Die meisten Netzwerkgeräte benötigen zur Spannungsversorgung ein separates Stromkabel, was den Verkabelungsaufwand unnötig erschwert. Einen anderen Weg zur einfacheren Vernetzung geht Power over Ethernet (PoE). Seit Juli 2003 steht eine komfortable und standardisierte Alternative für die Stromversorgung von LAN-Endgeräten zur Verfügung. Die Energieversorgung der Netzwerkgeräte erfolgt über das Netzwerkkabel - auf eine zusätzliche externe Stromversorgung kann dabei verzichtet werden.
Foto: Microsemi
Dies hat nicht nur Auswirkungen auf den Komfort für den Anwender, sondern verringert insbesondere auch den Installationsaufwand und die Installations- und Energiekosten für den Netzwerkbetreiber.
In dem ersten Teil des Artikels geht TecChannel auf die Grundlagen ein. Wir erläutern die Kabelparameter und gehen unter anderem auf die Sicherheitsfunktionen ein. Zusätzlich kommen weiter interessante Gesichtspunkte von PoE zur Sprache.
Energieeffizienz verstehen und maximieren
Die Effizienz von PoE-Systemen wird durch Multiplikation des Wirkungsgrades der Stromversorgung mit dem Wirkungsgrad der PSE-Schaltung, dem Channel-Wirkungsgrad (einschließlich Kabel, Patchfeld und Steckverbinder), dem PD-Wirkungsgrad und dem DC/DC-Wirkungsgrad des PDs berechnet. Diese Faktoren erfassen die gesamte Stromversorgungskette, von der Stromumwandlung (100 bis 240 VAC auf 44 bis 57 VDC) am Ausgang des PoE PSE-Gerätes, über die Bereitstellung am Verbraucher mit 37 VDC und weiter über die Umwandlung auf die verschiedenen benötigten Spannungen (5 V, 3,3 V, 2,5 V, 1,2 V, 0,9 V und so weiter).
Die Energieeffizienz lässt sich durch Minimierung von Systemverlusten verbessern. Auf der PD-Seite kann wenig ausgerichtet werden, da man vom Worst-Case Leistungsverlust, das heißt von einer Umwandlung der gesamten 57 VDC auf die jeweils kleinste Spannung ausgehen muss. Doch auf der PSE-Seite gibt es schon einfach durch Auswahl der optimalen Ausgangsspannung ausreichend Spielraum zur Effizienzsteigerung.
Nehmen wir einen Verbraucher gemäß IEEE802.3at, der eine Leistung von 25,5 Watt benötigt und an ein 90 Meter langes Cat5-Kabel mit einem Leitungswiderstand von 12,5 Ohm angeschlossen ist. Der PSE-Widerstand beträgt 0,65 Ohm, der PD-Widerstand 0,58 Ohm. In diesem Beispiel würde eine PSE-Stromversorgung mit einer garantierten Mindestspannung von 50,4 V eine Stromstärke von 600 mA erfordern und einen Wirkungsgrad von 84 Prozent aufweisen, während eine garantierte Mindestspannung von 54,8 V eine Stromstärke von 534 mA mit einem Wirkungsgrad von 87 Prozent zur Folge hätte. Der Wert vom 54,8 V wurde gewählt, um die Implementierung einer Stromversorgung mit einer Nennspannung zu ermöglichen, bei der eine +/-2-Prozent-Regelung nicht die vom Standard IEEE802.3 maximal zulässige Spannung von 57 V überschreitet.
Wenn man sowohl für die DC/DC-Stufe des Verbrauchers als auch für die AC/DC-Stufe der PSE-Stromversorgung einen Wirkungsgrad von 90 Prozent annimmt, beträgt die Gesamteffizienz des Systems bei der 54,8-V-Lösung und voller IEEE802.3at-Last 70,5 Prozent (90 Prozent x 90 Prozent x 87 Prozent). Dieses Ergebnis steht in starkem Kontrast zum Wirkungsgrad von 50 bis 70 Prozent bei maximaler Last für ein typisches AC-Steckernetzteil.
Überlegungen zur korrekten PoE-Implementierung
Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Möglichkeiten der Implementierung von PoE, und die getroffene Auswahl hat erhebliche Auswirkungen auf die Energieeffizienz sowie auf die Einfachheit des Managements und der Wartung von Netzwerken.
