Ethernet à paire unique : quand les deux font la paire
Le protocole Ethernet a constamment évolué depuis près d’un demi-siècle. Sa dernière variante, la technologie Ethernet à paire unique (SPE pour Single Pair Ethernet) a été développée à destination de l’industrie automobile, pour la transmission de données des systèmes embarqués. Farnell explique pourquoi SPE s’est également progressivement invité dans les applications d’automatisation industrielle pour lesquelles le déploiement d’un seul câble à paire torsadée présente d’indéniables atouts.
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La technologie SPE permet de réduire de moitié le nombre de conducteurs requis pour un câble Ethernet. Ce qui constitue une évolution déterminante d’une connexion Ethernet. Les premières implémentations d’Ethernet utilisaient des câbles coaxiaux comme support physique. Ce support Ethernet a finalement évolué pour prendre la forme que nous lui connaissons aujourd’hui : jusqu’à huit conducteurs, chacun isolé, puis torsadé en paires et tous encapsulés dans une gaine assez peu maniable.
Qu’est-ce que la technologie SPE ?
Comme son nom l’indique, la technologie SPE, dans sa forme la plus basique, repose sur deux conducteurs torsadés ensemble et encapsulés dans une seule gaine de câble mince, légère et flexible. Les variantes de la norme SPE (sous-ensembles de la norme IEEE 802.3) offrent des compromis entre des débits de données allant jusqu’à 1 Gbit/s, adaptés à une utilisation dans des environnements exigeant la transmission d’importants volumes de données, et des distances de transmission allant jusqu’à 1 000 mètres, qui répondent aux besoins pour des grandes installations. Il existe également des variantes de la norme SPE capables de fournir l’alimentation aux nœuds finaux à l’aide de la fonctionnalité PoDL (Power over Data Lines). Dans sa forme à deux fils, une connexion SPE avec un driver adapté peut fournir une puissance atteignant jusqu’à 50W à un nœud final. Une variante de la norme intégrant une autre paire de conducteurs permet de délivrer une alimentation allant jusqu’à 400W.
Différentes variantes de SPE
- La norme 100BASE-T1 est conçue pour une utilisation dans les environnements automobiles sur un seul câble à paire torsadée équilibrée. Elle prend en charge des débits de données bidirectionnels allant jusqu’à 100 Mbit/s sur 15 mètres, ou jusqu’à 40 mètres avec des câbles blindés.
- 10BASE-T1S est une variante courte portée de la technologie SPE qui permet la mise en œuvre d’une topologie de réseau multipoint, dans laquelle tous les nœuds sont connectés sur un câble à paire torsadée non blindé d’une longueur maximale de 25 mètres.
- 10BASE-T1L est une variante longue portée qui permet l’utilisation d’une existante infrastructure à deux fils sur une longueur maximale de 1 000 mètres, à des débits de données allant jusqu’à 10 Mbit/s. Cette variante fonctionne avec une paire équilibrée de conducteurs, mais peut nécessiter un câble blindé dans des environnements présentant de nombreuses perturbations électriques.
Les avantages de SPE
L’un des principaux avantages du déploiement de SPE dans l’industrie est la possibilité d’utiliser une seule technologie de connectivité normalisée pour la mise en réseau de dispositifs industriels. La connectivité TCP/IP peut être déployée sur l’ensemble de l’installation, fournissant au nœud de capteur le plus éloigné sa propre adresse IP et gérant les données sous forme de paquets IP entre ce nœud et le Cloud, dans les deux sens, au sein d’un environnement réseau cohérent. SPE offre également des débits de données suffisamment élevés et des latences suffisamment faibles pour permettre la mise en œuvre de stratégies de transmission sensible au temps (TSN pour Time Sensitive Networking), qui sont indispensables à certaines applications d’automatisation industrielle.
La mise en œuvre de la technologie SPE est plus simple qu’avec les câbles Ethernet standard à quatre ou huit conducteurs en raison de l’utilisation de câbles et connecteurs plus petits et de la capacité d’alimentation via la technologie PoDL (Power over Dataline). Des câbles plus légers sont plus faciles à installer dans les installations de grandes envergures que des câbles Ethernet standard, tandis que la finesse des câbles SPE leurs permet d’être plus facilement acheminés via des canaux étroits au sein des machines. La technologie SPE est également une approche de mise en réseau plus durable que d’autres, car elle met en œuvre une moindre quantité de matériaux et simplifie le processus d’alimentation des nœuds distants.
Les applications de la technologie SPE
SPE présente des avantages spécifiques pour une grande variété d’applications IIoT (Industrial Internet of Things). Dans l’industrie automobile, par exemple, on envisage d’utiliser la version courte portée de SPE dans les faisceaux de câblage pour remplacer les systèmes à base de bus CAN, FlexRay et autres bus, afin de faire transiter les fonctions de sécurité, les commandes et les données sur un seul réseau Ethernet.
Dans le cadre des applications industrielles, SPE peut intégrer des capteurs distants, des actionneurs et des équipements de terrain dans un environnement Ethernet existant, sans nécessiter de passerelles ou d’interfaces vers d’autres implémentations de réseau de terrain.
Dans le secteur de l’automatisation des bâtiments, SPE permet une intégration similaire de nœuds tels que des capteurs, des commutateurs et des thermostats dans un réseau IP de bout en bout qui peut être connecté au système de gestion du bâtiment via le réseau local de ce dernier. Le facteur de forme de SPE (câbles fins et flexibles mettant en œuvre des connecteurs compacts) facilite son installation et son entretien par rapport aux réseaux de terrain concurrents. Il peut être possible de réutiliser les tronçons de câble à deux fils qui existent déjà dans un bâtiment pour acheminer le trafic réseau SPE.
SPE peut également être déployé dans l’industrie des procédés, où la sécurité doit être particulièrement prise en compte. Une variante de la norme, appelée « Ethernet Advanced Physical Layer » ou « Ethernet APL », combine le fonctionnement à deux fils de SPE aux normes existantes pour proposer une connectivité Ethernet intrinsèquement sûre utilisable dans des environnements potentiellement dangereux.
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