Mit der rasanten Verbreitung drahtloser Netzwerke steigt der Bedarf an Lösungen zur Unterstützung einer größeren Nutzerzahl. Früher verbanden die Menschen lediglich ihre Smartphones mit dem Netzwerk. Heute ist es üblich, mehrere Geräte wie Smartphones, Laptops und Tablets zu verbinden. Darüber hinaus verstärkt der zunehmende Einsatz drahtlos vernetzter IoT-Geräte die Nachfrage nach drahtloser Netzwerkanbindung zusätzlich.

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Obwohl die genaue Zahl schwer zu ermitteln ist, wird geschätzt, dass über 90 % der kommerziellen WLAN-Zugangspunkte (WAPs) über Power over Ethernet (PoE) mit Strom versorgt werden. PoE ist eine von PowerDsine entwickelte und 1998 von Microchip Technology übernommene Technologie. Sie ermöglicht die Stromübertragung über ein Ethernet-Kabel, das bereits Daten überträgt. Dadurch benötigt ein WAP nur ein einziges Kabel für Strom und Daten.

Fortschritte bei drahtlosen Netzwerken stellen neue Anforderungen an Switches und andere Stromversorgungsgeräte. Um diese Anforderungen besser zu verstehen, müssen wir zunächst die aktuellen Markttrends untersuchen.

Trends bei drahtlosen Zugangspunkten

Eine beträchtliche Anzahl von Netzwerken nutzt derzeit Wi-Fi® 5 (802.11ac), das 2013 eingeführt wurde. Dieser Standard bot im Vergleich zu seinem Vorgänger Wi-Fi 4 (802.11n) schnellere Datenübertragungsraten, höhere Kapazität und verbesserte Leistung. Wi-Fi 5 unterstützt eine maximale Datenrate von 3,5 Gbit/s.

Wi-Fi 6 (802.11ax) wurde 2019 eingeführt und bietet Verbesserungen in Geschwindigkeit, Kapazität und Leistung. Im Gegensatz zu Wi-Fi 5, das hauptsächlich im 5-GHz-Band arbeitet, unterstützt Wi-Fi 6 sowohl das 2,4-GHz- als auch das 5-GHz-Band.

Im Jahr 2020 wurde Wi-Fi 6E, auch bekannt als Wi-Fi 6 Extended, eingeführt und erweiterte den Frequenzbereich auf das 6-GHz-Band. Diese Erweiterung stellte zusätzliches Spektrum zur Verfügung, reduzierte die Netzwerkauslastung und verbesserte die Gesamtleistung. Sowohl Wi-Fi 6 als auch Wi-Fi 6E unterstützen maximale Datenübertragungsraten von bis zu 9,6 Gbit/s.

Wi-Fi 7 (802.11be) wurde im Januar 2024 angekündigt. Es wurde entwickelt, um der steigenden Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsinternet und der zunehmenden Anzahl vernetzter Geräte gerecht zu werden und unterstützt Datenübertragungsraten von bis zu 30 Gbit/s. Jede Generation von Wi-Fi-Standards hat schrittweise mehr Nutzer, höhere Geschwindigkeiten und schnellere Datenraten unterstützt.

In diesem Zeitraum wurden auch bedeutende Fortschritte bei der Energieeffizienz erzielt. 2014, kurz nach der Einführung von Wi-Fi 5, ratifizierte das US-Energieministerium (DOE) seine Energieeffizienzstandards der Stufe IV. Inzwischen hat das DOE die Stufe VI erreicht und die Standards der Stufe VII definiert, allerdings noch nicht implementiert. Darüber hinaus haben alle wichtigen Länder eigene Energieeffizienzprogramme eingeführt.

Ein weiterer Aspekt der Energieeffizienz ist die Stromverteilung. Um die Stromverteilung zu optimieren, integrieren viele Hersteller von WLAN-Zugangspunkten (WAPs) Funktionen wie PoE-Stromweiterleitung in ihre Designs. Dadurch kann überschüssige Energie des empfangenden WAPs an nachfolgende WAPs weitergeleitet werden, was die Stromverteilung effizienter macht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Trends bei WAPs Fortschritte in Bezug auf Leistung, Effizienz, Benutzerkapazität, Datenmanagement und Geschwindigkeit zeigen.
Stromversorgung von WLAN-Zugangspunkten

