SPE: internet via twee draden
Single Pair Ethernet transporteert data over slechts twee draden. De technologie is ontwikkeld voor netwerken in de automobielsector, maar breidt zich ook uit tot de automatisering van gebouwen en de industrie. Het zou zelfs je oude telefoonlijnen nieuw leven in kunnen blazen om je snelle internetverbinding door je huis te verdelen.
Ethernet over slechts één setje draden (Single Pair Ethernet, SPE) is rond 2010 ontwikkeld voor voertuignetwerken. Elke gram telt als het gaat om de kabelbomen die het almaar toenemende aantal elektronicamodules aan boord met elkaar verbinden. Het weglaten van drie van de vier getwiste paren in netwerkkabels vermindert niet alleen het gewicht maar ook de diameter van de kabel, wat scheelt in ruimte en in de kosten voor het edelmetaal koper.
In 2015 heeft de IEEE de door Broadcom ontworpen 100Mbit/s-technologie onder de naam BroadRReach gestandaardiseerd in de Ethernet-specificatie als 802.3bw (100Base-T1). Omdat de maximale (segment)lengte van 100 meter (gebruikelijk voor Ethernet) nooit voorkomt in auto's, is 100Base-T1 gedefinieerd voor maximaal 15 meter, wat de verbinding vereenvoudigt. De lijn tussen twee poorten kan uit maximaal vijf segmenten bestaan met maximaal zes aansluitingen (connectors). De specificatie definieert een getwist paar met een impedantie van 100 Ohm als het medium, zoals dat ook in normale netwerkkabels wordt gebruikt. Afscherming is niet verplicht, maar vermindert de gevoeligheid voor externe storingen.
Andere varianten voor verschillende snelheidsniveaus en aanzienlijk grotere afstanden werden snel na elkaar ontwikkeld (zie tabel). Zo vereist 1000BaseT1 voor zijn maximale transmissieafstand van 40 meter in grotere transportmiddelen (bussen, vliegtuigen) een afgeschermde kabel. Dit omdat het met een bovengrensfrequentie van 600 MHz met veel meer bandbreedte werkt dan 100Base-T1 (66 MHz).
Naast de gebruikelijke point-to-point topologie is ook de bus-topologie uit het antieke Ethernet-tijdperk (meerdere stations op één lijn) weer tot leven gewekt, bijvoorbeeld om in de industriële automatisering meerdere sensoren via een kabel met een controller te verbinden
SPE-VARIANTEN
Analoog aan de stroomvoorziening via de achtdraads netwerkkabel (Power over Ethernet, PoE, IEEE 802.3af/ at/bt), is een tweedraads-versie ontworpen (Power over Data Lines, PoDL, IEEE 802.3bu). Deze transporteert vermogen in tien fasen van 0,5 tot 50 watt bij verschillende spanningsniveaus (12, 24, 48 volt). Zo zijn nu zes systeemtypes (A tot en met F) voor energie leverende apparatuur (Power Sourcing Equipment, PSE) en gevoede apparaten (PD) gedefinieerd op basis van vermogensklasse en elektrische kenmerken, hoewel niet elk type met elke SPE-variant werkt.
Single Pair Ethernet is niet alleen interessant voor voertuigen of industriële automatisering: 1000BaseT1 zou nuttig kunnen worden voor het doorsluizen van een rappe internetlijn over oude kabelinstallaties en afstanden tot 40 meter. Wij hebben getest hoe goed dit in de praktijk werkt (zie verderop). 100Base-T1 met PoDL zou bewakingscamera's kunnen verbinden over afstanden tot 15 meter. Voor langere afstanden tot 1000 meter is 10Base-T1L een goede keuze. De 10 Mbit/s zou bijvoorbeeld voldoende moeten zijn voor de gecomprimeerde videostream van een moderne intercom.
STEKKERSTRIJD
Single Pair Ethernet-connectors zijn slechts ongeveer half zo groot als de bekende RJ45-connectoren, deels vanwege het lagere aantal polen. Op het gebied van connected voertuigen specificeren de grote fabrikanten traditioneel hun eigen normen voor leveranciers. Omdat SPE niet langer alleen binnen dat gebied wordt gebruikt, zijn er andere ontwerpen ontstaan. Begin 2020 heeft de IEC-commissie SC 48B, na
het raadplegen van andere werkgroepen, uit zes voorstellen twee connectortypes gekozen voor de twee belangrijkste toepassingsgebieden.
Voor de automatisering van gebouwen werd een ontwerp van de fabrikant CommScope gekozen. De connector in het LC-formaat, bekend van glasvezelpatchkabels, werd tot standaard verheven in IEC 63171-1. Hij is bedoeld voor omgevingen met lage eisen qua robuustheid. Op middellange termijn zou hij daarom ook kunnen worden gebruikt als RJ45-vervanger in netwerken op kantoren of thuis.
