Single Pair Ethernet (SPE) – die Renaissance der Zweidrahtleitung

Das Ethernet erobert den Klingeldraht

| Autor / Redakteur: Konstantin Hüdepohl / Andreas Donner

Konstantin Hüdepohl von Softing IT Networks zeigt, wie das Ethernet via Zweidrahtleitung nun das industrielle IoT und den Automotive-Bereich erobert.
Konstantin Hüdepohl von Softing IT Networks zeigt, wie das Ethernet via Zweidrahtleitung nun das industrielle IoT und den Automotive-Bereich erobert. (Bild: Fotografie Katrin Bernhard / Softing)

Ethernet als universelles Übertragungsprotokoll hat schon vor Jahren damit begonnen aus der reinen Büro- und Rechenzentrums-Umgebung heraus andere Bereiche zu erobern. Heute ist Ethernet aus Weitstreckennetzen, dem Heimbereich und der Industrie nicht mehr wegzudenken und hält zurzeit sogar seinen Einzug bei Sensoren, Aktoren – und bei Automobilen.

Mit der Einbindung aller möglichen Geräte ins Ethernet wird das „IoT“, das „Internet of Things“, mittlerweile zum „IoE“, dem „Internet of Everything“. Allerdings hatte die Sache bis vor Kurzem einen buchstäblich gewichtigen Haken: Das Ethernet, so wie wir es bis dato kennen, benötigt bei 10 oder 100 Mbit/s mindestens zwei verdrillte Adernpaare und ab 1000 Mbit/s vier verdrillte Adernpaare zur Datenübertragung.

Während im Büro, Rechenzentrum und Heimbereich die Steifigkeit, der Kabeldurchmesser und das Gewicht von 4-paarigen Kabeln noch zu verkraften sind, sind diese Parameter in der Industrie und dort gerade bei Sensoren und Aktoren sowie bei Automobilen ein großes Problem. In einem Kfz sind beispielweise mehrere hundert Meter Kabel verbaut, hier zählt jeder eingesparte zehntel Millimeter an Durchmesser und jedes Gramm weniger Gewicht. Ebenso ist es in der Industrie oft ein Problem, einen kleinen Sensor mit einem dicken und sperrigen LAN-Kabel zu verbinden und anzusteuern.

Darüber hinaus gibt es in der Industrie noch eine weitere große Herausforderung: Das klassische Ethernet über 2- bzw. 4-paarige Kupfer-Datenkabel funktioniert bis etwa 100 Meter Streckenlänge. Manche Kabelhersteller bieten zwar Lösungen an, die auch etwas längere Strecken unterstützen, aber gerade Sensoren und Aktoren, verteilt über großflächige Industrieanlagen, benötigen weit größere Kabellängen als mit den klassischen Kabeln aufgrund der zu hohen Dämpfung bei Drahtdurchmessern mit maximal AWG22 möglich wären. Anstatt der klassischen 100 Meter, sind in der Industrie Streckenlängen von mindestens 1.000 Metern erforderlich, was den Rahmen des klassischen Ethernets im LAN sprengt.

Eine weitere Forderung der Industrie ist, dass eine Fernspeisung von Geräten, ähnlich dem klassischen Power over Ethernet (PoE), möglich sein muss, weil auch die digitalen Sensoren und Aktoren weiterhin ihre Stromversorgung aus den Datenleitungen beziehen müssen.

Um die vielfältigen Herausforderungen in den Griff zu bekommen, arbeiten diverse Arbeitsgruppen in Normengremien an Lösungen. Dieser Artikel beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit dem Part der strukturierten Verkabelung, Lösungen für die Automobilindustrie werden hier nur am Rande erwähnt. Eine Eigenschaft aber haben alle oben dargestellten Lösungen gemeinsam: Ethernet, in allen obigen Anwendungen, wird nur noch über das so genannte „Single Pair Ethernet“ oder kurz „SPE“, also über ein einziges Adernpaar, übertragen.

SPE-Normung in ISO/IEC und IEEE

Den ersten Vorstoß für SPE machten in den Normengremien für Verkabelungen jene Gruppen, die für Industrie-Verkabelungen zuständig sind. Die erste Idee war, Ethernet über ein einfaches, 1-paariges Kabel über mindestens 1.000 Meter übertragen zu können, um damit analoge Sensoren und Aktoren abzulösen und ihre digitalen Nachfolger in die „Ethernet-Welt“ einbinden zu können. Bald wurde klar, dass es wesentlich mehr interessante Anwendungen für SPE gibt als „nur“ die 1.000-Meter-Anwendung für die Industrie. Schnell meldeten sich die Büro- und Rechenzentrum-Gruppen mit Ideen, SPE auch in ihrem Umfeld einzusetzen. Anwendungen im Büro-Umfeld könnten z.B. die Anbindung von Endgeräten über dünne und leichte Kabel und kleine Steckverbinder oder auch LED Beleuchtung über Ethernet (Steuerung und Energieversorgung) werden.

