على الرغم من الاستخدام الواسع النطاق لشبكات Ethernet، تظل تقنيات الاتصال المستندة إلى DSL ذات صلة حتى يومنا هذا. حتى الآن، يمكن العثور على DSL في شبكات الميل الأخير لتوصيل معدات المشتركين بشبكات مزودي الإنترنت، ومؤخرًا يتم استخدام التكنولوجيا بشكل متزايد في بناء الشبكات المحلية، على سبيل المثال، في التطبيقات الصناعية، حيث يعمل DSL كمكمل لشبكة Ethernet أو الشبكات الميدانية على أساس RS-232/422/485. يتم استخدام حلول صناعية مماثلة بنشاط في الدول الأوروبية والآسيوية المتقدمة.
DSL هي مجموعة من المعايير التي تم تصميمها في الأصل لنقل البيانات الرقمية عبر خطوط الهاتف. تاريخيًا، أصبحت أول تقنية للوصول إلى الإنترنت ذات النطاق العريض، لتحل محل DIAL UP وISDN. يرجع التنوع الكبير لمعايير DSL الموجودة حاليًا إلى حقيقة أن العديد من الشركات، بدءًا من الثمانينيات، حاولت تطوير وتسويق التكنولوجيا الخاصة بها.
يمكن تقسيم كل هذه التطورات إلى فئتين كبيرتين - التقنيات غير المتماثلة (ADSL) والمتماثلة (SDSL). يشير عدم التماثل إلى تلك التي تختلف فيها سرعة الاتصال الوارد عن سرعة حركة المرور الصادرة. ونعني بالتماثل أن سرعات الاستقبال والإرسال متساوية.
المعايير غير المتماثلة الأكثر شهرة وانتشارًا هي في الواقع ADSL (في الإصدار الأخير - ADSL2+) وVDSL (VDSL2)، المتماثل - HDSL (ملف تعريف قديم) وSHDSL. تختلف جميعها عن بعضها البعض من حيث أنها تعمل بترددات مختلفة وتستخدم طرق تشفير وتعديل مختلفة على خط الاتصال المادي. كما تختلف طرق تصحيح الأخطاء، مما يؤدي إلى مستويات مختلفة من المناعة ضد الضوضاء. ونتيجة لذلك، فإن كل تقنية لها حدودها الخاصة في سرعة ومسافة نقل البيانات، بما في ذلك الاعتماد على نوع الموصل وجودته.
حدود معايير DSL المختلفة
في أي تقنية DSL، ينخفض معدل نقل البيانات مع زيادة طول الكابل. ومن الممكن الحصول على سرعات تصل إلى عدة مئات من الكيلوبتات على مسافات بعيدة، ولكن عند نقل البيانات على مسافة تزيد عن 200-300 متر، تتوفر أقصى سرعة ممكنة.
من بين جميع التقنيات، يتمتع SHDSL بميزة جدية تجعل من الممكن استخدامه في التطبيقات الصناعية - الحصانة العالية للضوضاء والقدرة على استخدام أي نوع من الموصلات لنقل البيانات. وهذا ليس هو الحال مع المعايير غير المتماثلة، وتعتمد جودة الاتصال بشكل كبير على جودة الخط المستخدم لنقل البيانات. وعلى وجه الخصوص، يوصى باستخدام كابل هاتف ملتوي. في هذه الحالة، الحل الأكثر موثوقية هو استخدام كابل ضوئي بدلاً من ADSL وVDSL.
أي زوج من الموصلات المعزولة عن بعضها البعض مناسب لـ SHDSL - النحاس والألمنيوم والفولاذ وما إلى ذلك. يمكن أن تكون وسيلة النقل عبارة عن أسلاك كهربائية قديمة أو خطوط هاتف قديمة أو أسوار من الأسلاك الشائكة وما إلى ذلك.
اعتماد سرعة نقل البيانات SHDSL على المسافة ونوع الموصل
من الرسم البياني لسرعة نقل البيانات مقابل المسافة ونوع الموصل المعطى لـ SHDSL، يمكنك أن ترى أن الموصلات ذات المقطع العرضي الكبير تسمح لك بنقل المعلومات عبر مسافة أكبر. بفضل هذه التكنولوجيا، من الممكن تنظيم الاتصالات على مسافة تصل إلى 20 كيلومترًا بأقصى سرعة ممكنة تبلغ 15.3 ميجا بايت / ثانية لكابل مكون من سلكين أو 2 ميجا بايت لكابل مكون من 30 أسلاك. في التطبيقات الحقيقية، يمكن ضبط سرعة النقل يدويًا، وهو أمر ضروري في ظروف التداخل الكهرومغناطيسي القوي أو ضعف جودة الخط. في هذه الحالة، لزيادة مسافة الإرسال، من الضروري تقليل سرعة أجهزة SHDSL. لحساب السرعة بدقة اعتمادًا على المسافة ونوع الموصل، يمكنك استخدام برامج مجانية مثل .
