TECHNISCHER ANWENDUNGSBERICHT

Ein Leitfaden für die erfolgreiche Installation von Power over Ethernet

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Überblick

Vor Jahren hatte jemand die Idee, Spannungsversorgung und Datenkommunikation in einem Twisted-Pair-Kabel zu kombinieren, und Power over Ethernet (PoE) war geboren. In den darauffolgenden Jahren wurde eine große Anzahl von Geräten auf den Markt gebracht, die über ein und dasselbe Kabel mit Spannung versorgt werden und Daten austauschen, wobei immer mehr Geräte vorgestellt wurden.

Auf dieser Seite

• Ein Leitfaden für die erfolgreiche Installation von Power over Ethernet
• 1. Auswahl der Geräte
• 2. Kabelzertifizierung
• 3. Installation und Fehlersuche

Ein Leitfaden für die erfolgreiche Installation von Power over Ethernet

In den meisten Fällen entfällt bei Verwendung von PoE die Notwendigkeit einer separaten Stromversorgung, wodurch die Kosten und der Arbeitsaufwand für diese doppelte Verlegung entfallen. Hierdurch kann auch die separate Spannungsversorgung für das Gerät entfallen, was die Fehlerquellen um eine reduziert. Und da PoE niedrigere, sicherere Spannungen verwendet, sind keine strengen Anforderungen erforderlich, wie z. B. Kabelkanäle und Schaltkästen, die bei netzbetriebenen Geräten benötigt werden.

Eine PoE-Schaltung besteht aus drei Teilen:

• Das Gerät, das den Strom liefert (Power Sourcing Equipment – PSE), das die gleiche Verkabelung verwendet wie die Datensignale. Dies ist in der Regel ein Switch oder kann auch ein Midspan Injector sein, der in Fällen verwendet wird, in denen der Switch keine Versorgungsspannung liefern kann.
• Die Verkabelung, die sowohl die Daten als auch die Datensignale überträgt. Die IEEE-Normen für PoE legen zwei- oder vierpaarige verdrillte Verkabelungssysteme (Twisted-Pair) fest.
• Das mit Spannung versorgte Gerät (Powered Device – PD), das die von dem PSE bereitgestellte Spannung aufnimmt

^{Abbildung 1. Grundlegendes PoE-Design und Nomenklatur}

In IEEE-Standard-Implementierungen von PoE wird die Stromversorgung vom PSE erst nach Anforderung durch den PD hergestellt. Wenn der PD getrennt wird, entfernt der PSE die Stromversorgung. Dies macht das PoE erheblich sicherer als die typische Wechselspannung, die immer an der Steckdose anliegt. PoE verwendet ebenfalls eine niedrigere Spannung: 43 bis 57 V Gleichspannung.

Die erste PoE-Norm, 802.3af, wurde 2003 verabschiedet und stellte über zwei Kabelpaare eine Leistung von bis zu 15,4 W zur Verfügung. 802.3at (auch „PoE+“ genannt) wurde 2005 übernommen und unterstützte bis zu 30 W. Cisco entwickelte sein „Universal-PoE“ (UPOE), das alle vier Paare verwendet und die maximale Leistung auf 60 Watt bringt. Im September 2018 hat die IEEE 802.3bt genehmigt, wodurch die Leistung auf 90 W gebracht wurde.

_{Abbildung 2: PoE-Klassen, Typen und Normen.}

Eine erfolgreiche PoE-Implementierung besteht aus drei Schritten:

1. Auswahl der Geräte

2. Kabelzertifizierung

3. Installation und Fehlersuche

Schauen wir uns an, was in jedem Schritt erforderlich ist.

1. Auswahl der Geräte

Während PoE eine große Chance bietet, besteht ein erhebliches Problem bei der Standardisierung. Der Begriff „PoE“ ist keine geschützte Marke, und jeder Anbieter kann eine PoE-Funktionalität für sein Gerät beanspruchen. Derzeit gibt es drei anerkannte IEEE-Normen (802.3af, at und bt). Diese Normen definieren acht verschiedene Leistungsstufen oder Klassen, die über vier Konfigurationen bereitgestellt werden können: Typen 1 und 2 mit zwei Paaren und Typen 3 und 4 mit vier Paaren. Darüber hinaus haben die Anbieter einige Begriffe wie PoE+ und PoE++ sowie Cisco Universal PoE (UPOE) übernommen. Und obwohl diese Ansätze alle den drei IEEE-Normen entsprechen, verursachen Anbieter, die andere, außerhalb der Normen liegende PoE-Implementierungen erstellen, weitere Verwirrungen. Beispielsweise bieten „passive“ PoE-Implementierungen eine „Immer eingeschaltet“-Versorgung, die nicht zwischen PSE und PD ausgehandelt wird. Andere Implementierungen verhandeln Leistungsstufen in höheren Schichten als das LLDP-Protokoll. Techniker vor Ort und sogar die Designer können schnell verwirrt werden, was womit funktioniert. Es überrascht nicht, dass eine Studie mit über 800 Installateuren, Integratoren und Endbenutzern ergab, dass vier von fünf Befragten Schwierigkeiten mit der Integration von PoE-Systemen hatten.

