Кабельная инфраструктура на основе однопарного кабеля типа «витая пара» для интернета вещей и межмашинного взаимодействия

Впервые витопарные кабельные трассы начали использовать в конце 19-го века. Тогда Александр Грэйам Белл впервые передал голосовое сообщение через витую пару в условиях зашумленного эфира.

На сегодняшний день витая пара продолжает играть ключевую роль в коммуникационных системах всего мира. Существенно улучшенная по сравнению с первым телефонным проводом, который передавал голос Белла, витая пара широко распространена в сетях Ethernet, объединяя оборудование со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с. Инженеры также смогли приспособить витую пару к одновреенной передаче питания постоянного токаи данных по одному и тому же кабелю.

Что касается сетевого кабеля, как бы это ни было странно, но скорость не является самым важным аспектом. Действительно важная особенность – это соответствие всем требованиям приложения, которые могут возникнуть. Стоит только взглянуть на постоянное расширение рынка интернета вещей, чтобы понять значимость происходящих в данный момент перемен и всех возможностей, что они предоставляют.

IT специалисты компаний пытаются объединить широкую гамму датчиков и исполнительных устройств в существующие структурированные кабельные системы. Для многих приборов это возможно только если использовать 4-ёх парный Ethernet, так как они требуют высокой выходной мощности и пропускной способности. Но для устройств с меньшей требовательностью, таких как: датчики и исполнительные механизмы, использующиеся для автоматизации зданий и промышленного оборудования, сигнализационные системы, RFID считыватели, гораздо эффективнее и менее затратно использование однопарного Ethernet.

Сегодня однопарный Ethernet активно исследуется на предмет возможности эффективного удовлетворения потребностей этих приложений. Органы по стандартизации начали разработку письменных руководств для множества приложений с использованием одиночной сбалансированной витой пары. Технические характеристики приложений включают в себя: 802.3bp 1000BASE-T1, 802.3bw 100BASE-T1, 802.3bu PoDL (от 0.5 Ватт до 50 Ватт), 802.3cg, 10BASE-T1S (малая досягаемость) и 10BASE-T1L (большая досягаемость).

Однопарный Ethernet не подразумевает замену традиционной четырехпарной кабельной проводки. Он нужен для поддержки новых приложений, таких как: объединение IoT-устройств и M2M-устройств. При применении для соответствующих приложениях однопарный Ethernet обеспечивает значительные экономические преимущества, а также преимущества по плотности монтажа и преимущества при монтаже.

Использование однопарного Ethernet в административных зданиях включает в себя:

1. системы автоматизации зданий
2. системы освещения
3. системы контроля лифтов и эскалаторов
4. системы контроля доступа
5. системы охраны и пожарной сигнализации

Промышленное использование:

1. промышленная автоматизация
2. система управления процессами
3. робототехника
4. серверные шкафы и коммутационные соединения
5. промышленные зоны

Ожидается, что датчики и устройства на основе Интернета вещей превзойдут мобильные телефоны, как самую большую в настоящее время категорию устройств, подключенных к сети. По разным оценкам в 2020-ому году во всём мире будет уже 200 миллиардов соединённых между собой устройств или 26 устройств на каждого человека на Земле.

В настоящее время приложения, ориентированные на потребителя – смартфоны, домашняя автоматизация и автомобильная телематика – привлекают больше всего внимания СМИ. Однако, вышеупомянутые приложения бледнеют по сравнению с промышленным интернетом вещей (IIoT). К 2025-ому году мировой рынок технологий интернета вещей будет оцениваться в 6,2 триллиона доллара, из которых 4,8 трлн. придутся на сферы здравоохранения (2,5 трлн.) и производства (2,3 трлн.), как самые обширные сегменты рынка. Больше всего роста придётся на соединения между машинами, задействованными в производстве, дистрибуции, сельском хозяйстве, обрабатывающей промышленности, сфере здравоохранения и других крупных отраслях.

