Power over Ethernet (PoE) ermöglicht die Übertragung des benötigten elektrischen Stroms für Geräte in drahtgebundenen lokalen Ethernet-Netzwerken über die Datenleitungen des Netzwerkkabels, anstatt separate Stromkabel zu verwenden. Dies minimiert den Verkabelungsaufwand bei der Installation von Netzwerkgeräten. Die Entwicklung von PoE begann im Jahr 2003, um die Installation von WLAN-Zugangspunkten (AP) zu erleichtern und flexibler zu gestalten, insbesondere bei Deckenmontagen.

Um Power over Ethernet zu nutzen, wird die elektrische Spannung auf der Stromversorgungsseite (Power Sourcing Equipment, PSE) in das Datenkabel eingespeist und auf der Geräteseite (Powered Devices, PD) wieder extrahiert. Dabei ist es wichtig, die Versorgungsspannung und den -strom sauber vom Datensignal zu trennen, um Störungen zu vermeiden. PoE-kompatible Geräte am anderen Ende des Kabels funktionieren ohne Modifikationen problemlos. Nicht-kompatible Geräte erfordern die Installation einer Komponente namens Picker oder Tap, um die Versorgungsspannung aus dem Kabel zu entfernen. Diese extrahierte Spannung wird dann über ein separates Kabel zur Strombuchse des Geräts geleitet.

Power over Ethernet kann grundsätzlich auf zwei Arten in ein Netzwerk integriert werden. Die am häufigsten verwendete Methode ist Endspan-PoE. Dabei versorgt der Switch als PSE am einen Ende des Kabels das Endgerät (PD) am anderen Ende mit Strom. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, dass dies zu einer höheren Wärmeentwicklung im Rack führen kann, da der Switch und seine Stromversorgung die erforderliche Leistung bereitstellen müssen.

Bei Midspan-PoE tritt dieses Problem nicht auf. Hier übernimmt ein PoE-Injektor die Stromversorgung zwischen dem Switch und dem Endgerät. Wenn der PoE-Injektor nahe am Endgerät installiert wird, entfallen auch Probleme mit der Kabellänge. Der Nachteil von PoE-Injektoren besteht jedoch darin, dass eine separate Stromversorgung für sie installiert werden muss.

Ein wichtiger Begriff im Standard ist die Power Interface oder PI. Das PI ist der physische Punkt, an dem die Verkabelung mit dem PSE oder dem PD verbunden wird. Im Wesentlichen ist es der Ort, an dem sich die beiden modularen Stecker berühren. Alle Spezifikationen im Standard gelten am PI, alles, was sich innerhalb des PSE oder PD befindet, wird als "implementierungsspezifisch" betrachtet.

Das PI besteht aus 8 einzelnen Kontakten, die den 8 Leitern in einem Kommunikationskabel entsprechen. Zwei Leiter bilden ein Paar (ein verdrilltes Paar im Kabel), beide immer mit der gleichen Nennspannung. Es gibt vier Paare. Ein Paarset besteht aus einem positiven und einem negativen Paar. Es gibt zwei Paarsets, die als Alternative A und Alternative B für das PSE sowie als Modus A und Modus B für das PD bezeichnet werden. Das Verhältnis zwischen diesen Konzepten ist in folgender Abbildung dargestellt.

Die PoE-Versorgung erfolgt am einfachsten über Switches als PSE, die an jedem Ethernet-Port die erforderliche Leistung für die PDs bereitstellen. Ursprünglich lieferten Switches, die nach dem Standard IEEE 802.3af-2003 gebaut wurden, ausreichend Leistung für die meisten damaligen Access Points. Allerdings konnte dies bei anderen Arten von montierter Technik wie Videoüberwachungskameras oder Telefonen nicht immer gewährleistet werden. Gemäß dem 802.3af-Standard stellt der Switch oder eine separate PoE-Spannungsversorgung pro Port maximal 15,4 Watt zur Verfügung. Aufgrund von Leitungsverlusten darf das angeschlossene Gerät dann maximal 13 Watt verbrauchen.

Im Laufe der Jahre haben das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und mehrere Anbieter versucht, das Problem der gestiegenen Anforderungen an die Stromversorgung zu lösen, jedoch traten immer wieder Probleme mit der Interoperabilität auf.

Der Standard 802.3at-2009 ermöglichte dann die Bereitstellung von bis zu 30 Watt pro Ethernet-Port. Dies reicht beispielsweise aus, um Wi-Fi-6-APs ausreichend mit Strom zu versorgen. IEEE 802.3at wird häufig als PoE+ oder PoE Plus bezeichnet.

Der Standard IEEE 802.3bt-2018, auch bekannt als Next Generation PoE, PoE++, 4PPoE oder 4-Paar-PoE, ermöglicht die Bereitstellung ausreichender Leistung, um LED-Beleuchtung, Kassensysteme, Terminals, Sicherheitskartenleser und eine Vielzahl anderer Geräte zu unterstützen. Darüber hinaus definiert er die Möglichkeit, zwei verschiedene Leistungsstufen gleichzeitig bereitzustellen. Mit 802.3bt können PDs eine Leistungsaufnahme von bis zu 72 Watt nutzen.


 

Der neue Power over Ethernet-Standard 802.3bt ist die dritte Überarbeitung des weit verbreiteten IEEE-Standards, der die Übertragung von Niederspannungsstrom an vernetzte Geräte spezifiziert. Der erste IEEE PoE-Standard, 802.3af (2003), konnte 13 W an Geräte liefern. Dies wurde mit 802.3at (2009) auf 25,5 W erhöht. Mit 802.3bt erhöht sich die verfügbare Leistung für Geräte um fast das Dreifache auf 71,3 W, was eine Vielzahl neuer Anwendungen ermöglicht. Die Veröffentlichung von 802.3bt wird für die zweite Hälfte des Jahres 2018 erwartet.

