La arquitectura de red en una planta industrial ha tendido históricamente a la coexistencia: Ethernet en los niveles de control y supervisión, y buses de campo o señales analógicas en el último tramo hacia sensores y actuadores. Single Pair Ethernet (SPE, Ethernet de par único) modifica ese esquema al extender el estándar IEEE 802.3 hasta el nivel de instrumentación mediante un medio físico de dos conductores.
Qué es Single Pair Ethernet
SPE designa al conjunto de especificaciones de capa física de IEEE 802.3 que permiten la transmisión de tramas Ethernet sobre un único par balanceado de conductores, con provisión opcional de energía por ese mismo par. La tecnología se define exclusivamente en la capa 1 (capa física) del modelo OSI, de modo que sobre ella operan sin modificación los protocolos Ethernet habituales. La trama, la subcapa MAC y todo el conjunto de protocolos de capas 3 a 7 permanecen inalterados.
En términos prácticos, SPE no constituye un protocolo nuevo ni un bus de campo alternativo: es un medio físico adicional dentro del mismo estándar Ethernet, optimizado para alcance, peso, volumen de cableado y costo de instalación en lugar de para máximo ancho de banda.
Cómo funciona
El elemento central es el transceptor de capa física (PHY) específico de SPE, que se conecta al controlador MAC a través de las interfaces habituales MII, RMII o RGMII. La señalización es dúplex completo sobre un par, con cancelación de eco en el propio PHY. Cada variante define su esquema de codificación, sus niveles de transmisión y las características eléctricas exigidas al segmento de enlace.
La familia de variantes normalizadas cubre un rango amplio de velocidades y distancias:
| Variante | Norma IEEE | Velocidad | Alcance nominal |
|---|---|---|---|
| 10BASE-T1S | 802.3cg-2019 | 10 Mbit/s | 15 m punto a punto; 25 m multipunto |
| 10BASE-T1L | 802.3cg-2019 | 10 Mbit/s | hasta 1.000 m |
| 100BASE-T1 | 802.3bw-2015 | 100 Mbit/s | 15 m |
| 1000BASE-T1 | 802.3bp-2016 | 1 Gbit/s | 15 m (tipo A) / 40 m (tipo B) |
| 100BASE-T1L | 802.3dg-2026 | 100 Mbit/s | al menos 500 m |
El proyecto IEEE 802.3cg se planteó definir tanto una especificación de corta distancia, punto a punto y multipunto, como una especificación de larga distancia punto a punto de hasta 1.000 metros [1]. La variante de corta distancia admite operación multipunto con hasta ocho nodos sobre un mismo segmento, empleando CSMA/CD o bien el mecanismo de evitación de colisiones a nivel de PHY (PLCA) [1]. La enmienda IEEE 802.3da-2026 amplía ese modo multipunto con una especificación de capa física exclusiva para segmentos compartidos, incorporando soporte para protocolos de sincronización de tiempo y entrega opcional de energía a múltiples dispositivos alimentados sobre el segmento mixto [5]. En el extremo de largo alcance, IEEE 802.3dg-2026 agrega las especificaciones de capa física y los parámetros de gestión para operación a 100 Mbit/s con provisión opcional de energía sobre un par balanceado [6].
La alimentación de los equipos terminales se resuelve mediante Power over Data Line (PoDL), definido en IEEE 802.3bu, que inyecta energía sobre el mismo par que transporta los datos [4].
Infraestructura física normalizada
La interoperabilidad depende de que cable y conector cumplan especificaciones definidas. En cables, la serie IEC 61156 establece los requisitos según tipo de instalación, longitud y velocidad: IEC 61156-11 (instalación fija) e IEC 61156-12 (aplicación flexible) cubren 1 Gbit/s sobre 40 m, mientras que IEC 61156-13 e IEC 61156-14 corresponden a distancias largas de hasta 1.000 m a 10 Mbit/s, con secciones de conductor que van desde 26 AWG hasta 16 AWG [7].
En conectores, la serie IEC 63171 define las caras de acoplamiento. La familia descrita en IEC 63171-6 cubre versiones desde IP20 hasta IP65/67, incluyendo variantes híbridas M8 con contactos separados para datos y energía, y está prevista para su uso con 10BASE-T1, 100BASE-T1 y 1000BASE-T1, opcionalmente con alimentación PoDL [8]. Estas especificaciones se incorporan a las normas de cableado estructurado de la serie ISO/IEC 11801, donde los canales quedan descritos con todos sus parámetros de transmisión y clasificación de entorno MICE, lo que permite verificarlos metrológicamente una vez instalados [9].