Перед сетевыми инженерами стоит задача – найти наиболее удобный, лёгкий и менее затратный способ объединить огромное количество датчиков, исполнительных механизмов, контроллеров, камер и других устройств между собой. Многие из них разработаны без учёта необходимости соединения с интернетом. Также есть те, что требуют подключения к сети и некоторые из них работают на батарейках, либо же зависят от постоянного тока.

По традиции соединения на границе сети осуществляются не через Ethernet, а с помощью сетевого протокола типа FieldBus. В связи с сильной разобщённостью и преприетарности FieldBus сектора, существуют различные реализации, которые зачастую несовместимы между собой. Особые технологии – такие, как Ethernet/IP, PROFINET, FF HSE, ModbusTCP и HART-IP – напрямую зависят от производителя оборудования FieldBus.

Но при создании сетей между устройствами, порождаются и новые вопросы, требующие решения. Проблемами становятся: трудность установки такой сети, недостаток определённых умений и навыков, ошибки совместимости и различные процедуры поддержки. В результате нужда в промышленном стандарте, описывающем промышленном Ethernet, неуклонно растёт, при этом интерес сфокусирован на приложениях, работающих по одной паре. В июне 2016-го года рабочая группа IEEE 802.3 инициировала «запрос на исследование» (CFI), по вопросам обсуждения стандартов разработки промышленного Ethernet.

Инициатива «10 Mbps Extended Reach Single Twisted Pair ethernet PHY» представляется как единая сеть, основанная на однопарном Ethernet, как альтернатива сильно расколотой сущности FieldBus.

Несколько причин, по которым Рабочая группа по вопросам Ethernet IEEE 802.3 инициировала CFI:

• Растущие возможности касательно данных и мощности: постоянно улучшающиеся стандарты и технологии доказывают, что однопарный Ethernet может развить скорость до 10-ти гигабит в секунду. Также однопарный кабель может поддерживать мощность постоянного тока до 50-ти ватт, обеспечивая при этом широкий спектр различных устройств, которым требуется питание и данные одновременно.
• Эффективное использование занимаемого пространства и бюджета: Составляя всего 25% массы и веса традиционного 4-парного Ethernet, однопарный Ethernet может значительно уменьшитьперегрузку кабельных трасси предоставит больше возможностей при его трассировке. Здесь также учитывается возможность подключения к небольшим высокоплотным устройствам.
• Безопасность хранения данных: первостепенная задача широкомасштабного внедрения интернета вещей - обеспечение защиты соединений. Приложения IEEE 802.3 имеют встроенные защитные функции, обеспечивающие безопасную передачу данных.

В своей презентации (CFI) рабочая группа IEEE 802.3 призываетиспользовать однопарный Ethernet от части из-за его стоимости, веса и технических преимуществ, а также из-за своей лёгкости в установке и обслуживании, в комбинации с существующим багажом знаний технологий Ethernet.

Проект стандарта IEEE 802.3cg 10-ти мегабитного однопарного Ethernet завершил финальные слушания и одобрен Советом по стандартизации IEEE-SA к публикации. Целью проекта является покрытие промышленную, автомобильную и строительную автоматизацию с помощью следующих двух решений на физическом уровне (PHYs):

• IEEE 10BASE-T1S: имеет дальность работы до 15-ти метров с возможностью многоточечной связи до 25-ти метров
• IEEE 10BASE-T1L: имеет дальность работы 1000 метров

IEEE 10BASE-T1S PHYs имеет систему предотвращения конфликтов на физическом уровне (Physical Layer Collision Avoidance, PLCA), что для улучшает производительность при коллизиях в многоточечной реализации. Чтобы поддерживать большие расстояния IEEE 10BASE-T1L, спецификация the Power over Data Lines (PoDL) были изменена. В неё ыключилинесколько новых классов мощности, которые могут передавать на 1000 метров до 7 ватт включительно, используя при этом источники питания сноминальным напряжением 57 вольт.

См. таблицу 2 (Так как ссылка на таблицу 2 встречается раньше, чем ссылка на таблицу 1 то Таблицу 2 надо поставить перед Таблицей 1 и перенумеровать таблицы и ссылки).

