Displays mit hochinteraktiven und funktionelleren Funktionen und Leistung einen Schritt weiter.
Beleuchtung: Eine überraschende neue Anwendung für PoE ist die Beleuchtung. Es ist keine neue Idee, aber es gibt einige einzigartige LED-basierte PoE-Beleuchtungsprodukte.
Und vieles mehr: Es gibt eine Vielzahl anderer PoE-Geräte, darunter Tastaturen für die Zugangskontrolle, synchronisierte Uhren, Nachrichtentafeln, Video-Encoder zur Umwandlung herkömmlicher analoger Kameraausgänge in IP, Thin-Client-PCs und sehr viel mehr.
PoE-Anwendungen, Märkte und Trends
Laut dem Technologieforschungs- und Beratungsunternehmen The Building Services Research and Information Association (BSRIA) „werden weltweite PoE-Lieferungen voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von rund 11–13 % bis 2023 ansteigen und bis zum Ende des Zeitraums mehr als 180 Mio. verkaufte Ports pro Jahr erreichen.“2
Die breite Marktakzeptanz ist das Ergebnis eines perfekten Sturms, bei dem die fortschreitenden PoE-Fähigkeiten mit einer explosionsartigen Verbreitung von intelligenten Gebäuden und intelligenten Städten zusammenfallen. In ihrem Bericht stellt die BSRIA fest: „Das Wachstum des PoE-Einsatzes wird vor allem durch die Konvergenz mehrerer technologischer und gesellschaftspolitischer Trends angetrieben, darunter intelligentere Gebäude, höhere Energieeffizienz, größere Mobilität, der Aufschwung des IoT, Energie- und Bauvorschriften, die sogenannte Industrie 4.0 und die massive Einführung von LEDs.“
Abbildung 3
Der PoE-Markt kann in drei Hauptsegmente unterteilt werden, nämlich Gewerbe, Industrie und Wohnen. Der Großteil des Wachstums stammt aus gewerblichen und industriellen Anwendungen. Die wachsende Beliebtheit des Segments kommerzieller PoE-Geräte (Power-over-Ethernet) wird auf die steigende Nachfrage aus dem Einzelhandel, dem Gesundheitssektor und Bürogebäuden zurückgeführt. In jedem Sektor bietet PoE die gemeinsame Infrastruktur zur Unterstützung einer Vielzahl von strombetriebenen Geräten: VoIP-Telefone, Zugangskontrollsysteme, Beleuchtungssteuerungen, Alarme, Barcode-Scanner, RFID, Uhren, IP-Sicherheitskameras, Digital Signage Displays, Computermonitore, PoS-Terminals, Wireless Access Points, intelligente Gebäudesensoren, Gebäudezugangskontrolle, Brandmeldesysteme, AV-Systeme und mehr.
Tabelle 1: Beispiele für die Verbreitung von PoE-Geräten, die in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden
Unterdessen fügt das industrielle Internet der Dinge (IIoT) dem Wachstumspotenzial von PoE eine weitere bedeutende Dimension hinzu. Während Fertigungs-, Vertriebs- und Logistikunternehmen ihre Netzwerke bis in die Peripherie ausweiten, setzen sie riesige Mengen an Sensoren und Steuerungen mit geringer Leistung ein, um Verbesserungen in Bereichen wie Automatisierung, Qualitätskontrolle und Verarbeitung voranzutreiben. Laut einer Studie von Verified Markets Research, Inc. „wurde der Markt für industrielles Internet der Dinge (IIoT) mit 61.27 Mrd. USD 2018 bewertet und wird voraussichtlich 103.38 Mrd. USD bis 2026 erreichen, was einem Wachstum von 6.7 % von 2019 bis 2026 entspricht.“ Dieses Wachstum treibt die Einführung und Entwicklung von PoE weiter voran.
PoE-Anwendungen für Privathaushalte haben in letzter Zeit ebenfalls ein massives Wachstum verzeichnet, mit der stetigen Akzeptanz von IP-basierter Heimsicherheit, intelligenten Haushaltsgeräten, Automatisierungssteuerungen und mehr. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach mehr leistungsfähigen und vernetzten Geräten/Systemen wird der PoE-Markt voraussichtlich 2 Mrd. USD bis 20253 übersteigen.
Die Entwicklung von PoE: Standards, Typen und Klassen
Die Entwicklung der PoE-Technologie spiegelt die Entwicklung der unterstützten Geräte wider, von ihren Stromversorgungsgeräten mit Vorläuferstandard wie Telefonen über den ersten PoE-Standard 2003 bis zum neuesten IEEE 802.3bt-Standard4, der mindestens 71 Watt über strukturierte Verkabelung liefert. Es ist nicht ungewöhnlich, dass die Einführung verschiedener angeschlossener Geräte den Standards vorausgeht.
