An introduction to Single Pair Ethernet (SPE)

單對乙太網 (SPE) 簡介

通信技術提供了收集和共享數據的基礎設施。

據市場研究和分析公司 IHS Markit 稱，未來 6 年將有 750 億台設備，連接到網路。這種未來的現實帶來了巨大的機會，但也帶來了巨大的挑戰，因為這些設備需要被連接和管理，並且數據和資訊需要以一種易於訪問，和易於使用的方式提取。

單對乙太網 (SPE) 技術有潛力，為建築提供重要的效用，以支持工業自動化和建築自動化應用環境。本文採用與電信行業協會 (TIA) ，單對乙太網聯盟 (SPEC) 的幾位成員進行問答的形式。我們的小組成員（被列為本文作者）將就這項新技術將如何發展和被採用，以支持工業物聯網 (IIoT) 設備和感測器，提供他們的觀點，從而帶來普遍認可的 RJ45 連接器，帶來的許多優勢到乙太網的網路。尤其是建築自動化，在將數據和低瓦特電力服務，傳送到端點設備的方式上，處於一種支離破碎的狀態。 SPE技術，它提供數據和電力，有望帶來邊緣到邊緣的乙太網，並將資訊技術 (IT) 和營運技術 (OT) 世界結合起來。

數據在建築方面的價值非常重要。在本次討論中，我們將討論建築自動化如何幫助收集數據，使我們的工作空間更安全、更舒適和更可持續，然後 SPE 將如何提供基礎設施來收集數據，並確保將數據共享給正確的支持者。

Ronna Davis：你對建築自動化的現狀有何看法？

安德魯·希門尼斯：建築自動化領域正在不斷發展。傳統上，它依賴傳統的類比兩線解決方案（例如 RS-485 協議）將數據和資訊，傳送到建築空間內的不同應用和分析。在大多數情況下，它有效。但是，從技術角度來看，使用不同的協議需要一定程度的整合，而如果你轉向乙太網或 IP 的環境，你可以透過單一通信基礎設施，同時提供電力和數據，並整合感測器和其他端點設備，到單個操作系統上。我相信，隨著設施管理和 IT 營運的融合，我們將看到越來越多的傳統上位於設施或房屋營運技術 (OT) 方面的設備，將轉換到房屋的 IT 或 IP 方面。隨著建築自動化演變成更像物聯網的環境，我們將看到乙太網在這種環境中成長的機會，因為它可以提供不同建築子系統的無縫融合。

RD：關鍵在於能夠輕鬆訪問數據，以及建築物中的系統需要如何相互通信。 Frank，從你的角度來看，將 OT 系統遷移到乙太網將如何改變我們在建築中的方法？

Frank Straka：融合始於在同一條電纜上，同時運行語音和數據。今天安裝的大多數電話，都是透過乙太網供電 (PoE) 運行的 IP 電話，而且大多數進入的攝影機都在相同的網路基礎設施上運行 —— 4 對 Cat 6 或 Cat 6A 電纜與 RJ45 連接器。但是，當你規劃 AV、門禁控制、照明、HVAC 和其他系統時，整合這些不同的協議，需要大量的初始基礎工作，以確保這些系統協同工作 —— 尤其是因為許多這些系統，可能有不同的佈線要求，並涉及不同的承包商，以確保所有佈線都進入所有適當的區域，並且可以相互通信。

轉向 IP 的解決方案（如 SPE）使基礎設施規劃更加簡單。對所有這些不同的設備使用相同的佈線，可確保系統更輕鬆地相互通信，並使收集我們都在尋找的數據的情報變得更容易、更直觀。

RD：是的，將乙太網網的通用設計慣例，擴展到其他建築系統，似乎確實可以提高設計和實施的速度，並降低總體成本。

建築自動化市場的情況，類似於幾年前乙太網的情況，當時有許多不同類型的 IT 網路，然後一切都轉移到乙太網。希思，你能分享你對這種演變的看法嗎？

Heath Stewart：如果你回顧乙太網的歷史，可以追溯到 1980 年代和 1990 年代，存在大量相互競爭的 IT 網路標準。業界意識到，由組件供應商和系統供應商組成的生態系統，將贊助個人為真正開放的標準開發過程做出貢獻，這將在市場上創造巨大的優勢，而且從本質上講，協作戰勝了競爭。

