单平衡双绞线设施与物联网（IoT）和端到端（M2M）设备的连接

概要    

    单平衡双绞线布线基础设施可追溯到19世纪晚期，当时亚历山大·格雷厄姆·贝尔(Alexander Graham Bell)引进了双绞线。该技术是一种克服干扰传输语音传输的技术。今天，双绞线铜接头在通信中起着至关重要的作用。双绞线在以太网网络中很普遍，支持数据速率高达10 Gbps的常用设备。现在，工程师们已经能够利用平衡双绞线，通过同一电缆传输直流电源和数据。

    双绞线布线技术的不断发展，使人们认识到最好的布线解决方案是最有效地满足所有应用要求的方案。快速不是最重要的。只要看看物联网(IoT)的日益普及，你就会明白这个技术的意义，以及它所创造的机遇。

    在未来几年，企业IT专业人员将负责将各种连接设备集成到他们的结构化布线网络中。有些需要功率输出，或者只有四对以太网电缆才能支持的高带宽容量。但是，对于功率和带宽要求最低的设备，例如用于自动化设备、制造设备的传感器和执行器、警报系统和RFID设备，使用单对以太网电缆可以提供更低成本和空间利用率的解决方案。

    为了有效地支持这些需求，业界开始探索单对以太网的可能性。标准组织已经加紧努力为各种应用程序制定准则，包括单平衡双绞线以及部署中使用的组件。应用说明已经在IEEE 802.3中发布或正在开发。其中包括802.3bp 1000BASE-T1、802.3bw 100BASE-T1、802.3bu PoDL (0.5瓦 - 50瓦)和802.3cg 10Mbps以太网。

 

物联网应用正在为单对以太网打开大门

    到2018年，基于物联网（IoT）的传感器和设备预计将超过手机，成为最大的联网设备类别。据预测，到2020年，全球范围内将会有大约2000亿件联网物体，也就是说说，地球上的每个人平均使用26个联网设备。

    以消费者为基础的应用，比如可穿戴设备、家用自动机器和汽车遥控设备，在很大程度上影响了一般媒体的发展，但与工业物联网(IIoT)相比，它们就相形见绌了。到2025年，全球物联网技术总价值可能高达6.2万亿美元，其中4.8万亿美元分别来自医疗保健(2.5万亿美元)和制造业(2.3万亿美元)。大部分增长将来自于机器对机器(M2M)的连接，这些连接将驱动制造业、分销、农业、工业加工、医疗保健和其他专业服务。

 

        企业IT团队正在开始考虑如何将各种传感器、控件、摄像头和其他设备以一种合理的方式连接起来，这种方式既易于扩展，又具有成本效益。大多数这些连接的设备，由于它们的功能，特别是那些用于工业操作的设备，部署在企业网络的边缘。许多需要有线网络的连接；其中一些是电池供电，但大多数都需要依赖于可靠的直流电源。

       传统上，这些类型的连接都是使用现场总线类型接口的非以太网连接。由于现场总线的高度分散和专有性质，根据现场总线制造商和以太网信令的不同，有许多协议变体，如以太网/IP、PROFINET、FF HSE、ModbusTCP和HART-IP。

       因此，将设备集成和协调到网络中是一个挑战。问题包括安装的复杂性、缺乏熟练工人、互操作性问题和各种维护协议。因此，对行业标准的端到端工业以太网网络协议的需求一直在稳步增长，现在重点放在单总线的应用上。

       2016年6月，IEEE 802.3以太网工作组发布了一份意向书，讨论围绕工业以太网开发标准。设想一个基于单对以太网的统一网络将10Mbps扩展到单双绞线以太网PHY，作为一个巨大的碎片化现场总线领域的交流平台。IEEE 802.3以太网工作组围绕单绞线进行工作有许多的原因：

