Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 1 2022
Андрей СЕМЕНОВ  04 апреля 2022

Однопарный Ethernet

Широкое распространение систем промышленной автоматизации и интернета вещей потребовало серьезных изменений в общепринятой концепции структурированного каблирования и привело к возникновению однопарных Ethernet-решений.

В настоящее время все более значимым сегментом информационно-телекоммуникационных систем (ИТС) предприятий и организаций становятся системы промышленной автоматизации и интернета вещей (IoT). Для передачи данных, как правило, в них используются хорошо отработанные IP-сети. Эти сети создаются в соответствии с положениями известной модели открытых систем, а их физический уровень образуется кабельными и беспроводными трактами. Поскольку радиосети весьма подвержены внешним помехам, в основной массе случаев применяются кабельные решения.

Зачем модернизировать кабельную систему для использования в сфере IoT

Главные постулаты, лежащие в основе любой СКС, определяются духом и буквой известных стандартов ISO/IEC-11801, ANSI/TIA/EIA-568 и EN50173. Они были сформулированы еще в середине 80-х гг. минувшего столетия, и за прошедшие три с лишним десятка лет стала очевидной необходимость их модернизации. Эта необходимость диктуется целым комплексом причин технико-экономического характера.

Во-первых, существующие сетевые интерфейсы функционально избыточны для скоростей, которые характерны для сферы интернета вещей. Как правило, для сетей IoT вполне достаточно скорости 10 Мбит/с, тогда как в офисных ИТС для информационного обмена на уровне терминального оборудования желательно как минимум 100 Мбит/с.

Во-вторых, для применения в сфере IoT функционально избыточна и горизонтальная часть классической СКС, которая на момент разработки и внедрения концепции выполнялась в четырехпарном варианте. Последнее было вынужденным шагом, поскольку иного способа создать универсальную среду передачи при наличии в составе ИТС сетевого оборудования различных технологий просто не существовало. За прошедшее время в компьютерных системах утвердилась единая технология Ethernet, а в последнем значимом островке «не-Ethernet»-решений – классической аналоговой и цифровой телефонии – благодаря достижениям микроэлектроники стало возможным обеспечить нужные параметры телефонной сети на единственной паре.

В-третьих, многократный рост цен на медь и нефть – основные сырьевые компоненты для производства горизонтального кабеля – резко увеличивает расходы на информационную проводку, поскольку кабель – наиболее затратная статья при создании классических СКС. Уменьшение количества пар в линейных и шнуровых кабелях с четырех до одной заметно удешевляет кабельные изделия, что по понятным причинам весьма благосклонно воспринимается заказчиками ИТС.

В-четвертых, значимое уменьшение поперечного сечения одиночного линейного кабеля в условиях роста их количества фактически позволяет внедрять в ИТС новые системы без пересмотра фирменных правил и норм на габариты и несущую способность кабельных каналов. Выигрыш по первому из этих параметров качественно демонстрирует рис. 1.
 
Рис. 1. Поперечное сечение неэкранированных горизонтальных кабелей СКС: четырехпарного (слева) и однопарного (справа)

Прототипы и основные разработки

Техника однопарного Ethernet (Single Pair Ethernet, SPE) была разработана достаточно быстро благодаря тому, что серьезный задел в этой области уже имелся. В наиболее скоростном варианте 1000Base-T1 однопарный Ethernet был получен фактически как «четвертинка» известной 10-гигабитной техники. Разработка свелась к пересмотру уровня интерфейса MDI и к отказу от схемы параллельной передачи из-за отсутствия требуемого количества цепей передачи. Двухсторонняя дуплексная связь по одной паре обеспечивается с помощью дифференциальной системы (рис. 2), впервые использованной еще в технике 1G Ethernet.
 
Рис. 2. Схема организации информационного обмена между сетевыми интерфейсами SPE

Микроэлектронная элементная база специально для IoT-применений не разрабатывалась. В соответствующих контроллерах используются микросхемы, которые были созданы для автомобильных бортовых информационных систем и хорошо подходят к новой области применения.