Voor het industrieel gebruik beveelt de standaardisatiecommissie de SPE T1-connector van Harting aan, die is gestandaardiseerd als IEC 63171-6 in drie uitvoeringen: rechthoekig met vergrendeling en met ronde stekker met schroefverbinding in M8- en M12-formaat. Afhankelijk van de versie heeft de stekker geen of een hoge beschermingsgraad tegen stof en water (IP20, IP65/67).
Het besluit van SC-48B betekent echter niet dat de andere vier voorstellen, die ook als IEC-normen zijn gestandaardiseerd, van de baan zijn. Grote bedrijven stellen ook graag zelf normen op in hun fabrieken en kunnen daarbij IEC-63171 varianten -2 tot -5 voorschrijven. Overigens documenteren de fabrikanten van connectoren hun klantonvriendelijke hokjesdenken op twee zeer vergelijkbare websites: www.singlepairethernet.com en www.single-pair-ethernet.com. Servicemonteurs zullen waarschijnlijk in hun gereedschapskist een selectie van stekkeradapters voor dagelijks gebruik mee moeten zeulen.
SPE UITGEPROBEERD
We kregen de gelegenheid om Gigabit SPE te testen met twee SFP-modules (Small Form-factor Pluggable, insteekbare transceivers voor switches), geleverd door Technica Engineering. De TE-1437-adapters zijn bedoeld voor systeemontwikkelaars in de voertuigindustrie en mogen alleen in het lab worden gebruikt. De drijvende kracht is de Marvell 88Q2112 A2-chip, die geschikt is voor 100 en 1000 Mbit/s, maar hier beperkt is tot de Gigabit-datasnelheid.
De adapters werkten meteen in twee switches met SFP-slots (Netgear XS512EM en TP-Link T1500G-10PS v1.0). De fabrikant garandeert dit echter niet voor alle soorten switches (in de handleiding) en wijst op de optioneel verkrijgbare Media Gateway. Ontwikkelaars kunnen complete mediaconverters voor Gigabit Ethernet naar 1000Base-T1 krijgen van bijvoorbeeld Star Corporation en Göpel Electronic.
We verbonden de TE-1437-modules met oplopende lengtes telefoonkabel (kabeltype J-Y(ST)Y, 2 × 2 × 0,6 mm2) van ongeveer een meter lang via twee meegeleverde pigtails. Tot op 30 meter kregen we een gigabit-verbinding die de gebruikelijke TCP netto datasnelheid van 950 Mbit/s leverde volgens metingen met iperf3. De latentie (round trip time, ping) tussen de test-pc’s was gemiddeld 1,8 milliseconden via de twee switches en in totaal drie Gigabit Ethernet-verbindingen: onboard PCIe-adapter, standaard Ethernet, switch, SPE, switch, standaard Ethernet, usb-netwerkadapter. Dit was binnen de meetnauwkeurigheid dezelfde waarde als over drie normale verbindingen.
BETER ZONDER ONDERBREKINGEN
Als we daarentegen een stuk van 20 meter combineerden met een stuk van 10 meter tot een totale afstand van 30 meter, werd er geen verbinding gemaakt. De extra demping van de vijfde connector heeft waarschijnlijk de systeemreserve uitgeput. Met 30 meter haalden de TE-modules echter aanzienlijk meer dan hun specificatie garandeert (10 meter).
Op hoogwaardige afgeschermde kabels zou 1000Base-T1 ook in staat moeten zijn om tot 40 meter te overbruggen. Bij gebrek aan vraag hebben de chipfabrikanten dit echter nog niet geverifieerd en garanderen zij dit derhalve niet. Telefoonkabels in gebouwen die vergelijkbaar zijn met onze opstelling zouden ook in staat moeten zijn om Gigabit SPE te transporteren. Het gebruik van twee SPE-systemen in een vieraderige kabel kan echter mislukken: de aders zijn niet paarsgewijs afgeschermd, wat tot wederzijdse interferentie zal leiden en vaak gigabit-verbindingen in de weg zal staan.
Gigabit Ethernet over twee in plaats van acht draden verbruikt wat meer energie. De TE-1437-module verhoogde het energieverbruik van één switch met ongeveer één watt bij een Gigabit-link zonder dataverkeer. Het laboratorium-exemplaar is niet geoptimaliseerd voor energiebesparing (EEE-functie uitgeschakeld). Gewone Gigabit-Ethernet-poorten halen 0,2 tot 0,3 watt. Bij commerciële 1000Base-T1-poorten zou dit in de toekomst 0,5 watt kunnen zijn. De iets hogere energierekening weegt echter makkelijk op tegen het kunnen gebruiken van een bestaande kabel voor dit doel en geen nieuwe kabel hoeven trekken. Nu moeten alleen nog de fabrikanten van apparatuur voor kleine netwerken de SPE-niche ontdekken en mediaconverters voor dit doel aanbieden.