SPE - Single Pair Ethernet

Für die Verkabelung in Fahrzeugen wurden 2015 und 2016 mehrere Ethernet-Standards für den Automotive-Bereich verabschiedet. Die Übertragung von 100 und 1.000 MBit/s erfolgt über nur ein verdrilltes Adernpaar mit einer Länge von maximal 15 m (ungeschirmt) oder 40 m (geschirmt). Für Kabelbäume in Fahrzeugen ist das vollkommen ausreichend.

Davon ausgehend wurde Single Pair Ethernet als Zweidraht-Ethernet für weitere Anwendungen in der Industrie, Automation und Gebäudetechnik weiterentwickelt und kann dort CAN und andere Feldbussysteme ersetzen. Die Übertragungstechnik geht auf das BroadR-Reach-Verfahren von Broadcom zurück, das einen Vollduplexbetrieb über ein Adernpaar definiert.

Damit schließt Single Pair Ethernet die Lücke zwischen der klassischen IT und der immer wichtiger werdenden Sensorik, und erlaubt eine durchgängig IP-basierte Vernetzung. Außerdem besteht die Möglichkeit, alte Telefonleitungen wieder zu verwenden.

Vorteile von SPE

SPE bietet mehrere Vorteile hinsichtlich der Verwendung der Ethernet-Technik:

  • Höhere Übertragungsrate im Vergleich zu CAN, PROFIBUS oder einer 4-20-mA-Stromschleife über die gleiche Kabelinfrastruktur.
  • Betriebssichere Kommunikation in Umgebungen mit hohem Störaufkommen durch Nachrichten-Übertragung mit Frame-Check-Sequenz.
  • Sichere Übertragung durch Verschlüsselung.
  • Ermöglicht die Weiterverwendung bestehender Zweidraht-Kabelinfrastrukturen.
  • Kosteneinsparung durch weniger Kupfer bei Neuinstallationen.
  • Geringeres Gewicht und Platzbedarf für den Einsatz in Fahrzeugen.

Standards

  • IEEE 802.3bp mit 1 GBit/s (1000Base-T1)
  • IEEE 802.3bw mit 100 MBit/s (100Base-T1)
  • IEEE 802.3cg mit 10 MBit/s (10Base-T1)
  • IEEE 802.3ch mit 2,5, 5 und 10 GBit/s
  • IEEE 802.3bu für die Energieversorgung (PoDL)

Die Unterschiede zum herkömmlichen Ethernet liegen auf Schicht 1, der Bitübertragungsschicht bzw. dem Physical Layer (PHY) des OSI-Modells. Die neuen T1-Normen sind nicht abwärtskompatibel zu älteren 802.3- Standards. Ab Schicht 2 aufwärts wirken sich die verschiedenen SPE-Standards dagegen nicht aus.

Single-Pair-Ethernet-Varianten

Bezeichnung IEEE-Standard Datenrate Duplex Reichweite Topologie
10BASE-T1S 802.3cq 10 MBit/s halb 15 m Punkt-zu-Punkt
10BASE-T1L 802.3cq 10 MBit/s voll 1000 m Bus (max. 10 Nodes)
100BASE-T1 802.3bw 100 MBit/s voll 15 m Punkt-zu-Punkt
1000BASE-T1 802.3bp 1000 MBit/s voll 15 / 40 m Punkt-zu-Punkt
MultiGBASE-T1 802.3ch 2,5 / 5 / 10 GBit/s voll 15 m Punkt-zu-Punkt
  • 10BASE-T1S: Bus-Betrieb mit maximal 8 Nodes über 25 Meter
  • 1000BASE-T1: mögliche Leitungslänge abhängig vom Leitungstyp

IEEE 802.3bp / 1000Base-T1

IEEE 802.3bp ist ein Gigabit-Standard mit einer Übertragungsrate von 1 GBit/s und einer Kabellänge von bis zu 40 m. Der typische Anwendungsbereich ist die Vernetzung in größeren Transportmitteln (Bus, Flugzeug). Eine weitere Anwendung ist die Vernetzung von Bildsensoren mit hohem Datenaufkommen.

IEEE 802.3bw / 100Base-T1

IEEE 802.3bw ist ein Standard mit einer Übertragungsrate von 100 MBit/s und einer Kabellänge von bis zu 15 m. Der typische Anwendungsbereich wäre die Vernetzung von Sensoren, Aktoren und Servoantriebe mit typischen Datenaustausch-Zykluszeiten zwischen 31,25 µs und 4 ms. Eine Beispielhafte Anwendung ist die Verkabelung innerhalb eines Robotersystems.

IEEE 802.3cg / 10Base-T1S / 10Base-T1L

IEEE 802.3cg (10Base-T1L) ist ein Standard mit einer Übertragungsrate von 10 MBit/s und einer Kabellänge von bis zu 1.000 m. Der typische Anwendungsbereich wäre die Vernetzung von weit entfernten Sensoren und Aktoren mit geringem Datenaufkommen.

IEEE 802.3ch / MultiGBase-T1

IEEE 802.3ch ist ein Multi-Gigabit-Standard mit einer Übertragungsrate von 2,5, 5 und 10 GBit/s auf denselben Leitungstypen wie bei IEEE 802.3bp.