PoE kann entweder direkt in den Ethernet-Switch integriert werden oder in Form eines auch als Midspan bezeichneten PoE-Injektors zwischen den vorhandenen nicht PoE-fähigen Ethernet-Switchen und Verbrauchern (PD) geschaltet werden. Bei letzterer Vorgehensweise bewirkt ein an den Ethernet-Switch oder -Hub angeschlossenes Midspan-Gerät ein Upgrade des Netzwerks auf PoE, ohne dass ein neuer Switch erforderlich ist. Das Midspan-Gerät wird einfach zwischen den vorhandenen Switch und die Verbraucher geschaltet.
Midspans verringern auch die Wärmekonzentration und sind, da sie nur die für die Lösung benötigte Leistung bereitstellen, eine umweltfreundliche ("grüne") Alternative zu PoE-Switchen. In den meisten Switch-Schränken ist PoE der wahrscheinlich größte Wärmeproduzent und viele vor 1995 gebaute Netzwerkschränke müssten erheblich aufgerüstet werden, um eine höhere Konzentration von PoE-Ports zu unterstützen. Während PoE-Plus die von einem Verbraucher maximal entnehmbare Leistung sowie den allen Verbrauchern durchschnittlich zur Verfügung gestellten Leistungsmix potenziell erhöht, wird das Potenzial dieser Technologie bei der Integration in einen Switch unter Umständen durch die im Switch-Schrank insgesamt verloren gegangene Leistung beschränkt.
Tipps für den Aufbau einer effizienten PoE-Infrastruktur
Beim Aufbau der Infrastruktur sollte unbedingt auf ein ausgewogenes Verhältnis von Leistungskapazität und der für diese Leistung benötigte Kühlung geachtet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei der Verwendung von Midspans die PoE-Stromversorgung weiter von den empfindlichen Netzwerkkomponenten der Ethernet-Switche entfernt ist. Das bedeutet, dass die Switche eine externe Belüftung nutzen können, die die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht.
In vielen Fällen kann eine intelligente Kombination aus Geräten niedriger und höherer Leistung und dem Einsatz von Midspan-Geräten in Kombination mit PoE-Switchen die energieeffizienteste Lösung darstellen. Zur Gewährleistung einer noch größeren Flexibilität beinhalten die neuesten Midspans optional eine einzigartige Zusammenschaltfunktion, die es dem Anwender erlaubt, die Installation durch die schrittweise Kombination mehrerer 1-Port-Midspans zu skalieren, wenn neue Verbraucher dem Netzwerk hinzugefügt werden.
Fernüberwachung ist Pflicht
Generell sind Midspans mit allen Ethernet-Switchen und -Endgeräten kompatibel und beinhalten wichtige Netzwerkmanagementfunktionen, die dem IT-Administrator die Fernüberwachung von Netzwerkgeräten und den potenziellen Eingriff bei Störungen erlauben. Je umfangreicher das Netzwerk und je größer die Anzahl der unterstützten Firmenniederlassungen, desto wichtiger ist die Implementierung eines Fernmanagements der Energieversorgung für die Netzwerkgeräte.
Midspans ermöglichen die zentrale Kontrolle von Installationen, die sich über mehrere Standorte oder Gebäude erstrecken und unterstützen die sofortige Alarmierung zum Beispiel. E911 und die Reaktion bei einer Statusänderung des IP-Telefons. Verbraucher können komplett ein- oder ausgeschaltet werden, was nicht nur erlaubt, den Energieverbrauch jedes PDs zu messen, sondern auch aktiv die von den Verbrauchern durchschnittlich entnommene Leistung verringert. Es ist auch möglich, an abgesetzt installierten und "blockierten" Geräten (was an bestimmten WLAN-Zugangspunkten gar nicht so nicht selten auftritt), ein Reset auszuführen. Auf diese Weise lassen sich viele unnötige und kostenintensive Serviceeinsätze vermeiden.
