Lucero Artemio, Senior Produktmanager
Was ist Power over Ethernet im Netzwerk?
Power over Ethernet (PoE) ist eine innovative Technologie, die elektrischen Strom über Twisted-Pair-Ethernet-Kabel an mit Strom versorgte Geräte weiterleitet. Es wird in Privathaushalten, Büros und Schulen eingesetzt und ermöglicht die Bereitstellung von Datenverbindungen und Strom für diese anderen Geräte mithilfe eines RJ45-Kabels anstelle eines separaten Kabels für jedes Gerät.
PoE ist eine der kostengünstigsten verfügbaren Netzwerktechnologien. Es ermöglicht Profis die Installation entfernter oder externer Geräte ohne Anschluss an die Wechselstromversorgung und kann mehrere Standorte mit Strom versorgen, ohne an jedem Ort zusätzliche elektrische Kabel oder Steckdosen installieren zu müssen. PoE (Power over Ethernet) erleichtert Unternehmen zudem den Ausbau ihrer Netzwerke und ermöglicht eine schnellere Reaktion.
Auswahl der richtigen Power-over-Ethernet-Lösung
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Klassen von Power over Ethernet Normen
IEEE 802.3af-2003 Standard ist allgemein bekannt als „PoE“. Es definiert die PoE-Klassen 0–3, wobei die maximale Leistung bei PD 12.95 W beträgt.
IEEE 802.3at-2009 Standard ist allgemein bekannt als „PoE+“ or „PoE Plus“, und es ist das spätere Update des IEEE 802.3af-2003 „PoE“-Standards. Es definiert die PoE-Klassen 0–4, wobei die Klassen 0–3 aus dem älteren 802.3af „PoE“-Standard unter „Typ 1“ übernommen werden und „Typ 2“ nur Klasse 4 mit einer maximalen Leistung bei PD von 25.5 W umfasst.
IEEE 802.3bt-2018 benannt „4PPoE“. Es umfasste die Klassen 0–4 der früheren Standards und fügte „Typ 3“ (Klassen 5–6) und „Typ 4“ (Klassen 7–8) hinzu, wobei die maximale Leistung bei PD 71.3 W betrug.
PoE-Typ 1
Name und Vorname: PoE, 2-paariges PoE
Normen: IEEE 802.3af
Maximale Portleistung: 15.4W
'PoE' wurde ursprünglich für die Stromversorgung von Geräten mit geringem Stromverbrauch wie IP-Telefonen entwickelt. Im Jahr 2003 wurde IEEE 802.3af standardisiert, um zwei der vier verdrillten Kabelpaare in (damals) standardmäßigen Cat3-Ethernet-Kabelstrecken zu verwenden. IEEE 802.3af stellt bis zu 12.95 W für mit 37 V bis 57 V betriebene Geräte bereit. Da es zu gewissen Verlusten kommt, hat ein PoE-Switch-Port im Allgemeinen eine Nennleistung von 15.4 W und eine Spannung zwischen 44 V und 57 V. Beispiele für Geräte, die PoE Typ 1 unterstützen kann, sind statische Überwachungskameras, drahtlose Zugangspunkte und VoIP-Telefone.
PoE-Typ 2
Name und Vorname: PoE+, 2-paariges PoE
Normen: IEEE 802.3at
Maximale Portleistung: 30W
PoE+ oder IEEE 802.3at Ethernet-Standard, der 2009 vom Institute of Electrical and Electronics Engineers veröffentlicht wurde. Er liefert bis zu 30 W Leistung auf Portebene über ein Ethernet-Twisted-Pair-Kabel und bis zu 25.5 W Leistung an jedes Gerät. Es verbindet leistungsstärkere Geräte wie PTZ-Kameras, Video-IP-Telefone und Alarmsysteme mit einem Netzwerk. Da es jedoch abwärtskompatibel ist, kann es die Gerätetypen unterstützen, die normalerweise von PoE Typ 1 und von PoE Typ 2 unterstützt werden.
