Definition Was ist Single Pair Ethernet (SPE)?

Single Pair Ethernet benötigt für die Datenübertragung und Stromversorgung nur ein einziges verdrilltes Adernpaar. Es sind nicht wie bei den klassischen Ethernet-Standards zwei oder vier verdrillte Adernpaare notwendig. Mittlerweile existiert eine ganze Reihe SPE-Standards mit unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten und Reichweiten.

SPE ist das Akronym für Single Pair Ethernet. Bei Single Pair Ethernet handelt es sich um eine Reihe von Ethernet-Standards, die die Datenübertragung über ein einziges verdrilltes Adernpaar spezifizieren. Bei den klassischen, im LAN-Bereich üblichen Ethernet-Standards, wie Fast Ethernet oder Gigabit Ethernet werden dafür zwei oder vier Adernpaare benötigt. Es existieren SPE-Standards für verschiedene Geschwindigkeiten von zum Beispiel zehn oder hundert Megabit pro Sekunde bis hin zu ein oder mehreren Gigabit pro Sekunde. Die mit SPE maximal überbrückbaren Entfernungen variieren abhängig vom jeweiligen Standard von beispielsweise 15 oder 40 Metern bis zu 1000 Metern. Im OSI-Schichtenmodell sind die SPE-Standards auf der untersten Ebene, dem Physical Layer, angesiedelt.

Die für Single Pair Ethernet benötigten Kabel sind im Vergleich zu den klassischen Cat-5-, Cat-6- oder Cat-7-LAN-Kabeln mit ihren RJ-45-Steckern deutlich dünner, leichter, kostengünstiger und weniger aufwendig zu verlegen. Analog zu Power over Ethernet für die LAN-Verkabelung ist es mit Single Pair Ethernet ebenfalls möglich, Endgeräte über das Kupferkabel mit der für ihren Betrieb benötigten elektrischen Energie zu versorgen.

Seinen Ursprung hat SPE in der Automobilindustrie. Typische Anwendungsbereiche von Single Pair Ethernet gehen aber weit über den Automotive-Bereich hinaus und sind beispielsweise die Prozessautomatisierung in der Industrie 4.0 oder die Gebäudeautomation. In diesen Anwendungen hat die SPE-Technik das Potenzial, klassische Kommunikations- oder Feldbussysteme abzulösen. Sie erlaubt eine durchgängige Ethernet-basierte Kommunikation und ist auf dem besten Weg, sich als Technologie in den Bereichen Fertigung, Prozessautomatisierung und Automotive zu etablieren.

Im Single-Pair-Ethernet-Umfeld sind mehrere Standardisierungsgremien wie das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) oder die IEC (International Electrotechnical Commission) aktiv. Vorangetrieben wird die Entwicklung, Standardisierung und Verbreitung von SPE unter anderem auch vom SPE Industrial Partner Network, vom TIA Single Pair Ethernet Consortium und von der Single Pair Ethernet System Alliance.

Gründe für die Entwicklung der Ethernet-Zweidrahtvariante

Motivation für die Entwicklung von Single Pair Ethernet war es, Verkabelungsstandards zu schaffen, die für die besonderen Anforderungen industrieller Anwendungen oder des Automotive-Bereichs geeignet sind und Datenübertragung mit den gängigen, auf Ethernet aufbauenden LAN-Protokollen erlauben. Im industriellen Umfeld bestehen oft andere Verkabelungsanforderungen als in herkömmlichen Computer-LAN-Umgebungen. Auf der klassischen Feldebene muss eine große Anzahl an Geräten, Sensoren und Aktoren über eine komplex verzweigte Peripherie mit Kabeln angebunden werden. Die zu übertragenden Datenmengen sind meist kleiner als im traditionellen LAN-Bereich, aber mit IP-Protokollen größer als in klassischen Bus-Systemen. Gleichzeitig sind günstige, leichte, kompakte und robuste Kabel und Steckverbinder notwendig. Mit den klassischen Bus-Systemen ist das oft nicht mehr sinnvoll und kosteneffizient zu bewerkstelligen.

