SPE et l’avenir des divertissements de bord
Le système d’interconnexion Mini-ETH offre des avantages en termes de taille, de poids et de performances pour l’Ethernet dans les avions
Les passagers et les équipages actuels augmentent leurs attentes en matière de divertissements de bord (IFE), de surveillance de la sécurité et d’autres appareils électroniques de bord. En conséquence, les concepteurs sont mis au défi d’améliorer les performances, de réduire l’encombrement et d’accroître la normalisation des réseaux de cabines. Mais les concepteurs d’avions ne peuvent pas relever ces défis avec les normes actuelles de couche physique Ethernet. Le monde de l’automobile a trouvé sa solution dans la norme 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) récemment introduite pour l’Ethernet à paire unique (SPE). Cette norme a maintenant été référencée dans la norme ARINC 854 Cabin Equipment Network Bus bientôt publiée, qui est déjà mise en œuvre dans les produits Mini-ETH de TE Connectivity (TE). Grâce à cette évolution d’Ethernet, la solution SPE Mini-ETH peut aider à relever les défis exigeants en matière de connectivité, mais aussi de taille, poids et puissance (SWaP) dans les avions d’aujourd’hui, et de demain.
DÉFIS LIÉS À LA CONNECTIVITÉ DES AVIONS
Les avions d’aujourd’hui transportent plus d’électronique que jamais. Les concepteurs doivent installer des écrans, des capteurs, des concentrateurs de données, des commutateurs, des baies de disques SSD (Solid-State Drive), des ordinateurs, des serveurs IFE et d’autres composants électroniques dans l’ensemble du fuselage et de la cabine. Tous ces appareils électroniques nécessitent un câblage important. Un rapport note que l’enchaînement de l’ensemble du câblage d’un avion de passagers gros-porteur d’un bout à l’autre irait de Londres à Amsterdam, ou de Saint-Louis à Chicago, soit près de 480 kilomètres (300 miles) de long1. Le rapport estime que le poids combiné du câblage et des faisceaux connexes s’élève à 7 400 kg (16 280 livres). Ce poids représente près de trois pour cent du poids maximal au décollage d’un Airbus A330-2002. L’excès de poids affecte considérablement les performances en matière de carburant. Prenons l’exemple d’un avion gros-porteur Boeing B747-400 effectuant une longueur moyenne de 5 000 milles marins pour 3 000 heures de vol par an. Porter le poids du câblage et des connecteurs (1 814 kg/4 000 livres) consomme près de 60 000 gallons de kérosène chaque année3. Le coût annuel de cette quantité de carburant s’élève à près de 115 800 USD4. Le CO₂ émis par la combustion d’autant de carburant s’élève à 2 785 200 kg (1 266 000 livres) par an5, ce qui équivaut aux émissions de 124 véhicules de tourisme6. Pour être plus durable, le réseau de cabine d’un avion doit évoluer, devenir plus intelligent tout en devenant plus léger. Des concepts normalisés de conception de réseau de cabine sont en cours d’élaboration et de déploiement pour relever les défis SWaP et de connectivité. Les architectures distribuées modulaires et évolutives promettent une plus grande flexibilité que les topologies de réseau informatique centralisées classiques. Des systèmes sans fil capables de connecter des émetteurs-récepteurs, des antennes et des batteries sont également envisagés. Le point de départ des options de connectivité actuelles et futures est le protocole réseau Ethernet. Grâce à sa polyvalence, à son prix abordable et à ses normes ouvertes universellement acceptées, Ethernet évolue au niveau de la couche physique pour prendre en charge les besoins SWaP et de performance des réseaux de cabines des avions modernes.
Transition de l’Ethernet des bureaux vers l’automobile et l’aviation
La couche physique (PHY) Ethernet a considérablement évolué, changeant à mesure qu’elle passait des bureaux aux automobiles et aux avions. Publiée pour la première fois en 1983, la norme 802.3 initiale de l’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), également connue sous le nom de 10BASE5, utilisait une couche PHY surnommée « câble Ethernet épais » pour sa grosse taille de câble qui prenait en charge une transmission de 10 Mb. Les développements ultérieurs ont abouti à un câble beaucoup plus fin utilisant deux paires de fils torsadés non blindés dans la norme 10BASE-T (publiée en 1990 sous le nom IEEE 802.3i).
