Suchen

Steckverbinder Vergleich von vierpaarigem zu einpaarigem (Single Pair) Ethernet

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

Die Anforderungen an die Verkabelung und Verbindungstechnik sind im Vergleich von einpaarigem zu vierpaarigem Ethernet recht unterschiedlich, wie dieser Beitrag zeigt.

Firma zum Thema

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

Hinsichtlich der Übertragungslänge sowie auch den HF-Anforderungen zeigen sich beim Single Pair Ethernet (SPE, Bild 1) im Vergleich zum vierpaarigem Ethernet (MPE) deutliche Unterschiede. Insbesondere am benötigten Bandbreitenbedarf ist dies zu ersehen. Siehe nachfolgende Tabelle:

(Bild: Harting)

Migration von MPE aus SPE

Hohe Datenraten über ein Adernpaar – Wieso also nicht vier SPE-Strecken in bestehender In­frastruktur vereinen? Diese Idee, quasi vierpaarige 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. 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, kann man dann mit SPE 4 × 1 Gbit/s übertragen, wobei doch diese Cat.-6A-Verkabelungsstrecken heute mit 10 Gbit/s MPE genutzt werden können.

Die Verbindungstechnik für Single Pair Ethernet

Einzelne Steckverbinderarten sind untrennbar mit einer bestimmten Anwendung verbunden und natürlich international genormt. Bekannte Beispiele dafür sind die RJ45-Steckverbinder für Ethernet und die prägnanten HDMI- oder DVI-Steckverbinder für die Videoübertragung. Ge­norm­te Interfacesteckverbinder sind somit die Voraussetzung für die erfolgreiche Markteinführung neuer Netzwerktechniken wie SPE, denn nur mit genormten Schnittstellen ist es möglich, unterschiedlichste Geräte in einem einheitlichen Datennetz miteinander zu verbinden. Die Auslegung der SPE-Steckverbinder nach IEC 36171-6 erfolgte nach den Vorgaben aus den zugehörigen IEEE-802.3-Normen und weiteren Marktanforderungen.

Auslegung der elektrischen Kennwerte

Nennspannung:

Für die reine Ethernet-Übertragung wird üblicherweise ein differenzielles Spannungssignal von ±1V verwendet. Für die Festlegung der Nennspannung eines SPE-Steckverbinders ist jedoch die parallele Nutzung der beiden Adern auch für die Fernspeisung zu berücksichtigen. Das hierfür bei SPE verwendete Verfahren nennt sich Power over Data Line (PoDL) und ist gemäß IEEE 802.3bu [1] genormt. Ähnlich wie bei PoE ist die maximale Nenn­spannung 48 VDC und damit ergibt eine maximale Speisespannung des Power Sourcing Equipment (PSE) von 60 VDC. Anders als bei PoE sind bei PoDL weitere typische Bordnetzspannungen mit 12 und 24 VDC definiert, wie sie in Fahrzeugen eingesetzt werden.

Isolationsspannung:

Auch wenn in den SPE-Normen IEEE 802.3 [1 bis 8] mit Rücksicht auf die größte Anwendergruppe in der Automobilindustrie keine expliziten Angaben zu den Isolationsanforderungen definiert sind, werden für die üblichen Anwendungen in der Gebäude- und Industrieverkabelung die gleichen Anforderungen wie für vierpaariges Ethernet mit 1,5 kV (rms) Kontakt zu Schirm und 1,0 kV (rms) Kontakt zu Kontakt (siehe beispielsweise Abschnitt 126.5.1 IEEE 802.3bz [8]) angesetzt.

Nennstrom:

Für die Auslegung des Nennstromes sind ebenfalls die PoDL-Anforderungen maßgeblich. Im aktuellen Standard ist in Tabelle 104-1 [1] die maximale Einspeiseleistung mit 63,3 W angegeben, was einer maximalen Versorgungsleistung am Powered Device (PD) von 50 W entspricht. Dadurch ergibt sich bei minimal zulässiger Speisespannung ein Strom von 1,36 A bei 48 V. Um ein zukunftsfähiges Interface zu spezifizieren wird jedoch ein Nennstrom von 4 ADC gewählt. Hintergrund: Gemäß dem National Electric Code (NEC) für den nordamerikanischen Markt ist die maximale Leistung für NEC-Class-2-Geräte auf 100 W beschränkt und dies ist auch die maximale Fernspeiseleistung beim PoE-Standard IEEE 802.3bt [2]. Damit werden auch zukünftige PoDL-Erweiterungen unterhalb 100 W bleiben und für die in der industriellen Automation verwendete 24-V-Versorgungsspannung ergibt sich gerundet der maximale Nennstrom von 4 A.