Intelligentes Energiemanagement und flexible Konfiguration
Natürlich muss das Energiemanagement sicher sein, so dass keine böswilligen Agenten den Betrieb des Netzwerks stören können. Daher wird ein Management nach SNMPv3 empfohlen. Die neuesten PoE-Midspans höherer Leistung beinhalten eine Vielzahl sicherer, fortgeschrittener Energiemanagement-Leistungsmerkmale, wie SNMP-Stromversorgungsmodule und Web-basierendes Energiemanagement und weitere flexible Energiemanagementfunktionen, sowie Unterstützung der IPv4- und IPv6-Adressierung zur effizienten Fernsteuerung und -überwachung von Remote-Geräten. Vernetzte Midspans können sich bei Stromausfall gegenseitig mit Notstrom versorgen und es stehen zahlreiche flexible Stromversorgungsoptionen über AC, DC oder andere Midspan-Geräte zur Verfügung. Zur Erhöhung der Leistungskapazität des Midspans oder zur Redundanz sind die DC-Eingänge zusammen mit externen Stromversorgungen nutzbar.
Weitere Midspan-Optionen sind 1HE- und 2HE-Konfigurationen. 1HE-Konfigurationen sollten in der Lage sein, im 802.3at-Modus für alle 24 Ports gleichzeitig die volle Leistung von 30 Watt bereitzustellen. Darüber hinaus gibt es einen optionalen einzigartigen Hochleistungsmodus, der in der 1HE-Konfiguration bei einem Gerät voller Leistung pro Port 36 Watt und insgesamt 864 Watt unterstützt. Zu guter Letzt sollte man bei einem Midspan-Gerät berücksichtigen, ob es Gigabit-Switching ermöglicht, was für Gigabit-Video-Telefone, -WiMAX-Sender oder Zugangspunkte nach 802.11n ideal wäre.
Nicht auf Unternehmen beschränkt
Obwohl die PoE-Technologie in Unternehmen immer schneller Verbreitung findet, sollte nicht vergessen werden, dass der Privatkundenmarkt noch ein riesiges und bisher nicht erschlossenes Potenzial für die Nutzung der von PoE gebotenen Vorteile darstellt. Denken Sie nur an Anwendungen in Femtozellen, die häufig dort installiert werden müssen, wo einfach keine Netzsteckdosen vorhanden sind, wie zum Beispiel außerhalb der Wohnung oder auf dem Boden. Hier drängt sich die PoE-Technologie regelrecht auf.
Femtozellen können potenziell mit der 13-Watt-PoE-Version gemäß IEEE802.3af oder mit der leistungsstärkeren 30-Watt-Ausführung betrieben werden. Alternativ ist der Einsatz von nichtstandardgemäßen Versionen möglich, die noch größere Leistungen bereitstellen. Eines Tages wird sich die gesamte Wohnung für die Zugangskontrolle, für Sicherheitskameras, WLAN, Modems und sogar für die Innenbeleuchtung auf PoE stützen, wenn das Konzept der elektronischen Beleuchtungssteuerung über PoE an Dynamik gewinnt. So hat Microsemi gezeigt, wie ein 24-V-PoE-Splitter höherer Leistung genutzt werden kann, um ein RGB-LED-System geringer Leistung über eine Ethernet-Standardverkabelung mit Strom zu versorgen, ohne dass ein kostenintensiver PoE-Netzwerkswitch benötigt wurde oder Netzsteckdosen installiert werden mussten.
Weitere Einsatzmöglichkeiten
Darüber hinaus bietet sich PoE auch für industrielle Anwendungen, wie Zugangskontrollsysteme, RFID-Zugangspunkte und eine breite Palette von Not-Aus-Schaltern, Invertern, linearen Codierern, Stellgliedern, Gateways, Controllern, Messfühlern, einfachen Bewegungssensoren und industriellen E/A-Quellen und -Geräten, an. Selbst die frühere PoE-Technologie mit 12,95 Watt pro Port gemäß IEEE802.3at reicht für die Mehrzahl der modernen Industriesensoren aus, die weniger als 10 Watt benötigen.
Mit den neuen Hochleistungsstandards mit 25,5 Watt pro Port kann PoE-Plus vielleicht schon bald die Stromversorgung eines kompletten ÜSE-Systems (Überwachung, Steuerung und Datenerfassung, SCADA) über Ports an Ethernet-Switchen ermöglichen, während gleichzeitig nicht traditionelle IP-Endgeräte in der Fabrikhalle, darunter funkgestützte Zugangspunkte, Telefone, Kameras, Notebooks und Thin Clients, mit Strom versorgt werden.