透過消除不相容的網路、破壞性的網橋和閘道器（Gateway），這也消除了處理單一來源解決方案的需要。對於給定的應用，乙太網並不總是最好的協議，但它擁有最大的供應商生態系統，它代表了整個行業為了更大的利益而合作。

RD：要實現 OT 系統和所有這些不同設備的全部優勢，需要一個通用的通信協議。乙太網在這方面有著良好的記錄。

現在讓我們談談 SPE 的組成部分，以及支持該技術的標準。

AJ：顧名思義，它是一對（只有兩根電線）電纜，以與 4 對系統相同的方式，提供數據和電力。了解 SPE 技術不是 4 對乙太網的替代品，而是填補乙太網網路的空白，了解這一點很重要。四對銅基雙絞線電纜的長度限制為 100 米。人們強烈希望將該距離，擴展到更多可達 1,200 米以上的現場總線，和總線型應用。

SPE 技術標準自 2015 年開始實施，當時 IEEE 發布了兩個針對汽車市場的標準：IEEE Std 802.3bw 和 IEEE Std 802.3bp。這些支持分別以 100 Mbits/sec 和 1,000 Mbits/sec 的速度運行，範圍限制為 15 米 (100Base-T1) 或 15 米和 40 米 (1000Base-T1)。

IEEE 802.3cg 修正案認識到，需要在更遠的距離，支持工業和建築自動化環境中的單對乙太網連接，因此在最遠 1,000 米 (10Base-T1L) 的範圍內，提供 10 Mbit/sec 傳輸，以及作為支持汽車和工業機櫃環境的 15 米鏈路段 (10Base-T1S)。

長距離和短距離目標，都支持 10-Mbit/sec 操作。考慮到當今可用的 10-Gig 甚至 400-Gig 解決方案的所有討論，這聽起來可能並不多，但對於控制和現場總線應用來說已經足夠了，這些應用不是高數據速率設備，消耗更多的千比特的資訊。

在 IEEE 倡議的同時，TIA 和 ISO（國際標準化組織）委員會，正在制訂連接器和電纜規範。最終結果將是一個完全標準化的環境，無論是在實體層還是在 PHY 層。因此，將會有一個完整的生態系統，來實現產品的商業生產。事實上，我們開始看到來自製造商的可用產品，這將加速採用。

目前，標準組織正在推進多點解決方案，該解決方案將支持多達 16 台設備，最長可達 75 米。多點對於建築和工業空間非常重要，因為當前的總線技術支持多個感測器設備，可能連接在單個總線上，而 IEEE 正在尋求保留該架構。在採用方面，保留現有的設計慣例，將大大有助於使 SPE 被自動化市場接受。

RD：這是很重要的一點，因為 80% 的建築自動化網路，都在現有建築中，所以我們需要一種解決方案，可以輕鬆地從舊系統轉移到新技術。

因此，我們確定 SPE 看起來像 4 對乙太網的更薄、更年輕的版本，但在某些方面它實際上非常獨特。

FS：大多數人都熟悉可用的 4 對系統。該圖表很有用，因為它比較了兩種技術並捕捉了差異。

正如 Andrew 所提到的，SPE 將用於新領域，除了 4 線對佈線之外，而不是作為替代品，它將專注於當前未使用 4 線對佈線的系統。傳統的 4 對佈線，將繼續用於需要快速（即 10 Gbits/sec）的系統，但也有一些主要應用，需要在 1,000 米的距離內達到 10 Mbits/sec。這些是完全不同的應用，但是透過使用 SPE，它們都可以在乙太網上運行。

例如，查看倉庫中的工業廠房地板，100 米的限制可能非常嚴格，而在 SPE 佈線上達到 1,000 米將非常有利。

另一個需要考慮的方面是功率。四對佈線可通過 PoE 支持高達 71W 的功率。SPE 可支持 7 到 52W 之間的功率，具體取決於電纜長度。在 100 米處，它的功率將被限制在 7W 左右，但對於大多數感測器而言，這足以運行佈署在建築物周圍的設備。