Abb. 1: Vorteile der SPE Verkabelung.
Abb. 1: Vorteile der SPE Verkabelung. (Bild: Softing)

Hier würde SPE die klassische 4-paarige Verkabelung nicht ersetzen, sondern sinnvoll ergänzen. SPE könnte die Möglichkeit eröffnen, über „normale“ 4-paarige Verkabelungen bis zu einem Sammelpunkt oder zur Teilnehmer-Anschlussdose zu gelangen und dann von dort aus vier Endgeräte mit SPE zu versorgen. Allerdings sind hier noch einige Punkte bezüglich der Fernspeisung von Endgeräten zu klären – diese werden beim Thema „Power over Dataline – PoDL“ näher erläutert.

Im Rechenzentrum wäre es beispielsweise aus Kosten- und Platzgründen interessant Monitoring-Leitungen für Switches und Server über SPE zu betreiben. Bei diesen Verbindungen werden keine großen Datenraten benötigt, daher ist SPE hier völlig ausreichend. Eine weitere Anwendung, die für SPE sowohl im Büro- und Rechenzentrums- als auch im Heimbereich sehr interessant ist, ist die Gebäudesteuerung und -überwachung. Hier gibt es bereits eine Vielzahl konkurrierender Übertragungsprotokolle, die aber alle nicht miteinander kompatibel sind. Aus Sicht der Endanwender würde ein gemeinsames Übertragungsprotokoll das Einbinden von Geräten wie Steuerungen für Türen, Rollos, Heizungen und Klimaanlagen wesentlich erleichtern.

Zusätzlich arbeitet die Automotive-Branche an SPE im Kraftfahrzeug bis 15 und 45 Meter, was allerdings keine Anwendung für eine klassische strukturierte Verkabelung ist. Diese Anwendung wird hier dennoch erwähnt, da IEEE dafür eigene Übertragungsstandards definiert.

Abb. 2: IEEE Applikationen für SPE.
Abb. 2: IEEE Applikationen für SPE. (Bild: Softing)

Mit dem technischen Report ISO/IEC TR 11801-9906 wird voraussichtlich 2020 ein erstes Dokument der ISO/IEC erscheinen, das einen ersten Teil der Varianten für strukturierte SPE-Verkabelungen beschreibt. Parallel arbeitet IEEE an den korrespondierenden Übertragungsstandards.

In diesem technischen Report (TR) konzentriert sich ISO/IEC ausschließlich auf die von IEEE geplanten Anwendungen. Der neue TR soll Anwendern helfen, die SPE-Strecken speziell für die in Abbildung 2 genannten Ethernet-Varianten planen müssen.

In einem weiteren Schritt wird ISO/IEC eine Erweiterung (Amendement) herausbringen, in dem die ISO/IEC11801-1 mit generischen Verkabelungsklassen für einpaarige Verkabelungen erweitert wird. Die Abbildung 3 zeigt den momentanen Stand des Normenentwurfes. Es sei hier ausdrücklich erwähnt, dass hier noch Änderungen einfließen können.

Abb. 3: Geplante neue Verkabelungsklassen für SPE.
Abb. 3: Geplante neue Verkabelungsklassen für SPE. (Bild: Softing)

Power over Dataline – Fernspeisung für Endgeräte über SPE

Um Endgeräte über SPE-Verkabelungen ähnlich wie „normale“ 4-paarige Verkabelungen betreiben zu können, wird auch eine Fernspeisung der Geräte nötig werden. IEEE hat mit der IEEE 802.3bu die Definitionen für eine Fernspeisung über SPE schon festgelegt. Da die Spezifikationen aber wesentlich anders sind als bei regulärem PoE, wurde der Name PoDL – „Power over Dataline“ – gewählt, um sich deutlich von PoE abzugrenzen. Zum einen ist die Stromübertragung anders – es wird über ein Paar übertragen und nicht über mindestens zwei Paare, zum anderen ist auch der maximal zulässige Strom bei PoDL mit 2A doppelt so hoch wie bei PoE+. Es reicht also nicht aus, dass ein Verkabelungssystem PoE+ unterstützt, wenn man in Zukunft PoDL mit maximaler Leistung einsetzen will!

Messtechnik

Die ersten Anforderungen an die Verkabelung, und damit auch die Grenzwerte für Abnahmemessungen, sind mit dem Entwurf der ISO/IEC TR11801-9906 schon relativ weit definiert. Was die zukünftige Erweiterung der ISO/IEC11801-1 angeht, sind jedoch die Voraussetzungen gerade erst im Entstehen.