Tabelle 2: Operative Eigenschaften von PoE nach Standard, Typ und Klasse
IEEE 802.3af (2003): Dieser erste PoE-Standard, der einfach als PoE bekannt ist, lieferte bis zu 15.4 Watt Leistung unter Verwendung von zwei der vier Paaren in 10/100/1000BASE-T-Netzwerken. PoE-Lösungen, die diesen Standard erfüllten, werden auch als Typ 1 bezeichnet, da sie ursprünglich zur Unterstützung von Geräten mit geringer Leistung (15 W) entwickelt wurden. Zu den frühen Typ-1-Anwendungen gehörten IP-Uhren, VoIP-Telefone und einfache Sicherheitskameras.
IEEE 802.3at (2009): die zweite Generation von PoE (Typ 2) ist als PoE+ bekannt. Es erweiterte den IEEE802.3af-Standard, um PDs mehr Gleichstrom bereitzustellen. Der maximale PSE-Ausgang für Typ 2 PoE ist 30 W, mit einem minimalen PD-Eingang von 24.4 W. Dadurch ist PoE+ gut für Anwendungen wie LED-Beleuchtung mit höherer Leistung geeignet. PoE-Netzwerke, die dem Standard IEEE 802.3at entsprechen, sind auch abwärtskompatibel mit dem früheren Standard 802.3af.
IEEE 802.3bt (2018): PoE++ ist der aktuellste PoE-Standard und der erste, der die Verwendung aller vier verdrillten Paare* zur Unterstützung des 2.5G/5G/10GBASE-T-Netzwerks spezifiziert. Der Standard definiert zwei PoE-Typen, Typ 3 und Typ 4, die bis zu 60 W bzw. 100 W liefern. Der IEEE 802.3bt-Standard unterstützt ältere 10 Mbit/s, 100 Mbit/s und 1 Gbit/s sowie 2.5, 5 und 10 Gbit/s-Konnektivität. Es unterstützt auch die Leistungsskalierung zwischen Ethernet-Switches und angeschlossenen Geräten und sogar, dass ungenutzte Geräte aus der Ferne abgeschaltet werden können, um die Energieeffizienz zu erhöhen.
*2011 führte Cisco sein proprietäres Universal Power-over-Ethernet (UPoE) ein, das den IEEE 802.3at-Standard auf alle vier Kabelpaare erweitert, um bis zu 60 Watt Leistung zu liefern. Obwohl UPoE noch immer eine nicht standardisierte Technologie ist, wird sie in vielen Fällen immer noch verwendet.
Da die Anforderungen an strombetriebene und angeschlossene Geräte stetig gestiegen sind, ist es notwendig geworden, PoE-Anwendungen und -Lösungen basierend auf ihren Leistungsprofilen weiter zu klassifizieren. Die zwei wichtigsten Metriken, die bei der Kategorisierung von PoE zu berücksichtigen sind, sind die Menge an Leistung, die der PSE erzeugen kann, und die Mindestmenge an Leistung, die das PD für den Betrieb benötigt. Wie bereits erwähnt, wird das Gleichstromsignal vom PSE beim Durchqueren des Kupferleiters abgeleitet. Daher muss die Leistung des PSE die erforderliche Mindestleistung am PD um einen bestimmten Betrag überschreiten.
Auf Grundlage dieser Metriken hat die Branche acht verschiedene Leistungsklassen basierend auf PSE-Ausgang und PD-Eingang definiert. Abbildung 4 zeigt die Leistungsprofile für die Typen und Klassen verschiedener PoE. *
*Hinweis: Die vier Typen in Abbildung 4 beziehen sich auf die Entwicklungen in der PoE-Entwicklung, wie in den genehmigten Standards definiert. (Siehe Entwicklung der PoE-Standards oben.)