另一個區別是連接器。四對佈線使用 RJ45 連接器，這可能是世界上使用最多的接口。對於 SPE，TIA 42.7 考慮使用的連接器，是經過修改的 LC 連接器 —— 另一種廣泛佈署的技術。之所以選擇它，是因為它比 RJ45 更小，且支持更高的密度。

因此 SPE 既是 4 對乙太網的常見擴展，它在密度和長度方面具有明顯優勢，同時仍提供數據和功率。

RD：在建築自動化市場使用 LC 型連接器，有一些真正的優勢。由於它們可現場安裝，因此無需訂購預端接鏈接。這也是一個簡單、可重複的終止過程。

SPE 與當今用於 OT 系統的解決方案有何不同？

HS：當今使用的協議如此混合，許多解決方案都以某種形式於乙太網 IP、PROFINET、EtherCAT，僅舉幾例。乙太網已經開始普遍進入建築自動化領域。但是，這些標準都沒有提供完全符合 IEEE 802.3 標準的雙線解決方案，該解決方案可提供 10 Mbits/sec 和高達 52W 的傳輸功率。這些其他協議通常僅支持每秒幾千比特，而且很少提供電力，因此透過提供 TCP/IP 的 SPE 佈線、完整的 10 Mbits/sec 數據和 52W 的傳輸功率，真正實現了新想法和新產品。

RD：非常正確。今天的許多網路協議都不提供電源，這讓設計人員或現場安裝人員自行解決。SPE 將這兩件事結合在一起以簡化設計和安裝。

從現場應用的角度來看，簡化將是巨大的，並且可能會在安裝過程和行業培訓中，提供巨大的優勢。

許多 OT 和 IoT 設備都配備了電池技術，但是當你考慮大規模電池（即使是壽命更長的電池）時，維護由電池供電的數千個感測器，將是一場維護噩夢，更不用說道德處置這些電池，將是一個真正的複雜問題。如果 OT 設備對建築物的運行非常重要，甚至影響生命和安全，則它們應該擁有可靠的電源。

SPE 技術使電力傳輸成為可能。它與 PoE 並不完全相同。對於 SPE，它是單對乙太網供電或 SPoE。

HS：第一個版本的 PoE 於 2003 年由 IEEE 批准，該標準由 IP 語音驅動。PoE 已經證明，智慧電源的好處遠遠超過相對較小的投資。

例如，使用 PoE 與交流壁式插座，已被證明可以顯著降低安裝成本。系統遙測功能更強，可增加系統正常運行時間，並有助於建立強大而安全的網路、故障保護、浪湧保護和接地迴路隔離。所有這些好處都是在引入 PoE 之後產生的。

IEEE 802.3 在 IEEE 802.3bu 中以 100 Mbits/sec 和 1,000 Mbits/sec 的速度，透過一對導體標準化供電，稱為數據線供電 (PoDL)。IEEE 802.3cg 擴展了規範以支持 10 Mbit/sec 的 OT 環境。實際上，單對供電有兩種變體，SPoE 和 PoDL。SPoE 用於描述 OT 網路中，使用分類的實現，而 PoDL 用於工程網路，例如車載網路。

當你查看 PoE 和 SPoE 之間的區別時，PoE 是透過 8 線 6 類或 7 類佈線提供的。PoE 可實現 71W 傳輸負載，該負載是最長 100 米距離的電纜電阻的函數。另一方面，SPoE 透過一對長達一公里的電線，提供高達 52W 的功率。在幕後，SPoE 的新電力傳輸系統，需要一種全新的方法來結合電力和數據。從用戶的角度來看，PoE 和 SPoE 使數據和電源，既安全又易於安裝。

這裡存在兩種不同的功率等級。第一個 SPoE 可以在 50 到 58 伏範圍內提供。這可以實現高達 52 瓦的最大功率傳輸。SPoE 的獨特之處，在於提供 20 到 30 伏之間的低電壓範圍，可提供高達 8.4 瓦的功率。