HF-Übertragungsparameter

SPE nutzt zur Datenübertragung eine Vollduplexverbindung über ein differenzielles Adernpaar mit einer Impedanz von 100 Ω. Um eine kleinere Störempfindlichkeit besonders für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu realisieren, wurde für SPE eine geringere Codierung mit PAM3 bis 1000­Base-T1 und PAM4 für 2,5/5/10G­Base-T1 gewählt. Dadurch erhöht sich im Vergleich zu „mehrpaarigen Ether­net-Standards“ (MPE) der Bandbreitenbedarf enorm. So sind aktuell bei IEEE 802.3ch [6] für Multigigabit-SPE bis zu 4 GHz bei 10GBase-T1 (Vergleich bei 10GBase-T nur 500 Mhz) in Diskussion. Damit steigen die HF-Anforderungen an die Kabel- und Verbindungstechnik und ein sehr symmetrischer Aufbau der Steckverbinder ist notwendig, um die HF-Anforderungen zuverlässig zu erfüllen. Aus diesem Grunde sind die Kontakte beim Steckverbinder T1 Industrial symmetrisch im vollständig geschlossenen Schirmgehäuse angeordnet. Somit sind die Koppelkapazitäten und -induktivitäten beider Leiter zur Schirmung oder der Leiterplatte identisch und die differenzielle Datenübertragung wird nicht gestört (Bild 1 und 2).

Bild 2: SPE-Buchse zur Platinenmontage.
Bild 2: SPE-Buchse zur Platinenmontage.
(Bild: Harting)

Ebenso sind beide Kontakte parallel zur Leiterplatte und nebeneinander angeordnet. Dadurch ist der Signalweg in beiden Leiterwegen identisch und Signallaufzeitunterschiede werden vermieden (siehe auch [5] und Bild 3).

Bild 3: Simulationsmodell mit symmetrischem Aufbau des Steckgesichtes nach IEC 63171-6.
Bild 3: Simulationsmodell mit symmetrischem Aufbau des Steckgesichtes nach IEC 63171-6.
(Bild: Harting)

Ausreichende Reserve für zukünftig höhere Bandbreiten

Ziel der Konstruktionsauslegung für das SPE-Interface war es, alle elektrischen Parameter mit ausreichender Reserve für zukünftige höhere Bandbreiten und die Anforderungen hinsichtlich Fernspeisung (PoDL) zu berücksichtigen sowie im Markt akzeptierte und verbreitete Gehäusebauformen zu wählen. Dabei wurde auch großer Wert auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem Markttrend nach miniaturisierten Schnittstellen und hoher Robustheit sowie gute Handhabbarkeit und optimale Auslegung des Anschlussbereiches passend zu den zu verwendenden Adern- und Kabeldurchmessern gelegt.

SPE-Verbindungstechnik nach IEC 63171-6

Diesen Konstruktionszielen folgend wurden als Kontaktsystem 0,5-mm-Kontakte mit einem Abstand von 2,8 mm gewählt. Der Kontaktabstand ist dabei auf die anzuschließenden Kabelquerschnitte abgestimmt. Für die kurzen Übertragungsstrecken bei 100Base3-T1 und 1000Base-T1 werden AWG-28/26- beziehungsweise AWG-22-Leiter mit Adrerndurchmessern von typisch circa 1 mm beziehungsweise circa 1,6 mm eingesetzt. Für die 10Base-T1L mit 1000 m Reichweite werden jedoch Leiter AWG 16/18 mit typisch circa 2 mm Aderndurchmesser benötigt und somit ist ein Kontaktabstand von 2,8 mm optimal.

