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Single Pair Ethernet für mehr DurchgängigkeitFunktechnik und optische Kabel wurden schon vielfach als die zukünftige Übertragungstechnik vorausgesagt. Doch die vielfach totgesagten einfachen Twisted-pair-Kabel auf schnöder Kupferbasis sind das am weitesten verbreitete Übertragungsmedium. Einfach, robust und vielleicht mit 100GBaseT bald auch noch verdammt schnell. Von den Anfängen des Ethernets in den 1970er-Jahren über diverse Multi-Paar-Ethernet-Entwicklungen mit mehreren parallelen Übertragungsstrecken geht es nun vermeintlich einen Schritt zurück. Zurück zum Single Twisted Pair. Mit neuem Protokoll und neuen PHY sind Übertragungs-raten bis 10 Gbit/s und „PoDL“-Leistungen von bis zu 50 W kein Problem mehr. Ein Paar ist schließlich genug.

Text: Matthias Fritsche, Jonas Diekmann

Als das Team um David Boggs und Robert Metcalfe in den 1970er-Jahren Ethernet am Xerox Palo Alto Research

Center (PARC) entwickelte, war noch nicht abzu sehen, dass sich dieses Übertragungsverfahren so dynamisch entwickeln würde und bis heute die Datenübertragung weltweit domi-niert. Das originale 10Base5-Ethernet nutzte noch Koaxi-alkabel als gemeinsames Medium. Heute sind neben Funk und optischen Kabeln die vielfach totgesagten Twisted-Pair-Kabel die am häufigsten verwendeten Übertragungsmedien. Beginnend 1990 mit 10BaseT, verzehnfachte sich circa alle fünf Jahre die Datenübertragungsrate der IEEE-Standards

über 100BaseTX und 1000BaseT bis zu 10GBaseT. Diese Serie konnte für den Sprung auf 100GBaseT nicht fortge-setzt werden, aber dafür wurden 2016 gleich vier neue IEEE-Standards fertiggestellt. Um bereits installierte Kat.-5/(5e)- und Kat.-6-Netzwerke für höhere Datenraten, insbesondere zur Anbindung datenhungriger WLAN-Accesspoints, fit zu machen, wurden 2,5GBaseT und 5GBaseT spezifiziert. Alle diese Standards sind für Übertragungslängen bis 100 m ein-setzbar und damit für klassische Gebäude- und Industriever-kabelung prädestiniert. Für die leistungsfähige Verkabelung in Rechenzentren kamen 25GBaseT und 40GBaseT für

Konzept für einen T1-Steckverbinder in Schutzart IP20

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Übertragungslängen bis 30 m hinzu. Als nächste Schritte werden 50GBaseT und sicher in naher Zukunft auch 100GBaseT in Angriff genommen (Bild 1).

Die SynapsenDie bestimmende Steckverbinder-Schnittstelle für die Verkabelung ist bis heute der RJ45-Steckverbinder, der bekanntlich nicht gegen Wasser und Staub geschützt ist. Für den industriellen Anwendungsbereich wurde dieser Steckverbinder in unterschiedlichen Bauformen robust sowie wasser- und staubgeschützt verpackt. Die weitverbreiteten Bauformen sind hier die Industriesteckverbinderbauform Han 3 A (Variante 5) sowie die kleine Harting-Push-Pull (Variante 4) und die Han-Push-Pull (Variante 14) Bauformen. Im industriellen Umfeld sind außerdem die vierpolige M12-d-codierte und die achtpolige M12-x-codierte Bauform weit verbreitet. Diese international normierten Steckverbinder sind neben weiteren Vorteilen eine wichtige Voraussetzung für die weltweite Verbreitung und Nutzung von Ethernet.