Die zunehmende Verbreitung drahtloser Netzwerke erfordert einen deutlichen Anstieg der Anzahl von WLAN-Access Points (WAPs) aller Art. Diese WAPs müssen sich mit dem Netzwerk verbinden und effizient mit Strom versorgt werden. Power over Ethernet (PoE) hat sich aufgrund seiner Einfachheit und Effizienz als bevorzugte Methode zur Stromversorgung dieser Geräte etabliert. PoE benötigt nur ein Kabel, was die Installation vereinfacht. Gemäß dem National Electrical Code (NEC) ist PoE als Stromklasse II klassifiziert und gilt daher als sicher. Für die Installation ist weder ein zertifizierter Elektriker noch ein Schutzrohr oder eine Abschirmung erforderlich. Ethernet-Standards erlauben Kabellängen von bis zu 100 Metern und bieten somit Flexibilität bei der Geräteplatzierung, ohne dass eine Nähe zu einer Stromquelle erforderlich ist.

Aktuell bieten jedoch nur etwa 20 % der Netzwerke PoE-Stromversorgung. Daher muss bei der Nachrüstung eines bestehenden Netzwerks mit PoE zusätzliche Stromversorgung integriert werden. PowerDsine erkannte 1999, dass die Entwicklung und Herstellung neuer integrierter Schaltkreise (ICs) für Stromversorgungsgeräte (PSE) zur Stromversorgung von Ethernet-Kabeln in Switches, Routern und Gateways mehrere Jahre dauern würde. Um dieses Problem zu lösen, führte das Unternehmen ein Gerät namens Midspan, auch bekannt als Injektor, ein.

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Midspan speist einen drahtlosen Zugangspunkt im Außenbereich

Der Midspan wird an ein Ethernet-Kabel eines Switches angeschlossen, der keine Stromversorgung bereitstellt. Der Ausgang ist ein zweites Ethernet-Kabel, das sowohl Strom als auch Daten überträgt. Das Hinzufügen eines Midspans vor dem WLAN-Zugangspunkt (WAP) ist die schnellste und kostengünstigste Methode, ein Netzwerk mit Strom zu versorgen. Bei Installationen mit mehreren WAPs können Multiport-Midspans im Rack über dem vorhandenen Switch montiert werden, um das Netzwerk mit Strom zu versorgen.

Selbst bei der Installation neuer Switches gibt es keine Garantie für die Stromversorgung. Viele Switches auf dem Markt sind zwar PoE-fähig, verfügen aber auch über ein begrenztes Leistungsbudget. Das bedeutet, dass sie möglicherweise nicht alle Ports mit maximaler Leistung versorgen können. Daher bleibt der PoE-Midspan für neue Switches ohne PoE-Unterstützung und für PoE-Switches mit unzureichendem Leistungsbudget eine entscheidende Komponente zur Stromversorgung drahtloser Netzwerke.

Das richtige Gerät auswählen

Vor der Auswahl eines Geräts ist es entscheidend zu klären, ob der WLAN-Access Point (WAP) an ein bestehendes kabelgebundenes Netzwerk angeschlossen oder ein neues Netzwerk aufgebaut werden soll. Bei Anschluss an ein bestehendes Netzwerk ist zu prüfen, ob PoE unterstützt wird. Falls nicht, sind Midspan-Adapter die kostengünstigste Lösung zur Stromversorgung des Netzwerks.

Beim Aufbau eines neuen Netzwerks sollten Sie überlegen, ob Sie PoE-Switches verwenden möchten. Manche bevorzugen es, den Switch vom Stromnetz zu trennen, da Switches im Vergleich zu PoE-Midspans aufgrund technologischer Weiterentwicklungen häufiger ausgetauscht werden. Diese Präferenz kann dazu führen, dass ein Switch ohne PoE-Funktion gewählt und die Stromversorgung über einen Midspan realisiert wird.

Wenn Mittelspannweiten erforderlich sind, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, um das geeignete Bauteil auszuwählen:

• Stromversorgung
• Anschlüsse
• ​​Umgebung
• Datenübertragungsrate

Die meisten Hersteller von WLAN-Access Points (WAPs) orientieren sich bei der Entwicklung ihrer Midspans an den IEEE-PoE-Standards. Das IEEE hat drei Standards mit vordefinierten Leistungsstufen, sogenannten Klassen, definiert:

• IEEE 802.3af: 3 Klassen – 4W, 7W und 15,4W
• IEEE 802.3at: 4 Klassen – alle oben genannten plus 30W
• IEEE 802.3bt: 8 Klassen – alle oben genannten plus 45W, 60W, 75W und 90W

Der Hersteller des WLAN-Access-Points (WAP) legt die Stromversorgungsanforderungen und den verwendeten IEEE-Standard fest.
Die benötigte Portanzahl hängt von der Anzahl der anzuschließenden Geräte ab. Viele Hersteller bieten für ihre Geräte eine Midspan-Stromversorgung mit einem einzelnen Port an. Gegebenenfalls bietet der Hersteller ein Paket an, das eine solche Midspan-Stromversorgung für jeden WAP enthält.