Les successeurs de la norme 10BASE-T, à savoir 100BASE-TX (100 Mb), 1000BASE-T (1 Go) et 10GBASE-T (10 Go), contiennent toujours quatre paires de fils torsadés non blindés (UTP). La conception des câbles est passée de la catégorie 3 (un câble UTP de qualité vocale pour le câblage téléphonique et Ethernet 10BASE-T) à la catégorie 6 (utilisant quatre paires de fils) et au-delà. Pour répondre aux besoins de l’automobile et de l’aviation, les ingénieurs ont continué à réduire la couche PHY Ethernet.
En 2011, Broadcom Corporation a publié sa norme BroadR-Reach permettant aux constructeurs automobiles d’effectuer une mise aux normes sur un protocole réseau Ethernet ouvert et évolutif de 100 Mbit/s. L’objectif était d’accueillir plusieurs systèmes électroniques, tels que les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS) pour les caméras de recul et les dispositifs d’infodivertissement. Une liaison BroadR-Reach offre un fonctionnement bidirectionnel (duplex intégral) à un débit de données de 100 Mb sur une seule paire de fils torsadés dans des longueurs de câble allant jusqu’à 15 m (49 pieds). La conception à deux fils réduit les coûts de connectivité, ainsi que le poids des câbles de près de moitié par rapport aux câbles Ethernet à quatre et huit fils de qualité commerciale.
Le développement de la technologie BroadR-Reach a inspiré le groupe de travail OPEN Alliance, une alliance industrielle ouverte à but non lucratif composée principalement de fournisseurs de l’industrie automobile et de la technologie, à définir 100BASE-T1 comme une norme « Ethernet automobile ». (Broadcom est un membre promoteur de l’Alliance OPEN qui a développé 100BASE-T1 ; TE est un membre adoptant.)
TE a implémenté 100BASE-T1 dans une gamme de produits développés spécifiquement pour l’Ethernet automobile. Les seules différences entre les normes BroadR-Reach et 100BASE-T1 sont les types de puces PHY utilisées aux deux extrémités de la liaison pour transmettre les données. Publiée sous le nom IEEE 802.3bw en 2015, la spécification 100BASE-T1 prend également en charge un fonctionnement de 100 Mb sur un seul câble à paire torsadée équilibrée.
Les avantages de l’adaptation de l’Ethernet automobile pour les avions sont évidents. La norme 100BASE-T1 définit une technologie d’interconnexion robuste pour les environnements d’exploitation renforcés rencontrant des changements de température et des vibrations. Elle permet des liaisons réseau embarquées rentables et une architecture réseau distribuée pour les volumes de données de taille moyenne et les faibles latences. Elle est également évolutive jusqu’aux performances de 1 Gbit/s de la spécification 1000BASE-T1, avec un potentiel futur de 5 Gbit/s en utilisant d’autres technologies.
Comme preuve supplémentaire de robustesse, la norme 100BASE-T1 fait partie de plusieurs normes SPE IEEE 802.3 positionnées comme une plateforme pour l’Internet industriel des objets (IIoT). Les développements visent à permettre la connectivité de l’industrie 4.0 en fournissant simultanément des données (Ethernet) et une alimentation à distance (Power-over-DataLine) sur un câble à deux fils.
Compte tenu de l’élan technologique, le transfert des avantages de la norme 100BASE-T1 des automobiles aux avions était une évidence. En conséquence, la récente spécification ARINC 854 Cabin Equipment Network Bus développée par le Cabin Systems Subcommittee (CSS) fait référence à la norme 100BASE-T1. Le CSS est organisé sous l’égide du Comité d’ingénierie électronique des compagnies aériennes (AEEC, Airlines Electronic Engineering Committee), lui-même opérant sous l’égide de l’ARINC Industry Activities (ARINC IA), un programme de la SAE Industry Technologies Consortia (SAE ITC).
En tant que membre du CSS, TE a développé une famille de produits 100BASE-T1 pour répondre aux spécifications ARINC 854. Le système d’interconnexion Mini-ETH en est le résultat, une solution SPE point à point de bout en bout avec des avantages significatifs en matière de SWaP et de performances pour les réseaux des avions de ligne et des avions légers.
