Erweiterung der Reichweite von PoE-betriebenen Geräten: 100 Meter sind nicht mehr die Grenze

Da immer mehr Unternehmen versuchen, physische Sicherheit, drahtlose Konnektivität und Gebäudeautomationssysteme in ihr gesamtes IP-Netzwerk zu integrieren, entstehen neue Herausforderungen. Zu diesen Herausforderungen gehört vor allem die Bereitstellung von Strom- und Datenkonnektivität für Geräte, die an Orten in einiger Entfernung von der Netzwerkhardware positioniert werden müssen.

Power over Ethernet bietet einen bequemen und kostengünstigen Ansatz zur Bereitstellung von Strom- und Datenkonnektivität über eine einzige Verbindung. Allerdings war dieser Ansatz traditionell durch die standardmäßige 100-Meter-Reichweite von Ethernet über ein Twisted-Pair-Kabelsystem begrenzt. Während Glasfaserkabel eine beträchtliche Reichweite für die Datenübertragung bieten, war immer noch eine lokale Stromversorgung erforderlich, und die lokale Stromversorgung einer einzelnen Kamera, eines drahtlosen Zugangspunkts oder eines Zugangskontrollgeräts war sowohl kostspielig als auch unpraktisch. Benötigt wurde ein System, das die besten Aspekte der Glasfaserübertragungsreichweite und den Komfort von Power over Ethernet kombiniert.

Heutzutage stehen Optionen zur Verfügung, um die Herausforderung der Unterstützung von Remote-Geräten zu bewältigen. In diesem Dokument wird jede Option betrachtet, wobei auch die Vorteile hervorgehoben werden, die sich aus einem System ergeben, das die Reichweite von PoE und PoE+ weit über 100 Meter hinaus erweitert, ohne dass eine lokale Stromversorgung, zusätzliche Notstromversorgungen oder zusätzliche Elektroinstallateure erforderlich sind. Das OneReach™-System wird als Beispiel für eine vollständige, einfache und integrierte Lösung betrachtet, die genau diese Vorteile bietet.

Power over Ethernet (PoE) wurde erstmals 2003 mit IEEE 802.3af standardisiert und stellt bis zu 15 W Gleichstrom bereit, wobei dem mit Strom versorgten Gerät mindestens 12,95 W zur Verfügung stehen. Die ersten zu unterstützenden Anwendungen waren IP-Telefone, Wireless Access Points (WAP) und IP-Kameras. Die Möglichkeit, IP-Geräte mit Strom zu versorgen, erwies sich als sehr kosteneffektiv. Als die Jahre vergingen und fortschrittliche VoIP-Telefone immer mehr Strom benötigten, ratifizierte IEEE 802.3at im Jahr 2009 und erlaubte bis zu 30 W Gleichstrom, wobei dem mit Strom versorgten Gerät 25,5 W Leistung zur Verfügung standen. Im September 2018 wurde 802.3bt ratifiziert und Leistung vom Typ III (60 W) und Typ IV (90 W) verfügbar gemacht.

Der Wegfall einer separaten Steckdose bietet eine Reihe von Vorteilen:

Die über das Kabel zugeführte Spannung beträgt nominell 48 VDC. Heutzutage erfolgt die Spannungsversorgung üblicherweise über den Ethernet-Switch. Diese Konfiguration wird als „End-Span“-System bezeichnet, da der Strom am Ende des Kabelkanals erzeugt wird. Bei älteren Switches, die nicht in der Lage sind, Strom bereitzustellen, können „Mid-Span“-Systeme den Strom jedoch entlang der Verkabelungsstrecke einspeisen. Die Stromeinspeisung in der Mitte der Spanne erfolgt normalerweise im Patchpanel in der Nähe des Ethernet-Switches, sie kann jedoch an einer beliebigen Stelle entlang der Verbindung eingefügt werden.Abbildung 1veranschaulicht die Konzepte.

Abbildung 1.

Obwohl PoE eindeutig eine erfolgreiche Technologie ist, gibt es einschränkende Faktoren. Eine der größten Herausforderungen bei der PoE-Technologie ist die physische Reichweite. Da es sich um einen Ethernet-Kanal handelt, beträgt die maximale Entfernung bei einem Kategoriekabel 100 m. Für viele Anwendungen ist diese Linklänge ausreichend. Doch für immer mehr Geräte reicht die herkömmliche Distanz von 100 m (328 ft) nicht aus. Tatsächlich kommt es mittlerweile häufig vor, dass eine IP-Kamera 400 Fuß vom Schalter entfernt installiert wird. Die Kamera schaltet sich möglicherweise ein, wenn ausreichend Spannung an die Kamera gelangt, die Entfernung jedoch zu groß für den Datenkommunikationskanal ist und daher kein Videosignal den Schrank erreicht. Es ist wichtig zu beachten, dass die Entfernung anhand der Kabellänge gemessen wird, die aufgrund der Verdrillung der einzelnen Leiterpaare erheblich länger sein kann als die geradlinige Entfernung zwischen dem Schalter und dem PD.

Wenn diese Situationen auftreten, müssen Alternativen entwickelt werden. Eine Lösung besteht darin, irgendwo in der Nähe des mit Strom versorgten Geräts eine Steckdose zu installieren, wie in dargestelltFigur 2 . Sobald eine Steckdose vorhanden ist, stehen verschiedene Optionen zur Verfügung. Beispielsweise könnte ein weiterer Ethernet-Switch installiert werden, der über ein Glasfaser-Backbone mit dem Hauptschrank verbunden wäre. Alternativ könnte ein herkömmlicher Medienkonverter verwendet werden, wiederum mit einer Glasfaserverbindung zurück zum Hauptschalter.