Die folgende Übersicht zeigt die von 802.3bt definierten Leistungsniveaus und wie sie sich zum bestehenden PoE-Standard verhalten. Alle PoE-Geräte (Quellen oder Lasten) sind interoperabel, wobei die einzige Einschränkung darin besteht, dass ein neues Hochleistungs-PD (Powered Device) nicht die volle Leistung von einem älteren oder leistungsschwächeren PSE (Power Sourcing Equipment) erhalten wird. Die verschiedenen Leistungsniveaus werden als "Klassen" definiert. Es gibt vier bestehende Klassen, die bis zu 25,5 W an PDs liefern. Dies wird mit vier neuen Klassen erweitert, wodurch das Leistungsniveau höher wird, bis zu 51 W für Typ-3-PDs und bis zu 71,3 W für Typ-4-PDs.


 
Dieses höhere Leistungsniveau wird durch das Bereitstellen von Strom durch alle vier verdrillten Paare in einem Netzwerkkabel ermöglicht. Der aktuelle Standard (IEEE 802.3-2015/2018) erlaubt nur die Übertragung von Strom über zwei von vier Paaren. Für die zugewiesene Klasse 5 und höher ist zur Stromversorgung die Verwendung von 4 Paaren erforderlich. Die neuen Typ 3 / Typ 4 PSEs unterstützen auch bestehende PDs und können ebenfalls 4 Paare verwenden, um diese PDs mit Strom zu versorgen, was zu einer Halbierung der Kabelverluste führt.

Die Kupferadern in Ethernet-Kabeln haben wie jeder elektrische Leiter einen ohmschen Widerstand. Dieser Widerstand hängt von der Temperatur, dem Leiterquerschnitt und der Kabellänge ab. Je länger das Kabel ist, desto größer ist der Widerstand zwischen dem Power Sourcing Equipment (PSE) und dem Powered Device (PD). Dickere Kupferkabel mit größerem Querschnitt haben einen geringeren Widerstand im Vergleich zu dünneren Leitern. Außerdem steigt der Widerstand mit zunehmender Temperatur. Aus diesem Grund dürfen Ethernet-Kabel nicht wärmer als 60 Grad Celsius werden.

Wenn ein höherer Strom (I) fließt, wird mehr Leistung (P) in Form von Wärme am Widerstand des Kabels umgesetzt (P = I^2 * R). Dadurch erhöht sich wiederum der Widerstand des Kabels. Ein höherer Widerstand führt zu einem größeren Spannungsverlust (UV) entlang des Kabels (UV = R * I). Das bedeutet, dass am PD weniger Spannung ankommt als am PSE eingespeist wurde.

Um den Widerstand gering zu halten, sind Kabel mit größerem Querschnitt erforderlich, insbesondere bei längeren Strecken. Ethernet-Kabel werden daher in AWG-Klassen mit unterschiedlichem Leiterquerschnitt eingeteilt. Zum Beispiel leiten AWG22-Cat.7A-Kabel den Strom besser als AWG24-Cat.5e-Kabel.

Die maximale Kabellänge zwischen PSE und PD beträgt 100 Meter. Wenn längere Strecken überbrückt werden müssen oder wenn nicht genügend Spannung am PD ankommt, sind PoE-Extender erforderlich. Diese Zwischengeräte erhöhen die Spannung wieder auf das erforderliche Niveau.

Einige der Vorteile von PoE sind:
 

• Einfache Installation: Es entfällt die Notwendigkeit, separate Stromanschlüsse an das Stromnetz anzuschließen.
• Kosteneinsparungen: Ethernet kann sowohl Strom als auch Daten übertragen, wodurch separate Stromkabel eingespart werden können.
• Sicherheit: PoE unterbricht automatisch den Stromfluss, wenn es zu einer Unterbrechung des Dienstes kommt, was die Sicherheit erhöht.
• Datengeschwindigkeit: PoE ermöglicht die Übertragung von Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde (GBit/s) über Cat5- und Cat6-Kabel. Der IEEE 802.3bz PoE-Standard ermöglicht Geschwindigkeiten von 2,5 GBit/s bis 5 GBit/s über eine Entfernung von bis zu 100 Metern.
• Sicherheit: PoE-Geräte, die an Netzwerke mit hoher Sicherheitsstufe angeschlossen sind, genießen den gleichen Sicherheitsschutz wie andere Netzwerkressourcen.

PoE ist keine universelle Lösung und kann auf folgende Probleme stoßen:
 

• Leistungsgrenzen: Geräte, die den PoE-Standard von 2003 unterstützen, sind auf eine Leistung von maximal 25,5 Watt beschränkt. Geräte mit höherem Leistungsbedarf müssen den neueren PoE-Spezifikationen entsprechen. Auch hier ist die maximale Leistung auf Verbraucherseite auf 72 Watt begrenzt.
• Höhere Switch-Kosten: Obwohl PoE Kosteneinsparungen durch die Kombination von Strom- und Datensignalen ermöglicht, sind PoE-Switches teurer als herkömmliche Switches.
• Begrenzte Entfernungen: Die Übertragung von PoE-Strom ist auf eine maximale Distanz von 100 Metern begrenzt, es sei denn, es werden PoE-Extender oder andere Methoden zur Stromversorgung verwendet.
• Sicherheit: Wenn die Netzwerksicherheit unzureichend ist, haben Angreifer, die es auf PoE-Geräte abgesehen haben, leichteren Zugang zu diesen Netzwerken. Es ist wichtig, die Sicherheitsaspekte bei der Implementierung von PoE zu berücksichtigen.