Интернациональные комитеты по стандартизации - ISO, IEC и CENELEC – также улучшают существующие кабельные стандарты для поддержания однопарного Ethernet. В сентябре 2016-ого года рабочая группа ISO/IEC/JTC 1/SC 25/WG 3 запустила несколько проектов:

1. ISO 11801-1 поправка 1, имеющая общие требования к однопарные кабелям
2. ISO 11801-3 поправка 1, имеющая дополнительные требования к однопарные кабелям для промышленного применения, такого как: промышленная автоматизация и контроль процессов.
3. ISO 11801-6 поправка 1 с дополнительными инструкциями для однопарных кабельных систем поддерживающих распределенные сервисы, такие как: автоматизация зданий, системы сигнализации и контроля доступа.

Эти проекты на данный момент проходят слушания в рабочей группе комитета и должны быть опубликованы к концу 2020-ого года.

.

EC SC46C запустили следующие проекты в сотрудничестве с ISO/IEC/JTC 1/SC 25/WG 3 для поддержки IEEE 802.3 однопарных Ethernet приложений (SPE - single pair Ethernet):

1) IEC 61156-11 - горизонтальные кабели с полосой пропускания до 600 МГц

2) IEC 61156-12 - ответвительные кабели с полосой пропускания до 600 МГц

3) IEC 61156-13 - горизонтальные кабели с полосой пропускания до 20 МГц

4) IEC 61156-14 - ответвительные кабели с полосой пропускания до 20 МГц

Первые два проекта обычно используют проводники калибра от 26 до 22 AWG, в то время как третьему и четвёртому требуется больший размер проводника: от 20 до 16 AWG. Эти проекты находятся на разном уровне завершённости, но планируются к публикации к концу 2020-ого года. Рис. 2 показывает типичное строение однопарного кабеля.

На данный момент у комитета IEC SC48B в разработке 6 проектов однопарных коннекторов вместе с семейством IEC 63171; среди них:

• IEC 63171-1 медный коннектор формфактора LCот компании CommScope, включённый в стандарты IEEE 802.3, ISO/IEC/SC 25/WG 3, IEC SC 48B и TIA TR42.7,
  
• IEC 63171-6 промышленный коннектор от компании Harting.
  

IEEE 802.3cg называет эти коннекторы дополнительными MDI коннекторами для 10BASE-T1S и 10BASE-T1L оборудования. Рис. 3 показывает вилку и гнездо LC-коннектора MDI версии IEC 63171-1.

Были проведены тесты медного LC коннектора IEC 63171-1 на взаимную совместимость между несколькими комбинациями вилок и гнёзд от компаний CommScope и Panduit. Тестирование имело две фазы. Первая проходила в сентябре 2018-ого года, когда стороннее тестирование компанией Intertek подтвердило ключевые параметры передачи, механической и электрической совместимости. Во второй фазе в сентябре 2019-ого года инженеры из CommScope и Panduit протестировали соединения IEC 63171-1 для обеспечения электромагнитной совместимости (EMC) с использованием прототипа оборудования IEEE 802.3cg 10BASE-T1L. Канал передачи с дальностью действия 1000 метров, включая несколько коннекторов IEC 63171-1 прошёл испытания по требованиям IEC 61000-4-6 EMC к шумам со среднеквадратическим значением (rms) шума в 10 вольт. Это квалифицирует коннектор IEC 63171-1 как промышленный E3 коннектор, в соответствии с определением IEEE 802.3cg.

Рис. 4 показывает интерфейс IEC 63171-1 MDI и шнуры, присоединённые к действующему прототипу 10BASE-T1L в процессе испытания на помехозащищённость IEC 6 1000-4-6.

.

