Single Pair Ethernet – SPE

Ethernet im Standard IEEE-802.3 verwendet typischerweise zwei oder vier verdrillte Adernpaare für Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 40 Gbit/s (40GBASE‑T). Single Pair Ethernet (SPE) hingegen ermöglicht Ethernet-Verbindungen zwischen 10 Mbit/s und mehreren Gbit/s über ein einzelnes Adernpaar. Die somit einhergehende physikalische Reduktion des Formfaktors kommt sowohl dem Automotive-Bereich als generell der Industrieautomation entgegen.

Abb.1 SPE/T1 Technology [https://iebmedia.com/single-pair-ethernet-rj45-and-clarifying-the-mating-interfaces/]

Single Pair Ethernet beschreibt mehrere Standards wie IEEE 802.3bp (1000Base-T1), 802.3bw (100‑Base-T1), 802.3g (10Base-T1) oder 802.3ch. All diesen Standards ist gemein, dass sie sich jeweils mit nur einem Adernpaar bereitstellen lassen. Im Gegensatz zu 100/1000Base-TX und höher, die mindestens zwei Adernpaare benötigen, verfügen genannte Standards über geringere Abmessungen, leichtere und dünnere Kabel sowie Verbindungen. Im Allgemeinen sind sie zudem günstiger herzustellen und zu verlegen. Speziell existierende SPE-Stecker lösen zudem diverse Nachteile der RJ45-Steckverbindungen wie:

• Unzuverlässige Verriegelung
• Schlechter Schutz gegen Feuchtigkeit
• Schlechter Schutz gegen Dreck

Da für die Übertragung nur ein einziges Adernpaar zur Verfügung steht, müssen die Signale simultan gesendet werden, um die Übertragung von Vollduplex-Signalen zu ermöglichen. Durch die Gegenläufigkeit der Signale überlagern sich diese zwangsläufig. Durch das Wissen der eigenen gesendeten Datenströme können aber sowohl Sender, als auch Empfänger diese Überlagerungen wieder herausrechnen. Mittels Cable Sharing können an ein einziges (achtadriges) Ethernet-Kabel vier voneinander unabhängige SPE-Verbindungen hergestellt werden. Jede einzelne SPE-Verbindung benutzt wiederum nur ein Adernpaar. Somit kann bereits vorhandene, strukturierte Verkabelung u.a. als Distribution Layer genutzt werden.

Ähnlich zu Power over Ethernet (PoE) ist es auch mit SPE möglich, die für den Betrieb benötige elektrische Energie, mittels Kupferkabel bereitzustellen. Hierfür wurde der Standard IEEE 802.3bu Power over Data Line (PoDL) geschaffen. Dieser ist jedoch nicht mit PoE kompatibel und ermöglicht auch nur die Versorgung mit bis zu 50 Watt, wo hingegen IEEE 802.3bt (PoE++) bis zu 100 Watt auf Endgeräteseite einspeist.

SPE liefert also vom Formfaktor bis hin zum durchgängigen Protokoll – Ethernet – vom Sensor bis in die Cloud diverse Vorteile. Die Steckverbinder sind schmutz- und verriegelungssicher. Durch den Ethernet-Standard gibt es keine Medienbrüche mehr und eine inhärente IP-Adressierung aller Teilnehmer ist möglich. Gleichzeitig gibt es jedoch eine große Anzahl von Steckerverbindungen, welche sich in Form und Art unterscheiden. Hierzu gibt es diverse Vorschläge von verschiedenen Unternehmen, welche unter dem IEC-Standard IEC 63171 (International Electrotechnical Commission) standardisiert sind. Unabhängig hiervon sind die Anwendungsbereiche vielfältig. Von Prozessautomatisierung in der Industrie 4.0 über den Automotive-Bereich bis hin zu Robotik und Gebäudeautomatisierung hat SPE das Potential, gängige System wie CAN-Bus, FlexRay oder Profibus abzulösen, um nur einige zu nennen.