Der Begriff Single Pair Ethernet und die dahinterstehende Übertragung über nur noch ein Paar symmetrischer Kupferadern sind mittlerweile fast überall bekannt. Doch was steckt dahinter? Wo sind die Anwendungsgebiete von SPE, und welche Vorteile bietet diese Technik gegenüber Glasfaser und Wireless? Welche Rolle spielt die vieldiskutierte Rückwärtskompatibilität?

Single Pair Ethernet (SPE) als Übertragungsprotokoll ist heute bereits weitestgehend standardisiert. Dazu sind unter der Ethernet-Spezifikation IEEE 802.3 diverse Protokolle mit unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten und unterschiedlichen Reichweiten verabschiedet. Im Gegensatz zu Fast Ethernet (100 MBit/s) oder Gigabit Ethernet (1 GBit/s) über 2- oder 4-paarige Kupferverkabelungen, die sich auch immer auf 100 Meter Übertragung konzentriert haben, hat SPE mit dem Mix aus Bitrate und Übertragungslänge zu kämpfen. Keines der heute schon veröffentlichten oder noch in Entwicklung befindlichen SPE-Protokolle bezieht sich auf 100 Meter. Grund dafür ist die Herkunft aus der Fahrzeugtechnik. Dort sind Längen bis 100 Meter nicht notwendig. Daher sind die passenden Protokolle für die „klassischen“ Distanzen erst noch zu definieren.

Auf den ersten Blick erscheinen die zahlreichen verschiedenen Distanzen vorteilhaft für die Anwender. Jeder Anwendungsfall erhält seine SPE-Lösung. Kritisch wird diese Situation jedoch in zwei wichtigen Punkten. Erstens: Mit Restriktionen bei der Übertragungslänge wird der Einsatz von SPE komplizierter als bisher. Die strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC 11801 hat für die Kupferverkabelung auf der Basis von 100-Ohm-Twisted-Pair-Kabeln (zumindest im Tertiärbereich) ein Normativ geschaffen: 100 Meter! Dies gibt es bei SPE (noch) nicht. Daher muss jeder Anwender „sein“ SPE anwendungsbezogen implementieren. Er muss also – ausgehend von dem eingesetzten SPE-Protokoll – Übertragungslänge, Kabeltyp/Kategorie und die Anzahl der möglichen Steckverbindungen ermitteln und für seine Lösung entsprechend adaptieren. Normativ ist dies bei Industrieverkabelung bereits weitgehend gelöst und findet sich im Amendment zur ISO/IEC 11801-3 wieder.

Zweitens: Hersteller von PHYs (Physical Layer) und Chipsätzen für SPE wollen sehr genau wissen, wohin sie investieren, bevor sie in die Entwicklung gehen. Sie benötigen für ihre Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen verlässliche Voraussagen über Anzahl und technische Spezifikation von SPE-Ports, die später auch auf dem Markt verkaufbar sind. Das momentane Bild ist recht unübersichtlich und somit eher kontraproduktiv für die Entwicklung und rasche Verfügbarkeit bezahlbarer SPE-Elektronik.

Die Forderung nach SPE kam zuerst von der Autoindustrie. Sie war auf der Suche nach einer Technik, die es ihr erlaubt, die Anforderungen an moderne Fahrzeuge in puncto Fahrzeugsteuerung/Bedienung, Sicherheit, Multimedia im Fahrzeug bis hin zu Möglichkeiten des autonomen Fahrens bei gleichzeitiger Reduzierung des Verkabelungsaufwands zu erfüllen. SPE ist die ideale Technik dafür.

Die Industrie (Produktion, Automatisierung) mit ihren Forderungen nach Integrated Industry – also der Einbindung der Feldebene (Sensor-/Aktornetzwerke) bis hinunter zum Werkzeug und Werkstück in die automatisierte Produktion – hat ein ähnliches Problem wie die Autoindustrie. Sie benötigt eine Netzwerkphilosophie, die durchgängig einzusetzen und gleichzeitig zukunftssicher ist. Also weg von proprietären Lösungen hin zu IT-Lösungen – allerdings mit Verfügbarkeits- und Sicherheitsstandards wie in der Industrie üblich. Auch hier ist SPE die geeignete Technik.

Erst viel später kamen weitere potenzielle Anwendungen für SPE hinzu. Dies betrifft gerade auch die Gebäudeinstallation mit Anwendungsfeldern wie der Gebäudeautomatisierung, intelligente Lichtversorgungsanlagen und Lichtsteuerungen und auch die Erweiterung der strukturierten Verkabelung im Büro- und RZ-Umfeld.