Abbildung 4: Typen und Klassen der PoE-Anwendung
Design und Bereitstellung der PoE-Verkabelung
Im letzten Jahrzehnt hat sich PoE zu einer wichtigen Antriebsstrategie entwickelt, die es Netzwerkverwaltern, Installateuren und Integratoren die Nutzung einer strukturierten Verkabelung ermöglicht, ihre Netzwerkgeräte sowohl mit Strom als auch mit Daten zu versorgen. Während die Möglichkeit, Niederspannungsstrom und -daten über dasselbe Kabel zu übertragen, die Bereitstellung und Verwaltung von PoE-Netzwerken erheblich vereinfachen könnte, kann es schwierig sein, sie so zu planen und zu gestalten, dass sie das beste Gleichgewicht zwischen Kosten, Leistung und Verwaltbarkeit erreichen. Ingenieure müssen mehrere Schlüsselvariablen berücksichtigen. Zu den wichtigsten Faktoren, die das effiziente Design und den Betrieb Ihres PoE-Netzwerks beeinflussen, gehören:
- Kanaltopologie: Kabeltrasseninfrastruktur
- Umgang mit thermischen Belastungen: Kabelbündelung, Abstände und Längen
- Auswahl von Kabeln und Steckern
Hinsichtlich der Kanaltopologie adressiert der vierpaarige PoE++-Standard die Stromverteilung an PDs über vorhandene Verkabelungstypen, die bis zu vier verdrillte Paare haben und bis zu 100 Meter lang sind. Detaillierte Informationen zu den verschiedenen Topologien zur Unterstützung von PoE mit vier Paaren finden Sie in ISO/IEC 11801 Generic Cabling for Customer Premises, ANSI/TIA-568-C.2 Balanced Twisted-Pair Telecommunications Cabling and Component Standard und in der CENELEC EN-50173Serie der generischen IT-Verkabelungssysteme.
Gemäß dem aktuellen Umfang der vierpaarigen PoE-Diskussion müssen alle Verkabelungen (mindestens) die Leistungsanforderungen für die Verkabelung der Kategorie 5e über einen 100-Meter-Kanal erfüllen, einschließlich eines Worst-Case-Szenarios von vier Verbindungen. Es ist zu beachten, dass die Verkabelung der Kategorie 5e nur das erforderliche Mindestmaß an Leistung bietet.
Es wird daher empfohlen, Verkabelung der Kategorie 6 oder Kategorie 6A zu verwenden, vorzugsweise Lösungen wie GigaSPEED® XL® von CommScope oder GigaSPEED X10D®, die auf Konformität mit der entsprechenden Kategorie oder Klasse gemäß den Normen ANSI/TIA-568 und ISO/IEC 11801 und CENELEC EN 50173 getestet wurden.
In einer traditionellen Netzwerkverkabelungstopologie werden PoE-Steckdosen direkt über horizontale Kabel mit dem Patchpanel im Telekommunikationsraum der Etage verbunden. Bei vielen Installationen mit PoE mit vier Paaren, insbesondere bei Neuinstallationen, kann ein Verkabelungsansatz, der als Universal Connectivity Grid (UCG) bekannt ist, eine einfachere Kabelführung und mehr Flexibilität bieten.
Mit den UCG-Designkonzepten kann die einfache Anpassung von Verlagerungen, Ergänzungen und Änderungen durch einfache Verbindung des PD mit einem Zonenverteiler Arbeits- und Materialeinsparungen erzielen, wodurch die anfänglichen Investitionskosten und die laufenden Betriebskosten gesenkt werden. Die Normen TIA-862-B, CENELEC EN 50173-6 und der ISO/IEC-Entwurf 11801-6 beschreiben ein ähnliches Designkonzept. Beide konzentrieren sich auf nicht benutzerspezifische Anwendungen, von denen viele PoE verwenden.
Das UCG-Modell, wie in Abbildung 5 gezeigt, verwendet Kabelführungen vom Geräteraum zu bestimmten „Gebäudezonen“. Ein Konsolidierungspunkt (CP) innerhalb jeder Zone ermöglicht die Installation einer festen Verkabelung bis zum CP; die Drop-Verkabelung verläuft dann für jeden PD vom CP zum Ausgang. Dieser Ansatz bietet zusätzliche Flexibilität bei der Verkabelung vom CP zum ersten TO in jeder Zelle sowie bei Bedarf Ersatzkapazität für zusätzliche TOs.
Diese Strategie ist ideal für Neuinstallationen und kann auch bei Nachrüstungsinstallationen hilfreich sein, bei denen gut platzierte CPs es ermöglichen, lange Kabelbündel aus dem Telekommunikationsraum in schwierigen Pfaden zu befestigen. Sobald die feste Verkabelung vorhanden ist, haben Installateure mehr Flexibilität beim Betrieb und Wechsel des Verlängerungskabels vom CP zum TO, der die PDs für Daten und intelligente Gebäudeausrüstung bedient.
Hilfreiche Branchenstandards
Beachten Sie die folgenden Standards für Anleitungen zum Entwerfen und Bereitstellen von PoE-Netzwerken.