In jedem der Beispiele inFigur 2 , werden mehrere Opfer gebracht. Am bedeutendsten sind die Kosten für die Installation der Stromversorgung. Abhängig von verschiedenen Faktoren können die Kosten für diese Installation zwischen 2.000 und 10.000 US-Dollar liegen, oder deutlich mehr, wenn die Steckdose an einem schwer zugänglichen Ort installiert werden muss. Da außerdem eine neue Steckdose vorhanden ist, ist eine zusätzliche USV zur Bereitstellung von Notstrom erforderlich. Die Kosten für diese USV hängen von der unterstützten Last ab, betragen jedoch normalerweise mehrere hundert Dollar. Und diese Geräte müssen normalerweise in einem Schrank untergebracht werden, um Kühlung und/oder Sicherheit zu gewährleisten. Daher können die Anschaffungskosten mehrere tausend Dollar oder mehr betragen.

Figur 2.

Berk-Tek hat eine neue Lösung zur Bewältigung dieser Herausforderungen entwickelt – ein kostengünstiges System, das die Bereitstellung von Strom und Daten für PDs über 100 Meter hinaus ermöglicht und dennoch den Standards entspricht. Die anfängliche Entwicklung konzentrierte sich auf die Entwicklung eines Kabels, das in der entsprechenden Umgebung verwendet werden kann. Da es sich bei vielen Anwendungen mit größerer Reichweite um IP-Kameras handelte, die außerhalb eines Gebäudes installiert wurden, musste das Kabel in einer Innen-/Außenumgebung betrieben werden. Die Lösung ist ein Verbundkabel mit Riser-Einstufung, das Kupferleiter für die Stromversorgung und Glasfasern für die Daten enthält und als Kabel der Klasse 3 (oder CL3) konzipiert und gelistet ist. Das resultierende Kabel verfügt sowohl über eine Power Limited Tray Cable (PLTC)-Listung als auch über eine CL3R-OF-Listung, wodurch es in die Niederspannungskategorie eingestuft wird (ebenso wie das Kabel der Kategorie 5e), was es dem herkömmlichen Niederspannungsunternehmen ermöglicht, das Kabel zu installieren.

Seit vielen Jahren sind Medienkonverter erhältlich, um ein Kupfer-Ethernet-Signal in ein Glasfaser-Ethernet-Signal umzuwandeln und so die Signalreichweite von 100 Metern auf 2 Kilometer oder mehr zu erweitern. Für diese herkömmlichen Geräte benötigte der entfernte Medienkonverter (der in der Nähe des PD installiert ist) immer noch eine lokale Stromquelle. Daher musste die Lösung dieses Manko beheben, damit der Kunde die Vorteile von PoE voll ausschöpfen konnte.

Da der Fernkonverter häufig im Freien platziert wurde, musste er industrietaugliche Spezifikationen erfüllen. Dazu gehörte die Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturen von bis zu -40 °C und die Spannungsisolierung, um Erdschlüssen standzuhalten. All dies musste in einem Paket untergebracht werden, das kompakt genug war, um in einem kleinen NEMA-zertifizierten Gehäuse untergebracht zu werden.

Stattdessen liefert die OneReach-Lösung die Stromversorgung für den speziell entwickelten Remote-Medienkonverter und das PD aus dem Hauptschrank, sodass keine lokale Wechselstromversorgung erforderlich ist. Die Stromübertragung erfolgt über die Kupferleiter. Die Leiter haben ein AWG Nr. 12 und bieten einen Widerstand, der niedrig genug ist, damit ausreichend Strom den Medienkonverter und das PD über Entfernungen von bis zu 3.600 Fuß erreichen kann, je nach dem vom PD benötigten PoE-Strom. Das Ethernet-Signal würde über die Glasfaser übertragen, wo solche Entfernungen leicht zu erreichen sind. Sowohl die Kupfer- als auch die Glasfaserkomponenten sind im Riser-zertifizierten CL3R-OF/PLTC-Verbundkabel enthalten. Darüber hinaus hat Berk-Tek auch eine Plenum-Option eingeführt, das CL3P-OF/PLTC-Verbundkabel.

Das OneReach-System ist ein End-Span-PoE-System, wie in dargestelltFigur 3 . Dieses proprietäre System bietet einen IEEE-konformen PoE-Port, erweitert ihn jedoch weit über die 100-Meter-Grenze hinaus – tatsächlich kann er weit über 1 km hinausgehen. Außerhalb des Hauptschranks ist keine zusätzliche Stromquelle erforderlich. Und da es sich bei OneReach nicht um einen Switch handelt, kommuniziert der Switch im Schrank direkt mit dem PD und kann die vorhandene USV zur Notstromversorgung nutzen.

Figur 3.

Der Hauptvorteil der OneReach-Lösung ist ihre Transparenz. Solange das PD der PoE-Spezifikation entspricht, kann es von OneReach unterstützt werden. Ständig werden neuere Hochleistungs-PDs auf den Markt gebracht, die PoE und PoE+ nutzen.

Weitere Informationen finden Sie unter www.berktek.us/onereach.