SPE: Ethernet auf dem Klingeldraht 1-paariges Ethernet wird zur Verkabelungs-Norm

Ethernet als universelles Übertragungsprotokoll hat schon vor Jahren die reine Büro- und Rechenzentrums-Umgebung verlassen und erobert sich zunehmend andere Bereiche. Heute ist Ethernet aus Weitstreckennetzen, dem Heimbereich und der Industrie nicht mehr wegzudenken und hält zurzeit Einzug bei Sensoren, Aktoren und Automobilen. Doch dazu braucht es neue Denkansätze.

Das Ethernet, so wie wir es bis dato kennen, braucht zur Datenübertragung bei 10 oder 100 Mbit/s mindestens zwei verdrillte und ab 1000 Mbit/s sogar vier verdrillte Adernpaare. Während im Büro, Rechenzentrum (RZ) und Heimbereich die Steifigkeit, der Kabeldurchmesser und das Gewicht von 4-paarigen Kabeln noch zu verkraften sind, sind diese Parameter in der Industrie und gerade bei Sensoren, Aktoren und Automobilen ein großes Problem. In einem Kraftfahrzeug sind z.B. mehrere hundert Meter Kabel verbaut, hier zählt daher jeder eingesparte Zehntelmillimeter 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, brauchen aufgrund der zu hohen Dämpfung bei Drahtdurchmessern mit maximal AWG22 weit größere Kabellängen als mit den klassischen Kabeln möglich wären. Anstatt der klassischen 100 Meter benötigt die Industrie Streckenlängen von mindestens 1.000 Metern, was den Rahmen des klassischen Ethernets im LAN komplett sprengt. Eine weitere Forderung der Industrie ist, dass eine Fernspeisung von Geräten, ähnlich dem Power over Ethernet (PoE), möglich sein muss, da auch die digitalen Sensoren und Aktoren weiterhin ihre Stromversorgung aus den Datenleitungen beziehen müssen.

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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 Lösungen gemeinsam: Ethernet 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 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 RZ-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. 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 gehen und dann von dort aus 4 Endgeräte mit SPE zu versorgen. Allerdings sind hier noch einige Punkte bezüglich der Fernspeisung von Endgeräten zu klären – diese werden weiter unten beim Thema „PoDL“ („Power over Dataline“) näher erläutert.

SPE-Anwendungen

Im Rechenzentrum wäre es beispielsweise aus Kosten- und Platzgründen interessant, Monitor-Leitungen für Switches und Server über SPE zu betreiben. Bei diesen Verbindungen werden keine großen Datenraten benötigt, daher ist SPE völlig ausreichend. Eine weitere Anwendung, für die SPE sowohl im Büro- und RZ- als auch Heimbereich sehr interessant ist, ist die Gebäude-Steuerung 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 der Berufsverband IEEE dafür eigene Übertragungsstandards definiert.

Mit dem Technischen Report ISO/IEC TR 11801-9906 erschien 2020 ein erstes Dokument der ISO/IEC, 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 Report soll Anwendern helfen, die SPE-Strecken speziell für die in Abbildung 1 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 ein-paarige Verkabelungen erweitert wird. Die Abbildung 2 zeigt den momentanen Stand des Normenentwurfes. Hier der ausdrückliche Hinweis, dass noch Änderungen einfließen können.

„PoDL“ – 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. Das IEEE hat mit der IEEE 802.3bu die Definitionen für eine Fernspeisung über SPE schon festgelegt. Da sich die Spezifikationen aber wesentlich zu regulärem PoE unterscheiden, 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 2 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 in Zukunft PoDL mit maximaler Leistung eingesetzt werden soll!

Messtechnik

Die ersten Anforderungen an die Verkabelung, und damit auch 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 Frühjahr 2022 noch in den Kinderschuhen. Voraussichtlich werden diese Definitionen in die Normenreihe der IEC 61935 zur Definition von Messungen an installierter Verkabelung aufgenommen werden. Die Annahme liegt nahe, dass Messungen an einem Paar mit oder ohne Schirm einfacher sein müssten als an vier Paaren, aber die Tücke liegt wie so oft im Detail:

Anders als bei 2- oder 4-paarigen Verkabelungen, die ab 1 MHz definiert sind, ist gerade bei den langsamen Protokollen ein Frequenzbereich ab 100 kHz nötig. Bis dato ist weder Labor- noch Feldmesstechnik im Frequenzbereich 100 kHz bis 1 MHz definiert. Es sind zwar nur 900 kHz mehr zu messen, aber es ist bis jetzt 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 (elektromagnetische Verträglichkeit) und Störfestigkeit ein großes Thema. Es muss aber 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 Mitteln im Feld umgesetzt werden können.

Es gibt zwar bei SPE-Strecken kein Nahnebensprechen (NEXT) und verwandte Parameter wie ACR-N und ACF-F, jedoch könnten sich nahe nebeneinanderliegende SPE-Strecken gegenseitig stören. Außerdem ist auch zu definieren, wie eine 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 stark abweicht und somit zu hohe Messfehler erzeugt, wenn diese als Messtecker bzw. -buchse verwendet werden. Bei SPE kommen je nach Anwendung völlig neue Stecksysteme zum Einsatz. Hier muss noch geklärt werden, inwieweit 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 RZ-Umfeld geben und das Thema „IoE“ (Internet of Everything) weiter vorantreiben werden. Außerhalb der strukturierten Verkabelung wird SPE zudem in der Automobilbranche Einzug halten und dort ein wichtiges Element für die Automobile der Zukunft werden.

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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