TIA TSB 184-A Guidelines for Supporting Power Delivery Over Balanced Twisted-Pair Cabling
ISO/IEC TS 29125 Information Technology—Telecommunications Cabling Requirements For Remote Powering Of Terminal Equipment
CENELEC CLC/TR 50174-99-1 Information technology—Cabling installation—Part 99-1: Fernspeisung
NEC NFPA 70 Code E TIA 569-2 Additional pathway and space considerations for supporting remote powering over balanced twisted-pair cabling
ISO/IEC 14763-2 revision including remote power planning and installation (in development)
Abbildung 5: Zonenverkabelung mit Konsolidierungspunkten
Um die Kühlkosten zu minimieren und die Lebensdauer der Verkabelungsinfrastruktur zu maximieren, ist es wichtig, die thermische Belastung der Verkabelung zu berücksichtigen. Wenn eine ausgeglichene Verkabelung mit Fernstrom versorgt wird, steigt die Temperatur der Verkabelung aufgrund der Wärmeerzeugung in den Kupferleitern. Mehr Strom bedeutet mehr Wärme, und das begrenzt die Anzahl der zulässigen Kabelführungen in einem einzigen Bündel. Auch längere Strecken bedeuten einen größeren kumulativen Widerstand, was die Temperatur weiter erhöht.
Abbildung 6 veranschaulicht die Worst-Case-Beziehung zwischen Strom (ausgedrückt in Milliampere) und der thermischen Last auf Drahtpaaren unterschiedlicher Kategorien innerhalb eines 37er-Kabelbündels.
Der vierpaarige PoE-Standard IEEE 802.3bt geht von einem maximalen Temperaturanstieg von 10 °C aus, wenn alle vier Paare unter Spannung stehen. Bei Verkabelungen mit einem Betriebstemperaturbereich von -20 °C bis 60 °C sollte die Umgebungstemperatur nicht über 50 °C liegen. Die Verwendung eines Kabels höherer Kategorie mit geringerem Widerstand und verbesserter Wärmeableitung ist eine Möglichkeit, den Temperaturanstieg zu reduzieren.
Abbildung 6: Auswirkungen des Stroms auf die Kabeltemperatur
Zwei weitere wichtige Variablen, die zu einer hohen thermischen Belastung beitragen, sind Größe und Abstand jedes Kabelbündels. Die Kabelinstallationsnormen ISO/IEC 14763-2, ISO/IEC TR 29125, CENELEC TR 50174-99-1 und TIA-TSB-184-A empfehlen Kabelbündel mit 24 Kabeln oder weniger, um Worst-Case-Bedingungen in Bezug auf Leiterstärke, Stromversorgung und Installationsbedingungen zu ermöglichen. Basierend auf umfangreichen Modellierungs- und Messarbeiten, die während der Entwicklung von CENELEC TR 50174-99-01 und TIA TSB 184-A durchgeführt wurden, ist die empfohlene Bündelgröße 24 Kabel.
Eine Bündelgröße von 24 Kabeln ist eine Empfehlung aus den geltenden Normen und nicht eine Anforderung, sollte aber als allgemeine Faustregel befolgt werden. Es kann manchmal sein, dass höhere Bündelgrößen gebraucht werden; ein qualifizierter Konstrukteur/Installateur kann die notwendige Evaluierung durchführen, um festzustellen, ob eine Bündelgröße irgendein Überhitzen verursachen wird. Die Tabellen in den zutreffenden Verkabelungsstandards TIA, ISO/IEC und CENELEC zur Implementierung von Fernspeisung bieten einen Mechanismus zum Prüfen, ob eine Bündelgröße einer bestimmten Kabelkategorie akzeptabel ist. Die Kabelbündelgröße ist akzeptabel für eine gegebene Umgebungstemperatur und Installationsbedingung, wenn der Strom pro Paar größer als der Maximalstrom an dem PoE-Anschluss ist.
Um den maximalen Strom zu bestimmen, der die Nenntemperatur eines Kabels mit einer Nenntemperatur von 60 °C nicht überschreitet, kann ein Konstrukteur/Installateur auf die Informationen in Tabelle 3 unten verweisen. Wenn zum Beispiel ein 61-Kabel-Bündel der Kategorie 6A in 45 °C Umgebungstemperatur installiert ist, beträgt der maximale Strom 1.162 Ampere in Luft und 1.008 Ampere in Leitung, was den maximalen Strom von 0.96 übersteigt, den IEEE 802.3bt-Geräte beziehen. Daher kann das 61-Kabel-Bündel der Kategorie 6A alle IEEE 802.3 PoE-Anwendungen bei 45 °C Umgebungstemperatur problemlos unterstützen. Zusätzlich muss darauf hingewiesen werden, dass diese Stromkapazitäten in IEEE 802.3bt für eine Schlimmstfall-24-AWG-Verkabelung von 100 Metern mit einem Schleifenwiderstand von 25 Ohm sind. Mit leistungsstärkeren Kabeln können die Bündelgrößen oft über kürzere Abstände erhöht und die Größe der Anzeige reduziert werden. Als Referenz verwendet Kategorie 6A einen 23 AWG-Leiter.