01 Übersicht der IEEE 802.3 Standards für Ethernet über Twisted Pair Kabel

Link

Spe

ed

Standard Completed

100 G

10 G

bit/s

10 M1990 2000 2010

2016 − 2,5GBaseTand 5GBaseT100 m on Cat 5e/Cat 6

1990 − 10BaseT100 m on Cat 3 Ethernet Speed

2006 − 10GBaseT100 m on Cat 6A

2016 −25GBaseT and40GBaseT30 m on Cat 8

1999 − 1 000BaseT100 m on Cat 5e

1995 − 100BaseTX100 m on Cat 5

2020

100 M

1 G

02 Übersicht der Ethernet-Übertragungsprinzipien

100BaseTXPHY andmagnetics

100BaseTXPHY andmagnetics

>>> Transmit >>>

100 Mbit/s per twisted pair, uni-directional

250 Mbit/s or 2,5 Gbit/s per twisted pair, bi-directional

100 Mbit/s or 1 Gbit/s per twisted pair, bi-directional

<<< Receive <<<

<<< Transmit & Receive >>>

<<< Transmit & Receive >>>

<<< Transmit & Receive >>>

<<< Transmit & Receive >>>

<<< Transmit & Receive >>>

1GBaseTor

10GBaseTPHY andmagnetics

100BaseT1or

10GBaseT1PHY andmagnetics

1GBaseTor

10GBaseTPHY andmagnetics

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10GBaseT1PHY andmagnetics

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Bis 100BaseTX erfolgt die Datenübertragung dabei über zwei verdrillte Adernpaare. Dabei dient ein Paar zum Sen-den und das andere Paar zum Empfangen. Mit 1 000BaseT erfolgte der Übergang auf eine parallele, bidirektionale Da-tenübertragung über alle vier Adernpaare. Dabei werden dann pro Adernpaar 250 bit/s übertragen. Die Broad-Reach-Technologie von Broadcom nutzt diese bidirektionale Da-tenübertragung zur Übertragung von 100 Mbit/s Ethernet über nur ein verdrilltes Adernpaar (Bild 2).

Diese Technologie fand zuerst großes Interesse bei der Automobilindustrie, die für die steigenden Datenraten, insbesondere für Fahrer-Assistenz-Systeme und zukünftige

autonome Fahrzeuge aber auch für Infotainment-Systeme, einen kostengünstigen Ersatz für den immer noch dominie-renden CAN-Bus benötigt.

Single Pair Ethernet (SPE) über nur ein verdrilltes Adern-paar ist hierfür ideal. Es ist kostengünstig und im Vergleich zum CAN-Bus quasi gewichtsneutral. Somit wurden durch IEEE 802.3 Arbeitsgruppen 100BaseT1 (IEEE 802.3bw) und 1 000BaseT1 (IEEE 802.3bp) spezifiziert. Für die An-wendung im Fahrzeug ist in diesen beiden Standards ein 15-m-Kanal über ein ungeschirmtes verdrilltes Adernpaar definiert. Weiterhin enthalten beide Normen auch die Para-meterdefinitionen für einen 40-m-Übertragungskanal, über

Ethernet vom Sensor bis in die CloudÜber die Vorteile eines durchgängigen Ethernet sprach die etz-Redaktion mit Matthias Fritsche, Produktmanager bei der Harting Electronics GmbH.

Welche Vorteile bietet ein durchgängiges Ethernet vom Sen-sor bis in die Cloud?

Heute wird Ethernet ausgehend von der IT bis in die Sen-sorknoten verwendet. Die Sensoren selbst sind mehrheitlich noch analog oder über Bussysteme angebunden. Damit muss beim Übergang auf eine Ethernet-ba-sierte Übertragungstechnik gewandelt werden. Im Falle der Bussysteme wird diese Umsetzung in den Gateways erle-digt. Die durchgehende Verwendung von Ethernet macht diese Gateways über-flüssig. Der große Vorteil liegt dann nicht nur in der Kosteneinsparung in den Gateways, sondern maßgeblich im ver-einfachten Engineering, denn die Gate-ways müssen geplant, installiert, para-metriert und eventuell auch gewartet werden.