Die Vorgaben an die erforderliche Messtechnik für SPE, abhängig von den Verkabelungsstandards, stecken daher mit Stand Sommer 2019 noch in den Kinderschuhen. Auf dem letzten Treffen der zuständigen IEC Arbeitsgruppe TC46WG9 im April 2019 wurde beschlossen, ein neues Projekt für die Definition der für SPE nötigen Messtechnik für Labor und Abnahme im Feld zu starten. Voraussichtlich werden diese Definitionen in die Normenreihe der IEC 61935 zur Definition von Messungen an installierter Verkabelung mit aufgenommen werden. Man könnte jetzt zwar annehmen, dass Messungen an einem Paar mit oder ohne Schirm einfacher sein müssten als an 4 Paaren, aber die Tücke liegt, wie so oft, im Detail:

Was ist NBASE-T und auf was kommt es dabei an

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03.08.18 - Weltweit sind immer noch viele LAN-Installationen in Kategorie 5e oder 6 bzw. Klasse D oder E ausgeführt. Auf diesen Verkabelungen läuft heute maximal Ethernet mit 1000 Mbit/s. Der IEEE-Standard 802.3bz erlaubt 2,5 und 5 Gigabit/s, nennt sich NBASE-T und kann auch für mehr Performance in Bestandsverkabelungen sorgen. lesen

Anders als bei 2- oder 4-paarigen Verkabelungen, die ab 1MHz definiert sind, ist gerade bei den langsamen Protokollen ein Frequenzbereich ab 100kHz nötig. Bis dato ist weder Labor- noch Feldmesstechnik im Frequenzbereich 100kHz bis 1MHz definiert. Es sind zwar nur 900kHz mehr zu messen, aber es ist bis dato z.B. völlig unklar mit welcher Genauigkeit gemessen werden muss, um eine einwandfreie Übertragung sicherstellen zu können. Auch laufen im Moment in der Normierung noch Diskussionen, ob Messungen unter 4 MHz im Feld überhaupt sinnvoll sind.

In der Industrie ist EMV und Störfestigkeit ein großes Thema. Es muss daher noch definiert werden, wie Störfestigkeit gegen externe Störer gemessen werden kann. Hier gibt es im Labor sehr gute Methoden wie z.B. die Messung der Kopplungsdämpfung. Für die Abnahme im Feld, gerade bei geschirmten Systemen, besteht jedoch noch Definitionsbedarf, da die heutigen Laboranforderungen nicht mit vertretbaren Mittel im Feld umgesetzt werden können.

Es gibt zwar bei SPE-Strecken kein Nahnebensprechen (NEXT) und verwandte Parameter wie ACR-N und ACF-F, dennoch könnten sich nahe nebeneinanderliegende SPE-Strecken gegenseitig stören. Außerdem ist auch zu definieren, wie Fremdnahnebensprechendämpfung (Alien Crosstalk) und verwandte Parameter zu messen sind.

Um möglichst genaue Messungen zu erreichen ist z.B. bei RJ45-Stecksystemen das Prinzip der Referenzstecker und -buchsen notwendig, da normale Standardware zu große Abweichungen hat und somit zu hohe Messfehler erzeugen würde, wenn man diese als Messtecker bzw. -buchse verwenden würde. Bei SPE kommen je nach Anwendung völlig neue Stecksysteme zum Einsatz. Hier muss noch geklärt werden, in wie weit für diese ebenfalls Referenzwerte definiert werden müssen.

Fazit

Mit der Entwicklung von SPE eröffnet sich eine große Anzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten für strukturierte Verkabelungen, die neue Impulse für das Industrie-, Büro- und Rechenzentrum-Umfeld geben und das Thema „IoE“ (Internet of Everything) weiter vorantreiben wird. Außerhalb der strukturierten Verkabelung wird SPE in der Automobilbranche einziehen und dort ein wichtiges Element für die Automobile der Zukunft werden.

Konstantin Hüdepoh.
Konstantin Hüdepoh. (Bild: Softing IT Networks)

Bis alle Normen für SPE definiert sind und somit der Grundstein für die Implementierung am Markt gelegt ist, wird es zwar noch ein bis zwei Jahre dauern, eines scheint jedoch klar zu sein: SPE wird kommen und was zuerst einmal aussieht wie die Rückkehr des Klingeldrahtes, wird für alle Beteiligten eher ein „Zurück in die Zukunft“ mit vielfältigen neuen Chancen und Herausforderungen werden.

Über den Autor

Konstantin Hüdepohl ist Produktmanager bei Softing IT Networks.

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