Kleinere Bündel können helfen, die thermische Belastung zu reduzieren
Tabelle 3: Stromkapazität pro Paar bei einer Umgebungstemperatur von 45˚ C für eine Kabelkategorie gegenüber Anzahl von Kabeln in Bündel für Standardkabeleinstufung auf 60˚ C
Es sollte auch beachtet werden, dass angesichts der höheren Leistungspegel im Zusammenhang mit vierpaarigem PoE (4PPoE) eine spezifische Verkabelungsinfrastruktur und Kabelbündel verwaltet werden sollten, um eine angemessene Wärmeableitung zu gewährleisten. Die Installation im Kabelkanal degradiert z. B. die thermische Leistung mit einem höheren Temperaturanstieg als Installation im Freien. Die Installation im Kabelkanal muss auf die Bereiche beschränkt werden, die von den örtlichen Behörden mit Gerichtsbarkeit (Authority Having Jurisdiction, AHJ) vorgeschrieben sind, wobei eine maximale Fülle von 40 % und maximale Bündelgrößen von 24 Kabel pro Bündel verwendet werden.
Der Abstand zwischen den Bündeln in den Bahnen beeinflusst auch die gesamte thermische Last auf allen Bündeln. Während der Labortests beobachteten die CommScope-Ingenieure Folgendes:
- Wenn Bündel um das 0,3-fache des gebündelten Durchmessers getrennt werden, erwärmen sie sich wie ein einzelnes Bündel.
- Ein einzelnes 24-Kabel-Paket mit SYSTIMAX® GigaSPEED X10D heizt sich unter Spannung 5 °C auf, während fünf 24-Kabel-Pakete mit SYSTIMAX GigaSPEED X10D sich um 14 °C erwärmen.
- Wenn die fünf 24-Kabelbündel ohne Luftspalt nebeneinander angeordnet sind, erwärmen sie sich jeweils um 14 °C. Durch den Abstand der gleichen Bündel um das 0,66-Fache des Bündeldurchmessers wurde der Temperaturanstieg auf 10 °C begrenzt.
- Als die Anzahl der 24-Kabelbündel auf neun erhöht und ohne Luftspalt zwischen ihnen angeordnet wurde, ergab sich ein Temperaturanstieg von 22 °C Durch den Abstand der gleichen Bündel um das 0,84-Fache des Bündeldurchmessers wurde der Temperaturanstieg auf 19 °C begrenzt.
Faktoren, die die thermische Belastung beeinflussen
Wie Tabelle 4 zeigt, steigt mit zunehmender Kanallänge auch die Betriebstemperatur. Wenn die Betriebstemperaturen 20 °C überschreiten, kann die thermische Last durch Verkürzung der Kanallänge reduziert werden. Bei der Planung des PoE-Netzwerks empfiehlt CommScope, sicherzustellen, dass permanente Verbindungen 90 Meter nicht überschreiten. Die Leistung des Kabelkanals und die Referenzimplementierung mit 90 Metern fester Verkabelung plus 10 Metern Kabel basieren auf der Betriebstemperatur von 20 °C.
Dieses Modell nimmt dieselbe Temperatur entlang der gesamten Länge der Verkabelung an. Bei Bedarf kann die Temperatur für jedes Kabelsegment entsprechend der spezifischen Umgebungstemperatur und Bündelgröße berechnet werden.
Da eine erhöhte thermische Belastung auch den Einfügungsverlust erhöhen kann, empfiehlt CommScope auch, die maximale Kabellänge für höhere Temperaturen zu verringern. Dies entspricht ANSI/TIA-568-C.2 Balanced Twisted-Pair Telecommunications Cabling and Component Standard oder alternativ den Normen ISO/IEC 11801 oder CENELEC EN 50173.
Tabelle 4: Technologieunabhängige Kanallänge vs. Temperatur
Der maximale Dauerausgangsstrom vom PSE im Normalmodus, über ein Paar oder 480 Milliampere (mA) pro Leiter, beträgt 1920 mA. Dies stellt den maximal zulässigen Strom für den 802.3bt-Standard dar. Die von Ihnen gewählte Verkabelungslösung sollte diese Anforderung erfüllen oder übertreffen.
CommScope-Verkabelungssysteme gehen noch einen Schritt weiter, da sie garantiert alle Implementierungen unterstützen, die in allen IEEE PoE-Standards definiert sind. Obwohl nicht standardisiert, wird auch die UPoE-Implementierung von Cisco unterstützt. IEEE 802.3 PoE und UPoE von Cisco sind durch das CommScope Extended Product Warranty and Application Assurance Program abgedeckt, wenn sie in einer zertifizierten CommScope-Installation eingesetzt werden, die den relevanten Design- und Installationsrichtlinien entspricht.