Dem Trend der Digitalisierung fol-gend, erfolgt die Umsetzung analoger Sensordaten auch zunehmend direkt im Sensor und somit können auch alle heu-te noch analogen Messsysteme durch Ethernet-basierte Technik ersetzt werden. Einpaariges Ethernet wird hier der Schlüssel um Ethernet einfach und kostengünstig bis zum Sensor zu nutzen.

Wie passt Single Pair Ethernet mit den Industrials-Ether-net-Protokollen, zum Beispiel Profinet und Ethercat, zu-sammen?

Single Pair Ethernet bzw. die Ethernet-Übertragungsver-fahren 100/1 000BaseT1 stehen nur für eine andere Art der Datenübertragung (Physical Layer). Genau so gut wie man die genannten Industrial-Ethernet-Protokolle über mehrere Kupferadernpaare, über optische Kabel oder Funk übertra-gen, kann, ist dies auch über nur ein Adernpaar möglich. Die höheren Netzwerkschichten sind davon unberührt. Somit ist einpaariges Ethernet definitiv auch für alle Industrial-Ether-net Protokolle verwendbar.

Und wie mit TSN? TSN, sprich Time Sensitive Network, ist ein Paket an neu-

en IEEE-802.1-Mechanismen, um das heutige Standard- Ethernet deterministisch, also berechenbar, zu machen. Die-se Mechanismen sind, wie auch die Industrial-Ethernet-Pro-

tokolle, in den oberen Netzwerkschichten angesiedelt. Damit passen beide Technolo-gien perfekt zusammen. Einpaariges Ethernet wird zusammen mit den TSN-Mechanismen mit Fokus auf die zukünfti-gen Fahrzeugnetzwerke als Ersatz für den CAN-Bus entwickelt. Somit kann man zu-künftig von einer großen Basis von entspre-chenden Chipsätzen zu schnell fallenden Preisen ausgehen. Aus meiner Sicht wird sich hier wie beim CAN-Bus die Geschichte wiederholen. Single Pair Ethernet und TSN werden aus dem Anwendungsbereich im Fahrzeug mit den sehr hohen Sicherheits-anforderungen sehr schnell in weitere An-wendungen, wie beispielsweise in die Auto-matisierung und die Robotik, wandern.

Die Kombination TSN, OPC UA und Single Pair Ethernet könnte die Automatisierungstechnik deutlich voranbringen. Wie sehen Sie das? Was ist der realistische zeitliche Hori-zont dafür?

Die Potenziale der Kombination von TCN und OPC UA wur-den ja bereits am Markt erkannt und namenhafte Firmen aus der Automatisierungstechnik haben auf der Fachmesse SPS IPC Drives im November 2016 dazu ein eindrucksvolles State-ment abgegeben. Nimmt man die Single-Pair-Ethernet-Technologie in diese Betrachtungen hinzu, kann der lang gehegte Wunsch vieler Anwender eines einheitlichen und durchgehenden Kommunikationsstandards endlich Realität werden. Der Weg dahin ist sehr herausfordernd – aber auch sehr vielversprechend. Realistisch und optimistisch betrach-tet erwarte ich erste Produkte im Automatisierungsumfeld nicht vor 2019/20.

Matthias Fritsche ist Produkt manager bei Harting Electronics

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ein geschirmtes und verdrilltes Adernpaar für den Einsatz in Lkw, Bussen, Flugzeugen, Zügen und industriellen An-wendungen.