PoE 和 SPoE 均支持分級，可確保安全供電，並在供電前驗證電纜兩端是否相容。這兩種 PoE 協議都是安全可靠的供電機制。這些電力系統將受到越來越嚴格的監管審查，因此，它們需要以嚴格、標準化的方式實施。

RD：讓我們現在轉向連接器。要成功採用，SPE 將需要簡化和標準化的接口。

FS：擁有一個簡單和標準化的接口，對於採用來說絕對是非常重要的。如果你查看 IEC 或 TR-42.7 [處理雙絞線佈線系統的 TIA 標準工程小組委員會] 內正在進行的工作，有大量不同的公司共同致力於此工作，以確保使用強大的在電纜上提供應力消除的連接器。指定由一系列公司開發的具有不同觀點的連接器，可提供強大、成熟和可靠的產品類型。此外，標準化接口使感測器可以在新版本發佈時輕鬆升級。此外，標準化的接口可確保產品的可用性和價格具有競爭力。

AJ：通用的實體接口當然有好處。我們透過 RJ45 連接器看到了這一點。人們常說 RJ45 是唯一真正的全球連接器接口。對於 SPE 技術，TIA 委員會就不同連接器接口的優點展開了辯論。圍繞 LC 型連接器的共識，是由行業內的熟悉程度（即使它是一種光連接器）及其小尺寸因素驅動的。圍繞單一實體接口進行整合，將刺激設備製造商的市場採用，並創建一個更加統一的環境，來佈署設備和應用。

RD：我同意。也許標準協作性質的最重要方面之一是，當你擁有一個參與連接器設計的人員生態系統時，對其設計和可靠性的綜合知識和影響，使其成為更好的連接器。這正是這個 LC 連接器發生的情況。多家公司影響了形式、適合度和功能。

我們要討論的另一個領域，是技能提升或培訓。跨多個建築系統的基礎設施、連接和通信的標準化，顯然有可能顯著改進設計理念和安裝。

FS：很多人都熟悉安裝 4 對電纜。設計和安裝這些系統的人員，以及制訂標準和詳細安裝說明的組織已經建立了基礎。這創建了一個人員網路，他們習慣於以非常高的品質安裝標準化、經過現場測試的結構化佈線解決方案。

這些熟悉 4 對乙太網系統的現有人員，將能夠輕鬆掌握 SPE 類型的系統，並利用他們的知識，來安裝這些可實現建築自動化的結構化佈線解決方案。

RD：安德魯，你在 Anixter 支持許多不同的設備，包括 AV、操作技術和安全設備。你能談談單對乙太網對這些設備製造商的影響嗎？

AJ：會有一個教育時期。在商業建築空間中，我們看到的第一個用例和應用是實體安全，因為監控攝影機的距離通常超過 100 米。因此，當今使用的許多擴展範圍的解決方案，並不像 SPE 解決方案所能提供的那樣乾淨，因為它們仍然需要電力。SPE 將消除使用混合銅光纜的需要。

從長遠來看，設備的自動化可能會開始更多地聯網。建築自動化行業正在採取措施，向更多開放式架構環境邁進。

工業物聯網設備也將受益於 SPE。例如，在採礦應用或工廠生產線內，佈署物聯網設備，是需要更遠距離的應用。

RD：有沒有計劃將數據速率提高到 100 兆位？

HS： IEEE 已經成立了一個研究小組，以解決數據速率的增加等問題，幾乎可以肯定以 100 Mbits/sec 為目標。但是，現在的重點是完成 10 Mbit/sec 系統的部署。

AJ：已經證明，即使透過兩條線，你也可以發送千兆數據速率。所以我認為這當然是可能的。重點是採用目前的單對目標，我們將看到它的發展方向。

RD：目前 SPE 技術的目標，是這些目前不在乙太網上的設備。如果其中一些設備需要 100 Mbits/sec，那麼將來需要考慮這一點，但現在 4 對以太網工作正常。