Tabelle 5: Aktuelle Kapazität pro Paar bei 45 °C Umgebungstemperatur für eine Kabelkategorie im Vergleich zur Anzahl der Kabel im Bündel
CommScope empfiehlt, ein Kabel der Kategorie 6A einzusetzen, insbesondere für PoE-Anwendungen mit vier Paaren, und zwei Kabelführungen pro angeschlossenem Gerät einzuschließen. Dies gewährleistet maximale Spielraum für zukünftiges Wachstum und verdoppelt die Anzahl der zukünftig verfügbaren Zonenverteilungen. Es ist technisch einfach, die Wahl der Kategorie 6A für PoE-Zwecke zu rechtfertigen. Je höher die Kategorie, desto höher sind die unterstützten Ströme und, wie zuvor gesehen, eine bessere Beständigkeit gegenüber der Erwärmung des Bündels, sodass es auf langen Strecken besser funktioniert.
Wenn Stecker unter Last getrennt werden, entsteht ein induktiver Strom innerhalb des Steckers, der an einer oder mehreren Kontaktflächen funkeln kann, wodurch die Oberflächen korrodieren. Wenn die Anschlüsse getrennt sind, kann die Lichtbogenbildung die Kommunikation über die Verbindungshardware verschlechtern. EN 60512-99-001 und IEC 60512-99-002 stellen Prüfnormen zur Beurteilung der möglichen Schäden durch Trennung unter Last bereit.
Durch die Gestaltung des Kontaktbereichs außerhalb des Lichtbogenbereichs, wie in der Abbildung 7 gezeigt, beeinflusst der Lichtbogen den kritischen Kontaktbereich nicht. Somit können die Steckdosen die IEEE 802.3bt 4PPoE-Anwendungen zuverlässig unterstützen.
Abbildung 7: Das CommScope-Lead-Frame-Design hält den Lichtbogenbereich sicher vom Kontaktbereich fern
Im Gegensatz zu der landläufigen Meinung benötigen Wireless-Netzwerke Kabel. In letzter Zeit hat sich die Verkabelung zur Unterstützung drahtloser Anwendungen erheblich verbessert. Die heutige Kategorie 6A wird schnell zum Standard für neue Wireless- und Wi-Fi-Systeme im Gebäude. Kategorie 6A lässt sich gut mit der 10GBASE-T-LAN-Technologie und Remote-Stromversorgung kombinieren. Außerdem unterstützt es Multi-Operator-, Multi-Technologie-Abdeckungs- und Kapazitätslösungen.
Welche Kategorie? Wie viele Kabel pro AP?
Wie bereits erwähnt, wird Kategorie 6A aufgrund seiner höheren Bandbreite und der höheren Leistungsfähigkeit gegenüber einer niedrigeren Kategorie bevorzugt. Wenn Sie sich für ein Ethernet der niedrigeren Kategorie entscheiden, besteht das Risiko, dass Sie Ihre Verkabelung in wenigen Jahren ersetzen müssen, falls Ihr Strombedarf steigt.
Die heutigen 802.11ax Access Points (Wi-Fi6) können eine maximale Geschwindigkeit von 6.77 Gbit/s aufweisen. Um diese Geschwindigkeit zu unterstützen, ist eine 10GBASE-T-Verbindung erforderlich. Die Empfehlung von CommScope (sowie BICSIs) ist die Bereitstellung von zwei Kabeln der Kategorie 6A pro AP. Dadurch wird sichergestellt, dass zukünftiges Wachstum oder neue, leistungsfähigere AP-Geräte unterstützt werden können, sobald sie verfügbar werden. ISO/IEC 11801-6 und ANSI/TIA 162-A empfehlen außerdem zwei Kabel der Kategorie 6A pro Wi-Fi AP-Zone.
Abbildung 8: RUCKUS® R850 Zugangspunkt
Überwachung der PoE-Verteilung über die strukturierte Verkabelung.
Wie wir gesehen haben, legen die Verkabelungsstandards in TIA, ISO/IEC und CENELEC empfohlene Kabelbündelgrößen basierend auf Umgebung und Kabelkategorien fest. Anhang 1 der ISO/IEC 18598 (AIM-Norm) befasst sich mit der Notwendigkeit, die Kabelbündelgrößen und die Leistungspegel jedes Kabels im Bündel zu dokumentieren.
Ein automatisiertes Infrastruktur-Management-System (AIM) wie die imVision®-Lösung von CommScope kann eine solche Aufzeichnung automatisieren und so sicherstellen, dass standardkonforme Designs dokumentiert werden. Dies geschieht durch die Korrelation des Echtzeit-Schaltstromverbrauchs pro Port mit der Kabelbündelgröße und dem Kabeltyp, wie in Abbildung 9 dargestellt.