PoE wird auch ein wichtiges Hilfsmittel zur Implementierung des integrierten Industrienetzes sein. Dazu zählen Anwendungen, die von der Steuerung von Logistikprozessen und der damit verbundenen Bestandsüberwachung bis zur Kontrolle der laufenden Produktion und der Produktionsplanung reichen. Bei all diesen Anwendungen ist es unter Umständen schwierig, wenn nicht unmöglich, an allen Stellen, an denen IP-Endgeräte benötigt werden, eine Netzsteckdose vorzufinden.
PoE für Energieversorger
Neben den im PoE-Energiemanagement auf Chip- und Systemebene gemachten Fortschritten entwickelt die Industrie auch Programme zur Standardisierung der Bewertung der Energieeffizienz von PoE-Geräten.
PoE bietet den Energieversorgern die einzigartige Chance, die Kunden über Bonusprogramme zu bewegen, in PSEs zu investieren, die jedes Jahr Tausende MWh Energie einsparen können. Die größten Einsparungen ermöglicht die Installation von Geräten, die so programmiert werden können, dass sie sich zu bestimmen Zeiten abschalten. Damit ließe sich der Energieverbrauch um mehr als 70 Prozent verringern.
Doch das geht alles nicht von selbst. Erstens ist es nicht möglich, die PoE-Nutzung zu erzwingen, und zweitens, da die PoE-Installation von den Herstellern Materialinvestitionen erfordert, sind das keine Initiativen, für die Versorgungsunternehmen normalerweise Bonusprogramme auflegen würden. Die Energieversorger haben sich diesem Problem bereits gestellt und traditionelle Konzepte zur Steigerung der Energieeffizienz erprobt. Dazu gehört eine möglichst effiziente Energieumwandlung in ihren Systemen, was normalerweise gleichfalls mit Kosten für den Hersteller verbunden ist.
Anreize lassen sich natürlich viel einfacher umsetzen, wenn es eine Möglichkeit gibt, die Rendite der Investition zu messen und vorherzusagen. Während viele Unternehmen wie Miercom zwar Effizienzprüfungen an Ethernet-Switchen ausführen, berücksichtigen diese Tests nur die bei der Datenübertragung verbrauchte Leistung und nicht die PoE-Last. Obwohl diese Herangehensweise für Nicht-PoE-Switche praktisch ist, macht sie bei PoE-Switchen keinen Sinn, da hier etwa 90 Prozent der Leistung für die Speisung von Verbrauchern und nur 10 Prozent für die Datenweiterleitungskomponenten aufgewendet wird.
Aus diesem Grund hat Microsemi sein Green PoE Certification Program ins Leben gerufen, das unter anderem eine neutrale Möglichkeit zum Testen des Wirkungsgrades vorsieht und dabei die Anforderungen der PoE-Switch-Hersteller berücksichtigt. Das Programm orientiert sich an dem für die Geräte von Endverbrauchern eingesetzten Energy-Star-Format und vergibt ein "grünes" Zertifikat für PoE-Switche und Midspan-Geräte, die einen Wirkungsgrad von 75 Prozent und mehr aufweisen. Das Ziel besteht darin, die Nutzer von Netzwerken zu bewegen, energieeffizientere PoE-PSEs zu erwerben. Das Programm wird den Energieversorgern als Grundlage für potenzielle neue Rabattprogramme angeboten.
PoE wird grün
Idealerweise sollten Zertifizierungsprogramme überhaupt keine Daten, sondern nur den Wirkungsgrad testen, mit dem die PoE-Leistung bereitgestellt wird. Das Verhältnis von DC-Ausgang zu AC-Eingang wird für den gesamten Switch bei voller und bei halber Leistung gemessen. Diese Vorgehensweise dient auch der automatischen Normalisierung des Tests entsprechend der Anzahl der geprüften Switch-Ports und ermöglicht den Vergleich von 16, 24, 48 oder einer beliebigen anderen Anzahl von Ports in einem System. Letztendlich ermöglicht diese Methode auch das Testen von Midspan-Geräten, die eine immer wichtigere Plattform für die kostengünstige und flexible Bereitstellung von PoE darstellen.
