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Single Pair Ethernet Auch bei Ethernet genügt ein Adernpaar

Autor / Redakteur: Matthias Fritsche / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Mit Single Pair Ethernet als zusätzlichem „Physical Layer“ kann das Internetprotokoll die Lücke zwischen der Steuerungsebene und den Sensor- und Aktornetzen (also der Feldebene) schließen.

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Bild 1: SPE-Steckverbinder nach IEC 63171-6 als IP20-Ausführung.
Bild 1: SPE-Steckverbinder nach IEC 63171-6 als IP20-Ausführung.
(Bild: Harting)

Generationen von Netzwerktechnikern, Planern, Installateuren und Anwendern haben gelernt, dass für Fast-Ethernet (10/100 Mbit/s) Verkabelungen mit zwei Adernpaaren und für Gigabit-Ethernet alle vier Adernpaare benötigt werden. Mit dem Single Pair Ethernet (SPE) drängt nun eine Technik auf den Markt, die diese TCP/IP-basierten Datenströme auch über nur ein Adernpaar übertragen kann (Bild 1).

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 TCP/IP-basierte Übertragungsverfahren identifiziert hatte, wurde der erste SPE-Standard von der IEEE 802.3 als Standard 100- Base-T1 in IEEE 802.3bw-2015 Clause 96 veröffentlicht (Bild 2). Pilotiertes und teilautonomes Fahren erfordert noch höhere Datenraten und so folgte nach dem ersten SPE-Standard für 100 Mbit/s recht schnell auch die Gigabitversion.

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Bild 2: Prinzipdarstellung des Ethernet-Übertragungsverfahrens.
Bild 2: Prinzipdarstellung des Ethernet-Übertragungsverfahrens.
(Bild: Harting)

Die heute bereits zur Verfügung stehende Ethernet-Technik 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 benötigt wird. Außerdem wird ein Standard für nur 10 Mbit/s (IEEE 802.3cg) erstellt. Dieser Standard ist auch für viele Industriebereiche wichtig, weil er Übertragungsstrecken bis 1000 m ermöglicht und damit nahezu alle Feldbusse ersetzen kann. Darüber hinaus wurde im März 2019 auch eine weitere Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, die sich mit Übertragungsraten oberhalb von 10 Gbit/s beschäftigt. Es wurden 25 und 50 Gbit/s als Ziel ins Auge gefasst. Diese hohen Datenraten sind die Basistechnik für autonomes Fahren und neue zonale Rechnerarchitekturen im Fahrzeug (Bild 3).

Bild 3: Grafische Darstellung von Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit für die aktuellen IEEE-802.3-SPE-Standards.
Bild 3: Grafische Darstellung von Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit für die aktuellen IEEE-802.3-SPE-Standards.
(Bild: Harting)

Wie auch 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). Diese Kombination von Daten und Energie/Power über sehr kleine Steckverbinder und einpaarige Kabel ermöglicht es, die Anschlüsse und damit die Geräte weiter zu miniaturisieren, höhere Datenraten zu übertragen und komplexere Anlagen zu modularisieren – das alles trägt zur schnellen Entwicklung eines Marktes für SPE-Anwendungen in der Industrie, Smart Cities und Buildings sowie vielen weiteren Anwendungen auch außerhalb der Fahrzeugtechnik bei.

Damit hat die SPE-Technik innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne bereits die gleiche Leistungsfähigkeit wie das heute vorherrschende „Mehrpaarige Ethernet“ (MPE) erreicht. Die einzige Einschränkung ist die derzeit eingeschränkte Reichweite für 100 Mbit/s und Gigabit-SPE (15 beziehungsweise 40 m), die aus den Anforderungen der Hauptzielgruppe in der Fahrzeugindustrie resultiert.

Bild 4: Grafische Darstellung von Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit für die zukünftig mögliche IEEE-802.3-SPE-Standards – Extended Reach.
Bild 4: Grafische Darstellung von Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit für die zukünftig mögliche IEEE-802.3-SPE-Standards – Extended Reach.
(Bild: Harting)

Experten gehen davon aus, dass hier auch größere Übertragungslängen erreichbar sind. In Bild 4 wird aufzeigt, welche erweiterten Übertragungslängen technisch möglich sind. Damit diese Erweiterungen der SPE-Standards bei IEEE802.3 in Angriff genommen werden und insbesondere die Halbleiterindustrie in die Entwicklung dieser neuen Chipsätze investiert, bedarf es jedoch der Definition der dafür geeigneten Anwendungen und Marktpotenziale. Hierzu ist eine offene Zusammenarbeit aller Interessenten für die erweiterten SPE-Reichweiten notwendig. Die ersten Präsentationen bei IEEE802.3 sind bereits publiziert und wurden wohlwollend aufgenommen. Mitstreiter für diese Normenprojekte sind willkommen und können sich gerne beim Autor melden, um diese Normenprojekte gemeinsam voranzutreiben.

