Avançando na conectividade de aeronaves com soluções Ethernet de par único (SPE)

A camada física Ethernet (PHY) evoluiu, significativamente, mudando à medida que se movia de escritórios para automóveis e aeronaves. Publicado pela primeira vez em 1983, o padrão inicial do Institute of Electric and Electronics Engineers (IEEE) 802.3 — também conhecido como 10BASE5 — empregou uma camada PHY apelidada de "thicknet" para seu tamanho de cabo pesado que suportava transmissão de 10 Mbs. Os desenvolvimentos subsequentes resultaram em um cabo muito mais fino usando dois pares de fios torcidos sem blindagem no padrão 10BASE-T (publicado em 1990 como IEEE 802.3i).

Os sucessores de 10BASE-T — 100BASE-TX (100 Mbs), 1000BASE-T (1 Gbs) e 10GBASE-T (10 Gbs) — ainda contêm quatro pares de fios torcidos sem blindagem (UTP). O design do cabo evoluiu de Categoria 3 (um cabo UTP de nível de voz para fiação telefônica e 10BASE-T Ethernet) para categoria 6 (usando quatro pares de fios) e para superiores. Para atender às necessidades automotivas e aeronáuticas, os engenheiros continuaram a encolher a camada Ethernet PHY.

Em 2011, a Broadcom Corporation lançou seu padrão BroadR-Reach, permitindo que os fabricantes automotivos padronizassem um protocolo de rede aberto e escalável de 100 Mb/s baseado em Ethernet. O objetivo era acomodar vários sistemas eletrônicos, como sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) para câmeras de retrovisor e dispositivos de infoentretenimento. Um link BroadR-Reach oferece operação bidirecional (full-duplex) a uma taxa de dados de 100 Mbs sobre um único par de fios torcidos em comprimentos de cabo de até 15 m (49 pés). O projeto de dois fios reduz os custos de conectividade e reduz o peso dos cabos quase pela metade em comparação com quatro e oito fios em cabos Ethernet de nível comercial.

O desenvolvimento da tecnologia BroadR-Reach inspirou o grupo de trabalho OPEN Alliance, uma aliança da indústria aberta e sem fins lucrativos, principalmente da indústria automotiva e fornecedores de tecnologia, a definir o 100BASE-T1 como um padrão “Ethernet Automotiva". (Broadcom é um membro promotor da OPEN Alliance que desenvolveu o 100BASE-T1; a TE é um membro adotivo.)

A TE implementou o 100BASE-T1 em uma gama de produtos desenvolvidos especificamente para a Ethernet Automotiva. As únicas diferenças entre os padrões BroadR-Reach e 100BASE-T1 são os tipos de chips PHY usados em ambas as extremidades do link para transmitir dados. Publicada como IEEE 802.3bw em 2015, a especificação 100BASE-T1 também suporta a operação de 100 Mbs em um único cabo de par torcido balanceado.

As vantagens de adaptar a Ethernet Automotiva para aeronaves são facilmente aparentes. O padrão 100BASE-T1 define uma tecnologia robusta de interconexão para ambientes operacionais robustos onde são encontradas mudanças de temperatura e vibração. Ela permite links de rede veiculares econômicos e uma arquitetura de rede distribuída para volumes de dados de médio porte e baixas latências. Também é escalável até o desempenho de 1 Gbps da especificação 1000BASE-T1, com potencial futuro para 5 Gbps usando tecnologias alternativas.

Como mais uma evidência de robustez, o padrão 100BASE-T1 está entre vários padrões IEEE 802.3 SPE posicionados como uma plataforma para a Internet das Coisas Industriais (IIoT). Os desenvolvimentos visam permitir a conectividade da Indústria 4.0, fornecendo simultaneamente dados (Ethernet) e energia remota (Power-over-DataLine) em um cabo de dois fios.

Dado o impulso tecnológico, a transferência dos benefícios do 100BASE-T1 de automóveis para aeronaves foi uma “estupidez”. Assim, a recente especificação de barramento de rede de equipamentos de cabine ARINC 854 desenvolvida pelo Subcomitê de Sistemas de Cabine (CSS) faz referência ao padrão 100BASE-T1. O CSS é organizado sob as regras do Comitê de Engenharia Eletrônica das Companhias Aéreas (AEEC) — operando sob atividades da indústria ARINC (ARINC IA), um programa do SAE Industry Technologies Consortia (SAE ITC).

Como membro do CSS, a TE desenvolveu uma família de produtos 100BASE-T1 para atender às especificações do ARINC 854. O resultado é o sistema de interconexão Mini-ETH — uma solução SPE completa, ponto a ponto, com SWaP significativo e vantagens de desempenho para redes em aviões a jato e aeronaves leves.