لماذا تتمتع SHDSL بحصانة عالية من الضوضاء؟
يمكن تمثيل مبدأ تشغيل جهاز الإرسال والاستقبال SHDSL في شكل مخطط كتلة، حيث يتم تمييز جزء محدد ومستقل (ثابت) من وجهة نظر التطبيق. يتكون الجزء المستقل من الكتل الوظيفية PMD (المتوسط المادي) وPMS-TC (طبقة TC المادية المتوسطة المحددة)، في حين يتضمن الجزء المحدد طبقة TPS-TC (طبقة TC الخاصة ببروتوكول النقل) وواجهات بيانات المستخدم.
يمكن أن يوجد الارتباط المادي بين أجهزة الإرسال والاستقبال (STUs) كزوج واحد أو عدة كبلات زوجية مفردة. في حالة أزواج الكابلات المتعددة، تحتوي وحدة STU على عدة أجهزة PMD مستقلة مرتبطة بجهاز PMS-TC واحد.
النموذج الوظيفي لجهاز الإرسال والاستقبال SHDSL (STU)
تعتمد وحدة TPS-TC على التطبيق الذي يُستخدم فيه الجهاز (Ethernet، RS-232/422/485، وما إلى ذلك). وتتمثل مهمتها في تحويل بيانات المستخدم إلى تنسيق SHDSL، وإجراء تعدد الإرسال/إزالة تعدد الإرسال وضبط الوقت لعدة قنوات لبيانات المستخدم.
وعلى مستوى PMS-TC، يتم تشكيل إطارات SHDSL ومزامنتها، بالإضافة إلى التخليط وإزالة التخليط.
تقوم وحدة PMD بوظائف تشفير/فك تشفير المعلومات، والتعديل/إزالة التشكيل، وإلغاء الصدى، وتفاوض المعلمات على خط الاتصال وإنشاء اتصالات بين أجهزة الإرسال والاستقبال. على مستوى PMD يتم تنفيذ العمليات الرئيسية لضمان مناعة الضوضاء العالية لـ SHDSL، بما في ذلك تشفير TCPAM (تشفير التعريشة مع تعديل النبض التناظري)، وهي آلية تشفير وتعديل مشتركة تعمل على تحسين الكفاءة الطيفية للإشارة مقارنة بوحدة منفصلة طريقة. يمكن أيضًا تمثيل مبدأ تشغيل وحدة PMD في شكل رسم تخطيطي وظيفي.
مخطط كتلة وحدة PMD
ويعتمد TC-PAM على استخدام المشفر التلافيفي الذي يولد تسلسلاً زائداً من البتات على جانب المرسل SHDSL. في كل دورة ساعة، يتم تعيين بتة مزدوجة (dibit) عند الخرج لكل بتة تصل إلى مدخل المشفر. وبالتالي، على حساب التكرار القليل نسبيًا، يتم زيادة مناعة ضوضاء الإرسال. يتيح لك استخدام تعديل Trellis تقليل عرض النطاق الترددي لنقل البيانات المستخدمة وتبسيط الأجهزة مع الحفاظ على نفس نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
مبدأ تشغيل جهاز تشفير التعريشة (TC-PAM 16)
يتم تشكيل البت المزدوج من خلال عملية إضافة منطقية modulo-2 (حصريًا أو) استنادًا إلى بتة الإدخال x1(tn) والبتات x1(tn-1)، x1(tn-2)، وما إلى ذلك. (يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى 20 منهم في المجموع)، والتي تم استلامها عند إدخال جهاز التشفير من قبل وظلت مخزنة في سجلات الذاكرة. في دورة الساعة التالية للمشفر tn+1، سيتم إزاحة البتات في خلايا الذاكرة لإجراء عملية منطقية: ستنتقل البتة x1(tn) إلى الذاكرة، مما يؤدي إلى تحويل التسلسل الكامل للبتات المخزنة هناك.
