10-мегабитный стандарт для однопарного Ethernet

Традиционный «медный» Ethernet с неэкранированными и экранированными кабелями с витыми парами — UTP, ScTP или Sc/FTP — составляет основу локальных вычислительных сетей. А благодаря технологии Power over Ethernet (PoE) с его помощью можно достаточно просто обеспечить питанием видеокамеры, точки доступа беспроводных сетей и другие подобные устройств.

Благодаря широкому использованию Ethernet появилась возможность создавать на основе единого протокола конвергентные решения для передачи данных, подключения комплексов безопасности, соединения систем автоматизации зданий и производственных процессов. Совершенствование технологических решений, микропроцессоров и элементной базы привело к появлению комплексов автоматизации нового типа, что, в свою очередь, потребовало модернизации используемой кабельной инфраструктуры и стало стимулом для дальнейшего развития коммуникационной технологии Ethernet.

Так, в современных автомобилях широко применяются системы микропроцессорного управления компонентами, а также развлекательные комплексы с высоко-качественным видео и звуковым сопровождением. В новейших поездах бортовые электронные устройства и различные варианты аудио- и видеоразвлечений объединяются в системы, в которых используются километры кабелей.

Транспортные приложения оказали значительное влияние на появление новой разновидности Ethernet с одной витой парой. Она открывает путь к стандартизации инфраструктуры передачи данных для промышленных приложений и отказу от используемых ранее протоколов промышленных полевых шин.

Разработанные институтом инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) протоколы Ethernet для передачи данных по однопарному кабелю UTP или STP (100Base-T1 и 1000Base-T1) рассчитаны на межмашинные коммуникации, автомобильную автоматизацию и промышленные приложения.

Стандарт 802.3bp 1000Base-T1 регламентирует передачу трафика Ethernet по сбалансированной витой паре со скоростью 1 Гбит/с на расстояние от 15 до 40 м. Стандарт 802.3bw 100Base-T1 описывает передачу данных по сбалансированной витой паре с быстродействием 100 Мбит/с на расстояние до 15 м.

Системы на основе «однопарных» стандартов позволяют, помимо прочего, уменьшить вес пассивного сетевого оборудования на транспортных объектах и, соответственно, снизить их энергозатраты и воздействие на окружающую среду. По данным компании Harting, вес однопарного кабеля, предназначенного для передачи данных со скоростью 1 Гбит/с, почти на 30% меньше по сравнению с традиционными четырехпарными кабельными структурами.

Однопарный Ethernet соответствует также тенденции миниатюризации, что не менее важно в настоящее время, поскольку во всех отраслях промышленности оборудование становится все более компактным. Как известно, ранее требовались две витые пары для 100-мегабитных коммуникаций Fast Ethernet и четыре для Gigabit Ethernet.

ОДНОПАРНЫЙ ETHERNET ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Растущий интерес ко всем видам промышленной автоматизации, которая в соответствии с современными подходами предполагает, как правило, объединение в сети объектов, наделенных определенным интеллектом, стимулирует создание кабельных систем нового поколения.

Немалую роль играет применение технологии Интернета вещей в промышленности. Для многих она ассоциируется исключительно с мобильными коммуникациями. В значительной степени это происходит под влиянием многочисленных конференций, публикаций и обсуждений, организованных операторами связи, заинтересованными в использовании своей инфраструктуры для развертывания IoT.

Действительно, мобильные технологии весьма перспективны для приложений автоматизации, особенно если объекты распределены по значительной площади. Тем не менее среда и средства передачи данных не являются определяющими компонентами решений для Интернета вещей.

Принципиальное отличие систем IoT от традиционных комплексов автоматизации заключается в способности систем, развернутых на базе Интернета вещей, предоставлять и обрабатывать значительные объемы данных, формировать на этой основе сведения для принятия управленческих решений и приложений предиктивной аналитики.

Все это оказывается возможным благодаря двум основным факторам. Во-первых, появились недорогие миниатюрные датчики и исполнительные устройства, которые снабжены сетевыми интерфейсами, обладающими необходимой для систем IoT функциональностью. Во-вторых, для систем автоматизации сегодня доступны высокопроизводительные вычислительные ресурсы, которые размещаются в граничных мини-ЦОД, центральных центрах обработки данных и вычислительных облаках.

По оценкам аналитиков, к 2025 году инвестиции в Интернет вещей достигнут 6,2 трлн долларов, из них 2,3 трлн долларов будет потрачено на промышленную автоматизацию. В результате обработки данных комплексами IoT ожидается снижение временных и операционных затрат, в том числе за счет повышения надежности и предиктивного технического обслуживания оборудования.