Systemintegratoren, die mehrere WLAN-Zugangspunkte an einem Standort installieren, bevorzugen häufig eine Multiport-Midspan-Lösung. Dies vereinfacht die Installation, da der Midspan im Rack auf dem Switch montiert wird. Multiport-Midspans bieten zudem zusätzliche Funktionen wie beispielsweise die Zeitplanung.

Es ist wichtig, auch die Installationsumgebung der WLAN-Zugangspunkte (WAPs) und Midspans zu berücksichtigen.
Für WAP-Installationen im Außenbereich sollte ein Gerät ausgewählt werden, das für solche Bedingungen ausgelegt ist. Der Einsatz von Innen- oder Industriegeräten in einem NEMA-Gehäuse (National Electrical Manufacturers Association) führt typischerweise zu hohen Ausfallraten. Midspans und Switches für den Außenbereich sollten für Außenumgebungen konzipiert sein, idealerweise mit einer Schutzart (IP) von mindestens 66, wobei 67 für einen besseren Schutz vor Witterungseinflüssen vorzuziehen ist. Sie sollten außerdem einen geeigneten Temperaturbereich für extreme Wetterbedingungen aufweisen und über einen Überspannungsschutz verfügen, um Gewittern standzuhalten.

Darüber hinaus muss der Midspan aktuelle Datenraten von bis zu 10 Gbit/s unterstützen. Die meisten aktuellen Midspans unterstützen zwar Datenraten bis zu 1 Gbit/s, es sind aber auch Varianten mit 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s und sogar bis zu 10 Gbit/s erhältlich. Diese höheren Datenraten sind für Wi-Fi 6 und spätere Versionen erforderlich.

Immer mehr Hersteller und Verbraucher legen Wert auf Nachhaltigkeit. Sie fordern mehr Berücksichtigung von Umweltauswirkungen und Energieeffizienz. Um die Einhaltung aktueller und zukünftiger globaler Standards zu gewährleisten, müssen Mittelspannweiten diese Anforderungen erfüllen.

Der Weg vor uns

Zu den Vorteilen der neuen Wi-Fi-Standards zählen weiterhin eine höhere Nutzerkapazität, eine verbesserte Datenverarbeitung und höhere Geschwindigkeiten. Der kürzlich verabschiedete Wi-Fi-7-Standard unterstützt Datenraten von bis zu 30 Gbit/s. Da neue Geräte für diesen Standard entwickelt werden, ist zu erwarten, dass auch die darin verbauten Midspans diese Datenraten unterstützen werden. Obwohl die Spezifikationen für Wi-Fi 8 noch nicht finalisiert sind, deuten Diskussionen darauf hin, dass Datenraten von bis zu 46 Gbit/s möglich sein könnten.

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PoE: eine umweltfreundliche, nachhaltige und energieeffiziente Stromquelle

Es wird erwartet, dass sich die Energieeffizienzstandards weiterentwickeln. Der Fokus liegt weiterhin auf DoE Level VI, das seit 2016 gilt, und dem kürzlich definierten Level VII, das den Leerlaufbetrieb betont. Dieses Level VII legt fest, wie viel Energie verbraucht werden darf, wenn das Gerät keine Leistung abgibt. Dies ist besonders wichtig für PoE-Midspans, da diese keine Leistung abgeben, wenn ein WAP diese nicht benötigt. Sie verbleiben im Standby- oder Leerlaufzustand und sind bereit, bei Bedarf Strom zu liefern. Es ist entscheidend, dass alle Stromversorgungsgeräte so konzipiert sind, dass sie die aktuellen und zukünftigen Standards erfüllen oder übertreffen – nicht nur die des US-Energieministeriums (DoE), sondern auch internationale Standards.

Autor: Alan Jay Zwiren, Senior Marketing Manager, Netzwerk- und Konnektivitätslösungen bei Microchip Technology – https://www.microchip.com