SPE y el futuro del entretenimiento a bordo
El sistema de interconexión Mini-ETH proporciona ventajas de tamaño, peso y rendimiento para Aircraft Ethernet
Los pasajeros y las tripulaciones de hoy están aumentando sus expectativas en cuanto al entretenimiento a bordo (IFE), la supervisión de la seguridad y otros dispositivos electrónicos de aeronaves. Como resultado, los diseñadores se enfrentan al desafío de aumentar el rendimiento, reducir el volumen y aumentar la estandarización en las redes de cabinas. Pero los diseñadores de aeronaves no pueden enfrentar estos desafíos con los estándares actuales de capa física de Ethernet. El mundo automotriz encontró su solución en la norma 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) para Ethernet de un par (SPE). Ahora esta norma ha sido mencionada en la norma ARINC 854 de bus de red de equipos de cabina, que se publicará próximamente y que ya está implementada en los productos Mini-ETH de TE Connectivity (TE). Gracias a esta evolución de Ethernet, la solución del Mini-ETH SPE puede ayudar a satisfacer los exigentes desafíos de conectividad, tamaño, peso y potencia (SWaP) en las aeronaves actuales y futuras
DESAFÍOS PARA LA CONECTIVIDAD DE LAS AERONAVES
Las aeronaves de hoy llevan más electrónica que nunca. Los diseñadores deben instalar pantallas, sensores, centros de datos, conmutadores, matrices de unidades de estado sólido (SSD), computadoras, servidores IFE y otros componentes electrónicos en todo el fuselaje y la cabina. Todos esos componentes electrónicos requieren mucho cableado. Un informe señala que ensartar todo el cableado en un avión de pasajeros de fuselaje ancho de extremo a extremo llegaría de Londres a Amsterdam o de St. Louis a Chicago, casi 480 kilómetros (300 millas) de largo1. El informe estima que el peso combinado del cableado y los arneses relacionados asciende a 7400 kg (16,280 libras). Ese peso es casi el tres por ciento del peso máximo de despegue de un avión Airbus A330-2002. El exceso de peso afecta significativamente el rendimiento del combustible. Por ejemplo, considera un avión Boeing B747-400 de fuselaje ancho que vuela una longitud promedio de etapa de 5000 millas náuticas durante 3000 horas de vuelo por año. Llevar el peso del cableado y los conectores (1814 kg/4000 lbs) consume casi 60,000 galones de combustible para aviones cada año3. El costo anual de esa cantidad de combustible es de casi $115,800 USD4. El CO₂ emitido por la quema de esa cantidad de combustible asciende a 2,785,200 kg (1,266,000 lbs) anualmente5 equivalente a las emisiones de 124 vehículos de pasajeros6. Para ser más sostenible, la red de cabinas de los aviones tiene que evolucionar, volviéndose más inteligente y cada vez más ligera. Se están desarrollando e implementando conceptos estandarizados de diseño de red de cabinas para abordar los desafíos de SWaP y conectividad. Las arquitecturas distribuidas modulares y escalables prometen una mayor flexibilidad que las topologías clásicas de red de TI centralizadas. También se están considerando sistemas inalámbricos que pueden conectar transceptores, antenas y baterías. El punto de partida para las opciones de conectividad actuales y futuras es el protocolo de red Ethernet. Gracias a su versatilidad, asequibilidad y estándares abiertos universalmente aceptados, Ethernet está evolucionando en la capa física para soportar las necesidades de SWaP y el rendimiento de las redes de cabinas de aviones modernas.
Transición de Ethernet de las oficinas a automóviles y aeronaves
La capa física de Ethernet (PHY) ha evolucionado significativamente, al pasar de las oficinas a automóviles y aeronaves. Publicado por primera vez en 1983, la norma inicial 802.3 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), también conocido como 10BASE5, empleó una capa PHY apodada "thicknet" por su gran tamaño de cable que admitía una transmisión de 10 Mbs. Los desarrollos posteriores dieron como resultado un cable mucho más delgado utilizando dos pares de cable trenzado sin blindaje en el estándar 10BASE-T (publicado en 1990 como IEEE 802.3i).
