Definition

Was ist PoE (Power over Ethernet)?

| Autor / Redakteur: Stefan Luber / Andreas Donner

(© aga7ta - Fotolia)

Der Power-over-Ethernet-Standard ermöglicht die elektrische Stromversorgung von netzwerkfähigen Geräten über das Ethernetkabel. Separate Verkabelungen zur Energieversorgung lassen sich dadurch einsparen. Es existieren verschiedene Standards, die unterschiedliche maximale Leistungen zulassen.

Die Abkürzung PoE steht für Power over Ethernet und beschreibt ein Verfahren, mit dem sich die für den Betrieb von netzwerkfähigen Geräten benötigte elektrische Energie über das Netzwerkkabel bereitstellen lässt. Das Ethernetkabel überträgt in diesem Fall nicht nur die Netzwerksignale, sondern auch den elektrischen Strom.

Power over Ethernet ist in mehreren Standards definiert und ermöglicht je nach Standard unterschiedliche maximale Leistungen. Dank PoE kann ein separater Stromanschluss entfallen und der Aufwand für die Installation von Netzwerkgeräten sinkt. Häufig eingesetzt wird die Technik zur Versorgung von abgesetzten Devices wie Webcams, Überwachungskameras oder WLAN-Access-Points, die oft an unzugänglichen Stellen zu installieren sind.

IEEE 802.3af

Der Standard IEEE 802.3af nutzt die beiden freien Adernpaare von Ethernetkabeln in 10Base-T- und 100Base-TX-Netzwerken. Die Spannung auf den Kabeln ist begrenzt und beträgt in der Regel bis zu 48 Volt. Die maximale Leistung beträgt 15,4 Watt. Die relativ hohe Spannung von 48 Volt hilft die Verlustleistung und entstehende Wärme in den Kabeln gering zu halten.

IEEE 802.3at

Der Standard IEEE 802.3at ermöglicht höhere Leistungen. Als Versorgungsmethoden kommen die so genannte Endspan- und Midspan-Versorgung zum Einsatz. Bei der Endspan-Methode übernimmt der PoE-Switch die direkte Versorgung. Die Midspan-Methode nutzt für die Versorgung zwischengeschaltete Quellen wie PoE-Injektoren. Zur Energieübertragung sind grundsätzlich zwei Varianten möglich. Die Fernspeisung überträgt den Strom über die auch von den Daten genutzten Adernpaare. Diese Variante nennt sich Phantomspeisung. Die andere Variante heißt Spare-Pair-Speisung und verwendet nur ungenutzte Adernpaare.

Vorteile durch den Einsatz von PoE

Da Power over Ethernet die Strom- und Datenübertragung über ein einziges Kabel möglich macht, lassen sich die Kosten für die Anschaffung und den Betrieb zusätzlicher Kabel einsparen. Die Installation oder Erweiterung von Netzwerken ist in Objekten, in denen es aufwendig oder teuer ist, neue Stromleitungen zu installieren, wesentlich günstiger und schneller. Netzwerkgeräte lassen sich an Orten installieren, an denen keine Stromkabel vorgesehen sind. Durch die zentrale Stromverteilung über Switches werden externe Netzadapter oder Netzteile eingespart. Die PoE-Switches lassen sich mit redundanten Netzteilen ausstatten. Die Verfügbarkeit des Netzwerks und der angeschlossenen Endgeräte steigt.

Die Erkennung von Endgeräten mit Unterstützung von Power over Ethernet

Um Schäden an Endgeräten zu vermeiden, ist es notwendig, die angeschlossenen Geräte auf Tauglichkeit für PoE zu untersuchen. Kommt die Netzwerkverkabelung für andere Anwendungen wie beispielsweise die Telefonie zum Einsatz, können Spannungen auf bestimmten Adernpaaren nicht kompatible Geräte unter Umständen zerstören. Auf einen Anschluss sollte daher nur Spannung geschaltet werden, wenn das Endgerät kompatibel ist.

Einspeisende PoE-Geräte können zur Prüfung das so genannte Resistive-Power-Directory-Verfahren verwenden. Mithilfe einer speziellen Messschaltung prüft die Stromquelle den Innenwiderstand des angeschlossenen Endgeräts. Ist er hochohmig, liegt also im Bereich von etwa 20 bis 26 Kiloohm und überschreitet die Kapazität einen bestimmten Wert nicht, aktiviert die Stromquelle die Energieversorgung. In einem zweiten Messschritt ermittelt die Stromquelle die Leistungsklasse des Endgeräts.