PoE-Typ 3
Name und Vorname: PoE++, 4-paariges PoE, 4P PoE, Ultra PoE
Normen: IEEE 802.3bt
Maximale Portleistung: 60W
Typ 4 PoE, auch bekannt als 4-Pair-PoE, 3PPoE, PoE++ oder Ultra PoE, verwendet alle vier Paare in einem Twisted-Pair-Kupferkabel, um Strom an das PD zu liefern – im Gegensatz zu Typ 1 und 2, die nur zwei Paare verwenden. Diese höhere PoE-Stufe entspricht dem 802.3 herausgegebenen IEEE 2011bt-Standard. Sie liefert bis zu 60 W Leistung an jeden PoE-Port und bis zu 51 W Leistung an jedes Gerät. Zu diesen höherstufigen Geräten zur Stromversorgung gehören drahtlose Multi-Radio-Zugangspunkte, PTZ-Kameras, Gebäudemanagementgeräte und Videokonferenzgeräte. Es unterstützt Cat5-Kabel oder besser.
PoE-Typ 4
Name und Vorname: PoE mit höherer Leistung, PoE++
Normen: IEEE 802.3bt
Maximale Portleistung: 100W
Typ 4 PoE, allgemein bekannt als Higher-Power PoE, bietet die höchste Leistungsfähigkeit aller vorhandenen PoE-Typen. Dieser PoE-Typ trägt dazu bei, den wachsenden Strombedarf von Netzwerkgeräten und IoT zu decken. Gemäß dem neuesten IEEE 802.3bt-Standard liefert Typ 4 PoE 90 W Leistung vom PSE und bis zu 70 W Eingangsleistung am PD an jedes Gerät. Es besteht jedoch das Potenzial, bei Bedarf maximal 100 W Leistung pro Port bereitzustellen. Aufgrund der hohen erzeugten Strommengen kann Typ 4 PoE extrem stromhungrige Geräte wie Laptops und Flachbildschirme unterstützen.
Power over Ethernet PSE-Typen
Heutzutage sind drei Haupttypen von PSE (Power Source Equipment) im Einsatz; Alle sind mit Kabeln der Kategorie Cat5e oder höher kompatibel. Der PSE-Typ wird basierend auf der vorhandenen Infrastruktur und der Anzahl der angeschlossenen PoE-Geräte ausgewählt.
- Netzwerk-Switch und Glasfaser-Medienkonverter
Ein Power over Ethernet (PoE)-Switch ist ein Gerät, das Geräte über ein Ethernet-Kabel mit Strom versorgen kann. Es kann zur Stromversorgung von Geräten wie IP-Telefonen, Wireless Access Points und Sicherheitskameras verwendet werden. A PoE-Switch kann auch zum Anschluss von Geräten verwendet werden, die nicht PoE-kompatibel sind, indem ein PoE-Injektor verwendet wird.
A PoE-Glasfaser-Medienkonverter kombiniert Strom und Daten in einem Kabel und bietet Kupfer-zu-Glasfaser-Konnektivität und stellt gleichzeitig Strom für PD bereit. Der PoE-Medienkonverter bietet eine kostengünstige Möglichkeit, die Übertragungsentfernung eines bestehenden Netzwerks zu erweitern.
Abbildungen 2 und 3: PoE-Switch und PoE-Medienkonverter
- Single-Port-Injektor (Midspan)
Ein Single-Port-PoE-Injektor (Midspan) ist in Verbindung mit einem Ethernet-Kabel konzipiert, um ein Gerät mit Strom zu versorgen. Es eignet sich für Anwendungen, bei denen Sie nicht über genügend PoE-Ethernet-Geräte verfügen oder wenn die Daten über eine große Entfernung übertragen werden müssen, bevor sie wieder in Kupferkabel umgewandelt und dann mit Strom versorgt werden.
Der Nachteil bei der Verwendung eines Single-Port-PoE-Injektors besteht darin, dass für den Betrieb eine Netzsteckdose erforderlich ist und dass es tendenziell teuer wird, wenn mehr als ein paar Geräte Strom benötigen.
Power-over-Ethernet-Aushandlung
Bei der Aushandlung von Power over Ethernet (PoE) wird bestimmt, ob und wie viel Strom einem Gerät über ein Ethernet-Kabel bereitgestellt werden soll. Dies erfolgt in der Regel über ein spezielles Signalisierungsprotokoll zwischen der Stromquelle (normalerweise ein PoE-Switch) und dem Gerät, das Strom empfangen soll (sogenanntes PD oder Powered Device). Wenn sowohl der PoE-Switch als auch das PD denselben PoE-Standard unterstützen (z. B. IEEE 802.3at), können sie aushandeln, um das PD mit der in diesem Standard angegebenen maximalen Strommenge zu versorgen. Wenn der PoE-Switch und das PD jedoch nicht denselben Standard unterstützen, müssen sie aushandeln, um dem PD eine geringere Strommenge zur Verfügung zu stellen. Ziel der PoE-Aushandlung ist es, sicherzustellen, dass dem PD nur so viel Strom zur Verfügung gestellt wird, wie benötigt wird. Dies trägt dazu bei, potenzielle Probleme wie Überlastungen und elektrische Gefahren zu vermeiden. Es hilft auch, Energie zu sparen, da Geräte, die nicht viel Strom benötigen, über PoE-Standards mit geringerem Stromverbrauch betrieben werden können.