Los sucesores de 10BASE-T, 100BASE-TX (100 Mbs), 1000BASE-T (1 Gbs) y 10GBASE-T (10 Gbs), todavía contienen cuatro pares de cables trenzados sin blindaje (UTP). El diseño del cable evolucionó de la Categoría 3 (un cable UTP de grado de voz para cableado telefónico y Ethernet 10BASE-T) a la Categoría 6 (utilizando cuatro pares de cables) y posteriores. Para adaptarse a las necesidades automotrices y aeronáuticas, los ingenieros han continuado reduciendo la capa Ethernet PHY.
En 2011, Broadcom Corporation lanzó su estándar BroadR-Reach que permite a los fabricantes de automóviles estandarizar en un protocolo de red abierto y escalable basado en Ethernet de 100 Mb/s. El objetivo era acomodar múltiples sistemas electrónicos, como sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) para cámaras de visión trasera y dispositivos de información y entretenimiento. Un enlace BroadR-Reach ofrece un funcionamiento bidireccional (dúplex completo) a una velocidad de datos de 100 Mbs a través de un solo par de cables trenzados en longitudes de cable de hasta 15 m (49 pies). El diseño de dos hilos reduce los costos de conectividad y reduce el peso del cable casi a la mitad en comparación con los cables Ethernet de cuatro y ocho cables de grado comercial.
El desarrollo de la tecnología BroadR-Reach inspiró al grupo de trabajo OPEN Alliance, una alianza industrial abierta sin fines de lucro compuesta principalmente por la industria automotriz y proveedores de tecnología, para definir 100BASE-T1 como un estándar "Ethernet automotriz". (Broadcom es un miembro promotor de la OPEN Alliance que desarrolló 100BASE-T1; TE es un miembro adoptivo).
TE implementó 100BASE-T1 en una gama de productos desarrollados específicamente para Ethernet automotriz. Las únicas diferencias entre los estándares BroadR-Reach y 100BASE-T1 son los tipos de chips PHY utilizados en ambos extremos del enlace para transmitir datos. Publicada como IEEE 802.3bw en 2015, la especificación 100BASE-T1 también admite la operación de 100 Mbs a través de un cable de par trenzado balanceado.
Las ventajas de adaptar el Ethernet automotriz para aeronaves son evidentes. El estándar 100BASE-T1 define una tecnología de interconexión resistente para entornos operativos difíciles donde se encuentran cambios de temperatura y vibraciones. Permite enlaces de red rentables en el vehículo y una arquitectura de red distribuida para volúmenes de datos de tamaño mediano y bajas latencias. También es escalable hasta el rendimiento de 1 Gb/s de la especificación 1000BASE-T1, con potencial futuro de 5 Gb/s utilizando tecnologías alternativas.
Como prueba adicional de resistencia, el estándar 100BASE-T1 se encuentra entre varios estándares IEEE 802.3 SPE posicionados como una plataforma para el Internet Industrial de las cosas (IIoT). Los desarrollos tienen como objetivo permitir la conectividad de la Industria 4.0 mediante la entrega simultánea de datos (Ethernet) y energía remota (Potencia sobre línea de datos) a través de un cable de dos hilos.
Dado el impulso tecnológico, transferir las ventajas de 100BASE-T1 de los automóviles a los aviones fue una "obviedad". Por ello, la reciente especificación ARINC 854 de bus de red de equipos de cabina desarrollada por el Subcomité de Sistemas de Cabina (CSS) hace referencia al estándar 100BASE-T1. CSS está organizado bajo el Comité de Ingeniería Electrónica de Aerolíneas (AEEC), que opera bajo ARINC Industry Activities (ARINC IA), un programa de SAE Industry Technologies Consortia (SAE ITC).
Como miembro del CSS, TE desarrolló una familia de productos 100BASE-T1 para cumplir con las especificaciones ARINC 854. El resultado es el sistema de interconexión Mini-ETH, una solución SPE de punto a punto, de extremo a extremo con importantes ventajas de SWaP y rendimiento para redes en aviones de pasajeros y aeronaves ligeras.