Das Zertifizierungsprogramm von Ethernet Alliance

Um diese Verwirrung zu überwinden und die Interoperabilität zu verbessern, hat die Ethernet Alliance, ein Konsortium von Herstellern, welches neunzig Prozent der PSE-Switch-Ausrüstung repräsentiert, ein PoE-Zertifizierungsprogramm angekündigt. Dieses Programm bietet eine Methodik zur Zertifizierung der Produkte für die Interoperabilität mit anderen auf IEEE-802.3 basierenden PoE-Lösungen und bietet eine einfache Kennzeichnung solcher Produkte.

Die Zertifizierung der Produkte wird durch einen 300-seitigen Testplan definiert, der unter Verwendung genehmigter Geräte erstellt wurde. Dies kann von Herstellern oder Dritten durchgeführt werden, wie dem University of New Hampshire's Interoperability Laboratory (UNH-IOL). Sowohl PSE- als auch PD-Geräte können zertifiziert werden. Geräte, die diesen strengen Prozess bestehen, können mit den von der EA zugelassenen Markierungen wie gezeigt gekennzeichnet werden.

Netzwerkplaner oder Installateure von PoE-Geräten können einfach die Markierungen auf dem PSE und dem PD vergleichen, um die Kompatibilität zu ermitteln. Wenn die Einstufung des PSE mindestens den Anforderungen des PD entspricht, ist die Funktionalität gewährleistet.

^{Abbildung 3. Ethernet Alliance-Markierungen für versorgte Geräte (links) und Geräte für die Spannungsversorgung (rechts)}

2. Kabelzertifizierung

PoE ist so ausgelegt, dass es über Twisted-Pair-Verkabelungen der Standardkategorie funktionsfähig ist. Das zusätzliche Anlegen dieser Signale mit hoher Leistung an einem Kabel, das Hochgeschwindigkeitsdaten überträgt, stellt jedoch einige zusätzliche Anforderungen an die Verkabelung dar.

Erstens muss der Gesamtwiderstand des Kabels gering sein. Wenn dieser zu hoch ist, wird die Leistung zwischen PSE und PD in Wärme umgesetzt, und das PD erhält keine ausreichende Versorgungsspannung.

Zweitens, in einem PoE-System wird Gleichtaktspannung über die zwei oder vier Paare angelegt – d. h., der Strom wird jeweils zwischen den zwei oder vier Leitern gleichmäßig aufgeteilt. Dies wird durch Angleichen oder Ausgleichen des DC-Widerstands der einzelnen Leiter ermöglicht; jede Abweichung wird als Unsymmetrie des DC-Widerstands betrachtet. Eine zu starke Unsymmetrie kann Signale verzerren und dadurch zu Bitfehlern, Übertragungswiederholungen und sogar dem Verlust von Datenverbindungen führen.

Drittens, bei Implementierung der Typen 3 und 4 müssen Sie sich nicht nur um die Asymmetrien des DC-Widerstands bei den einzelnen Paaren Gedanken machen. Eine sehr starke Asymmetrie des DC-Widerstands zwischen mehreren Paaren kann darüber hinaus die Datenübertragung blockieren oder zum Abbruch der PoE-Funktion führen.

Das IEEE hat die Wichtigkeit dieser Widerstandsmessungen erkannt und die Anforderungen an den Schleifenwiderstand und die Asymmetrie des Widerstands innerhalb eines Paares in die 802,3-Norm aufgenommen. Die Telecommunications Industry Association hat diese auch in ANSI/TIA 568.2-D aufgenommen.

Leider werden die meisten Installationen gemäß Feldtest-Standard TIA-1152-A zertifiziert, der diese Messwerte lediglich als optional einschließt. Inkonsequente Anschlüsse, wo einzelne Leiter nicht ordnungsgemäß und konsequent in den IDC sitzen, können zu Asymmetrien des DC-Widerstands führen. Auch wenn ein Kabel laut Lieferanten die DC-Unsymmetrie-Spezifikation erfüllt, lässt sich dessen tatsächliche Leistung nach der Installation nur durch einen Feldtest ermitteln.