Аналогичным образом прототипом линейных и шнуровых кабелей послужила техника категории 6а со 100-омным волновым сопротивлением и верхней граничной частотой рабочего диапазона 600 МГц. Необходимость использовать именно такие решения диктуется широкополосностью линейного сигнала, которая, в свою очередь, обусловлена невозможностью применять в интерфейсах SPE схему параллельной передачи. Изначально предусматривались как экранированные, так и неэкранированные конструкции.

Единственной серьезной разработкой в сфере однопарного Ethernet явился разъемный соединитель. Он реализован по традиционной для электропроводной техники двухкомпонентной несимметричной схеме (вилка и розетка) и представлен двумя элементами с различным форм-фактором.

Первый из них, известный как «коннектор LC-стиля», ориентирован на офисные применения и был создан американской компанией CommScope. Соединитель выполнен в корпусе вилки оптического разъема LC и нормирован международным стандартом IEC 63171-1. При подключении правильная ориентация вилки в гнезде задается с помощью несимметричного относительно продольной оси расположения контактов и рычажной защелки.

Серьезный недостаток LC-разъема, который заключается в высоком риске повреждения рычага защелки, в оптических системах устраняется реверсным исполнением этого компонента. В известных электрических вилках данная возможность пока не используется.

Разъем промышленного типа был создан немецкой компанией Harting и описан в стандарте IEC 63171-6. В наиболее защищенной форме он соответствует классу IP67.

Еще одна разработка – система дистанционного питания Power over Data Line (PoDL), которая решает задачу развязки приемопередатчика сетевого интерфейса от источника питания. Эта технология нормируется спецификацией IEEE 802.3bu. Включение зажимов источника в диагональ уравновешенного моста через средние точки линейных трансформаторов, применяемое в традиционных системах РоЕ, в данном случае невозможно. Поэтому используется дроссельная развязка с обычным параллельным подключением источника к витой паре на выходе трансформатора гальванической развязки (рис. 3).
 
Рис. 3. Схема взаимодействия приемопередатчика SPE и источника дистанционного питания PoDL

Возможность применения PoDL в сетях промышленной автоматизации обеспечивается за счет использования источников с напряжением 12, 24 и 48 В и введения 16 различных классов питания, соответствующих нагрузкам с мощностью потребления от 0,5 до 52 Вт.

Достоинства однопарного Ethernet

Сильная сторона однопарного Ethernet – возможность его массового использования, обусловленная следующими факторами:
  • стандартизованы различные скорости (начиная с 2015 г. стандартизованы скорости 10 Мбит/с – 10Base-T1L, или IEEE 802.3cg; 100 Мбит/с – 100Base-T1, или IEEE802.3 bw; 1 Гбит/с, 1000Base-T1, или IEEE 802.3bp; в перспективе предполагается увеличить скорость до 10 Гбит/с в соответствии со спецификациями группы IEEE 802.3ch);
  • при необходимости протяженность устойчиво функционирующего тракта можно увеличить вплоть до 1 км (на скорости 10 Мбит/с), поскольку данное сочетание скорости и дальности связи вполне соответствует аппаратуре ИКМ-120;
  • максимальное допустимое количество соединителей в составе многоконнекторных трактов достигает десяти (в горизонтальной подсистеме классической СКС количество соединителей ограничено четырьмя);
  • традиционная звездообразная топология может быть дополнена шинными структурами «точка – многоточка» в максимальной конфигурации 1 × 8 (рис. 4).
Рис. 4. Варианты подключения терминального оборудования к коммутатору SPE: слева традиционная, справа – по схеме шины или multidrop-структура

Два последних свойства востребованы в первую очередь в промышленных ИТС, где SPE рассматривается как замена многочисленным полевым шинам. Внедрение однопарного Ethernet выгодно также тем, что заметно облегчает практическую реализацию концепции прозрачного предприятия, поскольку исключает из цепей передачи сигналов конвертор интерфейсов, обеспечивая работу в едином формате кадров Ethernet. 

