Der Begriff Ethernet wurde erstmals von Robert Metcalfe am Xerox PARC in einem Memo vom 22. Mai 1973 verwendet. Er beschrieb damit ein experimentelles lokales Netzwerk (LAN), das auf der Kommunikation über Koaxialkabel basierte. Die Idee hierzu wurde durch das Funknetzwerk ALOHAnet aus den späten 1960er Jahren inspiriert. Wie das ALOHAnet nutzte auch Ethernet die erneute Übertragung von Daten nach Kollisionen. Ethernet führte jedoch eine entscheidende Verbesserung ein: Vor dem Senden von Daten prüfte ein Gerät zunächst, ob der Kommunikationskanal frei war. Dieses Verfahren wurde als „Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection“ (CSMA/CD) bekannt.
Mehr als 50 Jahre später hat sich Ethernet von einem experimentellen Netzwerk mit 2,94 Mbit/s zu einer der Schlüsseltechnologien der modernen digitalen Infrastruktur entwickelt. Heute ermöglichen die Ethernet-Standards der IEEE-802.3-Familie eine Vollduplex-fähige, geswitchte Kommunikation über diverse Twisted-Pair-Kupferkabel oder Glasfaserverbindungen. Die Übertragungsgeschwindigkeiten bei Ethernet haben mittlerweile 800 Gbit/s erreicht, wobei Technologien für 1,6 Tbit/s bereits in Entwicklung sind. Dieser langfristige Erfolg beruht auf Standardisierung, Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit, Interoperabilität und einer kontinuierlichen Weiterentwicklung.
Herausforderungen der modernen Konnektivität
Während das klassische Ethernet in Heim- und Unternehmensnetzwerken, Rechenzentren sowie in der Telekommunikation weit verbreitet ist, eignet es sich nicht immer ideal für kompakte und kostensensible Anwendungen. Es erfordert häufig mehrere verdrillte Aderpaare, größere Steckverbinder, Switches und eine komplexere Implementierung.
Bei kleinen Sensoren, Aktuatoren und verteilten Edge-Geräten kann dies zu einem erhöhten Kabelgewicht, einem höheren Platzbedarf, einem gesteigerten Stromverbrauch und insgesamt höheren Systemkosten führen. Diese Herausforderungen sind insbesondere in der Automobil- und Verkehrstechnik, der Industrie- und Gebäudeautomatisierung, im IoT, in der Robotik, bei intelligenten Energiesystemen sowie in vielen anderen Bereichen von Bedeutung.
Gleichzeitig weisen auch bestehende Schnittstellen wie RS-485, CAN, LIN und andere Feldbustechnologien gewisse Limitierungen auf. Sie sind in der Regel auf spezifische Anwendungen, Datenraten oder Netzwerkarchitekturen ausgelegt, was ihre Skalierung oder Integration erschweren kann.
In vielen Fällen erfordert die Anbindung dieser Systeme an standardmäßige Ethernet-basierte IT- oder Cloud-Infrastrukturen den Einsatz von Gateways, eine Protokollkonvertierung oder zusätzliche Software. Folglich müssen Ingenieure häufig einen Ausgleich finden zwischen kostengünstiger Konnektivität auf Geräteebene, höherer Bandbreite, einfacherer Integration und einer stärker vereinheitlichten Netzwerkarchitektur.
Single Pair Ethernet
Eine gute Lösung für diese Anforderungen war die Einführung der SPE-Technologie im Jahr 2015. Die Spezifikation IEEE 802.3bw (100BASE-T1) ermöglichte die Übertragung von 100 Mbit/s über ein einzelnes verdrilltes Adernpaar und zielte dabei vornehmlich auf Netzwerke innerhalb von Kraftfahrzeugen ab. Sie behielt den standardmäßigen Ethernet-Protokoll-Stack bei, vereinfachte jedoch die physikalische Verbindung auf ein einzelnes Adernpaar. Dies ermöglichte kleinere Kabel und Steckverbinder, ein geringeres Gewicht, eine einfachere Verkabelung sowie niedrigere Systemkosten.
Heute umfasst die IEEE-802.3-Familie mehrere SPE-Spezifikationen für unterschiedliche Anwendungen, Datenraten und Kabellängen. Im Gegensatz zu vielen traditionellen Feldbustechnologien bringt SPE die standardmäßige Ethernet-Konnektivität direkt bis hin zu Sensoren und Aktuatoren – ganz ohne komplexe Protokollkonvertierung. Je nach Spezifikation unterstützt SPE Multidrop-Kommunikation, deterministische Vernetzung, große Kabellängen sowie die gleichzeitige Übertragung von Daten und Energie über ein einziges Kabel. Bereits heute werden über ein einzelnes Adernpaar Datenraten von bis zu 10 Gbit/s erreicht; für die Zukunft werden Geschwindigkeiten von 25 Gbit/s und mehr erwartet.
Die Datenrate ist jedoch nicht der einzige wichtige Faktor. Ein weiterer zentraler Trend ist die wachsende Nachfrage nach einfacheren, kostengünstigeren Ethernet-Lösungen, die für Multidrop-Netzwerke über kurze Distanzen mit einer Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren optimiert sind.