Ведущие компании, работающие в области промышленной автоматизации, рассматривают системы на базе IoT в качестве эволюционного развития разработанных ранее технологий, продуктов и решений. Для многих поддерживаемых ими приложений нужны традиционные проводные коммуникации. И здесь на помощь приходит универсальная коммуникационная технология Ethernet, новая реинкарнация которой учитывает специфику комплексов IoT.

Для коммуникации таким системам требуются сети передачи данных с небольшой пропускной способностью, так как подключенные к ним оконечные устройства формируют короткие (по несколько байтов данных) сообщения, которых к тому же немного, — они передаются по запросам контроллеров или инициируются внешними событиями.

Однако в инфраструктуре Ethernet для систем IoT необходимо устранить определенные ограничения, свойственные традиционным структурированным кабельным системам. К ним относится недостаточное для ряда приложений автоматизации расстояние, на которое передаются данные: в стандартных СКС этот показатель не превышает 100 м.

В комплексах управления коммерческими зданиями и физической безопасностью, к примеру, применяются решения, в которых протяженность соединений больше 100 м. В сетях промышленной автоматизации длина каналов связи может достигать 1 км, что тоже не поддерживается действующими стандартами Ethernet. Вместе с тем для питания оконечных устройств зачастую достаточно подачи по коммуникационным кабелям небольшой мощности.

Все эти требования учитываются разработчиками нового «однопарного» стандарта Ethernet, рассчитанного на приложения автоматизации и системы на базе Интернета вещей.

СТАНДАРТ 10BASE-T1

В институте IEEE комитетом 802.3 сформирована рабочая группа 802.3cg Single Pair Ethernet для стандартизации коммуникаций на основе одной витой пары с дальностью передачи свыше 100 м, а при подготовке учитываются требования к сети со стороны решений автоматизации на базе Интернета вещей.

Предполагаемое название нового стандарта, который, как ожидают в рабочей группе 802.3cg, должен быть утвержден в июне 2019 года, — 10Base-T1. Разрабатываемые спецификации рассчитаны на передачу данных на небольшие (short-reach) и значительные (long-reach) расстояния.

10Base-T1S будет специфицировать тракт передачи данных до 15 м с четырьмя соединителями и диапазоном рабочих частот от 0,3 до 200 МГц, а 10Base-T1L — дальность до 1000 м, до 10 соединителей в тракте, частоты от 0,1 до 20 МГц.

Новый стандарт ориентирован на кабельные системы для коммерческого применения (в том числе для использования в автомобилестроении), а также на комплексы промышленной автоматизации, с помощью которых многочисленные датчики объединяются с исполнительными устройствами, передающими незначительные объемы данных.

На оконечные устройства, которые подключены к однопарной кабельной инфраструктуре, электропитание, как правило, требуется подавать дистанционно. Для этого разработчики намерены обеспечить соответствие 10Base-T1 требованиям спецификаций стандарта IEEE 802.3bu (Power over Data Lines, PoDL) — как для соединений точка-точка, так и для транкинговых схем подачи питания (Powered Trunk).

Со временем стандарт IEEE 802.3cg 10 Mb/s Single Twisted-Pair может стать реальной альтернативой наиболее популярным полевым шинам, применяемым в различных системах автоматизации (рис. 1).

Рис. 1. Производительность и дальность передачи данных для полевых шин Источник: IEEE 802.3 CFI_01_0716.pdf

СТАНДАРТИЗАЦИЯ КАБЕЛЬНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

Группы стандартизации кабельных систем Американского национального института стандартов (American National Standards Institute, ANSI) и Ассоциации телекоммуникационной индустрии (Telecommunications Industry Association, TIA), а также Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) и Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission, IEC) приступили к разработке спецификаций трактов передачи данных различной длины для коммерческих и индустриальных приложений. Соответствующие спецификации содержат требования к кабелям, разъемам, коммуникационным шнурам и другим компонентам каналов однопарных коммуникаций.

К примеру, в TIA работают над стандартом TIA-568.5, где определяются однопарные соединения и их компоненты с быстродействием 10 Мбит/с для кабельных трактов длиной до 100 м, 100 Мбит/с — до 15 м, 1 Гбит/с — до 15 и 40 м. Кабели должны поддерживать технологию Power over Data Lines, то есть обеспечивать подачу мощности до 50 Вт по одной витой паре 24 AWG (American Wire Gauge, американский стандарт калибра проводов).