Zusammenspiel der Normenkomitees

Eine zentrale Rolle bei der Normierung nimmt die ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 ein. Dort werden basierend auf den Standards IEEE802.3 die Verkabelungsnormen nach der ISO/IEC 11801 erstellt und gepflegt (Bild 5).

Bild 5: Übersicht der relevanten Normengremien um ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3.
Bild 5: Übersicht der relevanten Normengremien um ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3.
(Bild: Harting/Quelle: Prof. Dr. Oehler, Convenor ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3)

Dazu erfolgt ein enger Austausch und eine intensive Zusammenarbeit mit IEEE 802.3 und den Komitees für die Verkabelungskomponenten; dies ist für die Kupferdatenkabel IEC SC46C und für die zugehörigen Steckverbinder IEC SC48B gedacht.

Innerhalb der IEC-Arbeitsgruppe SC46C für die Normierung von Datenkabel als Meterware sind folgende Normenprojekte derzeit in Arbeit:

  • IEC 61156-11 – SPE-Datenkabel bis 600 MHz Bandbreite zur festen Verlegung (final veröffentlicht)
  • IEC 61156-12 – SPE-Datenkabel bis 600 MHz Bandbreite zur flexiblen Verlegung (CD verfügbar)
  • IEC 61156-13 – SPE-Datenkabel bis 20 MHz Bandbreite zur festen Verlegung (CD verfügbar)
  • IEC 61156-14 – SPE-Datenkabel bis 20 MHz Bandbreite zur flexiblen Verlegung (geplant)

Weitere Normenprojekte, beispielsweise für höhere Bandbreiten zur Unterstützung von Datenraten oberhalb von 1 Gbit/s, werden zukünftig ebenso bearbeitet.

Normung von Single-Pair-Ethernet-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. 2017 wurde von der Firma Commscope ein weiteres SPE-­Steckgesicht zur Normung eingereicht; es wurde beschlossen, 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 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 Normenreihe integriert.

Folgende Normenprojekte sind derzeit in Arbeit:

  • IEC 63171 – Basisnorm mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen (CD in Vorbereitung),
  • IEC 63171-1 – SPE-Steckverbinder der Firma Commscope auf Basis der LC-Verriegelung für M1I1C1E1-Anwendungen (CDV verfügbar),
  • IEC 63171-2 – SPE Steckverbinder der Firma Reichle & De-Massari für M1I1C1E1 Anwendungen (CD verfügbar),
  • IEC 63171-3 – SPE-Steckverbinder von Siemon basierend auf einem Paar des bekannten Tera-Steckverbinders für M1I1C1E1-Anwendungen (NP verfügbar),
  • IEC 63171-4 – SPE-Steckverbinder der Firma BKS für M1I1C1E1 Anwendungen (NP verfügbar),
  • IEC 63171-5 – SPE-Steckverbinder der Firma Phoenix Contact basierend auf 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 verfügbar, FDIS in Vorbereitung und finale Veröffentlichung 2019).

Anmerkung: Die IEC 63171-1 (LC Style) und die IEC 63171-6 (Industrial Style) sind vollständige Normendokumente mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen. Alle später begonnenen Normen beziehen sich auf die Basisnorm IEC 63171 und beinhalten nur die unterschiedlichen mechanischen Ausführungen.

Die Verkabelungsstandards für Single Pair Ethernet

SPE und dafür normierte Steckverbinder fließen 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. Dort wird SPE über Anhänge (Amendements) zuerst in den Teil 3 Industrieverkabelung einfließen. Zentrales Dokument für diese Anhänge ist das ISO/IEC 11801 TR9906 „Technical Report: Balanced 1-pair cabling channels up to 600 MHz“. Die Implementierung von SPE in die ISO/IEC-11801-Dokumente ist deshalb so wichtig, weil nur in dieser Norm die Verkabelungskanäle mit allen notwendigen Parametern (Länge, Anzahl Verbindungen, Bandbreite und das komplette Set an übertragungstechnischen Parametern einschließlich Next, Fext und Schirmungseigenschaften) mit Relation zur Umgebung – Mice beschrieben werden und damit dann auch nach der Installation messtechnisch überprüfbar sind.