Anschluss gesuchtAbweichend zu den Multipaar-Ethernet-Standards mit dem klar definierten RJ45-Steckverbinder (richtige Bezeichnung eigentlich 8P8C-Modularstecker), enthalten die einpaarigen Standards für T1-Ethernet keine Vorgaben zur Ausführung der Steckverbinderschnittstelle. Betrachtet man Fahrzeuge als abgeschlossene Systeme, macht diese Vorgehensweise Sinn, denn auch heute werden in Fahrzeugen verschiedener Hersteller unterschiedliche Schnittstellen verbaut. Für den Einsatz und die Verbreitung von einpaarigem Ethernet in industriellen Applikationen oder der Gebäudeautomation, mit einer Vielzahl von Marktteilnehmern, ist jedoch genau-so wie für vierpaariges Ethernet ein klar definierter Steckver-binder-Standard notwendig. Das gilt umso mehr für den aktuell in Arbeit befindlichen neuen Standard 10BaseT1, der die Übertragung von 10 bit/s Ethernet über Stecken bis 1 200 m ermöglichen soll. Damit hat dieser neue Standard das Potenzial alle heute verwendeten Feldbussysteme auf lange Sicht vollständig abzulösen (Bild 3).

Dies gilt umso mehr, da analog zu PoE (Power over Ether-net) auch für das einpaarige Ethernet ein Powerstandard mit dem Namen Power over Data Line (PoDL) spezifiziert wird.

Dieser Standard IEEE 802.3bu wurde Ende 2016 veröffent-licht. Damit kann ein einzelnes Adernpaar für die Stromver-sorgung und die Datenübertragung gleichzeitig verwendet werden.

Auch die bisher genormten 1 Gbit/s über ein Adernpaar sind noch nicht das Ende. Ob Radar- und Lidar-Systeme oder hochauflösende Kameras und Displays, die Notwen-digkeit höhere Datenraten zu übertragen, besteht sowohl im Fahrzeug als auch in industriellen Anwendungen bereits heute. Diese Anforderungen waren Gegenstand der Diskus-sionen bei der IEEE 802.3 Plenary Session im November und es wurde eine neue Arbeitsgruppe für die Normung von Multi-Gigabit ins Leben gerufen. Der Wunsch ist es, 10GBaseT1 zu normieren. Es kann allerdings auch sein, dass dieses Ziel mit Zwischenschritten von 2,5GBaseT1 oder 5GBaseT1 erreicht wird.

Minimalistisch aber mit enormem PotenzialIn dieser neuen Technologie schlummert ein gewaltiges Potenzial. Im Vergleich zum Multi-Paar-Ethernet werden Kabel und Steckverbinder kleiner und einfacher. Sensoren, Aktoren und Netzwerkknoten können mit nur einem Adern-paar vernetzt und versorgt werden. Was zum Erfolg dieser Technologie nur noch fehlt, ist der einheitliche Standard für die Verbindungstechnik – die einheitliche T1-Schnittstelle, damit Netzwerkkomponenten verschiedener Hersteller oh-

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ne aufwendige Adapter einfach miteinander verbunden wer-den können. Die Normierung eines solchen einheitlichen T1-Steckgesichts für steckkompatible IP20- oder IP65/67-Ausführungen ist das Ziel eines von der Harting-Tech-nologiegruppe [1] eingereichten IEC-Normenprojekts. Ausgangspunkt dieses Normenentwurfs ist ein geschirmter zweipoliger Steckverbinder mit aktiver und robuster me-tallischer Verriegelung. Genau dieses Steckgesicht findet sich in zwei runden IP65/67-Steckgesichtern wieder. Da-bei wird für eine Variante eine Snap-In-Verriegelung aus Kunststoff, ähnlich wie sie für M8-Steckverbinder nach IEC 61076-2-104 genormt ist, vorgeschlagen. Die zweite Variante ist nochmals robuster und basiert auf einer Push-Pull-Verriegelung aus Metall. Damit wird den vielfältigen möglichen Anwendungsszenarien Rechnung getragen und ein Produktsortiment in den Normungsprozess eingebracht, das sowohl für Anwendungen in der Automatisierungstech-nik, Robotik und dem Maschinen- und Anlagenbau, als auch in der Gebäudeautomation oder dem Transportation-Markt Verwendung finden kann. Und das ist nicht das einzige IEC-Projekt für einpaariges Ethernet. Eine weitere Expertengruppe arbeitet an einer entsprechenden IEC-Norm für einpaarige Kabel und ein Technical Report wird sich mit der Frage beschäftigen, wie die Verkabelungen aufgebaut werden. Damit wird klar, dass das Marktpoten-zial und die Vorteile für SPE identifiziert sind und die not-wendigen Aktionen, um diese Technologie für den Markt einsatzfertig zu machen, weltweit in vollem Gange sind.