Alle drei großen Anwendungsfelder für SPE haben ihre Berechtigung. Allerdings sind nur das Auto und die Industrie auf einen Technikwandel mittels SPE wirklich angewiesen, um ihre kurz- und mittelfristigen Ziele zu erreichen. Die Gebäudeinstallation wird ebenfalls von SPE profitieren. Der notwendige Umbau in Verkabelungsstruktur und neue Gerätetechnik ist jedoch ungleich größer als in den beiden erstgenannten Anwendungsfeldern. Dementsprechend wird die Einführung von SPE im Auto am schnellsten geschehen, gefolgt von der Industrie und je nach wirtschaftlichem Geschick auch von der Gebäudeinstallation. Einzelne Gewerke wie zum Beispiel Aufzugstechnik und Rolltreppen können mit SPE vorauseilen. Diese sind allerdings eher unter Aspekten der Industrieanwendungen zu sehen, als in der Gebäudeinstallation, in der sie sich später etwa im Gebäude-Management wiederfinden.

SPE – neue Verkabelung oder bestehende Strukturen nutzen?

SPE bietet zahlreiche Vorteile:

  • Durchgängige TCP/IP Kommunikation als Alternative zu proprietären Bus- oder Strom-Interfaces,
  • hohe Sicherheit und 100 Prozent Verfügbarkeit,
  • immense Reichweite von einigen Metern bis zu mehr als 1.000 Meter,
  • geringer Platzbedarf für Kabel und Verteiler,
  • einfache Installation,
  • die gleichzeitige Stromversorgung für Endgeräte und Sensoren mit Power over Data Line (PoDL),
  • Akkus und Batterien lassen sich einsparen, was umwelttechnisch ein wichtiger Schritt ist, und
  • es senkt Kosten bei gleichzeitiger Steigerung der Betriebssicherheit.

Somit ist SPE eine Technik, die die Restriktionen kabelgebundener Kommunikation weitgehend aufhebt und die Nachteile des Kabels gegenüber anderen Techniken wie Wireless wettmacht, stets bezogen auf die hier betrachteten Anwendungsfelder. Kurz gesagt: SPE rückt die Vorteile von Kupfer gegenüber Glasfaser als Übertragungsmedium in ein neues Licht, und auch die Wireless-Kommunikation bekommt damit nochmals Konkurrenz.

Rückwärtskompatibilität

Was bedeutet dies jetzt jedoch für die Nutzung bereits installierter Verkabelungen? Oder anders gefragt: Wie sieht es mit der Rückwärtskompatibilität aus? Um das Ergebnis dieser Überlegungen gleich vorweg zu nehmen: SPE ist keine Ablösetechnik für bestehende mehrpaarige Kupferverkabelungen, und somit ist die Frage nach der Rückwärtskompatibilität fast unnötig. Bei SPE im Auto ist die Verkabelung in Zukunft vollständig auf die neue Technik abgestimmt. Da im Auto die Verkabelung bereits sei Langen nicht mehr nur bedarfsorientiert durchgeführt wird, sondern Kabel schon zu möglichen späteren Verbrauchern wie Anhängerkupplung oder Alarmanlage gelegt werden, gelten die Vorteile einer Vorverkabelung dort schon heute. Dies entspricht dem Kern der strukturierten Verkabelung. SPE als universelle Ethernet-Technik im Verbund mit Fernspeisung unterstützt diese Philosophie optimal. Eine Rückwärtskompatibilität zu einer einmal installierten Infrastruktur ist in diesem Umfeld also nicht notwendig.

Das Prinzip Multidrop. Bild: Harting

Ein Sonderfall sei hier noch erwähnt: SPE Multidrop oder anders formuliert Linienstruktur mit PLCA – Physical Layer Collision Avoidance oder früher CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection. Da es im Auto immer wieder zur Konzentration von Funktionen in einzelnen Bereichen oder Bauteilen wie Tür, Sitz, Armaturenbrett oder anderem kommt, behält sich die Autoindustrie den Einsatz dieser eigentlich veralteten Technik vor.

Der Gedanke ist einfach. Will man an einem Ort, beispielsweise an der Fahrertür, viele Dienste mit SPE versorgen (Türschließung, Spiegeleinstellung, Fensterheber, Lautsprecher etc.), könnte man anstelle von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auch eine Linientopologie realisieren, also das SPE-Signal von Verbraucher zu Verbraucher durchschleifen. Der Vorteil wäre die Einsparung von SPE-Ports. Der Nachteil: Jeder Verbraucher benötigt eine Kabelzuführung (Eingang) und eine Kabelweiterleitung (Ausgang). Hinzu kommt noch das unsichere Netzwerkverhalten, weshalb CSMA/CD in den 1990er-Jahren durch die Switching-Technik ersetzt wurde, und die noch weitgehend ungelöste Frage der Fernspeisung durch PoDL.