Abbildung 9: Dokumentation von Paketgrößen und Leistungsstufen mit der automatisierten Infrastrukturmanagementlösung von imVision
Die Anzahl der Kabel in einem Paket ist eine statische Zahl; der Status des PoE und der Datenverkabelung ändert sich jedoch. Dies ist auf die dynamische Art der Verbindung zwischen Switch- und Panel-Ports zurückzuführen. Bei jeder Änderung der Konnektivität aktualisiert das imVision-System automatisch den Kabelstatus innerhalb eines Kabelbündels und bietet so eine Echtzeitansicht des PoE-Status jedes Kabelbündels.
Die meisten Richtlinien in Verkabelungsstandards definieren eine maximale Kabelbündelgröße, die auf dem anspruchsvollsten Szenario basiert, bei dem alle Kabel in einem Bündel PoE-Strom der Klasse 8 (90 Watt) liefern, wie im Standard IEEE 802.3bt definiert.
In der Praxis kann jedoch nicht jedes Kabel in einem Bündel unter Spannung stehen, oder, wenn es unter Spannung steht, dann möglicherweise nicht in der Höhe des Stroms der PoE-Klasse 8. imVision überwacht automatisch den PoE-Status jedes Kabels innerhalb eines Bündels in Echtzeit (Abb. 10), sodass die Bündelgröße nicht durch die maximale Größe gemäß den Richtlinien eingeschränkt werden muss. Stattdessen bietet imVision die Flexibilität, die für die jeweilige Installation geeignete Bündelgröße zu verwenden.
ImVision bietet auch ein einzigartiges standardbasiertes Management von Kabelbündelgrößen, das mit der Entwicklung von PoE-Standards mit höherer Leistung immer wichtiger wird. Die Vorteile der PoE-Überwachung, -Aufzeichnung und -Dokumentation werden immer wichtiger, da sowohl die Anzahl als auch die Art der PoE-fähigen Geräte im Unternehmen weiter zunimmt. Dafür sind mehrere Faktoren verantwortlich, darunter:
- der 4PPoE-Standard (IEEE P802.3bt) liefert bis zu 90 Watt an Endgeräte;
- die Konvergenz von IT und Anlagennetzwerken auf einer gemeinsamen IP-/Ethernet-Plattform;
- das Internet der Dinge (IoT) und sein ständig wachsendes Ökosystem von verbundenen Geräten.
Abbildung 10: imVision zeigt den PoE-Zustand jedes Kabels in einem Paket in Echtzeit an
In seinem F&E-Labor in Greensboro, NC, testet CommScope PoE-Anwendungen der nächsten Generation, um die Leistung und Sicherheit der strukturierten Verkabelungssysteme zu überprüfen, die sie unterstützen. Besonders wird dabei ihre thermische Leistung unter verschiedenen realen Installationsbedingungen untersucht. Darüber hinaus veranstaltet das Labor in Zusammenarbeit mit Ökosystempartnern Demonstrationen von PoE-Anwendungen der nächsten Generation, wie hochauflösende Sicherheitskameras, drahtlose Systeme im Gebäude und digitale Beschilderung.
Das neue Labor von CommScope wurde eröffnet, als das Institute of Electrical and Electronics Engineers den neuen vierpaarigen PoE-Standard (4PPoE) namens IEEE 802.3bt genehmigte, der Geräteanschlüsse mit höherer Leistung von bis zu etwa 90 Watt an den Stromquellengeräten ermöglicht. Da PoE-Switches mehr Leistung liefern können, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Auswirkungen einer Vielzahl von Installationsbedingungen auf die strukturierte Verkabelung zu überprüfen. Zu den neuen PoE-Anwendungen, die getestet werden können, gehören:
- High-Tech-Sicherheitskameras mit erweiterten Funktionen wie Zoom und Gesichtserkennung.
- PoE-gestützte Computer, Thin-Client-Geräte und digitale Beschilderung.
- Drahtlose Gebäudelösungen.
- LED-Beleuchtungssysteme.
- Gebäudemanagementsysteme mit Sicherheit, Beleuchtung, HLK-Steuerung, Wireless-Gebäudelösungen und Zugangskontrolle.
- IoT-Netzwerke.
Während der gesamten Entwicklung des neuen IEEE-Standards hat CommScope die Testergebnisse mit den Normungsgremien über die theoretischen Herausforderungen bei der neuen höheren Leistungsabgabe geteilt. Als erstes testet CommScope in seinem neuen Labor Geräte von Cisco, Signify (ehemals Philips Lighting) und Thinlabs. Der Zweck ist es, ein Smart Office-Szenario mit Beleuchtung, Sicherheitskameras und LAN-Switches zu demonstrieren, die über 4PPoE an der SYSTIMAX-Verkabelung angeschlossen sind. CommScope-Ingenieure analysieren die Wärmeemissionen des Kabels unter realen Bedingungen mit Kabeln, die in Decken und Wänden installiert werden, während sie Hochleistungsanwendungen ausführen.