Obtención de nuevas ventajas de rendimiento y SWaP con el sistema de interconexión Mini-ETH
La misma experiencia en TE que desarrolló las interconexiones automotrices MATEnet y una gran cantidad de interconexiones compatibles con ARINC para aeronaves, está incorporada en la tecnología Mini-ETH. El resultado es una plataforma de SPE que permite a las aeronaves volar de forma más inteligente y ligera.
Las interconexiones Mini-ETH se describen en las especificaciones ARINC 854 para el bus de red de equipo de cabina. Los conectores y cables compatibles se describen en las especificaciones ARINC Parte Dos y Parte Tres, respectivamente.
Una solución de interconexión Mini-ETH reduce el SWaP en arquitecturas de red de aeronaves de próxima generación sin comprometer la integridad de la señal o la fiabilidad de la red. Proporciona el cumplimiento de sistemas de interconexión de cableado eléctrico (EWIS) junto con importantes ventajas de SWaP, rendimiento e implementación.
Ahorro de peso significativo y ventaja de ahorro de combustible
¿Cuánto podría contribuir una solución de interconexión Mini-ETH a la reducción del peso de la aeronave? Veamos el ejemplo anterior sobre el peso del cableado y centrémonos en la parte del cableado de Ethernet en un avión comercial de fuselaje ancho. Si una solución de cable/conector Mini-ETH reduce el peso del cableado Ethernet en un 50 %, eso reduciría la carga en 50 kg (110 lb). Si se eliminara tanto peso, los costos anuales de combustible se reducirían en $3185 por aeronave7. En el futuro, si el diseño de aviónica se traslada a un enfoque distribuido y modular como se está discutiendo actualmente, una solución de interconexión Mini-ETH también apoyará y permitirá ahorros para esos desarrollos.
Las siguientes ventajas proporcionadas por la tecnología Mini-ETH se aplican al diseño actual de la red de cabinas:
- Peso y rendimiento del conector: el diseño de los conectores Mini-ETH se basa en el éxito de los conectores de la serie DEUTSCH 369 de TE, una familia de conectores rectangulares compatibles con EWIS que proporcionan una solución resistente en un sobre pequeño. El diseño del conector de la serie 369 se basó en los conectores de la serie DEUTSCH DMC-M de TE, el clásico diseño modular de cabina y aviónica utilizado en aplicaciones aeroespaciales durante casi tres décadas. Además de la compacidad, el diseño del conector de la serie 369 también proporciona un enganche interno y una función ergonómica de botón que reduce el tiempo de instalación y el daño tanto al conector como a la aeronave durante la instalación. El diseño también ofrece características de seguridad adicionales que proporcionan capas adicionales de protección a los sistemas de las aeronaves. Los conectores Mini-ETH ofrecen hasta un 41 por ciento de ahorro de peso en comparación con los conectores D-subtípicos. Esta reducción puede eliminar hasta 20 kg (44 lbs) o más por avión, dependiendo de la configuración y los requisitos de la red y otras aplicaciones de la aeronave.
- Peso y tamaño del cable: en comparación con el cable cuadraxial de 4 hilos comúnmente utilizado para Ethernet de 100 Mbs o cable octal con ocho cables de 24 AWG utilizados en el cable común de categoría 5e y 6a, el cable Mini-ETH de dos hilos es hasta un 73 por ciento más ligero (Figura 1). Las dimensiones más pequeñas de los cables Mini-ETH con cable de 26 AWG mejoran el aprovechamiento del espacio. Por ejemplo, cambiar de un cable cuadraxial con cuatro cables de 24 AWG a un cable Mini-ETH con dos cables de 26 AWG reduce el diámetro del cable en aproximadamente un 15 por ciento. La construcción de la cubierta de los cables Mini-ETH se basa en la larga experiencia de TE con los dieléctricos espumados de alta temperatura extruidos con precisión de Raychem. Los materiales de la cubierta son de baja emisión de humo, cumplen con los requisitos de inflamabilidad de FAR Parte 25 y los requisitos de toxicidad impuestos por los principales fabricantes de aviones. El cableado Mini-ETH se describe en ARINC 800 Parte 3 Especificación de cables. Al prever un mayor desarrollo de los estándares ARINC, los cables Mini-ETH también se aprovisionan para operaciones futuras de hasta 1000 Mbs.