Ein solches Programm wird ganz eindeutige Aussagen treffen: Die in Bezug auf den Wirkungsgrad besten 25 Prozent der Switche sind "grün", die anderen nicht. Bei Gesprächen mit den Energieversorgern stimmen die meisten zu, dass der Vorschlag, den IT-Managern, die "grüne" PoE-PSEs einsetzen, Rabatte zu gewähren, sehr interessant ist. Denn sie wissen, dass sich im Vergleich zu Geräten ohne PoE-Funktion aus dem Einsatz "grüner" Switche oder Midspan-Geräte erhebliche Einsparungen ergeben.
PoE in Smart Grids
Dieses Nutzenversprechen gilt auch für die intelligenten Stromnetze (Smart Grid). Der Einsatz von PoE in den aufkommenden Smart Grids ermöglicht die Abschaltung von Nutzern niedriger Priorität bei Nachfragespitzen. Es wäre eine Lösung denkbar, die die PoE-Steuerung in die Steuerung eines Smart Grids integriert. Das würde den Energieversorgern erlauben, den Nutzern unter Umständen anzuweisen, zur Energieeinsparung ihre PoE-Geräte mit der niedrigsten Priorität abzuschalten, anstatt flächendeckende Abschaltungen vorzunehmen. Diese Möglichkeit versetzt die Systeme in die Lage, Naturkatastrophen und heiße Sommer weitaus besser zu überstehen, als sie es heute können.
Ob im Rechenzentrum oder im Smart Grid, PoE stellt sich zunehmend als die Technologie dar, die von Energieversorgern genutzt werden kann, um ihren Kunden eine umfassendere Kontrolle über ihren Energieverbrauch in die Hand zu geben. Darüber hinaus ist PoE eine leistungsstarke neue Möglichkeit, die Kunden anzuregen, Strom zu sparen, und selbst die Notwendigkeit des Ausbaus der Energieerzeugungskapazitäten zu überdenken. Für die Ethernet-Nutzer ist die Verbreitung grüner PoE-Zertifizierungsprogramme von Vorteil, da sie die Kosten der verschiedenen PoE-Geräte vergleichen und die effizienteste Lösung auswählen können. Die Hersteller von PoE-Geräten profitieren ebenfalls, da die Anwender ermutigt werden, sowohl wegen der durch den geringeren Stromverbrauch bedingten Kosteneinsparungen als auch als Beitrag zum Umweltschutz neuere und effizientere Geräte zu kaufen. Angesichts des in diesem Szenario geringeren Energieverbrauchs können die Energieversorger dann auf einen weiteren Ausbau ihrer Kapazitäten zur Energieerzeugung und -verteilung
Fazit
PoE bewirkt eine wesentliche Verbesserung der Energieeffizienz in Unternehmen und in Rechenzentren und wird wahrscheinlich auch in den Wohnbereich vordringen. Zu den Vorteilen dieser Technologie zählen die auf Standards basierende Interoperabilität und Konformität, sowie ihre Robustheit, Zuverlässigkeit und die Betriebskosteneinsparungen, die aus einem intelligenten Energiemanagement, einer höheren Netzwerkverfügbarkeit, der Ferndiagnose und dem Fernmanagement sowie aus der Vermeidung kostenintensiver Verkabelungen und Steckdosen resultieren.
Die neuesten PoE-Lösungen höherer Leistung stellen einer breiteren Palette von Verbrauchern (PDs) über eine neue PSE-Leistungsarchitektur ein Mehr an Leistung zur Verfügung. Dazu zählen eine interne beziehungsweise Standardstromversorgung sowie externe Stromversorgungen zur inkrementellen Bereitstellung zusätzlicher Leistung und einer Notstromversorgung. Die jüngsten PoE-Entwicklungen ermöglichen diese neue Architektur bereits, indem sie die Leistungsverluste verringern und gleichzeitig ein reaktionsschnelleres, flexibleres und präziseres Energiemanagement zur Verfügung stellen. Das Ergebnis ist eine neue Klasse von PoE-Geräten, die in der Lage sind, die globale Energieeffizienz wesentlich zu verbessern. (hal)