SPE in der Industrie verfolgt primär das Ziel, die Feldebene – also das Sensor-/Aktor-Netzwerk – barrierefrei mit dem darüber liegenden Automatisierungsnetzwerk zu verbinden. Dies forciert die Eliminierung proprietärer Bussysteme und anderer analoger Interfaces, etwa einer 20mA-Stromschleife. Damit ist ein einheitlicher Betrieb auf Basis des TCP/IP-Protokolls mit Ethernet möglich, also Parametrierung, Initialisierung und Programmierung. Betrieb und Wartung/Fehlersuche großer und im Allgemeinen heterogener Netzwerkstrukturen werden nachhaltig vereinfacht. Die Feldebene ist mit SPE so einfach zu betreiben und zu verwalten wie IT-Netze mittels SNMP. Für dieses Szenario muss man davon ausgehen, dass die dazu notwendige SPE-Netzwerkinfrastruktur neu gebaut wird.

Eine Rückwärtskompatibilität ist somit nicht erforderlich und nicht weiter zu betrachten – mit einer Ausnahme: der Anbindung weit entfernt gelegener Automatisierungsinseln für die Prozessautomatisierung etwa in Projekten der Öl- und Gasindustrie. Dort liegen oft sehr dicke Kupferkabel (zweiadrige Bus-Kabel in AWG18 oder AWG16) über Strecken von 1.000 Meter oder mehr. Diese „teuren“ Trassen will man auch nach der Umstellung auf SPE weiterverwenden.

Deshalb sieht der SPE-Standard nach IEEE802.3cg (10 MBit/s über 1.000 Meter) diese Möglichkeit explizit vor und ist vom festen Wert des Kabel-Wellenwiderstands (100 Ohm) auf die Spezifikation des Schleifenwiderstandes übergegangen. In diesem Fall wurde also ein Kompromiss zur Realisierung von Rückwärtskompatibilität gefunden.

Gebäudeinstallation mit SPE

Bei der Gebäudeinstallation lässt sich SPE an verschiedenen Stellen vorteilhaft einsetzen. Zunächst denken die Experten natürlich an Szenarien zur Nutzung oder Erweiterung der bestehenden strukturierten Verkabelung nach ISO/IEC 11801 Ed.3. Der Kampf der Medien im Kabelbereich zwischen Glasfaser und Kupfer ist seit Längerem entschieden. Während Kupfer für alle Strecken bis 100 Meter und speziell zum Anschluss von Endgeräten zum Einsatz kommt und sich Glasfaser für die größeren Entfernungen zwischen Etagen und Gebäuden etabliert hat, tobt der Kampf zwischen Kabel und Wireless immer noch. Mit der Verfügbarkeit von SPE könnten sich die Kräfteverhältnisse nochmals verschieben. SPE bringt vier wesentliche Vorteile gegenüber der Wireless-Technik mit: Netzverfügbarkeit, Übertragungssicherheit, Fernspeisung von Geräten und Sensoren (PoDL) und geringere Kosten.

Aber auch diese Vorteile werden kaum bei bereits installierten Anlagen zum Tragen kommen. Eventuell bei Erweiterungen, um die bestehende Infrastruktur intensiver zu nutzen (mehr Bandbreite oder mehr Geräte an einem Kabel). Oder aber um bestehende Verkabelungen auszubauen oder zu erweitern, falls ein Betreiber von einem bereits installierten Verteilpunkt in der Decke (Consolidation Point, CP) zusätzliche Endgeräte oder auch Wireless Access Points anschließen will.

Im ersten Fall müsste er bereits installierte 4P-Verkabelungen mittels Cable Sharing auf vier SPE-Kanäle umrüsten. Den Sinn eines solchen Unterfangens kann man jedoch in Frage stellen. Meist sind heute bereits leistungsfähige PiMF-Kabel der Kategorie 7 (600 MHz), 7A (1.000 MHz) oder besser verlegt. Diese Kabel können leicht 10 GBit/s übertragen.