Video: CommScope eröffnet Power-over-Ethernet-Labor
Testgeräte im PoE-Labor von CommScope
Fazit
Die jüngste Einführung neuer Konnektivitätsoptionen wie Wi-Fi 6, 5G, gemeinsames Spektrum und mehr hat dazu beigetragen, die Bereitstellung von konvergierten IoT- und OT-Edge-Geräten wie IP-Sicherheitskameras, LED-Beleuchtung und 4K/HD-Digital Signage zu erhöhen. Weitere Edge-Geräte sind Verkaufsstellen, intelligente Gebäudemanagementsysteme und Sensoren wie Zugangskontrollen (intelligente Schlösser), Ortungsdienste, Branderkennung und Evakuierung. Inzwischen beginnen auch 5G-fähige Systeme für das intelligente Zuhause auf dem Markt Fuß zu fassen. Aufgrund ihrer Effizienz, Vielseitigkeit und Sicherheit ist Power-over-Ethernet (PoE) die bevorzugte Technologie für die Stromversorgung dieser angeschlossenen Edge-Geräte, drahtlosen Zugangspunkte und mehr.
Der neueste 802.3bt-Power-over-Ethernet-Standard (auch bekannt als Four-Pair-PoE oder einfach 4PPoE) bietet Unterstützung für volle 90 Watt, die über eine Verkabelung der Kategorie 6A geliefert werden können. Auch wenn ältere drahtlose Zugangspunkte (APs) in der Regel nur wenig Strom verbrauchen, benötigen einige neuere APs mehr Strom, um alle ihre Funkgeräte zu betreiben und die über ihre USB-Anschlüsse angeschlossenen Geräte mit Strom zu versorgen. Es wird erwartet, dass die Anzahl der PoE-fähigen Edge-Geräte wie HD/4K-Digital Signage, PTZ-Kameras (Schwenken, Neigen und Zoomen) und intelligente LED-Beleuchtung in den kommenden Jahren weiter zunehmen wird.
PoE wird wahrscheinlich auch als immer wichtiger als eine stabile Backup-Stromquelle für konvergente Edge-Geräte angesehen, bei denen die Betriebszeit entscheidend ist. Beispielsweise kann eine HD-Kamera Daten an mehrere Anwendungen, wie Sicherheitssysteme, Personenzählung, Maschinenlernanalyse (ML) und Belegungssensoren, weiterleiten. Durch die Kombination und Zentralisierung von Strom und Daten am Netzwerk-Switch mit dedizierten Stromkreisen vereinfacht und automatisiert PoE die Fehlerbehebung und Verwaltung.
Doch selbst wenn es die Netzwerkinfrastruktur vereinfacht und rationalisiert, ist die Entwicklung eines PoE-Netzwerks, das die beste Balance zwischen Leistung, Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit bietet, alles andere als einfach.
In den vorhergehenden Kapiteln haben wir einen Überblick über einige der wichtigsten Konzepte und Überlegungen gegeben, die Sie bei der Entwicklung, dem Ausbau und der Integration Ihres PoE-Systems in das breitere Unternehmensnetzwerk berücksichtigen sollten. Zugegeben, diese Übersicht ist allgemein gehalten. Wir hoffen, dass Sie die Links zu anderen Assets nutzen werden, die Ihnen einen tieferen Einblick in bestimmte Themen gewähren.
Und wie immer sind Sie nie allein; CommScope ist hier, um Sie zu unterstützen und zu beraten. Wir helfen Ihnen bei der Planung und Vorbereitung auf das, was als Nächstes kommt.
Die Grundlagen für einen neuen PoE-Standard schaffen
Ein Überblick über die PoE-Technologie, der den Stand der Standardisierungsbemühungen sowie die Schlüsselrichtlinien und -empfehlungen erläutert, die gewährleisten, dass Ihre Verkabelungsinfrastruktur PoE unterstützen kann.
1 IEEE 802.3bt-2018 – IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs
2 BSRIA Expects Fast Growth on Power over Ethernet Applications
3 Global PoE Solutions Market Size to exceed $2bn by 2025; Global Market Insights, Inc.; Mai 2019
4 IEEE 802.3bt-2018 – IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs
Was bestimmt die Zukunft von PoE?
Power over Ethernet-Fortschritte gehen über leistungsstärkere Netzwerk-Switches hinaus und unterstützen Wireless-Gebäudelösungen. Erfahren Sie, was die Zukunft Ihres Netzwerks in Bezug auf PoE bringen wird.