Um die überforderten und veralteten Kommunikations- oder Bus-Systeme mit moderner Ethernet-Technik abzulösen, müssen die Kabel leicht zu installieren sein, wenig Platz beanspruchen und kleinste Biegeradien ermöglichen. Herkömmliche LAN-Kabel mit vier verdrillten Adernpaaren und RJ45-Steckern erfüllen diese Anforderungen nicht. Da sich in industriellen Netzwerken Ethernet von der Unternehmensebene über die Betriebs- und Prozessebene bis in die Steuerungsebene immer mehr durchsetzt, ist die Entwicklung einer Ethernet-Zweidrahtvariante SPE notwendig geworden.

Funktionsweise und Merkmale von Single Pair Ethernet

Bei Single Pair Ethernet steht nur ein einziges Adernpaar für die Übertragung von Vollduplex-Signalen zur Verfügung. Auf dem Adernpaar werden die Signale im Vollduplex-Betrieb gleichzeitig in beide Richtungen übertragen. Sie laufen im Kabel in gegensätzliche Richtungen und überlagern sich. Die Sende- und Empfangseinheiten kennen die selbst ausgesandten Signale und können daher die Empfangssignale aus dem überlagerten Gesamtsignal isolieren. Typische Netzwerkstrukturen bestehen aus Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Die Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikation wie in klassischen Bus-Systemen ist ebenfalls standardisiert und realisierbar.

Neben der Verwendung einpaariger Kupferkabel ermöglicht Single Pair Ethernet das so genannte Cable Sharing. Hierbei wird eine vierpaarige Verkabelung genutzt, um vier voneinander unabhängige SPE-Verbindungen über ein einziges Kabel herzustellen.

Ein weiteres Merkmal von SPE ist die Möglichkeit der Energieversorgung der angeschlossenen Geräte über das Kupferkabel. Hierfür wurde der Standard IEEE 802.3bu (Power over Data Line, PoDL) geschaffen. Er ist nicht kompatibel mit den Power-over-Ethernet-Standards und spezifiziert in Analogie zu PoE die Energieversorgung über eine einpaarige Kabelverbindung. Der Standard sieht verschiedene Leistungsklassen vor, die auf Endgeräteseite zehn Leistungen von 0,5 Watt bis 50 Watt zur Verfügung stellen. Wie Power over Ethernet unterscheidet Power over Data Line zwischen Power Sourcing Equipment (PSE), das für die Energieeinspeisung verantwortlich ist, und Powered Devices (PD), die die eingespeiste Energie nutzen.

Wichtige SPE-Standards im Überblick

Die SPE-Technologie mit ihrer Ethernet-basierten Datenübertragung, den Kabeln und Steckverbindern ist in unterschiedlichen Standards und Normen spezifiziert. Die technischen Rahmenbedingungen für die Ethernet-Übertragung über nur ein Adernpaar definieren mehrere Ethernet-Protokollstandards nach IEEE 802.3. Im Folgenden ein tabellarischer Überblick über einige wichtige 802.3-Standards für Single Pair Ethernet.

Tabelle: Wichtige SPE-Standards im Überblick

Weitere Standards wie 802.3da (10BASE-T1M) oder 802.3dg (100BASE-T1L) befinden sich aktuell noch in Arbeit.

Für Single Pair Ethernet wurden auch eigene Steckverbinder standardisiert. Die meisten dieser Standards sind als Unterkategorien des IEC-Standards IEC 63171 zu finden. Für die Gebäudeverkabelung ist beispielsweise das Steckgesicht nach IEC 63171-1 und für industrienahe Anwendungen das Steckgesicht nach IEC 63171-6 vorgesehen. Die Steckverbinder sind für die speziellen Anforderungen des jeweiligen Anwendungsbereichs konzipiert und beseitigen viele der typischen Mängel der im LAN-Umfeld üblichen RJ45-Steckverbinder wie eine unzuverlässige Verriegelung oder einen unzureichenden Schutz gegen Schmutz und Feuchtigkeit. Es existieren beispielsweise M8- und M12-Bauformen mit normierten Schraub- und Push-Pull-Verriegelungen, Steckverbinder für IP-20- oder IP-67-Umgebungen, Steckverbinder mit hohen Portdichten für mehrere SPE-Kanäle, Steckverbinder mit guter Feldkonfektionierbarkeit und weitere Steckverbindertypen.