Réalisation de nouveaux avantages en matière de SWaP et de performance avec le système d’interconnexion Mini-ETH
Le savoir-faire de TE, qui a développé les interconnexions automobiles MATEnet (et une foule d’interconnexions conformes ARINC pour les avions), est représenté dans la technologie Mini-ETH. Cela donne une plateforme SPE qui permet aux avions de voler de manière plus intelligente et plus légère.
Les interconnexions Mini-ETH sont décrites dans les spécifications ARINC 854 pour la norme Cabin Equipment Network Bus. Les connecteurs et câbles compatibles sont décrits dans la deuxième et troisième partie des spécifications ARINC, respectivement.
Une solution d’interconnexion Mini-ETH réduit le SWaP dans les architectures de réseau d’avions de nouvelle génération sans compromettre l’intégrité du signal ou la fiabilité du réseau. Elle fournit une conformité aux systèmes d’interconnexion de câblage électrique (EWIS), ainsi que des avantages significatifs en matière de SWaP, de performances et de mise en œuvre.
Gain de poids important et avantage d’économie de carburant
Dans quelle mesure une solution d’interconnexion Mini-ETH pourrait-elle contribuer à la réduction du poids des avions ? Regardons l’exemple précédent sur le poids du câblage et concentrons-nous sur la partie Ethernet du câblage dans un avion commercial à large fuselage. Si une solution de câble/connecteur Mini-ETH permet de réduire de 50 % le poids du câblage Ethernet, la charge sera réduite de 50 kg (110 livres). Si cette quantité de poids était éliminée, les coûts annuels de carburant seraient réduits de 3 185 $ par avion7. À l’avenir, si la conception avionique passe à une approche distribuée et modulaire comme cela est actuellement en discussion, une solution d’interconnexion Mini-ETH soutiendra et permettra également des économies pour ces développements.
Les avantages suivants offerts par la technologie Mini-ETH s’appliquent à la conception actuelle du réseau de cabine :
- Poids et performances des connecteurs : La conception des connecteurs Mini-ETH repose sur le succès des connecteurs de la série DEUTSCH 369 de TE, une famille de connecteurs rectangulaires conformes à EWIS qui offrent une solution robuste dans une petite enveloppe. La conception des connecteurs de la série 369 reposait elle-même sur les connecteurs de la série DEUTSCH DMC-M de TE, la conception modulaire classique de la cabine et de l’avionique utilisée dans les applications aérospatiales depuis près de trente ans. En plus de sa petite taille, la conception du connecteur de la série 369 offre également un verrouillage interne et une fonction ergonomique de bouton-poussoir, qui réduit le temps d’installation et les dommages au connecteur et à l’avion lors de l’installation. La conception offre également d’autres caractéristiques de sécurité qui fournissent des couches supplémentaires de protection aux systèmes de l’avion. Les connecteurs Mini-ETH permettent jusqu’à 41 % d’économies de poids par rapport aux connecteurs D-sub classiques. Cette réduction peut éliminer jusqu’à 20 kg (44 livres) ou plus par avion selon la configuration et les exigences du réseau et d’autres applications aéronautiques.
- Poids et taille du câble : Par rapport au câble quadraxial à 4 fils couramment utilisé pour le câble Ethernet ou octal 100 Mb avec huit fils 24 AWG utilisé dans les câbles courants de catégorie 5e et 6a, le câble Mini-ETH à deux fils est jusqu’à 73 % plus léger (Figure 1). Les dimensions plus petites des câbles Mini-ETH avec fil 26 AWG améliorent l’utilisation de l’espace. Par exemple, le passage d’un câble quadraxial avec quatre fils 24 AWG à un câble Mini-ETH avec deux fils 26 AWG réduit le diamètre du câble d’environ 15 %. La construction de la gaine des câbles Mini-ETH est fondée sur la longue expérience de TE avec les diélectriques en mousse haute température extrudés de précision de Raychem. Les matériaux de la gaine sont à faible émission de fumée, répondent aux exigences d’inflammabilité de la norme FAR Part 25 et aux exigences de toxicité imposées par les principaux constructeurs aéronautiques. Le câblage Mini-ETH est décrit dans la partie 3 de la norme ARINC 800, qui concerne la spécification des câbles. Anticipant le développement ultérieur des normes ARINC, les câbles Mini-ETH sont également fournis pour un fonctionnement futur jusqu’à 1 000 Mbit/s.