TIA TR42.1: на проведённой в июне 2017-ого года встрече, TIA TR42 одобрил дополнение к общим кабельным стандартам ANSI/TIA-568.0-D: варианты использования одиночных сбалансированных витопарных кабелей, топологию и архитектуру. Поправка включает в себя инструкции по развёртыванию однопарных кабелей в зданиях. Изменённый стандарт также содержит руководство по прокладке одиночного сбалансированного витопарного кабеля в соответствии с ANSI/TIA-568.5 для приложений интернета вещей и M2M, требующих высокой плотности, большей гибкости и уменьшенного размера. TR42 также одобрили ещё один проект с однопарными кабелями для дополнения в ANSI/TIA-862-B – стандарты интеллектуальных систем зданий.

TR42.7: начиная с июня 2017-ого года TIA TR42.7 работает над ANSI/TIA-568.5, содержащим в себе детализированные требования для отдельных компонентов, линий и каналов связи. Этот проект ориентирован на прокладку кабеля для обеспечения приложений IEEE 100BASE-T1L с использованием кабелей сечением 23 AWG до 400 метров и 18 AWG от 400 до 1000 метров.

TIA TR42.9: в ANSI/TIA-1005-A войдут два дополнения, ориентированные на телекоммуникационные кабели для поддержки промышленных приложений. Первое дополнение предоставляет спецификации для кабелей, коннекторов, шнуров, линий и каналов связи, которые используют однопарную связь с 10BASE-T1L приложениями в промышленных телекоммуникационных сетях. Основное внимание уделяется требованиям к производительности, процедурам тестирования и рекомендациям по надёжности для компонентов и кабелей в средах MICE2 и MICE3.

Во втором дополнении определены требования к среде передаче и окружающей среде при прокладке промышленных кабелей и компонентов для поддержки 1000BASE-T1, развёрнутых однопарным кабелем, в сегментах канала type-B, длиной до 40 метров в средах MICE2 и MICE3. Также определяются компоненты, которые соответствуют требованиям передачи и среды для этого приложения.

Использование однопарного кабеля в качестве надёжного проводника для питания устройств активно поддерживается органами по стандартизации. В 2016-ом году IEEE утвердил 802.3bu-2016 - Standard for Physical Layer and Management Parameters для Power over Data Lines (PoDL) для сбалансированного однопарного Ethernet. Стандарт поддерживает 100BASE-T1 и 1000BASE-T1 — последние одднопарные кабельные решения. 802.3bu-2016 определяет протокол передачи электропитания, который поддерживает множество классов передачи энергии, покрывая большой диапазон напряжений. Стандарт включает гарантированную защиту от сбоев и возможность определения сигнатуры питания подключённых устройств. Также подразумевается возможность прямой связи между устройствами для определения точной и безопасной подачи электроэнергии.

В таблице 1 показана классификация мощности устройства с питанием PoDL:

На данный момент IEEE близок к публикации стандарта IEEE 802.3cg, в который войдут шесть дополнительных к перечисленным в таблице 1 классов устройств с питанием PoDL. В таблице 2 указаны новые классы:

Развёрнутый в соответствии с 100BASE-T1 или 1000BASE-T1 однопарный Ethernet с использованием PoDL обеспечивает надёжное питание и передачу данных на расстояние до 15-ти метров, используя однопарный кабель калибра 24 AWG. Технология PoDL достаточно универсальна, чтобы в будущем работать с большими скоростями и связями. Мощность питания сейчас достигает 50-ти ватт и продолжает расти. В дальнейшем прокладка кабеля сможет производится и на более значимые расстояния при использовании проводников большего сечения. Также планируется поддержка PHY, оперирующие на разных скоростях.

В основе 802.3bu лежит интерес со стороны автомобильной индустрии, интересующейся однопарным Ethernet стандартом для автомобильной проводки. Опираясь на отраслевые инициативы, такие как: One-Pair Ether-Net (OPEN) и Open DeviceNet Vendors Association (ODVA), автомобильные и промышленные приложения, использующие однопарный Ethernet набирают обороты в этих сегментах рынка. Кроме того 802.3bu обещает расширение списка стандартов для приложений во всём широком диапазоне сред и в быстрорастущей системе интернета вещей.