خوارزمية التشفير التلافيفية
جداول الحقيقة لوحدة عملية الجمع 2
من أجل الوضوح، من المناسب استخدام مخطط حالة المشفر التلافيفي، والذي يمكنك من خلاله معرفة الحالة التي يكون فيها المشفر في بعض الأوقات tn، tn+1، وما إلى ذلك. اعتمادا على البيانات المدخلة. في هذه الحالة، تعني حالة التشفير زوجًا من قيم بت الإدخال x1(tn) والبت في خلية الذاكرة الأولى x1(tn-1). لإنشاء رسم تخطيطي، يمكنك استخدام رسم بياني، توجد في قممه حالات محتملة للمشفر، ويتم الإشارة إلى التحولات من حالة إلى أخرى بواسطة بتات الإدخال المقابلة x1(tn) ووحدات الإخراج $inline$y ₀y ₁(ر ₀)$مضمنة$.
مخطط الحالة والرسم البياني الانتقالي لجهاز التشفير التلافيفي للمرسل
في جهاز الإرسال، بناءً على البتات الأربعة المستقبلة (بتتي خرج من المشفر وبتتي بيانات)، يتم تشكيل رمز، يتوافق كل منها مع السعة الخاصة به للإشارة المعدلة لمغير النبض التناظري.
حالة AIM ذات 16 بت تعتمد على قيمة الحرف ذو الأربع بتات
على جانب مستقبل الإشارة، تحدث العملية العكسية - إزالة التشكيل والاختيار من الكود الزائد (بتات مزدوجة y0y1(tn)) للتسلسل المطلوب من بتات الإدخال لجهاز التشفير x1(tn). يتم تنفيذ هذه العملية بواسطة وحدة فك ترميز Viterbi.
تعتمد خوارزمية وحدة فك التشفير على حساب مقياس الخطأ لجميع حالات التشفير المتوقعة المحتملة. يشير مقياس الخطأ إلى الفرق بين البتات المستلمة والبتات المتوقعة لكل مسار محتمل. إذا لم تكن هناك أخطاء في الاستقبال، فسيكون قياس خطأ المسار الحقيقي 0 لأنه لا يوجد اختلاف في البتات. بالنسبة للمسارات الخاطئة، سيختلف المقياس عن الصفر، وسيزداد باستمرار، وبعد مرور بعض الوقت، ستتوقف وحدة فك التشفير عن حساب المسار الخاطئ، ولم يتبق سوى المسار الصحيح.
مخطط حالة التشفير المحسوب بواسطة جهاز فك تشفير Viterbi الخاص بالمستقبل
ولكن كيف تضمن هذه الخوارزمية الحصانة من الضوضاء؟ بافتراض أن المتلقي قد تلقى البيانات عن طريق الخطأ، سيستمر مفكك التشفير في حساب مسارين بقياس خطأ قدره 1. ولن يعد المسار ذو قياس خطأ 0 موجودًا. لكن الخوارزمية سوف تتوصل إلى استنتاج حول المسار الصحيح لاحقًا بناءً على البتات المزدوجة التالية المستلمة.
عند حدوث الخطأ الثاني، ستكون هناك مسارات متعددة بمقياس 2، ولكن سيتم تحديد المسار الصحيح لاحقًا بناءً على طريقة الاحتمالية القصوى (أي الحد الأدنى للمقياس).
يتم حساب مخطط حالة التشفير بواسطة وحدة فك ترميز Viterbi عند تلقي البيانات التي تحتوي على أخطاء
في الحالة الموضحة أعلاه، على سبيل المثال، نظرنا في خوارزمية نظام 16 بت (TC-PAM16)، والتي تضمن إرسال ثلاث بتات من المعلومات المفيدة وبت إضافية للحماية من الأخطاء في رمز واحد. يحقق TC-PAM16 معدلات بيانات من 192 إلى 3840 كيلوبت في الثانية. من خلال زيادة عمق البت إلى 128 (تعمل الأنظمة الحديثة مع TC-PAM128)، يتم نقل ستة بتات من المعلومات المفيدة في كل رمز، وتتراوح السرعة القصوى القابلة للتحقيق من 5696 كيلوبت في الثانية إلى 15,3 ميجابت في الثانية.
إن استخدام تعديل النبض التناظري (PAM) يجعل SHDSL مشابهًا لعدد من معايير Ethernet الشائعة، مثل جيجابت 1000BASE-T (PAM-5)، أو 10 جيجابت 10GBASE-T (PAM-16) أو إيثرنت صناعي أحادي الزوج 2020BASE -T10L الواعد لعام 1 (PAM-3).