O mesmo conhecimento técnico da TE que desenvolveu as interconexões automotivas MATEnet — e uma série de interconexões compatíveis com ARINC para aeronaves — está incorporado na tecnologia Mini-ETH. O resultado é uma plataforma SPE que permite que aeronaves voem e modo mais inteligente e leve.

As interconexões Mini-ETH são descritas sob as especificações ARINC 854 para o Barramento de Rede de Equipamentos de Cabine. Conectores e cabos compatíveis são descritos nas especificações ARINC Parte Dois e Parte Três, respectivamente.

Uma solução de interconexão Mini-ETH reduz o SWaP em arquiteturas de rede de aeronaves de última geração sem comprometer a integridade do sinal ou a confiabilidade da rede. Ele fornece conformidade com sistemas de conexão elétrica (EWIS), juntamente com vantagens significativas de SWaP, desempenho e implementação.

Quanto poderia uma solução de interconexão Mini-ETH contribuir para a redução do peso das aeronaves? Vejamos o exemplo anterior sobre o peso da fiação e foco na parte da Ethernet da fiação em um jato comercial de fuselagem ampla. Se uma solução de cabo/conector Mini-ETH reduz o peso da fiação Ethernet em 50%, isso reduziria a carga em 50 kg (110 lb). Se esse peso fosse eliminado, os custos anuais de combustível seriam reduzidos em US$ 3.185 por aeronave⁷. No futuro, se o design dos componentes aviônicos passarem a adotar uma abordagem distribuída e modular, como está sendo discutido atualmente, uma solução de interconexão Mini-ETH também apoiará e permitirá economias para esses desenvolvimentos.

As seguintes vantagens fornecidas pela tecnologia MiniETH se aplicam ao design atual da rede de cabines:

• Peso e Desempenho do Conector: o design dos conectores Mini-ETH se baseia no sucesso dos conectores da série DEUTSCH 369 da TE, uma família de conectores retangulares compatíveis com EWIS que fornecem uma solução robusta em um pequeno envelope. O design do conector da série 369 foi baseado nos conectores da série DEUTSCH DMC-M da TE, na clássica cabine modular e no design aviônico usado em aplicações aeroespaciais por quase três décadas. Além da compactação, o design do conector da série 369 também fornece engate interno e um recurso de botão de pressão ergonômico que reduz o tempo de instalação e danos ao conector e à aeronave durante a instalação. O design também oferece recursos adicionais de segurança que fornecem camadas extras de proteção aos sistemas de aeronaves. Os conectores Mini-ETH oferecem uma economia de peso de até 41% em comparação com conectores D-sub típicos. Essa redução pode eliminar até 20 kg (44 lbs) ou mais por plano, dependendo da configuração e dos requisitos da rede e de outras aplicações da aeronave. 
• Peso e Tamanho do Cabo:  comparado com o cabo quadrático de 4 fios comumente usado para 100 Mbs Ethernet ou cabo octal com oito fios AWG usados em cabos comuns Categoria 5e e 6a, o cabo Mini-ETH de dois fios é até 73% mais leve (Figura 1). As dimensões menores dos cabos Mini-ETH com fio 26 AWG melhoram a utilização do espaço. Por exemplo, a mudança de um cabo quadraxial com quatro fios 24 AWG para um cabo Mini-ETH com dois fios 26 AWG reduz o diâmetro do cabo em aproximadamente 15%. A construção da capa de cabos Mini-ETH é baseada na longa experiência da TE com componentes dielétricos espumados de alta temperatura extrudados de precisão Raychem. Os materiais da capa de cabo são de baixo teor de fumaça, atendem aos requisitos de inflamabilidade da FAR Parte 25, e aos requisitos de toxicidade impostos pelos principais fabricantes de aeronaves. O cabeamento Mini-ETH é descrito sob os termos da Especificação de Cabos ARINC 800 Parte 3. Antecipando o desenvolvimento das normas ARINC, os cabos Mini-ETH também são provisionados para futura operação de até 1.000 Mbs. 
• Comprimento do Link: os links Mini-ETH são certificados para operação de 100 Mbs a 15 m (49 pés) de comprimento. As provisões futuras permitirão comprimentos de 40 m (131 pés) e velocidades de até 1.000 Mbs. 
• Contatos Robustos e Conchas Leves: os conectores Mini-ETH empregam contatos padrão da especificação militar AS39029 — um design de alto desempenho adequado para ambientes adversos. Esses contatos miniaturizados são particularmente robustos contra a vibração. A carcaça do conector é construída a partir de materiais robustos com resistência semelhante ao aço, mas 40% mais leve. A combinação de materiais compostos e contatos usinados permite o funcionamento em temperaturas entre -55 °C (131 °F) e até 175 °C (347 °F) — adequadas para ambientes de cabine de aeronaves.