Разрабатываемое дополнение к промышленному стандарту TIA-1005 Industrial Cabling регламентирует кабельную проводку для передачи данных на расстояние до 1 км со скоростью 10 Мбит/с. Чтобы снизить потери, в трактах такой длины планируется применять витую пару с проводниками калибра 18 AWG.

Подобные разработки осуществляются и в ISO. Так, стандарты ISO 11801–9906 Ed. 1 и 11801–6 Ed.1/Amd.1 будут содержать спецификации однопарной кабельной проводки для коммерческих приложений, в которых требуется быстродействие 10, 100 и 1000 Мбит/с. Стандарты ISO I11801–3 Ed.1/Amd.1 будут посвящены кабельной инфраструктуре для промышленных решений.

ОДНОПАРНЫЕ КОННЕКТОРЫ

К важнейшим компонентам кабельной инфраструктуры относятся соединители. По предварительным оценкам экспертов, фронтальная площадь соединителей для однопарного Ethernet могла бы составлять от половины до трети соответствующей площади разъемов RJ45. Они разрабатываются в расчете на провода калибра 18–26 AWG, должны быть способны поддерживать ток до 1 А и могут выпускаться в экранированных и неэкранированных модификациях. Ведущие производители коммутационных продуктов уже подготовили свои решения.

Предложение компании CommScope основано на разъемах LC и учитывает требования стандарта IEC 63171–1. В этих разъемах оптические компоненты заменены металлическими контактами. Как заявляет разработчик, такие экранированные и неэкранированные компактные коннекторы просты в установке, что очень важно при монтаже в полевых условиях и в труднодоступных местах.

Соединители инсталлируются без применения сложных инструментов, а их контактные поверхности не уступают по надежности компонентам разъемов RJ45. Они вполне способны заменить используемые сегодня однопарные решения, не связанные с технологией Ethernet, считают в CommScope. Коннекторы, предложенные CommScope (рис. 2), предназначены для применения в коммерческих офисных приложениях (Mechanical, Ingress, Climatic, Electromagnetic, MICE1).

Рис. 2. Предложения CommScopе на базе разъемов LC Источник: CommScope

Рис. 2. Предложения CommScopе на базе разъемов LC

Источник: CommScope
 

На работу в промышленных условиях, включая наиболее сложную окружающую среду (MICE2/MICE3), рассчитаны разъемы, предложенные компанией Harting. Они соответствуют требованиям стандарта IEC 61076–3–125 и спецификациям IP65/67 по пыле- и влагозащищенности. Их компонентами могут служить в том числе хорошо известные в промышленных приложениях разъемы M8 и M12.

Экранированные модификации коннекторов Harting обеспечивают работу на частотах до 600 МГц. В предложенных разъемах предусмотрены поддержка технологии Power over Data Lines и передача напряжения питания на расстояние до 1 км. Коннекторы Harting представлены на рис. 3.

Рис. 3. Модификации соединителей Harting Источник: Harting

ВСЕОБЪЕМЛЮЩИЙ ETHERNET

Итак, 10Base-T1, новая технология Ethernet, будет поддерживать однопарные коммуникации и возможность одновременной передачи данных и напряжения питания (Power over Data Lines) по сбалансированной витой паре.

Появление однопарного Ethernet в значительной степени связано с интересами автомобилестроения. Однако в настоящее время эта технология становится все более значимой для различных приложений автоматизации, включая интеллектуальные здания и промышленное производство.

Ожидаемые коммуникации 10Base-T1 открывают новые возможности для цифровизации систем автоматизации нижнего уровня. С их появлением взаимодействие с датчиками и исполнительными устройствами в комплексах промышленной автоматизации и интеллектуальных зданиях может осуществляться посредством цифровых, а не аналоговых сигналов.

Упрощение кабельной инфраструктуры, уменьшение объемов кабельной продукции и сокращение сроков монтажа особенно важны в решениях на основе технологий Интернета вещей, оконечных устройств в которых намного больше, чем в современных системах автоматизации.

Ethernet, таким образом, становится всеобъемлющей коммуникационной технологией, охватывающей все компоненты современных объектов недвижимости — от систем управления зданием (Building Management System, BMS) до размещенных в них центров обработки данных. Кроме того, она унифицирует передачу данных для комплексов промышленной автоматизации — от датчиков до ИТ-инфраструктуры, поддерживающей ERP-приложения. Завершение разработки стандартов 10Base-T1 приближает появление и внедрение таких решений.

Алексей Чернобровцев, обозреватель «ComputerWorld Россия»