SHDSL عبر شبكات إيثرنت
توجد أجهزة مودم SHDSL مُدارة وغير مُدارة، ولكن هذا التصنيف لا يشترك كثيرًا مع التقسيم المعتاد إلى أجهزة مُدارة وغير مُدارة، الموجودة، على سبيل المثال، لمحولات Ethernet. يكمن الاختلاف في أدوات التكوين والمراقبة. يتم تكوين أجهزة المودم المُدارة عبر واجهة ويب ويمكن تشخيصها عبر SNMP، بينما يمكن تشخيص أجهزة المودم غير المُدارة باستخدام برامج إضافية عبر منفذ وحدة التحكم (بالنسبة لـ Phoenix Contact، يعد هذا برنامج PSI-CONF مجانيًا وواجهة USB صغيرة). على عكس المحولات، يمكن لأجهزة المودم غير المُدارة أن تعمل في شبكة ذات هيكل حلقي.
بخلاف ذلك، فإن أجهزة المودم المُدارة وغير المُدارة متطابقة تمامًا، بما في ذلك الوظيفة والقدرة على العمل وفقًا لمبدأ التوصيل والتشغيل، أي دون أي تكوين أولي.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن تجهيز أجهزة المودم بوظائف الحماية من زيادة التيار مع القدرة على تشخيصها. يمكن أن تشكل شبكات SHDSL مقاطع طويلة جدًا، ويمكن أن تعمل الموصلات في الأماكن التي يمكن أن تحدث فيها زيادة في الفولتية (اختلافات محتملة ناتجة عن تفريغ البرق أو دوائر قصيرة في خطوط الكابلات القريبة). يمكن أن يتسبب الجهد المستحث في تدفق تيارات تفريغ تبلغ كيلو أمبير. لذلك، لحماية المعدات من مثل هذه الظواهر، يتم دمج أجهزة SPD في أجهزة المودم على شكل لوحة قابلة للإزالة، والتي يمكن استبدالها إذا لزم الأمر. يتم توصيل خط SHDSL بالكتلة الطرفية لهذه اللوحة.
علوم الهندسة اللاكمية
باستخدام SHDSL عبر Ethernet، من الممكن إنشاء شبكات بأي طوبولوجيا: نقطة إلى نقطة، وخط، ونجمة، وحلقة. في الوقت نفسه، اعتمادًا على نوع المودم، يمكنك استخدام خطوط اتصال مكونة من سلكين و2 أسلاك للاتصال.
طبولوجيا شبكة إيثرنت على أساس SHDSL
من الممكن أيضًا إنشاء أنظمة موزعة ذات طوبولوجيا مدمجة. يمكن أن يحتوي كل مقطع من شبكة SHDSL على ما يصل إلى 50 مودمًا، ومع الأخذ في الاعتبار القدرات المادية للتكنولوجيا (المسافة بين أجهزة المودم 20 كم)، يمكن أن يصل طول المقطع إلى 1000 كم.
إذا تم تثبيت مودم مُدار على رأس كل مقطع، فيمكن تشخيص سلامة المقطع باستخدام SNMP. بالإضافة إلى ذلك، تدعم أجهزة المودم المُدارة وغير المُدارة تقنية VLAN، أي أنها تسمح لك بتقسيم الشبكة إلى شبكات فرعية منطقية. الأجهزة أيضًا قادرة على العمل مع بروتوكولات نقل البيانات المستخدمة في أنظمة الأتمتة الحديثة (Profinet، Ethernet/IP، Modbus TCP، وما إلى ذلك).
حجز قنوات الاتصال باستخدام SHDSL
يتم استخدام SHDSL لإنشاء قنوات اتصال زائدة عن الحاجة في شبكة Ethernet، وغالبًا ما تكون قنوات بصرية.
SHDSL والواجهة التسلسلية
تتغلب أجهزة المودم SHDSL ذات الواجهة التسلسلية على القيود المتعلقة بالمسافة والطوبولوجيا وجودة الموصل الموجودة في الأنظمة السلكية التقليدية القائمة على أجهزة الإرسال والاستقبال غير المتزامنة (UART): RS-232 - 15 م، وRS-422 وRS-485 - 1200 م.
توجد أجهزة مودم ذات واجهات تسلسلية (RS-232/422/485) لكل من التطبيقات العالمية والتطبيقات المتخصصة (على سبيل المثال، Profibus). تنتمي جميع هذه الأجهزة إلى فئة "غير مُدارة"، وبالتالي يتم تكوينها وتشخيصها باستخدام برامج خاصة.