        1.增强的数据传输和电源

                先进的标准和技术使单对以太网目前能够支持1Gbps的速度。此外，单对电缆能够支持多达50瓦的直流电源可以适配广泛的设备要求的电源和数据数率。

        2.价格低，节约空间

                它比传统的四绞线以太网的质量和重量减轻约为25%，单对布线可以帮助缓解电缆线路中不断增加的阻塞，并使更多的灵活的路由选择成为可能。可以连接到更小的高密度设备。

        3.数据安全

                部署大规模物联网的一个主要挑战是确保网络安全。IEEE 802.3协议的应用具有内置的安全特性，允许安全通信。

        在意向书演示中，802.3 Ethernet工作组说明对比现有的以太网，使用单绞线的原因是它的重量、成本和机械效益，以及易于安装和维护。

 

围绕单对双绞线的应用标准正在迅速发展

        10Mbps扩展到单对双绞线以太网PHY，只是专注于实现单对以太网的大规模局域网应用的众多标准化领域中的一个。2016年9月，IEEE 802.3工作组创建了10Mbps单绞线对以太网研究小组，分别为10Mbps单绞线以太网开发项目授权申请和标准开发响应(包括可选电源)。

       开发项目授权申请和标准开发响应在2017年3月获得批准，使小组能够推动开发一个工作标准，支持在汽车、工业和企业环境(例如，商业建筑、数据中心、教育和医疗)中，使用单平衡双绞线(带或不带电力传输)的10Mbps以太网进行传输。这个标准IEEEC 802.3cg将于2018年底前准备好，2019年6月前获得批准。

 

单对双绞线ISO布线标准

        国际标准组织ISO、IEC和CENELEC还修改了现有的电缆标准，以解决单对以太网日益增多的使用问题。2016年9月，ISO/IEC /JTC 1/SC 25/ WG 33 对ISO/IEC 11801-6(分布式建筑服务电缆)进行了多次更新。其中一项协议是开始修订网络汇聚节点的工作，允许网络汇聚节点使用位于网络集中节点的活动设备从4对电缆传输到1对电缆。一般遵循ISO/IEC 11801标准的CENELEC 50173标准也可能采用类似的标准。这将允许4对以太网通信设备拓展成为集中设备，可以选择单对双绞线直接连接到需要4对电缆的设备。另外，四对电缆可以使用有源转换设备在网络汇聚节点上过渡到单对电缆，然后连接到只需要单对电缆的设备。

 

单对双绞线TIA布线标准

        与此同时，为了扩大ANSI/TIA-1005-A的应用范围，两项增加的标准也在开发中。第一部分是将提供用于工业厂房电信网络中使用一对连接性的电缆、连接器、电线、链路和通道的专用说明。它关注于MICE2和MICE3环境，包括电缆和组件性能要求和测试程序，可靠性要求和测试程序，以及适用于四对电缆的指南。第二部分介绍了1000BASE-T1在B型单对链路段(包括MICE2和MICE3环境)上支撑的工业电缆和部件的传输和环境要求。它还将提供满足这些相同应用的传输和环境要求的组件。

        在2017年6月的会议上，TIA TR42批准了一份附录，为ANSI/TIA-568.0- d添加单平衡双绞线用例、拓扑和体系结构。附录提供了在建筑物中部署单对电缆的指南；另外，它还为解决智能建筑系统(IBS)的使用问题进行阐述。TR42还批准了第二个项目是在ANSI/TIA-862-B智能建筑系统标准中增加关于单对的补充。

        2017年6月，TIA TR42.7也解决了对元器件、链接和渠道的详细需求。该集团批准了一项双绞线电缆和元件标准，该标准为非工业电信网络中使用单对连接的电缆、连接器、电线、链路和通道提供特殊的规格。该标准侧重于MICE1环境，包括布线和组件性能和可靠性的要求和测试程序，以及从适配器到四对双绞线布线的指南。

 

单双绞线供电的标准也在进行中

        这些标准机构继续加强单对双绞线的电力传输能力。2016年，IEEE通过了802.3bu-2016《单平衡双绞线以太网的数据线(PoDL)物理层和管理参数标准》。标准支持100BASE-T1和1000BASE-T1，这是最新的单平衡双绞线以太网物理层，使用无屏蔽双绞线。它提供了一种支持多电压的电源传输协议，在每个电压下支持多级别的电源传输，并保证了对标识设备签名的故障保护和检测能力，以及与设备直接通信，以确定准确和安全的电源传输。

