Single pair Ethernet
Das Potenzial der zweiadrigen Variante
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.
Bild 1: Die Ethernet-Übertragungsverfahren Fast Ethernet, Gibabit Ethernet und Single Pair Ethernet.
© HartingGenerationen 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.
Bild 3: Die Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit für die zukünftig möglichen IEEE-802.3-SPE-Standards – Extended Reach.
© HartingDarüber 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.
Übersicht der Normenkomitees
Die zentrale Rolle bei der Normierung nimmt ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 ein. Hier werden basierend auf den IEEE-802.3-Standards die Verkabelungsnormen nach ISO/IEC 11801 erstellt und gepflegt.
Dazu erfolgt ein enger Austausch und eine intensive Zusammenarbeit mit IEEE 802.3 und den Komitees für die Verkabelungskomponenten. Innerhalb der IEC-Arbeitsgruppe SC46C für die Normierung von Datenkabeln als Meterware sind vier Normenprojekte in Arbeit.
Die Normung der SPE-Verbindungstechnik
Der erste SPE-Steckverbinder-Normenentwurf wurde bereits 2016 von Harting bei SC48B eingereicht und als IEC 61076-3-125 bis zum CD Dokument publiziert. Die Firma CommScope hat 2017 ein weiteres SPE-Steckgesicht zur Normung eingereicht. Daraufhin erfolgte die Entscheidung, für alle SPE-Steckverbinder die Normenreihe IEC 63171 zu erstellen. Dementsprechend wurde bei SC48B das Projektteam PT63171 ins Leben gerufen und mit der Erstellung dieser neuen Normenreihe beauftragt. Die bis zu diesem Zeitpunkt bereits in Arbeit befindlichen Normen werden als in sich geschlossene Dokumente fertiggestellt und später im Rahmen von Überarbeitungen in diese neue Normenreihe integriert.
Folgende Normenprojekte sind derzeit in Arbeit:
- IEC 63171 – Basisnorm mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen (CD verfügbar)
- IEC 63171-1 – SPE-Steckverbinder der Firma CommScope auf Basis der LC-Verriegelung für M1I1C1E1-Anwendungen (CDV genehmigt, FDIS in Vorbereitung und finale Veröffentlichung in 2020)
- IEC 63171-2 – SPE-Steckverbinder der Firma Reichle & De-Massari für M1I1C1E1-Anwendungen (CD verfügbar)
- IEC 63171-3 – SPE-Steckverbinder der Siemon basierend auf einem Paar des bekannten Tera-Steckverbinders für M1I1C1E1-Anwendungen (zurückgezogen)
- IEC 63171-4 – SPE-Steckverbinder der Firma BKS für M1I1C1E1-Anwendungen (CD verfügbar)
- IEC 63171-5 – SPE-Steckverbinder der Firma Phoenix Contact basierend dem IEC-63171-2-Steckgesicht für M2I2C2E2- und M3I3C3E3-Anwendungen (CD verfügbar)
- IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125) – SPE-Steckverbinder der Firmen Harting und TE Connectivity für M2I2C2E2- und M3I3C3E3-Anwendungen (CDV genehmigt, FDIS in Vorbereitung und finale Veröffentlichung 2020)
Vergleich von MPE und SPE
Auch wenn für existierende 4-paarige Datenverkabelungen ebenso wie für SPE verdrillte Adernpaare nötig sind, sind die Anforderungen an die Verkabelung und Verbindungstechnik recht unterschiedlich; insbesondere hinsichtlich der Übertragungslänge mit den aktuell verfügbaren SPE-Übertragungsstandards und den HF-Anforderungen, was sich insbesondere am benötigten Bandbreitenbedarf zeigt (siehe Tabelle).