Die 10BASE-T1S-Spezifikation
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, führte das IEEE im Jahr 2019 die 10BASE-T1S-Spezifikation ein. Sie ermöglicht eine Ethernet-Kommunikation mit 10 Mbit/s über ein einzelnes verdrilltes Adernpaar (Twisted Pair) und unterstützt sowohl Punkt-zu-Punkt- als auch Multidrop-Topologien.
In einem Multidrop-Netzwerk können sich mehrere Geräte dasselbe Kommunikationskabel teilen. Dies trägt dazu bei, die Komplexität der Verkabelung sowie die Systemkosten zu reduzieren; zudem sind in vielen einfachen Anwendungen keine dedizierten Ethernet-Switches mehr erforderlich.
Ein zentraler Mechanismus, der 10BASE-T1S zugrunde liegt, ist die „Physical Layer Collision Avoidance“ (PLCA). PLCA verbessert den Determinismus und die Netzwerkeffizienz, wodurch die Kommunikation besser vorhersehbar wird. Anstatt den Geräten – wie beim seit 1973 im Ethernet verwendeten CSMA/CD-Verfahren – eine zufällige Übertragung zu gestatten, weist PLCA jedem Knoten ein definiertes Zeitfenster für die Übertragung zu. Dies hilft, zufällige Kollisionen zu vermeiden, und macht Ethernet auch für kostengünstige Sensor- und Aktuatornetzwerke praktikabel.
Infolgedessen ist 10BASE-T1S äußerst attraktiv für die Ethernet-Konnektivität auf Edge-Ebene in zonalen Architekturen im Automobilbereich, bei industriellen Sensoren und Aktuatoren, in der Robotik, bei intelligenter Beleuchtung, in der Gebäudeautomatisierung sowie in vielen anderen verteilten Embedded-Systemen geworden.
Heute ermöglicht das Spektrum der SPE-Spezifikationen – gemeinsam mit den klassischen Ethernet-Standards – ein vollständig vereinheitlichtes Ökosystem, das von der Cloud-Ebene bis hin zu Endgeräten wie Sensoren und Aktuatoren reicht.
Wichtige Aspekte beim Hardware-Design
Die Signalintegrität auf der physikalischen Schicht ist ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil des SPE-Systemdesigns. Da Ethernet immer näher an die Sensoren und Aktuatoren heranrückt, gewinnt eine zuverlässige Konnektivität noch stärker an Bedeutung.
Ein zentraler Punkt ist dabei die Art und Weise, wie das Signal vom PHY-Baustein zur SPE-Leitung und zurück übertragen wird. Dies umfasst eine ordnungsgemäße Kopplung, die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen sowie die galvanische Trennung.
Eine kapazitive Trennung kann eine einfache Lösung darstellen – insbesondere bei kurzen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. In realen Anwendungen, die durch raue Umgebungsbedingungen, eine Vielzahl von Knotenpunkten oder größere Kabellängen gekennzeichnet sind, ist jedoch häufig eine höhere Signalrobustheit erforderlich, um die Stabilität des Netzwerks zu gewährleisten.
Im Vergleich zu einer rein kapazitiven Trennung bietet ein Design, das einen integrierten Übertrager und eine Gleichtaktdrossel (CM-Drossel) kombiniert, eine echte galvanische Trennung; zudem verbessert es die Signalqualität und erhöht die Immunität gegenüber niederfrequenten Störungen sowie leitungsgebundenen und abgestrahlten Interferenzen.
Ein neues Referenzdesign zur Beschleunigung der SPE-Einführung
Um Entwicklungsingenieure bei der Evaluierung dieses Ansatzes zu unterstützen, haben Arrow, Microchip Technology, Bourns und Amphenol gemeinsam eine Referenzplattform auf Systemebene vorgestellt: REF_SPE_T1S. Dieses Design umfasst die Trennübertrager-Technologie von Bourns, eine USB-2.0-zu-10/100-Ethernet-Bridge (LAN9500A) sowie einen 10BASE-T1S-SPE-PHY (LAN8670) von Microchip – ergänzt durch eine vollständig IEC 63171-6-konforme SPE-Buchse von Amphenol (MSPE-J2L0-B01).
Das Design demonstriert in der Praxis, wie die Wahl des passenden Trennübertragers und das entsprechende Design der Gleichtaktdrossel die Robustheit von SPE-Netzwerken steigern können. Durch die Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung und der galvanischen Trennung – insbesondere im Niederfrequenzbereich – trägt die Lösung dazu bei, die Signalintegrität und Verbindungsstabilität in elektrisch gestörten Umgebungen der Industrie- und Gebäudeautomatisierung zu gewährleisten.
Ob für die Fabrikautomatisierung, HLK-Systeme oder die Gebäudeleittechnik konzipiert: Diese Plattform liefert eine praxisnahe Demonstration der Netzwerkrobustheit. Ingenieure können die transformatorbasierte Trennung direkt mit der kapazitiven Trennung vergleichen, das Verhalten bei der Unterdrückung von Gleichtaktstörungen beobachten sowie die EMV- und Emissionsleistung bewerten – mit dem Ziel, bei neuen Designs bessere Ergebnisse zu erzielen, die Kosten zu senken und die Markteinführungszeit zu verkürzen.