- Longitud del enlace: Los enlaces Mini-ETH están certificados para una operación de 100 Mbs a longitudes de 15 m (49 pies). Las disposiciones futuras permitirán longitudes y velocidades de hasta 1000 Mbs de 40 m (131 pies).
- Contactos robustos y carcasas ligeras: los conectores Mini-ETH emplean contactos Mil-Spec AS39029 estándar, un diseño de alto rendimiento adecuado para entornos hostiles. Estos contactos miniaturizados son particularmente robustos contra la vibración. La carcasa del conector está construida con materiales resistentes con una resistencia similar al acero, pero un 40 por ciento más ligero. La combinación de materiales compuestos y contactos mecanizados permite el funcionamiento en temperaturas entre -55 °C (131 °F) y hasta 175 °C (347 °F), adecuado para entornos de cabina de aeronaves.
Casi un 70 % más rápido
Ventajas de rendimiento: ancho de banda, velocidad, integridad de la señal, resistencia a la diafonía, Emi y a la caída de rayos:
Ancho de banda y velocidad: mientras cumple con la adopción ARINC 854 de las especificaciones 100BASE-T1, el sistema de interconexión MiniETH está calificado para operación de 200 MHz y 100 Mbs a longitudes de enlace de 15 m (49 pies). A medida que surgen las necesidades futuras del mercado, existe una hoja de ruta para admitir velocidades de datos de 1 Gbs y 10 Gbs, enlaces de hasta 40 m (131 pies) de largo y frecuencias de más de 750 MHz. La hoja de ruta también incluye nuevos diseños de conectores para acomodar frecuencias y velocidades más altas, y ya contempla el uso de 1000BASE-T1 para la industria aeroespacial en longitudes en tramos más largos.
Integridad de la señal: los enlaces Mini-ETH han superado las pruebas de 100 Mbs en un total de seis conexiones y pases. La impedancia, el retardo de propagación, la pérdida de inserción (IL), la pérdida de retorno (RL) y la pérdida de conversión longitudinal (LCL)/la pérdida de transferencia de conversión longitudinal (LCTL) cumplen con los requisitos de 100BASE-T1.
Diafonía: la configuración del par de alambre trenzado en los cables Mini-ETH minimiza inherentemente la diafonía, proporcionando las mismas propiedades de reducción de ruido de diafonía comunes con los enlaces de 100BASE-T1.
EMI: la inmunidad Mini-ETH a la interferencia electromagnética (EMI) también se alinea con las especificaciones de 100BASE-T1.
Caída de rayos: además de admitir las características estándar de la señal eléctrica, un sistema de interconexión de aeronaves también debe hacer frente a los rayos como parte de sus requisitos de rendimiento. Los sistemas de interconexión Mini-ETH son capaces de soportar ataques típicos de hasta 3.6 kA.
Ventajas de implementación: emparejamiento fácil y terminaciones rápidas
Acoplamiento: el sistema de interconexión Mini-ETH con conectores de la serie TE DEUTSCH 369 satisface la necesidad de conectividad de la cabina de la aeronave de acuerdo con las mejores prácticas de EWIS. Basados en conectores EN4165/ARINC 809, los conectores Mini-ETH están disponibles en 3, 6 y 9 posiciones en un perfil compacto para adaptarse a una variedad de aplicaciones. La instalación y el mantenimiento del cableado son fáciles gracias a las opciones de clave codificadas por colores individuales. Cada mitad acoplada del conector se puede configurar con contactos macho o hembra, duplicando las configuraciones de claves disponibles. La forma rectangular de los conectores y las nervaduras integradas permiten un apilamiento que ahorra espacio. Las bridas para cables se pueden utilizar para un montaje versátil sin necesidad de sujetadores de bloqueo adicionales. La interfaz de contacto protegido es particularmente adecuada para condiciones de acoplamiento ciego o de baja visibilidad. Un mecanismo de enganche de botón asegura los conectores acoplados con un clic audible para confirmar una conexión completa.