Учитывая значительную перспективность однопарного Ethernet, важно понимать, что эта технология не является панацеей. Она имеет ограничения по скорости передачи данных и пропускной способности, которые ограничивают дальность связи. Эти переменные необходимо учитывать при принятии решения о том, как и где развёртывать однопарную сеть Ethernet; например, такие приложения, как светодиодное освещение, требуют более высокой мощности, но более низкой скорости передачи данных. Напротив, такие приложения, как многополосные и многоантенные беспроводные точки доступа, требуют больших скоростей передачи данных и более высокой мощности.

Исследования также показывают, что возможности передачи данных однопарного Ethernet более чем достаточны для удовлетворения потребностей большинства подключённых устройств, или, по крайней мере, тех, которые известны в настоящее время. По данным консалтинговой фирмы IoT James Brehm & Associates, трафик 86% устройств IoT не превышает 3 МБ в месяц.

Значительное внимание при разработке интеллектуальных зданий и автоматизации технологических процессов уделяется снижению энергопотребления подключённых устройств. Это не только обеспечивает значительную экономию эксплуатационных расходов, но и позволяет использовать низковольтную структурированную кабельную сеть. В результате требования к питанию постоянным током для многих подключённых устройств, которые будут развёрнуты в ближайшие годы, могут быть удовлетворены максимумом в 50 ватт, установленным сегодняшними стандартами PoDL. В качестве альтернативы на Рис. 5 показан пример однопарного кабеля, обслуживающего периферийные устройства IoT/M2M с той же топологией “звезда”, что и четырехпарный кабель, обслуживающий терминальное оборудование передачи данных (data terminal equipment, DTE).

Это не означает, что выбор между четырьмя парами и одной парой требует решения "или/или". Эти два варианта подключения не обязательно являются взаимоисключающими; во многих случаях они могут сосуществовать в поддержку одного и того же приложения. Однопарный Ethernet может использоваться для подключения устройства к ближайшей точке консолидации услуг (service consolidation point, SCP), а четырёхпарный может связывать точку консолидации услуг и аппаратную комнату. Оба типа кабелей хорошо вписываются в существующие модели проектирования сетей, такие как универсальная сеть CommScope. На Рис. 6 для примера изображены четырёхпарный кабель с точкой консолидации услуг и однопарные кабели для системы автоматизации здания. Точки преобразования сети представляет собой активное оборудование для преобразования потока с высокой пропускной способностью в несколько низкоскоростных потоков.

.

Возможно, ни одна другая тенденция или технология не ожидалась с таким волнением или беспокойством, как интернет вещей. Новые технологии окажут значительное влияние в продвижении к умным зданиям и умным городам. Невозможно предсказать, как будет выглядеть связанный ландшафт через 15 лет или даже через пять. Мы знаем, что предприятия всех типов опираются на свои команды по управлению ИТ и операционными технологиями (OT) для подключения и поддержки миллиардов датчиков, контроллеров и других устройств. Решение заключается не в одной технологии или платформе, а в массиве высокоэффективных инфраструктурных решений, которые могут быть смешаны и подобраны в зависимости от требований предприятия и приложений.

Да, традиционные четырёхпарные кабели Ethernet играют важную роль, а ряд компонентов однопарного подключения дополняют его.

Поэтому сетевым инженерам стоит серьёзно присмотреться к одинарным сбалансированным кабелям с витой парой. За последние несколько лет однопарный Ethernet завоевал поддержку производителей оборудования, кабельных провайдеров и организаций по стандартизации, которые рассматривают его как эффективное решение при использовании в соответствующих приложениях.

Однопарный Ethernet является надёжным, актуальным и растущим в популярности из-за разнообразия существующих скоростей передачи данных (10, 100 и 1000 Мбит/с) и новых более высоких скоростей передачи данных (10 Гбит/с, за пределами 10 Гбит/с). Лёгкий и тонкий, он обеспечивает высокоэффективный способ подключения маломощных устройств с низким уровнем передачи данных, которые составляют большую часть Интернета вещей - именно такой тип целевого интеллектуального решения должны иметь в своём распоряжении сетевые инженеры, чтобы идти в ногу с прогрессом.