- Longueur de la liaison : Les liaisons Mini-ETH sont certifiées pour un fonctionnement de 100 Mbit/s à des longueurs de 15 m (49 pieds). Les dispositions futures permettront des longueurs de 40 m (131 pieds) et des vitesses allant jusqu’à 1 000 Mbit/s.
- Contacts robustes et capots légers : Les connecteurs Mini-ETH utilisent des contacts Mil-Spec AS39029 standard, une conception hautes performances adaptée aux environnements difficiles. Ces contacts miniaturisés sont particulièrement résistants aux vibrations. Le capot du connecteur est construit à partir de matériaux renforcés avec une résistance similaire à celle de l’acier, mais 40 % plus légère. La combinaison de matériaux composites et de contacts usinés permet un fonctionnement à des températures comprises entre -55 °C (-131 °F) et jusqu’à 175 °C (347 °F), ce qui convient aux environnements de cabine d’avion.
Près de 70 % plus rapide
Avantages en termes de performances : bande passante, vitesse, intégrité du signal, résistance à la diaphonie, interférences électromagnétiques et foudre :
Bande passante et vitesse : Conforme à l’adoption par ARINC 854 des spécifications 100BASE-T1, le système d’interconnexion Mini-ETH répond aux critères d’un fonctionnement de 200 MHz et 100 Mb à des longueurs de liaison de 15 m (49 pieds). À mesure que de nouveaux besoins apparaissent sur le marché, une feuille de route permet de prendre en charge des vitesses de données de 1 Gb et 10 Gb, des liaisons jusqu’à 40 m (131 pieds) de long et des fréquences supérieures à 750 MHz. La feuille de route comprend également de nouvelles conceptions de connecteurs pour s’adapter à des fréquences et des vitesses plus élevées, et envisage déjà 1000BASE-T1 pour l’aérospatiale sur des longueurs d’exécution plus importantes.
Intégrité du signal : Les liaisons Mini-ETH ont passé les tests 100 Mb sur un total de six connexions et passes. L’impédance, le temps de propagation, la perte d’insertion, l’affaiblissement de réflexion et la perte de conversion longitudinale/perte de transfert de conversion longitudinale sont tous conformes aux exigences de 100BASE-T1.
Diaphonie : La configuration de la paire de fils torsadés dans les câbles Mini-ETH minimise intrinsèquement la diaphonie, offrant les propriétés de réduction du bruit de diaphonie communes aux liaisons 100BASE-T1.
Interférences électromagnétiques : L’immunité des câbles Mini-ETH aux interférences électromagnétiques s’aligne également sur les spécifications 100BASE-T1.
Foudre : En plus de prendre en charge les caractéristiques standard des signaux électriques, le système d’interconnexion d’un avion doit également gérer la foudre dans le cadre de ses exigences de performance. Les systèmes d’interconnexion Mini-ETH sont capables de résister à des éclairs classiques allant jusqu’à 3,6 kA.
Avantages de la mise en œuvre : Accouplement facile et terminaisons rapides
Couplage : Le système d’interconnexion Mini-ETH avec connecteurs de la série DEUTSCH 369 de TE répond au besoin de connectivité des cabines d’avion conformément aux meilleures pratiques EWIS. Basés sur les connecteurs EN4165/ARINC 809, les connecteurs Mini-ETH sont disponibles en 3, 6 et 9 positions dans un profil compact pour s’adapter à une variété d’applications. L’installation et la maintenance du câblage sont faciles grâce aux options de clavetage à code couleur individuel. Chaque moitié accouplée du connecteur peut être configurée avec des contacts mâles ou femelles, doublant ainsi les configurations de clavetage disponibles. La forme rectangulaire et les nervures intégrées des connecteurs permettent un empilage peu encombrant. Les attaches de câbles peuvent être utilisées pour un montage polyvalent sans avoir besoin de fixations de verrouillage supplémentaires. L’interface à contacts protégés est particulièrement adaptée aux accouplements aveugles ou aux conditions de faible visibilité. Un mécanisme de verrouillage des boutons sécurise les connecteurs accouplés avec un clic audible pour confirmer une connexion complète.
