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Single pair Ethernet

Das Potenzial der zweiadrigen Variante

15. Oktober 2019, 07:00 Uhr   |  Matthias Fritsche

Das Potenzial der zweiadrigen Variante
© Bild: Computer&AUTOMATION, Quellen: Harting, Fotolia / Nataliya Hora

Mit Single Pair Ethernet kann das Internet-Protokoll in neue Applikationen vordringen. In der Industrie hat diese Ethernet-Variante sogar das Potenzial, die Lücke zwischen der Steuerungsebene und dem Sensor-/Aktornetzwerk zu schließen.

Grafik zu Ethernet-Übertragungsverfahren
© Harting

Bild 1: Die Ethernet-Übertragungsverfahren Fast Ethernet, Gibabit Ethernet und Single Pair Ethernet.

Generationen von Netzwerk-Technikern, Planern, Installateuren und Anwendern haben gelernt, dass für Fast-Ethernet (10/100Mbit/s) Verkabelungen mit zwei Adernpaaren und für Gigabit-Ethernet alle vier Adernpaare nötig sind. Mit dem neuen Single Pair Ethernet (SPE) drängt nun eine Technologie in den Markt, die diese TCP/IP-basierten Datenströme auch über nur ein Adernpaar übertragen kann.

Wie alles begann

Ausgangspunkt für die Entwicklung von SPE ist der BroadR-Reach-Standard, der von der Broadcom Corporation entwickelt wurde. Nachdem die Automobilindustrie auf der Suche nach einem Nachfolger für den CAN-Bus dieses neue TCP/IP-basierte Übertragungsverfahren identifiziert hatte, wurde der erste SPE-Standard von der IEEE 802.3 als Standard 100BASE-T1 in IEEE 802.3bw-2015 Clause 96 veröffentlicht.

Pilotiertes beziehungsweise teilautonomes Fahren erfordert jedoch noch höhere Datenraten und so folgte nach dem ersten SPE-Standard für 100 Mbit/s recht schnell auch die Gigabit-Version.

Die heute bereits zur Verfügung stehende Ethernet-Technologie nach IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 liefert 1 GBit/s Übertragungsgeschwindigkeit über nur ein Adernpaar Kupferverkabelung. Aktuell wird bei IEEE an einem weiteren Standard für noch höhere Datenraten bis 10 Gbit/s (IEEE 802.3ch) gearbeitet, der für hochauflösende Sensoren und Videoübertragungen nötig ist. Außerdem ist ein Standard für nur 10 Mbit/s (IEEE 802.3cg) in der Erstellungsphase. Dieser Standard hat auch für viele Bereiche der Industrie besondere Relevanz, da er Übertragungsstrecken bis 1000 m erlaubt und damit nahezu alle Feldbusse ersetzen kann.

Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit
© Harting

Bild 2: Die Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit für die aktuellen IEEE- 802.3-SPE-Standards.

Grafik zu SPE Standards
© Harting

Bild 3: Die Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit für die zukünftig möglichen IEEE-802.3-SPE-Standards – Extended Reach.

Darüber hinaus gibt es seit März 2019 eine weitere Arbeitsgruppe, die sich mit Übertragungsraten oberhalb von 10 Gbit/s beschäftigt. Hier sind 25 Gbit/s und 50 Gbit/s angepeilt. Diese hohen Datenraten sind die Basistechnologie für autonomes Fahren und neue zonale Rechnerarchitekturen im Fahrzeug. Wie bei den mehrpaarigen Verkabelungen gibt es analog zu Power over Ethernet (PoE) auch für SPE einen neuen Standard zur Fernspeisung, genannt PoDL = Power over Data Line (IEEE 802.3bu). Damit hat die SPE-Technologie innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne bereits die gleiche Leistungsfähigkeit wie das heute vorherrschende ‚mehr-paarige Ethernet‘ (MPE) erreicht. Die einzige Einschränkung ist die derzeit geringere Reichweite für 100 Mbit/s und Gigabit SPE (15 m beziehungsweise 40 m), die aus den Anforderungen der Hauptzielgruppe in der Automobil-Industrie resultiert.

Die Experten gehen aber davon aus, dass auch hier größere Übertragungslängen erreichbar sind. Bild 3 zeigt auf, welche erweiterten Übertragungslängen technisch möglich sind. Damit diese Erweiterungen der SPE-Standards bei IEEE 802.3 in Angriff genommen werden und insbesondere die Halbleiterindustrie in die Entwicklung dieser neuen Chipsätze investiert, bedarf es jedoch der Definition der hierfür geeigneten neuen Anwendungen und Marktpotenziale. Hierzu ist eine offene Zusammenarbeit aller Interessenten für die erweiterten SPE-Reichweiten notwendig. Die ersten Präsentationen bei IEEE 802.3 dazu sind bereits publiziert und wohlwollend aufgenommen.

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1. Das Potenzial der zweiadrigen Variante
2. Übersicht der Normenkomitees
3. Vergleich von MPE und SPE
4. Die Verbindungstechnik für SPE
5. SPE contra wireless

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