Die Vorteile von Single Pair Ethernet

Im Vergleich zu den im LAN-Bereich gängigen Standards wie 100Base-TX oder 1000Base-T bietet Single Pair Ethernet einige Vorteile. Wie die CAT-Kabel aus dem klassischen LAN-Umfeld ermöglichen die SPE-Kabel eine durchgängige Ethernet-basierte Kommunikation der angeschlossenen Netzwerkstationen. Aufgrund der besonderen Eigenschaften erschließt SPE jedoch völlig neue Anwendungsbereiche. Die zweiadrigen Kabel sind leicht, platzsparend, günstig und mit wenig Aufwand zu verlegen. Dadurch sind sie beispielsweise in miniaturisierten Geräten einsetzbar. Abhängig vom jeweiligen SPE-Standard sind hohe Übertragungsraten realisierbar oder große Entfernungen von bis zu 1000 Metern mit einem Kabel überbrückbar. Dank der Voll-Duplex-Ethernet-Kommunikation ist der gleichzeitige Informationsfluss in beide Richtungen möglich. Der Ethernet-Standard ist zukunftssicher und erlaubt einheitliche Kommunikationsprotokolle.

Kurz zusammengefasst sind die Vorteile von Single Pair Ethernet folgende:

• durchgängiger, einheitlicher Protokollstandard für die IP-basierte Kommunikation ohne Medienbrüche vom Sensor oder Aktor bis zur Cloud

• kostengünstige, platzsparende, leichte und mit wenig Aufwand zu installierende Verkabelung

• spezielle Steckverbinder mit optimierten Eigenschaften wie Verriegelung oder Schutz gegen Schmutz und Feuchtigkeit

• Energieversorgung der angeschlossenen Geräte mit bis zu 50 Watt Leistung über ein Adernpaar

• hohe Datenraten oder große Entfernungen realisierbar

• Unterstützung der echtzeitfähigen Datenübertragung

• verschiedene Netzwerktopologien realisierbar

• offene, herstellerunabhängige und zukunftssichere Standards und Schnittstellen

• hohe Robustheit und Zuverlässigkeit (für raue Industrieumgebungen geeignet)

Typische Einsatzbereiche für Single Pair Ethernet

Dass SPE im klassischen Ethernet-LAN-Bereich mit der vier- oder achtadrigen Cat-Verkabelung an Bedeutung gewinnt, ist eher unwahrscheinlich. Single Pair Ethernet wird sich dort etablieren, wo sich mit den zweiadrigen Kabeln signifikante Platz-, Kosten- und Gewichtsersparnisse erzielen lassen oder wo robuste, vor äußeren Einflüssen wie Schmutz oder Feuchtigkeit geschützte Ethernet-Verbindungen notwendig sind.

Typische Einsatzbereiche von SPE sind die Industrie 4.0, die Prozessautomation, die Gebäudetechnik und der Automotive-Bereich. In Fahrzeugen nutzen beispielsweise Fahrerassistenzsysteme, Displays, Steuergeräte, Kameras oder fahrzeuginterne Netzwerke die zweiadrigen Ethernetkabel zur Kommunikation mit anderen Fahrzeugkomponenten. Einer der wichtigsten Einsatzbereiche ist die industrielle Automatisierung. Mithilfe von SPE lassen sich Sensoren, Aktoren und Steuerungen der Industrie vernetzen und klassische Feldbus-Systeme ablösen. Weitere typische Einsatzbereiche für Single Pair Ethernet sind die Robotik, die Bahntechnik, das IIoT (Industrial Internet of Things) und die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M-Kommunikation).

(ID:46280525)