Darauf gelegte vier SPE-Kanäle mit maximal 1 GBit/s lieferten nur 4 GBit/s und momentan auch nur bis maximal 40 Meter – also jeweils nur 40 Prozent in Geschwindigkeit und Reichweite. Das Ganze wäre nur sinnvoll, wenn man die Anzahl separat betriebener Endgeräte von eins auf vier erhöhen wollte. Auch dann gilt wieder: Wer braucht das? Diese etwas provokante Frage nach dem Nutzen soll nicht falsch verstanden werden. Natürlich wird es Einzelfälle geben, bei denen der Nutzer mit solchen Szenarien zum Beispiel ein Kapazitätsproblem lösen kann. Aber dies werden wahrscheinlich Einzelfälle bleiben, die dann auch individuell zu lösen sind, nicht aber eine breite internationale Normung anstoßen.

Zusätzlich existiert noch ein ganz praktisches Problem. Wie bekommt ein Betreiber vier SPE-Dienste am Anfang des Übertragungswegs eingekoppelt (das ist meist das Patch-Feld) und wie am Ende des Übertragungsweges wieder ausgekoppelt (das ist im Allgemeinen die Anschlussdose). Und dann auch noch so, dass der richtige SPE-Kanal dem gewünschten Teilnehmer (Endgerät) auch korrekt zugeordnet ist? Als Verbindungstechnik ist zu mehr als 90 Prozent der RJ45-Stecker im Einsatz. Dieser Verbinder verhindert schon durch seine Konstruktion die gleichzeitige Übertragung von vier SPE-Kanälen. Zwei Kanäle (maximal drei) wären möglich. Wie sollten zwei oder sogar drei SPE-Kabel in einen RJ45-Stecker geführt werden?

Wenn überhaupt, ergeben diese Überlegungen nur in Verbindung mit bereits installierten Kanälen nach Übertragungsklasse FA mit dem Steckgesicht nach IEC 61076-3-104 (Tera) Sinn. Aufgrund des Kammersystems bei diesem Steckgesicht ließen sich alle vier SPE-Kanäle gleichzeitig nutzen. Außerdem bietet das Tera-System 1P-Stecker, die sich einzeln in die Buchse stecken lassen. Farblich gekennzeichnet oder eindeutig beschriftet, ließe sich auch das Problem der Zuordnung der SPE-Kanäle halbwegs lösen.

Steckverbinderkonzepte mit einem Vier-Kammersystem zur Implementierung von SPE in eine 4P-Verkabelung. Bild: Harting

Sinnvoller erscheint es, den Ansatz der Erweiterung bestehender strukturierter Verkabelungen im Gebäude zu verfolgen. Um dem Aufwand der Qualifizierung bestehender Verkabelungskanäle, die mit SPE arbeiten sollen, aus dem Weg zu gehen (Bandbreite/Kategorie, NEXT – dies wird bei SPE-Kanälen in einem 4P-System zu ANEXT und Länge), kann man die Verkabelungsanlage gewissermaßen „neu konfigurieren“. Durch Einsatz eines aktiven Verteilers (Nutzung eines bestehenden CPs oder zusätzlicher Einbau eines Verteilers), der einen SPE-Switch aufnimmt, wird die Verkabelung strikt segmentiert in den „alten“ 4P-Bereich, der den SPE-Switch ansteuert, und den „neuen“ 1P-Bereich, der dann das SPE-Netzwerk bedient.

Ein weiterer Anwendungsfall für SPE im Gebäude sind Rechenzentren. Dort geht es allerdings nicht um die klassische Datenübertragung, sondern eher um die Versorgung dezentral verteilter Ressourcen, wie bei Edge-Datacentern und Diensten, die zum effektiven und sicheren Betrieb eines RZs immer wichtiger werden. Beispiele dafür sind Türsteuerungen, Klimaüberwachung oder Rückmeldungen zum Status von Kundenmodulen in einem Rack.

Somit geht es auch dort eher um Steuerungs- und Überwachungsfunktionen als um die klassische Datenübertragung innerhalb eines IT-Netzes. Damit lässt sich auch der Anwendungsfall RZ sehr gut mit dem Anwendungsfall Gebäudeautomatisierung vergleichen.

Die Frage der Rückwärtskompatibilität von SPE zu bestehenden Netzen in der Gebäudeautomatisierung lässt sich nur sehr schwer beantworten. Heute trifft man dort auf unterschiedlichste Geräte, Protokolle, Kabel, Verbinder und Strukturen. Oft sind sie nur innerhalb einer Familie, etwa KNX oder EchoNet, tatsächlich kompatibel. Damit ist auch in diesem Anwendungsfeld die Frage nach Rückwärtskompatibilität nur bedingt sinnvoll. Anders als bei der strukturierten Verkabelung gibt es in diesem Umfeld eine große Zahl unterschiedlicher Komponenten, die man alle separat betrachten müsste, um überhaupt eine Aussage zur Kompatibilität zu SPE zu erhalten.

