Definition

Was ist Single Pair Ethernet (SPE)?

| Autor / Redakteur: Stefan Luber / Andreas Donner

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt. (Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Single Pair Ethernet ermöglicht Ethernet-Verbindungen mit Geschwindigkeiten zwischen 10 Mbit/s und mehreren Gbit/s über nur ein einziges verdrilltes Adernpaar. Die im LAN-Bereich üblichen Standards wie 100Base-TX oder 1000Base-T benötigen hingegen zwei oder vier verdrillte Adernpaare. Verwendet wird SPE beispielsweise im Automotive-Bereich oder in der Industrieautomation.

Die Abkürzung SPE steht für Single Pair Ethernet. Es handelt sich um verschiedene Standards wie 802.3bp (1000Base-T1), 802.3bw (100Base-T1), 802.3cg (10Base-T1) oder 802.3ch (Multi-Gig Automotive Ethernet), mit denen sich Ethernet-Verbindungen über Kupferkabel mit nur einem einzigen verdrillten Adernpaar herstellen lassen. Es existieren Standards für Geschwindigkeiten von 10 und 100 über 1000 Megabit pro Sekunde bis hin zu mehreren Gigabit pro Sekunde. Die maximal überbrückbaren Entfernungen variieren zwischen 15, 40 und bis zu 1000 Metern.

Die SPE-Standards sind Alternativen zu den im LAN-Bereich gängigen Standards wie 100Base-TX oder 1000Base-T, die zwei oder vier verdrillte Adernpaare eines Netzwerkkabels zur Datenübertragung benötigen. Für die LAN-Verkabelung genutzte Kabeltypen wie Cat-5-, Cat-6- oder Cat-7-Kabel mit ihren RJ-45-Steckern sind im Vergleich zu den SPE-Kabeln dicker, schwerer, teurer und aufwändiger zu verlegen.

Speziell für SPE existieren genormte Steckverbinder, die die Nachteile der RJ45-Steckverbinder wie die unzuverlässige Verriegelung oder den schlechten Schutz gegen Schmutz und Feuchtigkeit beseitigen. Da nur ein einziges Adernpaar für die Übertragung der Vollduplex-Signale zur Verfügung steht, werden auf dem Adernpaar die Signale gleichzeitig in beide Richtungen übertragen. Die Signale 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.

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.

Analog zu Power over Ethernet für die LAN-Verkabelung ist es mit Single Pair Ethernet ebenfalls möglich, Endgeräte über das Kupferkabel mit der für den Betrieb benötigten elektrischen Energie zu versorgen. Hierfür wurde der Standard Power over Data Line (PoDL, 802.3bu) geschaffen, der mit den Power-over-Ethernet-Standards nicht kompatibel ist und Leistungen bis zu 50 Watt auf Endgeräteseite liefern kann.

Typische Anwendungsbereiche von Single Pair Ethernet sind der Automotive-Bereich, die Prozessautomatisierung der Industrie 4.0, die Robotik oder die Gebäudeautomation. In diesen Anwendungen hat die SPE-Technik das Potenzial, Kommunikations- oder Feldbussysteme wie den LIN-Bus, CAN-Bus, FlexRay oder Profibus abzulösen. Im Single-Pair-Ethernet-Umfeld sind mehrere Standardisierungsgremien wie das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) oder die IEC (International Electrotechnical Commission) aktiv.

Motivation für die Entwicklung von SPE

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 die eine Übertragung mit den gängigen, auf Ethernet aufbauenden LAN-Protokollen erlauben. Im industriellen Umfeld bestehen oft andere Verkabelungsanforderungen als in herkömmlichen Computer-LAN-Umgebungen. Die zu übertragenden Datenmengen sind oft kleiner, gleichzeitig sind aber günstige, leichte, kompakte und robuste Kabel und Steckverbinder notwendig. Um veraltete Kommunikations- oder Bussysteme mit 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. Daher wurden die Standards für zweiadrige Kabel entwickelt.

Einsatzszenarien für SPE

Einer der wichtigsten Anwendungsbereiche für SPE ist der Automotive-Bereich. In Fahrzeugen nutzen beispielsweise Fahrerassistenzsysteme, Displays, Steuergeräte, Kameras oder fahrzeuginterne Netzwerke die zweiadrigen Ethernetkabel zur Kommunikation mit anderen Fahrzeugkomponenten. Weitere typische Anwendungsbereiche für Single Pair Ethernet sind:

  • die Automatisierungstechnik
  • die Gebäudeautomation
  • die Robotik
  • die Bahntechnik
  • die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M-Kommunikation)

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 Kabel aus dem LAN-Umfeld ermöglichen die SPE-Kabel die Ethernet-basierte Kommunikation. Aufgrund der besonderen Eigenschaften erschließen sie jedoch völlig neue Anwendungsbereiche. Die 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.

Die verschiedenen SPE-Standards im Überblick

Im folgenden ein kurzer Überblick über die bereits standardisierten oder sich noch in der Standardisierung befindlichen SPE-Standards:

  • 10Base-T1 – 802.3cg: Single Pair Ethernet mit zehn Megabit pro Sekunde und überbrückbaren Entfernungen von bis zu 1000 Metern (Finalisierung der Standardisierung 2019/2020 vorgesehen)
  • 100Base-T1 – 802.3bw: Single Pair Ethernet mit 100 Megabit pro Sekunde und überbrückbaren Entfernungen von bis zu 15 Metern
  • 1000Base-T1 – 802.3bp: Single Pair Ethernet mit 1000 Megabit pro Sekunde und überbrückbaren Entfernungen von bis zu 15 oder 40 Metern
  • Multi-Gig Automotive Ethernet (MultiGigBase-T1) – 802.3ch: Single Pair Ethernet mit 2,5, 5 und 10 Gigabit pro Sekunde und überbrückbaren Entfernungen von bis zu 15 Metern (Standardisierung aktuell noch in Arbeit)

SPE-Steckverbinder

Speziell für Single Pair Ethernet wurden Steckverbinder standardisiert. Die meisten dieser Standards sind als Unterkategorien des IEC-Standards IEC 63171 zu finden. Die Steckverbinder sind für die speziellen Anforderungen des Automotive-Bereichs und industrieller Anwendungen konzipiert und beseitigen viele der typischen Mängel der im LAN-Umfeld üblichen RJ45-Steckverbinder wie die unzuverlässige Verriegelung oder den 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.

Stromversorgung der SPE-Endgeräte via Power over Data Line (PoDL)

Eine zusätzliche Anforderung an Single Pair Ethernet ist die Möglichkeit der Energieversorgung der angeschlossenen Geräte über das Kupferkabel. Hierfür existiert der Standard IEEE 802.3bu (Power over Data Line, PoDL). Er ist nicht kompatibel mit den Power-over-Ethernet-Standards und spezifiziert in Analogie zu PoE die Energieversorgung über eine einpaarige Kabelverbindung. PoDL wurde 2016 vom IEEE verabschiedet und ist bereits für 100Base-T1 und 1000Base-T1-Verbindungen nutzbar. Insgesamt sieht der Standard zehn verschiedene Leistungsklassen vor, die auf Endgeräteseite 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.

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