Ethernet-APL: SPE en áreas clasificadas
Para la industria de procesos, la aplicación más relevante de SPE es Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Esta capa física emplea 10BASE-T1L de IEEE 802.3cg junto con IEC TS 60079-47 (2-WISE, 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) y es compatible con los métodos de protección contra explosión, incluida la seguridad intrínseca [10]. Mantiene la topología troncal y derivaciones, con una longitud máxima de 1.000 m para el troncal y 200 m para las derivaciones, y emplea el mismo tipo de cable especificado por IEC 61158-2 para redes de bus de campo clásicas [11]. Los perfiles de puerto especifican los niveles de energía y de señal de comunicación, lo que sustenta la interoperabilidad entre conmutadores de campo y dispositivos de campo.
Beneficios
- Reducción del cableado. Dos conductores en lugar de cuatro pares implican menor peso, menor radio de curvatura, canalizaciones más pequeñas y conectores de menor tamaño.
- Alcance sin repetidores. Un enlace de 1.000 m a 10 Mbit/s cubre distancias típicas entre sala de control e instrumentos de campo en plantas de proceso.
- Datos y energía sobre el mismo par. Se elimina el cableado de alimentación independiente para sensores, actuadores, módulos de E/S remota y cámaras de bajo consumo.
- Continuidad de protocolo. Por la independencia entre capas del modelo OSI, no se requiere adaptación alguna para implementar protocolos de capas 3 a 7. Un instrumento con PHY SPE puede exponer directamente PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP u OPC UA.
- Acceso ampliado a información de dispositivo. El ancho de banda disponible permite parametrización, diagnóstico y gestión de activos sin canales de comunicación paralelos.
- Seguridad intrínseca normalizada. El esquema 2-WISE aporta un método de verificación de lazos aplicable en zonas clasificadas.
- Canal verificable. La pertenencia a la serie ISO/IEC 11801 permite certificar la instalación con criterios de aceptación definidos.
Cómo se integra en sistemas existentes
La integración se apoya en que SPE es un medio físico dentro de IEEE 802.3, no un dominio separado. En la práctica se resuelve en cuatro planos:
Infraestructura de conmutación. Los conmutadores de campo con puertos SPE y enlaces ascendentes sobre cobre de cuatro pares o fibra actúan como punto de transición. El tráfico se conmuta en capa 2 sin conversión de protocolo, de modo que la red SPE se comporta como un segmento más de la red industrial existente.
Reutilización del cableado instalado. En instalaciones de proceso con cable tipo A conforme a IEC 61158-2, la topología troncal-derivación y el medio ya desplegado pueden conservarse, lo que acota la intervención a los equipos de campo y a la infraestructura de conmutación.
Ingeniería de red. Al incorporarse instrumentos direccionables, corresponde extender los criterios ya aplicados en la red de planta: plan de direccionamiento IP, segmentación mediante VLAN, dimensionamiento de potencia por perfil de puerto y documentación de los lazos de seguridad intrínseca.
Ciberseguridad. La llegada de Ethernet al nivel de campo amplía el alcance del modelo de zonas y conductos de IEC 62443, por lo que el diseño de segmentación y control de acceso debe incluir explícitamente los segmentos SPE.
Consideración final
Single Pair Ethernet consolida un camino de migración progresivo: permite conservar cableado, topologías y protocolos de aplicación, incorporando a la vez conectividad IP verificable hasta el último elemento de medición. Para las áreas de factory y process automation, el criterio de selección pasa a ser la variante adecuada al alcance y ancho de banda de cada tramo, dentro de un mismo estándar.
Referencias
- IEEE Std 802.3cg-2019 — Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors.
- IEEE Std 802.3bw-2015 — 100BASE-T1.
- IEEE Std 802.3bp-2016 — 1000BASE-T1.
- IEEE Std 802.3bu-2016 — Power over Data Lines (PoDL).
- IEEE Std 802.3da-2026 — Enhancement of 10 Mb/s Operation over Single Balanced Pair Multidrop Segments.
- IEEE Std 802.3dg-2026 — 100 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors.
- IEC 61156-11, -12, -13 y -14 — Cables simétricos para comunicación digital, aplicaciones SPE.
- IEC 63171-6 e IEC 63171-2 — Conectores para SPE.
- ISO/IEC 11801-3 Amd. 1 e ISO/IEC TR 11801-9906 — Canales de cableado de un par.
- IEC TS 60079-47:2021 — Equipment protection by 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet concept (2-WISE).
- IEC 61158-2 — Capa física de bus de campo, cable tipo A.