Gemäß den Normen IEE 802.3 werden die größeren Reichweiten nur mit geschirmten Übertragungsstrecken erreicht. 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. Mit dem metallischen Rasthebel wird dabei auch das beim RJ45 oft bemängelte Problem mit der defekten Verriegelung eliminiert. In industriellen Anwendungen haben sich M8- und M12-Rundsteckverbinder etabliert. Dementsprechend wurde das SPE-Steckgesicht als einheitlicher „Datencontainer“ in die M8-Bauformen mit Schraub-, Snap-in- und Pushpull-Verriegelung integriert.

Weiterhin sind auch M12-Bau­formen mit Schraub- und Pushpull-Verriegelung genormt, um besonders die großen Kabelquerschnitte für den Kanal 1000 m 10Base-T1L aufzunehmen. In allen Bauformen wird damit das gleiche Steckgesicht verwendet und somit können auch IP20-Steckverbinder zur Parametrierung oder für Prüfungen mit den IP65/67-Schnittstellen verbunden werden. Die Nutzung der weit verbreiteten Bauformen M8/M12 gewährleistet die gute Marktakzeptanz und reduziert gleichzeitig die notwendigen Investitionskosten, weil bei vielen Anbietern die entsprechenden Gehäusebauformen vorhanden sind. Die Nutzung der identischen Buchsen- und Steckverbinder-Einsätze (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 unterstützt. Durch die Nutzung dieses genormten SPE-Datencontainers ist auch die Integration dieses IEC-63171-Steckgesichts in andere Bauformen wie beispielsweise das als neues Normenprojekt in Arbeit befindliche Steckverbindersystem mit innen liegender M12-Pushpull-Verriegelung oder auch weitere Bauformen, einfach möglich. (Bild 1)

Das bestehende Produktsortiment in Schutzart IP65/67 und IP20 wird zukünftig auf Basis der IEC 63171-6 weiter ausgebaut und umfasst in Zukunft ein vollständiges Lösungssortiment, beginnend von Leiterplattenbuchsen und Steckverbindern bis hin zu Wanddurchführungen und Systemkabeln. Auch an der zugehörigen Feldmesstechnik wird bereits gearbeitet.

Neue Anwendungen benötigen leistungsfähigere Netze

Neue Anwendungen, wie autonomes Fahren, IoT und IIoT, benötigen neue und leistungsfähigere Netzwerktechnologien. SPE ist eine solche Technologie. Die Möglichkeit, Geräte mit nur einem Anschluss neben Daten gleichzeitig auch noch mit Energie zu versorgen, spricht für diese Technik im Vergleich zu Wireless-Lösungen. Die Fernspeisung mittels PoDL macht Batterien und Akkus überflüssig – ein Plus in Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit. Kabelgebundene Übertragungsverfahren haben auch den weiteren Vorteil, dass keine regulatorischen Einschränkungen hinsichtlich der nutzbaren Frequenzbereiche existieren und somit keine Lizenzkosten für die Bereitstellung der notwendigen Frequenzbänder anfallen.

Weil die Frequenzbänder auch international nicht einheitlich vergeben werden, müssen Geräte mit Funkschnittstellen immer den unterschiedlichen Marktanforderungen angepasst werden. Auch das entfällt für alle kabelgebundenen Übertragungsverfahren und es können weltweit einheitliche Geräte entwickelt werden (siehe auch [9]).

Zusammen mit den bei der Norm IEEE 802.1 entwickelten Standards Time Sensitive Networks (TSN) wird die Ethernet-Technik mit allen notwendigen Mechanismen erweitert, um Determinismus in der Datenkommunikation zu realisieren – eine Voraussetzung für alle Echtzeitanwendungen. So qualifiziert sich SPE als perfekte Infrastrukturlösung und „Enabler“ für IoT und IIoT und ist ein wichtiger Baustein für Integrated Industry.

Damit SPE dieses Potenzial voll entfalten kann, ist es im Sinne eines Ökosystems 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 fort, beginnend mit den Halbleitern über magnetischen Bauteilen, Steckverbindern und Verkabelungskomponenten bis hin zur Messtechnik.