Die Verhandlung umfasst drei Phasen: Entdeckung, Klassifizierung und Betrieb.
Angewandte F&E
PSE lässt den Ethernet-Port stromlos und überprüft regelmäßig, ob etwas angeschlossen ist. Es ist unwahrscheinlich, dass die bei der Erkennung verwendete niedrige Spannung ein Gerät beschädigt, das nicht für Power over Ethernet ausgelegt ist. Wenn ein PD an den Port des PSE angeschlossen wird, erkennt das PSE dies und fährt mit der Klassifizierungsphase fort.
PoE Klassifikation
Bei der Klassifizierung handelt es sich um den Prozess, mit dem das PSE bestimmt, ob das angeschlossene Gerät Strom benötigt und wenn ja, welche PoE-Stromklasse es benötigt. Die Klassifizierung kann je nach PoE-Klasse des PD in einer 1-Ereignis- oder 2-Ereignis-Form erfolgen.
1-Ereignis-Klassifizierung – für PDs der 802.3af/at-Klasse 0–3
PSE sendet einen einzelnen Spannungsimpuls an das PD, liest den Stromwert auf dem Kabel, prüft, welcher PoE-Klasse dieser Stromwert entspricht, und stellt entsprechend Strom bereit. Wenn der PD Werte der Klassen 1, 2 oder 3 zurückgibt, stellt der PSE Strom der Klassen 1, 2 bzw. 3 bereit. Wenn PD einen Wert der Klasse 0 zurückgibt, wird Strom der Klasse 3 bereitgestellt.
Abbildung 5: 1-Ereignis-Klassifizierung
2-Ereignis-Klassifizierung – für PDs von 802.3at Klasse 4
Wenn das PD als Gerät der Klasse 4 identifiziert wird, überprüft das PSE anhand eines zweiten Ereignisses, ob das PD tatsächlich eine höhere Leistungsstufe benötigt. Dieses zweite Ereignis kann eine der beiden folgenden Methoden sein:
Hardwarebasierte 2-Ereignis-Klassifizierung
PSE führt zunächst die 1-Ereignis-Klassifizierung wie oben beschrieben durch. Wenn es den Stromwert der Klasse 4 vom PD liest, liefert es nur Strom der Klasse 3 und wiederholt den Spannungsimpuls zum zweiten Mal. Wenn nach diesem zweiten Ereignis bestätigt wird, dass es sich bei dem PD um Klasse 2 handelt, versorgt das PSE das PD mit Strom der Klasse 4.
Softwarebasierte LLDP-Klassifizierung
PSE führt zunächst die 1-Ereignis-Klassifizierung wie oben beschrieben durch. Wenn es den Stromwert der Klasse 4 vom PD liest, liefert es nur Strom der Klasse 3 und fordert vom PD über das Layer-2-LLDP-Protokoll eine Bestätigung an, ob das PD tatsächlich der Klasse 4 entspricht. Wenn nach diesem zweiten Ereignis bestätigt wird, dass es sich um das PD handelt Klasse 2: Das PSE versorgt das PD mit Strom der Klasse 4.
Unterstützung für die Klassifizierung von 2 Ereignissen
Der IEEE 802.3at-Standard definiert, dass PDs der Klasse 4 sowohl die hardwarebasierte 2-Event- als auch die softwarebasierte LLDP-Klassifizierung unterstützen müssen, während PSE nur eine unterstützen darf, möglicherweise aber auch beide. PoE+-Injektoren unterstützen normalerweise nur die hardwarebasierte 2-Ereignis-Sortierung. Viele PoE+-Switches unterstützen beide Methoden.