Migration von MPE aus SPE
Hohe Datenraten über ein Adernpaar – wieso also nicht vier SPE-Strecken in bestehender 8-adriger Infrastruktur vereinen? Diese Idee, quasi 4-paarige Verkabelungen für SPE mittels ‚cable sharing‘ zu benutzen, drängt sich geradezu auf. Und tatsächlich: In Sonderfällen ist dies durchaus möglich, aber technisch und wirtschaftlich nicht wirklich sinnvoll. Zum einen erfordern SPE-Verkabelungen im Vergleich zu MPE höhere Bandbreiten, insbesondere beim Übersprechen, und im Vergleich zu MPE mit 100 m Übertragungslänge gibt es bisher bei SPE erst kürzere Übertragungslängen von 40 m bei 1000BASE-T1 für geschirmte Kabel. Damit muss in diesem Migrations-Szenario der Anwender die installierten Verkabelungen Strecke für Strecke neu für SPE überprüfen. Somit ist auch die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit solcher Nutzungskonzepte fraglich. Um beispielsweise eine installierte Cat.-6A-Verkabelung für 1000BASE-T1 zu qualifizieren, darf die Übertragungslänge 40 m nicht überschreiten und die entsprechenden HF-Parameter müssen bis 600 MHz qualifiziert werden. Selbst wenn das alles optimal passt, lassen sich mit SPE lediglich 4 x 1 Gbit/s übertragen, wobei doch diese Cat.-6A-Verkabelungsstrecken heute mit 10 Gbit/s MPE genutzt werden können.
Die Verbindungstechnik für SPE
Die Auslegung der SPE-Steckverbinder nach IEC 63171-6 erfolgte nach den Vorgaben der zugehörigen IEE-802.3-Normen und weiteren Marktanforderungen. Folgende elektrische Kennwerte sind hierbei genau festgelegt: Die Nennspannung, die Isolationsspannung, der Nennstrom und die HF-Übertragungsparameter.
Ziel der Konstruktionsauslegung für das SPE-Interface war die Berücksichtigung der genannten elektrischen Parameter mit ausreichender Reserve für zukünftige höhere Bandbreiten und die Anforderungen hinsichtlich Fernspeisung (PoDL) sowie die Wahl bereits im Markt akzeptierter und verbreiteter Gehäusebauformen. Dabei wurde auch großen Wert auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem Markttrend nach miniaturisierten Schnittstellen und hoher Robustheit auf der einen Seite sowie gute Handhabbarkeit und optimale Auslegung des Anschlussbereiches passend zu den zu verwendenden Adern- und Kabeldurchmessern gelegt.
Bild 6: SPE-Steckverbinder-Ausführungen nach IEC 63171-6 als IP65/67 sowie als IP20-Ausführungen.
© HartingDiesen Konstruktionszielen folgend wurden als Kontaktsystem 0,5 mm-Kontakte mit einem Kontaktabstand von 2,8 mm gewählt. Der Kontaktabstand ist dabei maßgeblich mit den anzuschließenden Kabelquerschnitten abgestimmt. Für die kurzen Übertragungsstrecken bei 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 kommen AWG 28/26 beziehungsweise AWG-22-Leiter mit Aderndurchmessern von rund 1 mm beziehungsweise 1,6 mm Durchmesser zum Einsatz. Für die 10BASE-T1L mit 1.000 m Reichweite sind jedoch AWG-16/18-Leiter mit 2 mm Aderndurchmesser nötig und somit sind 2,8 mm Kontaktabstand optimal. Gemäß den IEEE802.3-Normen sind die größeren Reichweiten nur mit geschirmten Übertragungsstrecken zu erreichen. Aus diesem Grund und um auch in rauen Industrieumgebungen eine sichere Übertragung zu gewährleisten, wurde konsequent ein geschirmter Aufbau umgesetzt. Dabei dienen die Schirmbleche auch gleichzeitig der robusten mechanischen Verriegelung der IP20-Version. Der verwendete metallische Rasthebel eliminiert dabei ebenso das beim RJ45 oft bemängelte Problem der defekten Verriegelung. In industriellen Anwendungen haben sich M8- und M12-Rundsteckverbinder etabliert. Dementsprechend ist das neue SPE-Steckgesicht als einheitlicher ‚Datencontainer‘ in die M8-Bauformen mit Schraub-, SnapIn- und PushPull-Verriegelung integriert. Weiterhin sind außerdem M12-Bauformen mit Schraub- und PushPull-Verriegelung genormt, um insbesondere die großen Kabelquerschnitte für den 1.000-m-10BASE-T1L-Kanal aufzunehmen. In allen Bauformen kommt damit das gleiche Steckgesicht zum Einsatz, wodurch sich auch IP20-Steckverbinder zur Parametrierung oder für Prüfungen mit den IP65/67-Schnittstellen verbinden lassen. Die Nutzung der weit verbreiteten M8/M12-Bauformen gewährleistet die gute Marktakzeptanz und reduziert gleichzeitig die notwendigen Investitionskosten, da bei vielen Anbietern die entsprechenden Gehäusebauformen vorhanden sind. Die Nutzung der identischen Buchsen- und Steckverbindereinsätze (Datencontainer) in allen Bauformen garantiert die einheitlichen technischen Kennwerte in allen Baureihen und schafft günstige Voraussetzungen für eine kosteneffiziente Fertigung durch Skaleneffekte. Damit steht mit den SPE-Schnittstellen nach IEC 63171-6 ein international genormtes Steckgesicht zur Verfügung, das die zukünftige Nutzung von SPE in industriellen Anwendungen optimal unterstützt. Durch die Nutzung dieses genormten SPE-Datencontainers ist auch die Integration dieses IEC-63171-Steckgesichts in weitere Bauformen wie beispielsweise dem als neues Normenprojekt in Arbeit befindlichen Steckverbindersystem mit innenliegender M12-PushPull-Verriegelung einfach möglich.
