Ein Paar ist genug Neue Übertragungstechnologie Single Pair Ethernet

Seit den 1990er Jahren kommen generische Verkabelungslösungen auf Basis symmetrischer Twisted-Pair-Leitungen und Glasfasern zum Einsatz. Bei den Twisted-Pair-Verkabelungen wurden anfänglich zweipaarige Kabel eingesetzt. Dabei fungiert ein Adernpaar als Sendeleitung und das andere dient als Empfangsleitung (100Base-TX). Dieses Prinzip, beschränkt sich auf eine Übertragungsrate von 100 Mbit/s, ist heute noch vorherrschendes Übertragungsprinzip in der Industrie.

Um höhere Übertragungsgeschwindigkeiten von 1 Gbit/s und 10 Gbit/s zu realisieren, wurde ein Übertragungsverfahren gewählt, das vier symmetrische Paare in Verbindung mit achtpoligen Steckverbindern benötigt. Die Ethernet-Übertragung mit nur einem Adernpaar läuft damit offensichtlich der technischen Entwicklung entgegen. Und wieso das Ganze?

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 dieser Standard von der IEEE 802.3 als Standard 100BASE-T1 in IEEE 802.3bw-2015 Clause 96 veröffentlicht.

Autonomes Fahren erfordert jedoch noch höhere Datenraten und so folgte nach dem ersten SPE Standard für 100 Mbit/s recht schnell auch die Gigabitversion. Die heute bereits zur Verfügung stehende Ethernet Technologie nach IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 liefert 1 GBit/s Übertragungsgeschwindigkeit über nur eine Doppelader 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 benötigt wird. Außerdem wird ein wichtiger Standard für nur 10 Mbit/s (IEEE 802.3cg) erarbeitet, der Übertragungsstrecken bis 1.000 m erlaubt.

Analog zu Power over Ethernet (PoE) gibt es auch für SPE einen Standard zur Fernspeisung, genannt PoDL = Power over Data Line (IEEE 802.3bu). Diese Kombination von Daten und Power unterstützt die Trends in Miniaturisierung, höherer Datenraten und Modularisierung für komplexere Anlagen. Voraussetzung für den erfolgreichen und großflächigen Einsatz von SPE ist die durchgängige Kompatibilität von Geräten, Kabeln und Steckverbindern. Genormte und einheitliche Schnittstellen sind der Schlüssel aller Hersteller, um gemeinsam das SPE Ökosystem bestehend aus Sensoren, Aktoren, Steuerungen und Verbindungstechnik entwickeln zu können. Anwender können mit diesen Komponenten anschließend die passenden Automatisierungslösungen erstellen und haben eine Investitionssicherheit.

Im Ergebnis der internationalen Normierungsauswahl bei IEEE 802.3, ISO/IEC und TIA haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:

• Für die Gebäudeverkabelung das Steckgesicht nach IEC 63171-1: Es basiert auf dem Vorschlag der Firma Comm­Scope und ist unter dem Synonym Variante 1 (LC Style) für M₁I₁C₁E₁-Umgebungen bekannt.

• Für die Industrie und industrienahe Anwendungen wird das Steckgesicht nach IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125) empfohlen: Es basiert auf dem Vorschlag von Harting, ist speziell für den Einsatz in bis zu M₃I₃C₃E₃-Umgebungsbedingungen konzipiert und als Variante 2 (Industrial Style) bekannt.

Kernelement der neuen T1-Industrial-Steckverbinderfamilie von Harting ist ein immer einheitliches SPE-Steckgesicht, das für alle Varianten von IP20 bis zu IP65/67 verwendet wird. Harting hat sein Steckverbinderkonzept entsprechend ausgerichtet (heute bis 600 MHz) und kann sowohl 1 GBit/s für kürzere Strecken als auch 10 Mbit/s für die weiten Distanzen mit einem untereinander kompatiblen Steckgesicht realisieren. Dabei können dünne flexible Kabel mit 2xAWG26/7 bis hin zu sehr dicken Kabeln mit 2xAWG18/1 verarbeitet werden. Diese standardisierte SPE-Schnittstelle wird von namhaften Anbietern wie TE und Hirose unterstützt.

Verkabelung und Normen

SPE und dafür normierte Steckverbinder fließen auch in die aktuellen Verkabelungsstandards mit ein. International betrifft das vor allem die Normenreihe für strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC11801:2017 und in ähnlicher Weise dann auch die europäische Normenreihe im CENELEC nach EN50173. Hier wird SPE über Anhänge (Amendements) zuerst in den Teil 3 Industrieverkabelung und Teil 6 (Gebäudedienste/Gebäudeautomatisierung) einfließen. Zentrales Dokument für diese Anhänge ist das ISO/IEC11801 TR9906 „TECHNICAL REPORT: Balanced 1-pair cabling channels up to 600 MHz“. Parallel dazu werden auch die Installationsstandards für die Industrie als Basis für die Verkabelung von Automatisierungslösungen nach IEC61918 entsprechend angepasst.

In Verbindung mit den Komponentenstandards zu Steckverbindern und Kabeln erhalten alle Anwender für SPE klare Richtlinien zum Aufbau und zur Überprüfung von entsprechenden Übertragungsstrecken. Diese Verkabelungen bleiben für 1 Gbit/s SPE erst einmal auf eine Reichweite von 40 m beschränkt. Für die 10 Mbit/s Variante sind Reichweiten von 1000 m und darüber hinaus realisierbar. Inwieweit das dann auch die Automatisierungsprofile selbst beeinflusst, bleibt abzuwarten. Sicher ist, dass sich PI (mit Profinet nach IEC61784-5-3) und ODVA (mit EtherNet/IP nach IEC61784-5-2) aktiv an der Weiterentwicklung und Implementierung von Standards zu SPE beteiligen. Weitere Papiere zu SPE-Verkabelungen mit Relevanz für die USA einschließlich Kanada und Mexiko werden bei ANSI/TIA-568.5 und TIA TR42.7 vorbereitet.

Cable Sharing nur bedingt sinnvoll

Hohe Datenraten über ein twisted pair – Wieso also nicht 4 SPE Strecken in bestehender Infrastruktur vereinen? Diese Idee, quasi 4-paarige Verkabelungen für SPE mittels „cable sharing“ zu benutzen, drängt sich ja geradezu auf. In Sonderfällen ist dies zwar 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 Migrationsszenario der Anwender die installierten Verkabelungen Strecke für Strecke neu für SPE überprüfen. Damit 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, kann man dann mit SPE 4x 1 Gbit/s übertragen wobei doch diese Cat. 6A Verkabelungsstrecken heute mit 10 Gbit/s MPE genutzt werden können.