В офисных ИТС применение оборудования SPE имеет наибольшие перспективы при создании так называемого цифрового потолка.

Еще одно преимущество техники однопарного Ethernet – возможность дистанционного питания терминального оборудования на основе стандартизованной технологии PoDL. Некоторое снижение максимальной мощности нагрузки (не более 50 Вт) по сравнению с РоЕ, связанное с уменьшением количества пар и невозможностью организации фантомных связей, не имеет существенного значения. Дело в том, что мощность потребления оконечных устройств, как правило, незначительна и в большинстве случаев не превышает 10 Вт. 

Главный недостаток техники однопарного Ethernet заключается в относительно небольшой (15–40 м) предельной дальности связи на высоких скоростях, которая обусловлена высокими тактовыми частотами линейного сигнала из-за невозможности применения схем параллельной передачи. Однако при условии правильного выполнения проекта и использовании сетевых интерфейсов по своему прямому назначению – для поддержки функционирования того низкоскоростного терминального оборудования, которое непосредственно не взаимодействует с пользователем, – этот недостаток не проявляется.

Однопарный Ethernet как дополнение к классическому

Привлекательность однопарного Ethernet в глазах массового потребителя заметно возрастает в свете того факта, что эта технология не вступает в прямую конкуренцию с классическими решениями. Скорее, ее следует рассматривать как дополнение к существующим системам и как средство расширения области применения компьютерной техники в ИТС различных объектов промышленного и гражданского строительства.

В обычных офисах техника SPE в настоящее время может использоваться для подключения различного терминального оборудования цифрового потолка. В его обширный перечень в перспективе могут войти даже требовательные к быстродействию канала связи точки радиодоступа Wi-Fi. В производственных системах SPE может объединять в сетевую структуру различные контроллеры промышленной автоматизации.

При этом для цифрового потолка наибольшее значение имеют малый диаметр, высокая гибкость и хорошие массогабаритные показатели линейных кабелей, а также возможность построения шинных структур. Для промышленных систем в первую очередь важна высокая гарантированная дальность связи.

Вне зависимости от области применения привлекательность массового использования техники SPE усиливается возможностью организации дистанционного питания PoDL. Вместе с тем полного вытеснения традиционного Ethernet из области цифрового потолка не предвидится, поскольку потребляемая мощность светодиодных осветительных панелей достигает 90 Вт, что существенно превышает возможности технологии PoDL.

Физическая несовместимость интерфейсных разъемов легко устраняется с помощью моста, который может выполняться как самостоятельное устройство или же встраиваться как функциональный модуль в коммутатор нижнего уровня.

Не исключено, что описанная ситуация в среднесрочной перспективе может измениться. Сегодняшнее положение дел в немалой степени обусловлено молодостью самого технического направления и тем, что производители активного сетевого оборудования пока не комплектуют свою продукцию сетевыми интерфейсами SPE.

* * *

Однопарный Ethernet следует рассматривать как перспективную технологию, использование которой позволяет ускорить внедрение решений интернета вещей на существующих и вновь возводимых объектах промышленного и гражданского строительства различного назначения. Уже сегодня ее технические параметры и уровень стандартизации достаточны для реализации проектов. Фокусная область применения однопарного Ethernet – оборудование цифрового потолка современных офисных зданий класса «умный дом», а также системы промышленной автоматизации.

Оборудование и проводка SPE за счет использования при их производстве имеющегося технического задела должны отличаться привлекательной стоимостью. Однако отсутствие массового предложения оборудования с соответствующими сетевыми интерфейсами пока сдерживает внедрение техники однопарного Ethernet.

Андрей Семенов, профессор, МТУСИ
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!