        下面是PoDL电源设备的目前功率分类：

        当部署100BASE-T1或1000BASE-T1时，PoDL允许使用的单对以太网能够在24规格的双绞线上提供15米的可靠功率和数据。PoDL技术是非常通用的，它可以工作在未来的速度下。随着目前50瓦时的最大容量的增加，它可以扩展到更长的范围，并可以支持未来不同速度的物理操作。

        802.3bu背后的主要推动力是来自汽车行业的兴趣，该行业正朝着用于自动传输线路的单对以太网标准迈进。与工业领域相比，在诸如单对以太网联盟和开放设备供应商协会等行业的支持下，涉及单对以太网的自动化应用程序和标准已经有了长足的进步。但是，802.3bu也有很大的希望进一步应用到广泛的行业和快速增长的物联网生态系统中。在其他方面，利用它们在汽车工业应用中的经验，也可以为单对电缆和连接器制造商创造了机会。

    最后，IEC和TIA目前正在研究支持单对连接的组件标准。这些都正在开发中，以支持工业、汽车和企业环境中不同用例的连接需求。箱内连接器可以使用IP20 RJ45以太网连接器。机器上的连接器连接IP67 M8，这在工业应用中很常见，而汽车公司通常有他们自己的专有连接器，已用于汽车线束。

 

单双绞线现在意味着什么

        考虑到单对以太网所提供的功能，这项技术也不是万能的。它的数据速率和承载能力的有限。这两个条件也将限制最大段和连接跨度，在决定如何和在何处部署时必须考虑到这一点；例如，像LED照明这样的应用，需要更高的功率但是较低的数据传输速度。相比之下，多频带和多天线无线接入点等应用是数据密集型的，需要高功率输出。

        在越来越多的连接设备中，功率效率的提高可能进一步促进单对以太网的广泛使用。智能建筑和过程自动化开发的一个主要焦点是减少连接设备的电力需求。这不仅使整个设施节省了大量的电力，还允许使用低压结构电缆网络。因此，将在未来几年需要部署的许多连接设备的直流电源，可以通过今天的PoDL标准所设定的50瓦的最大值来满足。

        研究还表明，单对以太网的数据传输能力将更有可能满足大多数连接设备的需求，或者至少是目前已知的设备。根据物联网公司调查，86%的物联网设备每月通信流量不足3兆。

        然而，四对或单对以太网之间的讨论并不意味着干掉对方。这些连接选择不一定是相互排斥的。在许多情况下，它们可以共存以支持相同的应用。单对以太网可以将设备连接到最近的汇聚点，在汇聚点和机房之间可以使用四对以太网。这两种类型的电缆都适用于现有的网络设计模型，如通用连接性网格。

 

结论

        也许没有哪一种趋势或技术能像物联网那样让人兴奋或焦虑。它对工作场所产生的影响最大。现在没有办法确切地知道15年甚至5年以后连接起来的景观会是什么样子。我们知道，各种类型和大小的企业都将依靠它们的IT和设备管理团队，来解决如何连接和支持数十亿传感器、控制和其他需要的设备的问题。

        解决方案并不局限于任何单一的技术或平台，而是一系列高度有效的基础设施解决方案，它们可以根据企业和应用程序的需求进行混合和匹配。在这个工具箱中肯定会有传统的四对以太网电缆，以及一系列低压连接性组件来补充它。

        网络工程师也应该考虑单根平衡双绞线。在过去的几年里，单对以太网赢得了许多原始设备制造商、电缆供应商和标准组织的支持，这些组织认为在正确的应用中使用它是一种有效的解决方案。

        由于现有的数据速率(10Mbps、100Mbps和1000Mbps)多种多样，而且出现了更高的数据速率，单对以太网是健壮的、有能力的，而且越来越受欢迎。它轻便的特性提供了一个高效的方式将物联网的低功耗、低数率设备连接起来，网络解决方案工程师需要将它们智能的连接，以满足即将到来的挑战。