In Bild 6 ist eine Auswahl der unterschiedlichen Bauformen in Schutzart IP65/67 und IP20 zu sehen. Dieses Produktsortiment kann und wird zukünftig auf Basis der IEC 63171-6 weiter ausgebaut und zukünftig ein vollständiges Lösungssortiment beginnend von Leiterplattenbuchsen und Steckverbindern bis hin zu Wanddurchführungen und Systemkabeln umfassen. Auch die zugehörigen Feldmesstechnik ist in Arbeit.
SPE contra wireless
Neue Anwendungen wie autonomes Fahren, IoT und IIoT benötigen neue und leistungsfähigere Netzwerk-Technologien. SPE ist eine solche Technologie. Die Möglichkeit, Geräte mit nur einem Anschluss neben Daten gleichzeitig auch noch mit Energie zu versorgen, bevorteilt diese Technik gegenüber Wireless-Lösungen enorm. Die Fernspeisung mittels PoDL macht Batterien und Akkus überflüssig. Kabelgebundene Übertragungsverfahren haben den weiteren Vorteil, dass keine regulatorischen Einschränkungen hinsichtlich der nutzbaren Frequenzbereiche existieren und somit keine Lizenzkosten für die Bereitstellung der notwendigen Frequenzbänder anfallen. Da Frequenzbänder auch international nicht einheitlich vergeben werden, sind Geräte mit Funkschnittstellen immer den unterschiedlichen Marktanforderungen anzupassen.
Zusammen mit den bei IEEE 802.1 entwickelten Time-Sensitive-Networks-Standards (TSN-Standards) wird die Ethernet -Technologie mit allen notwendigen Mechanismen erweitert, um Determinismus in der Datenkommunikation zu realisieren – eine Voraussetzung für alle Echtzeit-Anwendungen. Damit qualifiziert sich SPE als perfekte Infrastrukturlösung und ‚Enabler‘ für IoT und IIoT und ist somit ein wichtiger Baustein für Integrated Industrie.
Damit SPE dieses Potenzial voll entfalten kann, ist es im Sinne eines Ökosystems (siehe Bild 7) notwendig, dass die Partner aus unterschiedlichen Industriezweigen intensiv zusammenarbeiten und diese Vision möglich machen. Das beginnt in der gemeinsamen internationalen Normung bei IEEE 802, ISO/IEC und TIA und setzt sich bei der Entwicklung und Bereitstellung der notwendigen Komponenten beginnend bei den Halbleitern, magnetischen Bauteilen, Steckverbindern und Verkabelungskomponenten und Messtechnik fort. Nur wenn die Standards und Komponenten zumindest in ersten Musterstückzahlen vorhanden sind, können die Anwender die Vielzahl der möglichen Geräte mit der SPE-Übertragungstechnik ausrüsten und vielfältige neue Anwendungen erschließen.
Autor:
Matthias Fritsche ist Prodct Manager Ethernet Connectors & Expert for Ethernet Technologies bei der Harting Technologiegruppe in Espelkamp.
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