Parallel dazu werden auch die Installationsstandards für die Industrie als Basis für die Verkabelung von Automatisierungslösungen nach IEC 61918 (IEC SC65C) entsprechend angepasst. Inwieweit das dann auch die Automatisierungsprofile selbst beeinflusst, bleibt abzuwarten. Sicher ist, dass sich PI (mit Profinet nach IEC 61784-5-3) und ODVA (mit Ether-Net/IP nach IEC 61784-5-2) aktiv an der Weiterentwicklung und Implementierung von Standards zu SPE beteiligen.

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 werden Reichweiten von 1000 m und darüber hinaus realisiert.

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. In den TIA42-Papieren wird das über ein Addendum (TIA-1005-A-3) aktualisiert. Inhaltlich sind all diese Ergänzungen weitgehend deckungsgleich.

Diese Verkabelungsnormen liefern dem Anwender Informationen über die Struktur der Verkabelung, die einzusetzenden Verkabelungskomponenten zur Erreichung der Leistungsvorgaben und die Grenzwerte zur Überprüfung der Verkabelung. Somit sind sie wichtigstes Instrument zum Aufbau und zur Inbetriebnahme von SPE-Verkabelungen.

Gleichzeitig stellen sie über die Referenzen zu den Komponentenstandards (Steckverbinder nach IEC 63171-6) die Kompatibilität zwischen Geräten und Verkabelung sicher. Sie ist Grundvoraussetzung für die Funktion von Netzwerken und Verbindungen auf Basis SPE und damit Basis für IoT/IIoT.

Der Einsatz anderer Verkabelungskomponenten als zum Beispiel in ISO/IEC 11801-3 Amd.1 ist zwar grundsätzlich möglich, allerdings dann nicht mehr normenkonform und birgt das Risiko von Inkompatibilitäten und Funktionseinbußen.

Deshalb haben ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 Anfang 2018 internationale Auswahlprozesse zur Festlegung einheitlicher Schnittstellen gestartet. Diese beiden Auswahlprozesse wurden von der IEEE 802.3 mit initiiert, indem von dort eine Empfehlung für ein SPE MDI (SPE-Geräteschnittstelle) von ISO/IEC und TIA erbeten wurde. An diesem Auswahlprozess haben sich über 20 nationale Expertengremien beteiligt. Im Ergebnis dieser Wahl haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:

  • für die Gebäudeverkabelung (M1I1C1E1) das Steckgesicht nach IEC 63171-1: Dieses Steckgesicht basiert auf dem Vorschlag der Firma Commscope.
  • für die Industrie und industrienahe Anwendungen (M2I2C2E2 und M3I3C3E3) das Steckgesicht nach IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125): Dieses Steckgesicht basiert auf dem Vorschlag von Harting T1 Industrial.

Der Auswahlprozess bei TIA 42 hat die Ergebnisse von ISO/IEC bestätigt und damit besteht global große Einigkeit über die SPE-­Schnittstellen. Diese gewählten Steckgesichter werden jetzt in die jeweiligen internationalen Verkabelungsnormen eingearbeitet. Auch IEEE802.3 hat diese SPE-Interfaces in die IEEE802.3cg als empfohlenes Media Depended Interface (MDI) festgelegt.

Damit ist die Voraussetzung für den großflächigen Einsatz und somit für die erfolgreiche Vermarktung der SPE-Technik mit der durchgängigen Kompatibilität von Geräten, Kabeln und Steckverbindern in unterschiedlichen Anwendungsfeldern gewährleistet und Planungssicherheit für alle Marktteilnehmer hergestellt.

In diesem Beitrag geht es um die geschichtliche Entwicklung. In Teil 2 in der werden die technischen Spezifikationen genauer beschrieben.

* Dipl.-Ing. Matthias Fritsche ist Global Product Manager Device Connectivity and Expert for Ethernet Technologies bei der Harting Technologiegruppe in 32339 Espelkamp

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