Berechnung des PoE-Stromversorgungsbudgets
Die Berechnung des Strombudgets für ein Power over Ethernet (PoE)-Netzwerk kann schwierig sein. Es gibt viele Faktoren zu berücksichtigen, und wenn Sie nicht aufpassen, kann es schnell passieren, dass Sie zu viel Geld für Ihre Stromversorgung ausgeben. Um Ihnen bei der Berechnung Ihres PoE-Strombudgets zu helfen, haben wir diesen praktischen Leitfaden zusammengestellt. Wir führen Sie durch alle Faktoren, die Sie berücksichtigen müssen, und zeigen Ihnen, wie Sie unseren kostenlosen PoE-Strombudgetrechner verwenden.
Schritt 1: Addieren Sie den PoE-Bedarf in Watt
Der gesamte erwartete Strombedarf aller Ihrer PDs sollte berechnet werden. Es sollte die maximale Leistung und Obergrenzen für jede PD-Klassifizierung enthalten. Alle nicht spezifizierten Geräte sollten als Klasse 0 betrachtet werden.
Beispielsweise können IEEE802.3af-Geräte 9 Watt verbrauchen; Da es sich jedoch um Geräte der Klasse 0 handelt, kann man davon ausgehen, dass sie 15.4 Watt verbrauchen.
Runden Sie die Zahl gelegentlich auf, damit das Kabel zur Verbindung von PD und PoE-Switch nicht zu schnell verschleißt.
Beispielsweise verbraucht eine typische IEEE802.3at-IP-Kamera der Klasse 4 25.5 Watt. Mit dieser Leistung von über 30 Watt erhalten Sie einen Puffer, falls es zu einem unvermeidbaren Verlust zwischen dem PoE-Switch und Ihrem Gerät kommt.
Eine der wichtigsten Überlegungen bei der Auswahl eines PoE-Strombudgets besteht darin, sicherzustellen, dass in Ihrem Design Ports verfügbar sind. Denken Sie daran, dass es für Diagnose- oder Fehlerbehebungszwecke nützlich sein kann, über mindestens einen freien Port am PD-Gerät zu verfügen. Und einige Kunden wünschen sich möglicherweise sogar zusätzliche Ports, um in Zukunft die Möglichkeit zu haben, weitere PD-Geräte hinzuzufügen. Aber keine Sorge – solange Sie geeignete PD-Geräte auswählen und diese richtig integrieren, ist die Berücksichtigung freier Ports im Rahmen einer PoE-Strombudgetberechnung nicht notwendig.
Schritt 2: Skalierung für die Betriebsumgebung
Wenn Sie eine Strombudgetberechnung durchführen, müssen Sie die Umgebungsbedingungen berücksichtigen.
Die Geschwindigkeit, mit der ein Netzteil im Laufe der Zeit an Kapazität verliert, hängt von den Bedingungen ab, unter denen es verwendet wird. Das Unternehmen gibt an, dass man unter günstigen oder kontrollierten Bedingungen davon ausgehen kann, dass die Langzeitleistung eines Netzteils 70 % seiner Nennleistung beträgt. In einer solchen Umgebung sollten Sie die Gesamtwattzahl aus Schritt eins durch 0.7 dividieren.
Jedes Teil des Netzteils ist so konstruiert, dass es hitze-, kälte- und feuchtigkeitsbeständig ist. Diese Faktoren können jedoch die Leistung und Lebensdauer verändern. Teilen Sie für diese Einstellung die Gesamtwattzahl aus Schritt 0.6 durch XNUMX.
Elektroinstallationen, die unter extremen Bedingungen betrieben werden, erfordern häufig Ausrüstung in Industriequalität. Bei der Fiberroad Industrial PoE-Serie handelt es sich beispielsweise um ein 48-V-Gleichstromnetzteil, das so konstruiert ist, dass es jahrelang hohen Lärm- und Vibrationspegeln im Feld standhält.
Nehmen Sie zum Beispiel dieses harte Szenario:
Der Schalter und das Netzteil werden in einem Metallgehäuse an einem Standort im Nordosten der USA installiert, der direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Im Winter kann die Temperatur im Inneren des Geheges bis zu –10 °C betragen. Und im Sommer können die Temperaturen bis zu 24 °C betragen. Unter Berücksichtigung dieser Temperaturschwankungen gehen wir davon aus, dass die Stromversorgung zu 140 % ausgelastet ist.
Um zu berechnen, welches Netzteil Sie benötigen, müssen Sie wissen, wie viel Strom Ihr Computer insgesamt verbraucht. Wenn die aktuelle Gleichung X lautet und der erwartete langfristige Leistungsabfall 50 % beträgt, multiplizieren Sie X einfach mit 0.5.