Die weiteren Standards PoE+ und PoE++

Die Standards PoE+ (IEEE 802.3at) und PoE++ (IEEE 802.3bt) erweitern die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung über das Netzwerkkabel und beziehen auch Gigabit-Ethernet-Netzwerke mit ein. IEEE 802.3at erlaubt Leistungen von bis zu 25,5 Watt pro Netzwerkport. Die Minimalspannung erhöht sich von 44 auf 50 Volt und der Maximalstrom von 350 auf 600 Milliampere. Für den Einsatz werden Cat5e- oder Cat6-Kabel mit geringerem Widerstand empfohlen.

IEEE 802.3bt, auch Four-Pair-Power-over-Ethernet oder 4PPoE beziehungsweise PoE++ genannt, nutzt alle Adern des Netzwerkkabels für die Energieübertragung. Maximal erzielbare Leistungen liegen zwischen 70 und 100 Watt. Dank der hohen übertragbaren Leistungen können größere Endgeräte wie Bildschirme oder komplette Rechner über das Datenkabel mit Energie versorgt werden.

Hier nochmals kurz zusammengefasst die wichtigsten Daten der verschiedenen Power over Ethernet Standards:

  • PoE: Standard IEEE 802.3af
  • Spannung: 44 Volt; maximale Leistung je Port: 15,4 Watt - maximal nutzbare Leistung: 12,95 Watt
  • PoE+: Standard IEEE 802.3at
  • Spannung: 50 Volt; maximale Leistung je Port: 25,4 Watt - maximal nutzbare Leistung: 21,90 Watt
  • PoE++ oder 4PPoE: Standard IEEE 802.3bt
  • Spannung: 50 Volt; maximale nutzbare Leistung: 70 bis 100 Watt

Verlustleistung

Der Unterschied zwischen maximaler Leistung am Port und maximal nutzbarer Leistung ergibt sich durch die im Kabel entstehende Verlustleistung. Je länger ein Netzwerkkabel ist, desto höher sind die auftretenden Verluste.

Übernehmen Ethernet-Switches die Versorgung der Endgeräte mit Energie, ist darauf zu achten, dass die Gesamtleistung des Switches groß genug ist, um alle Anschlussports mit ihrer Maximalleistung zu versorgen. Unter Umständen reicht die Leistung des Switches hierfür nicht aus und die Maximalleistung je Port ist von der Anzahl der angeschlossenen Geräte abhängig.

PoE-Klassen

Geräte, die per Power over Ethernet mit Strom versorgt werden, sind einer bestimmten Klasse zugeordnet. Mögliche Power over Ethernet Klassen sind die Klassen 0 bis 4. Abhängig davon, wie viel Strom ein Gerät benötigt, ist es einer bestimmten Klasse zugewiesen. Mithilfe definierter Verfahren übermittelt das Endgeräte der Stromquelle seine Klasse. Dadurch kann die Quelle die richtige Menge an Strom bereitstellen.

Herausforderungen bei Power over Ethernet

Je mehr Strom über ein Datenkabel übertragen wird, desto mehr Wärme entsteht im Kabel. Erwärmte Kabel können durch zusätzliche Dämpfung die Übertragung der Datensignale beeinträchtigen. Die maximalen Übertragungsleistungen sind daher den Temperaturbedingungen anzupassen.

In Normen ist beschrieben, mit welchem Temperaturanstieg beispielsweise bei der Nutzung von PoE++ (4PPoE) zu rechnen ist. Bei einem typischen U/UTP-Kabel ist bei der Verwendung von PoE mit einer bis zu fünffachen Erwärmung des Kabels zu rechnen. Ein geschirmtes Kabel weist nur den etwa dreifachen Faktor auf, da das Metall der Schirmung hilft, die im Inneren entstehende Wärme nach außen abzutransportieren.

Eine weitere Herausforderung stellt der Spannungsabfall bei längeren Kabeln dar. Je kleiner der Adernquerschnitt, desto höher ist der Spannungsabfall und desto weniger Leistung kommt an der Endstelle an. Der Wirkungsgrad der kompletten Energieübertragung wird durch die Verluste in den Netzteilen weiter verringert. In der Summe können die Wirkungsgrade unter 70 Prozent liegen.

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