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 [10 und 11]. Damit wird SPE nicht nur viele Anwendungen effizienter und umweltverträglicher unterstützen. SPE wird darüber hinaus viele Applikationen erst möglich machen (Bild 4).

Bild 4: Das Ökosystem Single Pair Ethernet.
Bild 4: Das Ökosystem Single Pair Ethernet.
(Bild: Harting)

Außer der Betrachtung aller technischen Aspekte der Digitalisierung ist es dringend angeraten, auch auf die gesellschaftlichen Herausforderungen, die sich mit Beginn der ersten industriellen Revolution geformt haben, zu diskutieren. Ulrich Sendler gibt in seinem 2018 erschienenem Buch „Das Gespinst der Digitalisierung – Menschheit im Umbruch auf dem Weg zu einer neuen Weltanschauung“ einen detaillierten Abriss der Entwicklung von Industrie, Technologien und Gesellschaft [12]). Es gibt viele Anregungen zu notwendigen Schritten, damit die Digitalisierung auch gesellschaftlich gelingt und dem Wohle der Menschheit dient.

Single Pair Ethernet Industrial Partner Network

Ergänzend zum Thema SPE geben die Unternehmen Harting, TE Connectivity, Hirose, Würth Elektronik, Leoni, Murrelektronik und Softing IT Networks bekannt, dass sie ihre Kompetenzen in einem offenen Partnernetzwerk bündeln, um Anwendern mit Single Pair Ethernet eine zuverlässige Grundlage für IIoT zu geben. Das SPE Industrial Partner Network ist dabei Qualitätssiegel für eine einheitliche und abgestimmte Infrastruktur, die gesetzten Standards entspricht. Dieses Netzwerk aus Technologieführern soll der erste Ansprechpartner in allen Fragen und Belangen um den Aufbau von SPE-Netzwerken und -Geräten sein. Unter https://www.single-pair-ethernet.com/gibt es weitere Informationen.

Literatur

[1] IEEE 802.3bu – 2016: Physical Layer and Management Parameters for Power over Data Lines (PoDL) of Single Balanced Twisted-Pair Ethernet

[2] IEEE 802.3bt – 2018: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet (PoE) over 4 pairs

[3] IEEE 802.3bw – 2015: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 100 Mb/s Operation over a Single Balanced Twisted Pair Cable (100Base-T1)

[4] IEEE 802.3bp – 2016: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 1 Gb/s Operation over a Single Twisted-Pair Copper Cable (1000Base-T1)

[5] IEEE 802.3cg Draft 3.0 – März 2019: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors (10Base-T1L & 10BaseT1S)

6] IEEE 802.3ch Draft 1.3 – April 2019: Physical Layer Specifications and Management Parameters for Greater Than 1 Gb/s Automotive Ethernet (2.5GBase-T1, 5GBase-T1 & 10GBase-T1)

[7] IEEE 802.3bz – April 2016: Media Access Control Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 2.5 Gb/s and 5 Gb/s Operation, Types 2.5GBase-T and 5GBase-T

[8] Bergner, B., Engel, A.: Vortrag: Miniaturisierte Automotive Steckverbinder für 1Gbit/s Ethernet gehalten auf dem 9. Anwenderkongress Steckverbinder, 16.-17. Juni 2015, Würzburg

[9] Schmidt, R. Vortrag: Single Pair Ethernet – Neue Möglichkeiten bei der Industrievernetzung und Baustein für Industrie 4.0, 9. Anwenderkongress Steckverbinder, 16.-17. Juni 2015, Würzburg

[10] Schoechle, T.: Re-Inventing Wires: The Future of Landlines and Networks, National Institute for Science, Law and Public Policy, http://electromagnetichealth.org/wp-content/uploads/2018/02/Re-Inventing-Wires- 1-25-18.pdf (abgerufen am 6.5.2019)

[11] Matheus, K., Königseder, Th.: Automotive Ethernet. Cambridge: Cambridge University Press 2017 Second Edition

[12] Sendler, U.: Das Gespinst der Digitalisierung – Menschheit im Umbruch auf dem Weg zu einer neuen Weltanschauung. München, 2018: Springer

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

(ID:46227886)