Schritt 3: Wählen Sie die Stromquelle aus
Bei der Betrachtung der Anforderungen Ihrer PoE-Stromversorgung ist es wichtig, die benötigte Strommenge und die Umgebung zu berücksichtigen. Wir bieten Nennleistungen ab 30 Watt bis hin zu 720 Watt an.
Power-over-Ethernet-Verkabelung
In modernen Netzwerken versorgen leistungselektronische Geräte PDs über dieselbe Verkabelung, die auch für Daten verwendet wird, mit Strom. Cat5e Ein Kabel der Kategorie oder höher ist für IEEE 802.3af- und IEEE 802.3at-kompatible Geräte geeignet.
Jedes Ethernet-Kabel, das vom PoE-Netzwerk-Switch zum PD verläuft, sollte nicht länger als 328 Fuß sein, selbst wenn sich ein Midspan-Gerät in der Leitung befindet. Der Midspan-PoE-Injektor sollte als Patchpanel-Verbindung betrachtet werden. Bei einer Überschreitung von 328 Fuß kann es zu negativen Auswirkungen auf die Stromversorgung und die Datenkommunikation kommen.
Dennoch wird AI Extend bei Power-over-Ethernet-Geräten immer beliebter, da es die PoE-Entfernung auf bis zu 250 m verlängern kann. Die Fiberroad AI Power over Ethernet-Serie unterstützt diese Funktion per DIP-Schalter, wann immer sie bei Bedarf eingeschaltet wird. Die AI Extend-Funktion eignet sich für Situationen, in denen Ihre Stromquelle zu weit entfernt ist. Allerdings muss man sich dieser Bandbreitenbeschränkung bewusst sein.
| 10 / 100BASE-TX (802af/at, Modus A) |
10 / 100BASE-TX (802.3af/at, Modus B) |
1000BASE-TX (802.3af/at, Modus A) |
1000BASE-TX (802.3af/at, Modus B) |
1000BASE-TX (802.3bt) |
||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pin | Datum | Power | Datum | Power | Datum | Power | Datum | Power | Datum | Power |
| 1 | Empfang + | Gleichstrom + | Empfang + | TxRx A + | Gleichstrom + | TxRx A + | TxRx A + | Gleichstrom + | ||
| 2 | Empfang – | Gleichstrom + | Empfang – | TxRx A – | Gleichstrom + | TxRx A – | TxRx A – | Gleichstrom + | ||
| 3 | Senden + | Gleichstrom – | Senden + | TxRx B + | Gleichstrom – | TxRx B + | TxRx B + | Gleichstrom – | ||
| 4 | ungebraucht | Gleichstrom + | TxRx C + | TxRx C + | Gleichstrom + | TxRx C + | Gleichstrom + | |||
| 5 | ungebraucht | Gleichstrom + | TxRx C – | TxRx C – | Gleichstrom + | TxRx C – | Gleichstrom + | |||
| 6 | Senden – | Gleichstrom – | Senden – | TxRx B – | Gleichstrom – | TxRx B – | TxRx B – | Gleichstrom – | ||
| 7 | ungebraucht | Gleichstrom – | TxRx D + | TxRx D + | Gleichstrom – | TxRx D + | Gleichstrom – | |||
| 8 | ungebraucht | DC- | TxRx D – | TxRx D – | Gleichstrom – | TxRx D – | Gleichstrom – | |||
Tabelle 2: LAN-Port-Daten und Strom-Pinbelegung
Anmerkungen:
- Die Stromversorgung darf jeweils nur in einem Modus erfolgen, und die PSE trifft diese Entscheidung. Das PSE kann Modus A oder B oder beide unterstützen. Typischerweise ist die gewählte Methode für den Endbenutzer kein Problem, da es eine Anforderung der IEEE 802.3af/at-Standards ist, dass alle PDs beide Modi unterstützen müssen.
- Mit Mode B ermöglicht die Phantomspeisungstechnik den versorgten Paaren auch die Übertragung von Daten im 10/100 Mbit/s-Ethernet.
- Beide Modi A und B werden im Gigabit-Ethernet unterstützt. Für beide Modi kommt die Phantomspeisungstechnik zum Einsatz, da bei Gigabit-Ethernet alle vier Paare zur Datenübertragung genutzt werden.
- IEEE 802.3bt „4PPoE“ nutzt alle Paare, um im Gigabit-Ethernet Strom bereitzustellen, daher der Name des Standards – 4PPoE („4-pair Power over Ethernet“).