IEEE 802.3bu / Power over Dataline (PoDL) / Energieversorgung

IEEE 802.3bu ist ein Standard für die Energieversorgung von angeschlossenen Geräten mit bis zu 50 W über das gleiche Twisted-Pair-Kabel. SPE ermöglicht damit die Leistungs- und Datenübertragung auf ein und demselben Aderpaar, was als Power over Data Line (PoDL) bzw. Advanced Physical Layer (APL) bezeichnet wird.
Mit dieser Technik ist es möglich, einen bis zu 1.000 m entfernten Sensor oder Aktor über das zur Datenübertragung genutzte Kabel mit Strom zu versorgen, wie man es von einer 4-20-mA-Stromschleife kennt.

IEEE 802.3bu definiert in zehn Stufen eine Leistung von 0,5 bis 50 Watt bei verschiedenen Spannungsniveaus (12, 24, 48 Volt). Es sind sechs Systemtypen (A bis F) für Speisegeräte (Power Sourcing Equipment, PSE) und gespeiste Geräte (Powered Device, PD) definiert. Aber nicht jeder Gerätetyp funktioniert mit jeder SPE-Variante.

Topologie

SPE-Netzwerke können als Stern- oder Linien-Topologie realisiert werden. Denkbar ist eine kombinierte Schaltung mit Hubs und Switchen.
Neben der gewohnten Punkt-zu-Punkt-Topologie dürfte bei SPE die Bus-Topologie in der industriellen Automation vorherrschend sein, um mehrere Sensoren und Aktoren an einem Kabel anzubinden.

Übertragungsmedium

Die Technik wurde für die Fahrzeugvernetzung entwickelt, weshalb die Leitungslängen vergleichsweise kurz sind. Weil in Fahrzeugen 100 m praktisch nicht vorkommen sind Kabellängen von 15 m und 40 m definiert, was die Leitungsanschaltung vereinfacht.

Eine Schirmung ist nicht vorgeschrieben, reduziert aber die Empfindlichkeit gegen Störeinflüsse von außen. Als Übertragungsmedium eignet sich also eine ungeschirmte Zweidrahtleitung, was auch ein Koaxialkabel sein kann.
Besonders interessant ist das deshalb, weil man damit die oft brachliegenden Telefonleitungen in älteren Gebäuden und Wohnungen wiederbeleben könnte.

Einschränkend muss man sagen, dass hier oft sogenannte Viererkabel verlegt sind (2 Adernpaare = 4 Adern). Doch zwei SPE-Verbindungen in einem Kabel wird in der Regel scheitern, weil dazu die einzelnen Adernpaare geschirmt sein müssten. Ohne Schirmung werden sich die Verbindungen gegenseitig stören.

Bei der herkömmlichen Netzwerk-Verkabelung mit Twisted-Pair-Kabel eignen sich Kabel der Kategorie 7 oder 7A. Hier sind die einzelnen Adernpaare geschirmt. Ein Kabel kann für 4 einzelne SPE-Kanäle verwendet werden (Cable Sharing). Aber Achtung, PoDL funktioniert nur mit zweiadrigen Kabeln nach IEC 61156. Bestehende Cat-7-Verbindungen sind hierfür nicht geeignet.

Steckverbindungen

Steckverbindungen für Single-Pair-Ethernet müssen wegen der geringen Polzahl nur ungefähr halb so groß sein, wie die bekannten RJ45-Stecker.
Weil SPE aber nicht nur einen Anwendungsfall hat, entstanden unterschiedliche Bauformen.

  • In der Fahrzeugvernetzung geben in der Regel die großen Hersteller ihren Zulieferern die Steckverbindung vor.
  • In der Gebäudeautomation wird der Stecker des Herstellers CommScope empfohlen. Der Stecker ist vergleichbar mit von Glasfaser-Patchkabeln bekannten LC-Format und wurde als IEC 63171-1 standardisiert.
  • Für den industriellem Einsatz wird der T1-Stecker von Harting empfohlen, der in IEC 63171-6 mit drei Bauformen normiert wurde. Rechteckige Stecker mit einer Rastklinke für trockene Umgebungen und wasserdichte Rundstecker mit Verschraubung im Format M8 und M12.
  • Desweiteren sind vier weitere IEC-63171-Varianten (2 bis 5) verfügbar.

Anwendungen für Single Pair Ethernet und Zweidraht-Ethernet

Nachdem die SPE-Technik ursprünglich im Automobilbereich viel Aufmerksamkeit und Interesse fand, setzte sie sich in der Industrie und Automation noch stärker durch.

  • Einsatz im Kabelbaum eines Fahrzeugs.
  • Vernetzung von Sensoren, Aktoren oder Servo-Motoren mit geringer Datenrate.
  • Automatisierungs-Anwendungen auf der Basis von 10Base-T1 mit Distanzen bis zu 1.000 m.
  • In der Gebäudeautomation ersetzt es Lösungen mit KNX, LON, EchoNet, TRON und weitere.

Verbindung zwischen Ethernet und SPE

Um zwischen einem Zwei- und Vierdraht-Ethernet eine Verbindung herzustellen, benötigt man einen Medienkonverter, der als Brücke fungiert. Dieser Medienkonverter arbeitet nicht auf der MAC-Schicht und hat demnach auch keine MAC-Adresse, sondern verbindet das T1-Ethernet-PHY über das MII direkt mit dem Vierdraht-Ethernet-PHY.

Zukünftige Entwicklungen

SPE hat das Potenzial, alle heute verwendeten Feldbussysteme auf lange Sicht vollständig abzulösen. Hierzu ist allerdings noch Entwicklungsarbeit am Ethernet-Protokoll nötig. Es ist insbesondere notwendig, Ethernet echtzeitfähig zu machen.

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