Délai de terminaison : Par rapport à un connecteur quadrax classique avec un délai de terminaison de 15 à 20 minutes par paire, la terminaison d’un connecteur Mini-ETH 369 prend entre 2 et 5 minutes, soit près de 70 % plus rapidement. Plus important encore, la paire unique de fils rend les terminaisons Mini-ETH moins complexes et sujets aux erreurs
Avantages des systèmes à valeur ajoutée
Conception du faisceau : En tant que fournisseur mondial de connectivité de premier plan pour l’industrie aérospatiale, TE peut fournir des faisceaux entièrement assemblés en tant que solution intégrée « de bout en bout ». Des connecteurs et des câbles peuvent être fournis pour répondre aux exigences des clients tout en minimisant les coûts d’application. TE prend en charge toutes les phases d’un projet EWIS (conception, prototype et production), en offrant un soutien d’expert en matière de conception, de test, de fabrication et de chaîne d’approvisionnement, sous la responsabilité « d’un seul fournisseur ». Les ingénieurs de TE peuvent offrir des informations précieuses sur la conception de composants et d’assemblages interconnectés, guidant les utilisateurs vers la solution adaptée à leur application spécifique. Avec le logiciel HarnWare de TE, les concepteurs peuvent produire des dessins d’assemblage de faisceau de qualité, des listes de pièces / nomenclatures, des estimations de main-d’œuvre, des dessins de plateforme de connecteur, des schémas de câblage, etc.
Tests : TE maintient des laboratoires de test spécifiques pour l’isolation et la protection, les connecteurs et raccords, les accessoires pour câbles, les matériaux et d’autres domaines. Des protocoles de test rigoureux garantissent que les produits répondront à des exigences strictes en matière de durabilité et de performance.
Fabrication : Toutes les installations de fabrication de TE sont certifiées selon la norme AS9000 Aerospace Basic Quality System, validant des méthodes de classe mondiale qui répondent aux exigences strictes du système de qualité de l’industrie aérospatiale. En plus de fabriquer des composants discrets, TE propose également des assemblages Plug & Play complets et prêts à l’emploi, qu’il ne reste qu’à installer et qui sont entièrement testés pour répondre aux exigences ARINC 854.
Chaîne d’approvisionnement : L’unité opérationnelle TE Aérospatiale, Défense et Marine offre une chaîne d’approvisionnement entièrement intégrée pour les câbles préassemblés, englobant les fils et câbles, les tubes, les pièces moulées, les dispositifs, les capots, les connecteurs et l’identification. Les produits TE comprennent des marques facilement disponibles et reconnues par l’industrie, telles que Raychem, DEUTSCH, Polamco et AMP.
Connexion d’une solution Ethernet à paire unique Mini-ETH à votre projet
Au début d’un projet de conception, il est utile d’envisager les interconnexions de manière holistique comme faisant partie du système. CHAQUE CONNEXION COMPTE (EVERY CONNECTION COUNTS) pour réduire le SWaP de l’avion et assurer la fiabilité du réseau Ethernet. Le système d’interconnexion Mini-ETH offre une famille intégrée de produits décrits dans les normes ARINC aérospatiales. Avec la vaste gamme Mini-ETH, les concepteurs peuvent atteindre l’équilibre optimal entre performances, coût et SWaP. Et avec un héritage dans les applications automobiles, énergétiques et aérospatiales, TE offre des informations pratiques pour aider les concepteurs à relever des défis de connectivité exigeants. Tirez parti de notre savoir-faire dans la conception, la fabrication et la mise en œuvre de tous les composants le long du fil de l’avion connecté : capteurs, moniteurs, systèmes IFE, émetteurs-récepteurs vidéo, antennes WiFi, liaisons de données, etc. Notre solution d’interconnexion SPE Mini-ETH hautes performances peut aider votre projet de connectivité Ethernet d’avion à fonctionner de manière plus intelligente et plus légère.