Mit einem Kabelzertifizierungstester, der diese Widerstandsmessungen umfasst (wie der DSX CableAnalyzer™ Series von Fluke Networks), können Sie schnell und einfach die Gleichstromwiderstandsunsymmetrie innerhalb eines Paares und zwischen den Paaren testen, sodass Sie sicher sein können, dass die von Ihnen eingesetzte Kabelanlage in zwei- und vierpaarigen PoE-Anwendungen funktioniert.

^{Abbildung 4. Versiv-Anzeige von Ergebnissen von Paar-zu-Paar-Widerstand-Asymmetrie.}

3. Installation und Fehlersuche

Die Kenntnis der Kapazität des PSE und der Anforderungen an das PD vereinfacht die Installation und Fehlerbehebung. Leider können Techniker, die PoE-versorgte Geräte warten oder installieren, möglicherweise nicht auf diese Informationen zugreifen. Sie können die Anforderungen eines EA-zertifizierten PD leicht überprüfen, aber in den meisten Fällen arbeitet der Techniker ziemlich weit von dem PSE entfernt, sodass die Techniker einen langen Rückweg zum Telekommunikationsschrank oder zum Rechenzentrum haben, um mehr über die Fähigkeiten des Switches zu erfahren. Dann müssen sie herausfinden, welches Kabel zu ihrem PD führt. In vielen Fällen haben die Techniker möglicherweise keinen Zugriff auf das PSE und müssen sich daher mit dem IT-Team in Verbindung setzen. Ein Techniker könnte einen halben Tag damit verbringen, das Kabel zu verfolgen, um auf den Switch zuzugreifen.

Fluke Networks hat zwei Tools entwickelt, die diese Probleme lösen und dem Techniker stundenlange Frustration ersparen: Den LinkIQ™Kabel- und Netzwerktester und den MicroScanner™ PoE. Schließen Sie einfach eines der beiden Geräte an das Kabel an, und wenn es an einen PSE angeschlossen ist, zeigt es die Klasse (0-8) der auf der Verbindung verfügbaren Leistung an. Der Techniker kann das dann mit den Anforderungen des PD vergleichen und erkennen, ob die ausreichende Leistung verfügbar ist. Der LinkIQ führt einen weiteren Test durch, indem er eine Last auf den PSE legt, um festzustellen, ob der Switch und die Verkabelungsverbindung in der Lage sind, die angekündigte Leistung zu liefern. Der MicroScanner™ PoE hat den Testplan für das Ethernet Alliance Gen2 PoE-zertifizierte Programm erfolgreich abgeschlossen und gewährt die Zuversicht, dass er ordnungsgemäß mit allen IEEE-kompatiblen Geräten funktioniert. Natürlich haben wir das Produkt auch darauf ausgelegt, mit einer Vielzahl von nicht-IEEE-konformen Technologien zu arbeiten, aber da dafür kein Zertifizierungsprogramm bereitsteht, müssen Sie uns das einfach glauben.

Diese Tester sind auch in vielerlei anderer Hinsicht von unschätzbarem Wert für die Technik. Sie ermitteln die Geschwindigkeit des Ports bis zu 10 Gbit/s. Ein langsamer Port kann die Leistung eines Access Points oder einer Kamera einschränken. Bei einer Beschädigung des Kabels zeigen sie die Länge jedes Paares, mögliche Unterbrechungen oder andere Fehler an. Kabel können auch nicht oder falsch angeschlossen sein, daher können diese Tester als Tonquelle für die Kabelverfolgung dienen. Identifikatoren können an Remote-Kabel angeschlossen werden, um zu ermitteln, wo diese hinführen. Der LinkIQ bietet zusätzliche Funktionen: Charakterisierung der Leistung der Verkabelung bis zu 10 Gbit/s, wobei der Name, der Port und die VLAN-Nummer eines angeschlossenen Switches angezeigt werden. Schließlich kann der LinkIQ Berichte für die Verkabelung oder den Switch erstellen und mit der beliebten PC-Software LinkWare™ speichern oder drucken.

Wählen Sie das richtige Gerät aus, zertifizieren Sie die Leistungsfähigkeit des Kabels und stellen Sie dann sicher, dass Ihr Techniker die Installation prüfen und Fehler beheben kann. Dann kann das PoE-Projekt problemlos ausgeführt werden.

^{Abbildung 5. Der MicroScanner PoE ist Ethernet Alliance Gen2 PoE-zertifiziert und kann den vom PSE gelieferten Strom sowie die Netzwerkgeschwindigkeit feststellen. Daneben enthält er auch noch eine Reihe von Kabelprüffunktionen.}

^{Abbildung 6: Der LinkIQ Kabel- und Netzwerktester charakterisiert die Kabelleistung, zeigt Informationen zum Switchport an und erkennt und lädt PoE für gründliche Messungen.}
 

^{Abbildung 7. Vergleich von Fluke Networks Tests für PoE-Geräte und Verkabelung.}