Power over Ethernet (PoE)

Stromversorgung über das Ethernetkabel - Ein Mehrfachvorteil

Lassen Sie sich an Hand dieses Artikels erläutern, warum Power over Ethernet nicht nur anstehende gesetzliche Änderungen, die jeden Verbraucher betreffen, auf einfache Weise umsetzen lässt, sondern auch aus wirtschaftlichen Gründen als eine Lösung der Zukunft gilt. Dank ROI-Zeiten von <12 Monaten wird nicht nur zum Umweltschutz und einem besseren Umgang mit der Ressource Energie beigetragen sondern auch der Geldbeutel des Unternehmens geschont. Für die, wie bei jeder Technik, kleineren Problemchen stehen Ihnen unsere Spezialisten mit Rat und Tat zur Seite.

Power-over-Ethernet ist nichts grundsätzlich Neues. Einhergehend mit dem Bedarf, den Verkabelungsaufwand, z.B. in denkmalgeschützten Gebäuden durch den Einsatz von Wireless LAN zu minimieren wurden auch Techniken entwickelt, die strukturierte IT-Verkabelung für verschiedene Zwecke zu verwenden. Egal ob für digitales Telefon oder Ethernet, von den 8 Adern wurden nur 4 benutzt. Die Doppelbelegung mit zwei Endgeräten pro Kabel bildete dabei, als nicht mit den einschlägigen Standards konform, die eher seltene Nutzung. Eine Verwendung der Datenleitung zur gleichzeitigen Stromversorgung der Endgeräte war dagegen nicht ausgeschlossen.

Also wurden folgerichtig erste Produkte entwickelt, bei denen auf der Verteilerseite der Strom über einen sog. Injektor ein- und auf der Endgeräteseite der Strom über einen sog. Splitter ausgekoppelt wurde. In der Praxis bürgerte sich der Begriff „Aktive 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 typischerweise auf proprietäre Lösungen des gleichen Herstellers zurückgreifen. Eine Verwechslung hatte nicht selten abgebrannte Eingangsschaltkreise zur Folge.

Den Durchbruch brachte dann die Entwicklung des Standards 802.3af, finalisiert seit Juni 2003, mit dem u.a. die Spannung und die max. Strombelastung definiert wurde. Da dem Verbraucher nichts zweifelsfrei bekannt sein muss, dass auf der Versorgungsseite eine PoE Einspeisung vorhanden ist, und durch Verwendung z.B. eines ISDN-Endgerätes dieses durch den PoE-Strom beschädigt werden könnte, wurde ein Schutzmechanismus implementiert, das Resistive Power Discovery Verfahren. Sobald der PoE Versorger den Anschluss irgendeines Endgerätes erkennt, gibt er mehrfach einen minimalen Strom bei max. 10 Volt auf die Adern, der keinen Verbraucher schädigt. Die PoE-Implementierung des Endgerätes muss nach Standard einen Abschlußwiderstand von 15 bis 33 kOhm implementiert haben, welcher 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 bis 57 Volt (typ 48 Volt) zur Verfügung. Erst jetzt nimmt der Verbraucher den tatsächlichen Betrieb auf.

Die zulässigen Werte eines PoE-Verbrauchers liegen bei max. 350 mA im Dauerbetrieb, während der Einschaltphase sind max. 400 mA erlaubt. Bei 48 Volt ergibt dies 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. Wireless Accesspoints, Bluetooth-Devices, IP-Kameras, IP-Telefone aber auch Hubs und sogar kleine Server versorgt werden.

Worin liegen nun die Vorteile ?