Bleibt nur noch die letzte Achillesferse von Standard-Ethernet im Vergleich zu Feldbussen und den Indus trial-Ethernet-Systemen, der fehlende Determinismus. Mit Time-Sensitive Networking (TSN) wird derzeit von der IEEE eine neue Tech-nologie entwickelt, die konventionelles Ethernet nach IEEE 802.1 und IEEE 802.3 um einen Grad an Determinismus bei der Datenübertragung ergänzt, wie es bisher nicht möglich war.

FazitDie Vorteile, mittels nur einem verdrill-ten Adernpaar Ethernet mit Gigabit-Übertragungsgeschwindigkeit zu übertra-gen und die Geräte gleichzeitig mit Strom zu versorgen, sind vielfältig und genial. Die heute noch offenen Fragen, wie die Normung der T1-Verbindungstechnik und offene Verkabelungsstandards, sind identifiziert und bereits in Arbeit. Auch das Angebot für die notwendigen PHY-Chipsätze wird sich, insbesondere unter dem Einfluss der Automobilindustrie, schnell erhöhen und zu günstigen Kosten verfügbar sein. Damit können die beiden Lebensadern Daten und Power bis zu ei-nem Leistungsbereich von aktuell 50 W mit einem Adernpaar realisiert werden. Unter dem Einfluss der Digitalisierung

werden Signale direkt im Sensor digital umgewandelt. So deckt SPE zukünftig für eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren die heute noch vielfach getrennten einzelnen Le-bensadern – Daten, Signal und Power – in einem Adernpaar ab. Mit TSN wird auch das Problem des fehlenden Deter-minismus von Ethernet beseitigt.

Damit ist SPE das Mittel der Wahl, um die heute noch durch Feldbusse dominierte Feldebene mit Ethernet zu er-schließen. Neben einfacherer Verkabelung und Verbin-dungstechnik entfallen dann die störenden Schnittstellen und Gateways. Durch das dann einheitliche Netzwerkpro-tokoll ist kein Spezialwissen für Feldbussysteme mehr erfor-derlich und Engineering, Installation und Wartung dieser Netzwerke vereinfachen sich enorm (Bild 4). In absehbarer Zukunft könnte es heißen: „Ein Paar ist genug!“ (hz)

Literatur[1] Harting-Technologiegruppe, Espelkamp: www.harting.com

Autoren Dipl.-Ing. Matthias Fritsche ist Global Product Manager Device Connectivity bei der Harting Electronics GmbH in Espelkamp.Matthias.fritsche@harting.com

BA of Eng. Jonas Diekmann ist Technical Editor bei der Harting Electronics GmbH in Espelkamp.Jonas.diekmann@harting.com

04 „Ein Paar ist genug“ zur Übertragung von Daten, Power und Signalen

Today Connectivity Future Connectivity

PoE/PoDL

Digitalization

T1 Ethernet

Power

Signal

Data

03 Diagramm der typischen Datenraten und Übertragungslängen für weitverbreitete Feldbusse

Pro�bus DP

Modbus RTU

InterbusCanopen

CC-LinkCC-LinkDevicenet

Controlnet

Hart

00,001

0,01

0,1

1 000

10 000Mbit/s

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400200 600 800 1000Übertragungslänge

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