Zwei Gemeinsamkeiten zu den anderen Anwendungsfeldern lassen sich jedoch erkennen. Zum einen sind auch in der Gebäudeautomatisierung lange Kabelstrecken über mehrere 100 Meter etwa für die Steuerung von Klimaanlagen in Hotels verbaut, die ein Betreiber später gegebenenfalls auch mit SPE weiterbetreiben will. Und zum anderen funktionieren große Teile der Gebäudeautomatisierung nur im Zusammenspiel mit einem Sensor/Aktor-Netzwerk, zum Beispiel zur Messung und Steuerung von Temperatur, Sonnenlicht und Windgeschwindigkeit für die Steuerung von Jalousien im Außenbereich.

In diesen Punkten gleichen sich Kompatibilitätsanforderungen bezüglich SPE von Industrienetzwerken und Netzwerken für die Gebäudeautomatisierung. Dies ist also weniger ein Argument zur Rückwärtskompatibilität, aber durchaus ein Indiz für mögliche Synergien bei der Entwicklung von SPE-Geräten, Netzwerkkomponenten und Sensoren.

Intelligente Beleuchtung

Bliebe noch das Anwendungsfeld Beleuchtung und intelligente Lichtsteuerung. Bei diesen Anwendungsfeldern für SPE müssen Betreiber von neu zu installierenden Verkabelungsstrukturen ausgehen. Man kann zwar eine begrenzte Anzahl von LED-Leuchten über die bereits vorhandene strukturierte Verkabelung in der Decke versorgen. Aber diese Zahl ist endlich – sowohl, was die Kabel selbst betrifft, denn ungenutzte Datenkabel liegen nicht in Massen in den Decken von Bürogebäuden, als auch in puncto möglicher Leistungsversorgung mittels PoDL. Dort sind dann ähnlich wie bei der Gebäudeautomatisierung neue Konzepte gefragt, die alle notwendigen Anforderungen wie Lichtausbeute/Leistung, örtliche Verteilung, Lichtsteuerung und eventuell Lifi (also die Nutzung von LEDs als lokal begrenzter Hotspot im Gebäude) einbeziehen. Daraufhin ist eine optimierte Verkabelungsanlage zu konzipieren. Inwieweit diese Verkabelung sich dann auch der klassischen strukturierten Verkabelung bedient, bleibt abzuwarten. Neben der Funktionalität werden die Kosten eine entscheidende Rolle spielen. Dann ist eher ein abgegrenztes Szenario wie im Auto mit eigenen Kabeln und Verbindern zu erwarten.

Fazit

SPE mit Rückwärtskompatibilität zu bestehenden Verkabelungen hat kaum Praxisrelevanz. Die Technik erobert vielmehr neue Anwendungsfelder, die dann mit TCP/IP-basierender Datenkommunikation bedient werden und eigene Kabel und Verbinder mitbringen. Die installierte Basis, die für SPE-Anwendungen interessant sein könnte (strukturierte Verkabelung) ist belegt. Eine Ablösung der jetzigen Nutzung durch SPE ist eher unwahrscheinlich und auch nur mit extrem hohem Aufwand bei der Qualifizierung der bereits installierten 4P-Verkabelung zu realisieren.

Normativ ist das Thema Rückwärtskompatibilität noch wenig beleuchtet. Hinweise findet man aber zum Beispiel in ISO/IEC 11801 TR9906 (TR = Technical Report, TRs sind informativ) und im Amendment zur ISO/IEC 11801-3 (Industrial Premises). Bei Neuinstallationen, gleichgültig in welchem Anwendungsbereich, kommt es auf intelligente Konzepte an. Gerade bei der strukturierten Gebäudeverkabelung ergibt sich mit SPE eine große Zahl neuer Möglichkeiten, Verkabelungsstrukturen sehr effizient zu erweitern, um mehr Geräte mit weniger Verkabelungsaufwand zu vernetzen.

Rainer Schmidt ist im Business Development Management bei Harting tätig, www.harting.com. Er ist Chairman des ISO/IEC JTC 1/SC 25, Editor der ISO/IEC 11801-3 (Industrial Premises) und arbeitet unter anderem in der internationalen Standardisierung mit Schwerpunkt Industrieverkabelung, etwa in IEC SC65C/JWG10 (Industrial Networks) und TIA TR-42 (Telecommunication Cabling Systems).