1) Einsparung doppelter Verkabelung

Nachdem wir hier von IP-Geräten ausgehen, benötigen diese systembedingt das Ethernetkabel. Durch die Nutzung von PoE entfällt der Netzanschluss. Trotz steigender Rohstoffpreise ist die reine Materialersparnis an 230 Volt Kabeln erst bei größeren Distanzen ein realer Faktor. Allerdings wird für Arbeiten am Stromnetz ein Elektriker benötigt, den Anschluss über das Ethernetkabel 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´n´Play“. Wird die PoE Versorgung nachträglich implementiert, reichen per Port ein zusätzliches Patchkabel und der PoE-Verteiler. An der Verkabelung selbst sind keinerlei Änderungen erforderlich. Wird bei der Neuinstallation gleich PoE mit eingeplant, können die PoE-Verteiler das sonst übliche TP-Patchfeld ersetzen, ansonsten sind dafür per 24 Port 1 HE oder 2 HE Platzbedarf notwendig. Die Längenrestriktionen 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 auch der Endgeräte. Wer ein entsprechendes Not-Konzept bereits geplant und implementiert hat, wird die Zusatzkosten für eine zentrale, zentral versorgte oder dezentrale USV speziell durch die Verlegung zusätzlicher Stromkreise und den Einbau einer zweiten Reihe von Versorgungsdosen als nicht unerheblich kennen. Dabei kommt es in der Praxis aber trotzdem immer wieder zum Ausfall, da gerade das zu schützende Endgerät, in Unkenntnis oder wegen mangelnder Sorgfalt, an die falsche Dose angeschlossen wurde. Oder es werden an den USV-Kreis Verbraucher angeschlossen, die dafür nicht vorgesehen waren und durch den erhöhten Verbrauch wird die geplante Überbrückungszeit nicht erreicht, das Gesamtkonzept gescheitert.

Bei der Notstromversorgung über PoE werden im Verteiler die PoE-Versorger mit an die USV Anlage angeschlossen. Zusätzliche Verkabelung entfallen. Die Wartung der USV erfolgt zentral und somit kostengünstig. Sollen einzelne Ports, und somit einzelne Endgeräte, unterschiedlich gehandelt werden, kommen managbare PoE-Geräte zum Einsatz. Über intelligentes Software-Management können sogar die Endgeräte anhand der IP- oder MAC-Adresse erkannt und integriert oder ausgeschlossen werden.

3) Stromeinsparung durch und über Management

Energieeffizienz und die damit einhergehende Verminderung des Kohlendioxid-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, bestimmte Effizienzkoeffizienten beim Stromverbrauch von Netzteilen zu erreichen. Wer hierbei die energiepolitischen Diskussionen anderen überlässt und darauf setzt, dass Ressourcenschonung durch Stromsparen schon von den Herstellern umgesetzt werden wird, vergisst, dass er die Rechnung in Euro und Cent zahlen muss, die Strom- und Betriebskostenrechnung.

Dabei ist Stromsparen wirklich einfach und im doppelten Sinn Sache des Managements. Einerseits des Betriebsmanagements, eine durch ROI-Berechnung gestützte Entscheidung für die Umsetzung zu treffen und anderseits des IT-Managements, die Realisierung per Endgerät vorzunehmen. Zum Einsatz kommen dabei managbare PoE-Geräte, bei denen über SNMP eine zielgerichteter Eingriff in das System erfolgt und die Verbraucher zu- oder abgeschaltet werden. Denn warum sollte ein Geräte noch mit Strom versorgt werden, wenn der Benutzer schon längst seinen Arbeitsplatz verlassen hat ? Andererseits sollen natürlich Sonderfunktionen, Notfalleinrichtungen und –geräte oder Überwachungseinrichtungen weiter arbeiten. In intelligenten Systemen stehen dafür Funktionen wie Remote-On/Off, zeitgesteuerte An- und Abschaltung und ein webbasiertes 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 mittleren Firma mit 50 Verbrauchern, z.B. 40 Voice Endgeräten und 10 WLAN-Accesspoints, 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 per Tag oder > 3800 kWh per Jahr. Wird am Wochenende und den Feiertagen nicht gearbeitet kommen nochmals ca. 60*10 Stunden hinzu = 450 kWh. In Summe gerundet 4300 kWh bei 20 Cent incl. Abgaben sind das 850 Euro per Jahr. Somit amortisiert sich das PoE-Investment bereits innerhalb des ersten Jahres vollständig. PoE-Versorger gibt es übrigens auch bereits als 1-Port-Versionen.

Neue Entwicklungen – 802.3at

Aus den vorangegangenen Überlegungen abgeleitet hat sich im Markt ein Bedarf nach PoE-Devices für weitere Anwendungsfälle abgezeichnet. Hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeiten sollen auch Endgeräte mit Gigabit-Ethernet-Interface genutzt werden können. Obwohl bei GE alle 8 Leitungen benutzt werden, ermöglicht der PoE Standard die Umsetzung. Hierbei werden die Ethernet-Daten und der Strom überlagert übertragen. Auch hier gelten keinerlei Einschränkungen hinsichtlich Anwendung etc..