Tiempo de conexión: en comparación con un conector quadrax típico con un tiempo de conexión de 15 a 20 minutos por par, conectar un conector MiniETH 369 toma de 2 a 5 minutos, casi un 70 por ciento más rápido. Más importante aún, el solo par de cables hace que las terminaciones Mini-ETH sean menos complejas y propensas a errores.
Ventajas de los sistemas de valor agregado
Diseño de arneses: como proveedor líder mundial de conectividad para la industria aeroespacial, TE puede proporcionar arneses completamente ensamblados como una solución integrada de "extremo a extremo". Se pueden proporcionar conectores y cables para satisfacer los requisitos exigentes del cliente y minimizar el costo aplicado. TE apoya todas las fases de un proyecto EWIS, desde el diseño hasta el prototipo y la producción, ofreciendo un diseño experto, pruebas, fabricación y soporte de la cadena de suministro con la responsabilidad de una "ventanilla única". Los ingenieros de TE pueden ofrecer información valiosa sobre el diseño de componentes y ensamblajes interconectados, guiando a los usuarios a la solución adecuada para su aplicación específica. Con el software HarnWare de TE, los diseñadores pueden producir dibujos de ensamblaje de arneses de cables de alta calidad, listas de piezas/materiales, estimaciones de mano de obra, dibujos de la plataforma del conector, esquemas de cableado y más.
Pruebas: TE mantiene laboratorios de pruebas específicos para aislamiento y protección (I&P), conectores y accesorios (C&F), accesorios para cables, materiales y otras áreas. Los rigurosos protocolos de prueba aseguran que los productos cumplirán con los exigentes requisitos de durabilidad y rendimiento.
Fabricación: todas las instalaciones de fabricación de TE están certificadas bajo el estándar AS9000 Aerospace Basic Quality System, validando métodos de clase mundial que cumplen con los estrictos requisitos del sistema de calidad de la industria aeroespacial. Además de fabricar componentes discretos, TE también ofrece ensamblajes completos, como Commercial-Off-The-Shelf (COTS) y Plug & Play, que están listos para instalar y completamente probados para cumplir con los requisitos de ARINC 854.
Cadena de suministro: la unidad de negocios TE Aerospace, Defense and Marine ofrece una cadena de suministro totalmente integrada para conjuntos de cables, que abarca alambre y cable, tubos, piezas moldeadas, dispositivos, carcasas posteriores, conectores e identificación. Los productos TE incluyen marcas fácilmente disponibles y reconocidas en la industria, como Raychem, DEUTSCH, Polamco y AMP.
Conexión de una solución Ethernet de un par Mini-ETH a tu proyecto
Al comienzo de un proyecto de diseño, es valioso ver las interconexiones de manera integral como parte del sistema. EVERY CONNECTION COUNTS para reducir el SWaP de las aeronaves y garantizar la fiabilidad de la red Ethernet. El sistema de interconexión Mini-ETH ofrece una familia integrada de productos descritos bajo los estándares Aerospace ARINC. Con la amplia gama de Mini-ETH, los diseñadores pueden lograr el equilibrio óptimo entre rendimiento, costo y SWaP. Y con una herencia en aplicaciones automotrices, de energía y aeroespaciales, TE ofrece información práctica para ayudar a los diseñadores a manejar los exigentes desafíos de conectividad. Aproveche nuestra experiencia en el diseño, fabricación e implementación de todos los componentes a lo largo del cable de la aeronave conectada: sensores, monitores, sistemas IFE, transceptores de video, antenas wifi, enlaces de datos y más. Nuestra solución de interconexión SPE Mini-ETH de alto rendimiento puede ayudar a que tu proyecto de conectividad Ethernet de aeronaves funcione de manera más inteligente y ligera.