Um PoE auch bei Geräten mit erhöhtem Leistungsbedarf anschließen zu können, wurde der Standard 802.3at definiert, welcher zwar aktuell noch nicht final abgeschlossen wurde, aber bereits seit längerem in Geräten erfolgreich umgesetzt wird. Die festgelegten Maximalwerte liegen bei einer Leistung von 32 Watt und somit über dem doppelten der 802.3af Norm. Typische Endgeräte die diese Leistung benötigen sind Accesspoints nach 802.11n, GE-Devices, IP-Kameras mit erweiterten Funktionen wie Zoom, motorischer Antrieb, Farbe, WiMax-Funkstationen, Thin Clients, Videotelefone und einige mehr.

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

PoE in Ethernetswitchen integriert

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

Welche dieser Lösungen ist nun als die Bessere zu betrachten. Glaubt man den Herstellern…….. Wägen wir lieber Vor- und Nachteile ab:

Pro End-Span spricht, dass

- kein zusätzliches Patchkabel benötigt wird. Allerdings sind die Kosten für ein 0,5m 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.

Pro Mid-Span spricht, dass

- in typischen Umgebungen nur eine Teilmenge an Ethernet-Ports PoE benötigen. Somit müssen auch nur die Ports angeschafft werden, die benötigt werden.
- der Preisunterschied von Switches mit und ohne PoE derart hoch ausfällt, dass Mid-Spans in gleicher Portzahl etwa nur 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 Device einfach integrierbar ist. Beim End-Span müsste das ganze Gerät ausgetauscht werden.
- vorgenanntes Stromspar-Management verfügbar ist. Bei End-Span fehlt diese Funktion derzeit komplett.
- die Leistung des Devices auf die max. 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 Feature-Vorteil für Mid-Spans.


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

Leistungsangaben bei PoE-Switchen

In der Praxis müssen wir immer wieder feststellen, dass die Anwender Probleme mit der Versorgung durch PoE-Switche haben. Dies ist häufig auf eine falsche Auslegung der Herstellerangaben zurückzuführen und wird meist erst im Laufe des weiteren Ausbaus festgestellt. Was den Anwender dazu verleitet ist die Aussage, dass er einen sogenannten PoE-Switch erwirbt, evtl. sogar noch gekoppelt mit Details wie „PoE-Funktionalität auf allen Ports“ oder der Annahme, dass ein 24 Port-PoE-Switch auch 24 PoE-Endgeräte versorgen kann.

Gemeint wird aber, dass ich an allen Ports ein PoE-Endgerät anschließen kann, und nicht, dass es automatisch auch auf allen gleichzeitig möglich ist. Sehr häufig sind die Netzteile nur für den Betrieb z.B. der halben Anzahl für PoE-Devices und der anderen Hälfte für „normale Ethernetgeräte“ ausgelegt. Man sollte also unbedingt auf die max. verfügbare Leistung achten.
Auch die Angabe, dass ein 24 Port PoE-Switch mit einem 200 Watt Netzteil ausgestattet ist, verwirrt mehr als es klärt. Nach 802.3af sind unterschiedliche Leistungsklassen von Endgeräten definiert. 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, die das Endgerät aufnimmt. Hinzu kommen noch die Leistungsverluste auf den Leitungen. Würde man nun für das 200 Watt Netzteil die max. Anzahl der Geräte nach Klasse 3 berechnen, würde man mit 200 W / 12,94 auf 15 Geräte kommen, was nicht korrekt ist. Die 12,94 Watt Aufnahme entspricht je nach Leitungslänge max. den 15,4 Watt am Switchport und man muss berücksichtigen, dass der Switch für den Betrieb ebenfalls Leistung aus dem Netzteil benötigt.
Verlassen Sie sich in diesen Fällen nur auf die schriftlich bestätigten Angaben. Fragen Sie im Zweifelsfall nach, denn Sätze wie „kompatibel zu 802.3af“ bedeuten ebenfalls eher eine Einschränkung als eine Leistungsgarantie. Sonst könnte es auch bei Ihnen passieren, dass während des Betriebes plötzlich PoE-Geräte nicht mehr arbeiten, weil die Leistungsaufnahme durch zu viele Geräte oder durch die Alterung der Bauteile an die zulässigen Grenzen stößt und das Switchnetzteil im günstigsten Fall abschaltet – oder im Extremfall auch zerstört wird.

Zusammenfassung

Power over Ethernet ist sowohl aus zukünftig gesetzlichen Gründen als auch aus wirtschaftlichen Aspekten eine Lösung der Zukunft – die es hier und heute bereits gibt und die sich typisch innerhalb kurzer Zyklen amortisiert.

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