علوم الهندسة اللاكمية
في الشبكات ذات الواجهة التسلسلية، باستخدام SHDSL، من الممكن إنشاء شبكات ذات طبولوجيا نقطة إلى نقطة وخط ونجمة. ضمن الهيكل الخطي، من الممكن دمج ما يصل إلى 255 عقدة في شبكة واحدة (لـ Profibus - 30).
في الأنظمة التي تم إنشاؤها باستخدام أجهزة RS-485 فقط، لا توجد قيود على بروتوكول نقل البيانات المستخدم، ولكن طبولوجيا الخط والنجمة غير معتادة بالنسبة إلى RS-232 وRS-422، وبالتالي فإن تشغيل الأجهزة الطرفية على شبكة SHDSL ذات طبولوجيا مماثلة ممكن فقط في وضع أحادي الاتجاه. في الوقت نفسه، في الأنظمة التي تحتوي على RS-232 وRS-422، يجب توفير عنونة الأجهزة على مستوى البروتوكول، وهو أمر غير معتاد بالنسبة للواجهات المستخدمة غالبًا في الشبكات من نقطة إلى نقطة.
عند توصيل الأجهزة بأنواع مختلفة من الواجهات عبر SHDSL، من الضروري مراعاة حقيقة أنه لا توجد آلية واحدة لإنشاء اتصال (المصافحة) بين الأجهزة. ومع ذلك، لا يزال من الممكن تنظيم التبادل في هذه الحالة، ولهذا يجب استيفاء الشروط التالية:
- يجب أن يتم تنسيق الاتصالات والتحكم في نقل البيانات على مستوى بروتوكول نقل بيانات المعلومات الموحد؛
- يجب أن تعمل كافة الأجهزة الطرفية في الوضع أحادي الاتجاه، والذي يجب أن يكون مدعومًا أيضًا بواسطة بروتوكول المعلومات.
يتيح لك بروتوكول Modbus RTU، وهو البروتوكول الأكثر شيوعًا للواجهات غير المتزامنة، تجنب جميع القيود الموضحة وإنشاء نظام واحد بأنواع مختلفة من الواجهات.
طبولوجيا الشبكة التسلسلية على أساس SHDSL
عند استخدام سلكين RS-485 على الجهاز يمكنك إنشاء هياكل أكثر تعقيدًا من خلال دمج أجهزة المودم من خلال ناقل واحد على سكة DIN. يمكن تركيب مصدر طاقة على نفس الناقل (في هذه الحالة، يتم تشغيل جميع الأجهزة عبر الناقل) والمحولات الضوئية من سلسلة PSI-MOS لإنشاء شبكة مدمجة. الشرط المهم لتشغيل مثل هذا النظام هو نفس سرعة جميع أجهزة الإرسال والاستقبال.
ميزات إضافية لـ SHDSL على شبكة RS-485
أمثلة التطبيق
تُستخدم تقنية SHDSL بشكل نشط في المرافق البلدية في ألمانيا. تستخدم أكثر من 50 شركة تخدم أنظمة المرافق في المدينة الأسلاك النحاسية القديمة لتوصيل الأشياء الموزعة في جميع أنحاء المدينة بشبكة واحدة. أنظمة التحكم والمحاسبة الخاصة بإمدادات المياه والغاز والطاقة مبنية بشكل أساسي على SHDSL. ومن بين هذه المدن أولم وماغديبورغ وإنغولشتات وبيليفيلد وفرانكفورت آن دير أودر وغيرها الكثير.
تم إنشاء أكبر نظام قائم على SHDSL في مدينة لوبيك. يحتوي النظام على بنية مدمجة تعتمد على Ethernet الضوئية وSHDSL، ويربط 120 كائنًا بعيدًا عن بعضها البعض ويستخدم أكثر من 50 مودم . يتم تشخيص الشبكة بالكامل باستخدام SNMP. أطول جزء من كالخورست إلى مطار لوبيك يبلغ طوله 39 كم. السبب وراء اختيار الشركة العميلة لـ SHDSL هو أنه لم يكن من المجدي اقتصاديًا تنفيذ المشروع بالكامل على البصريات، نظرًا لتوفر الكابلات النحاسية القديمة.
نقل البيانات عبر حلقة الانزلاق
أحد الأمثلة المثيرة للاهتمام هو نقل البيانات بين الأجسام المتحركة، كما يحدث في توربينات الرياح أو آلات اللف الصناعية الكبيرة. يتم استخدام نظام مماثل لتبادل المعلومات بين وحدات التحكم الموجودة على الجزء الدوار والجزء الثابت للمحطات. في هذه الحالة، يتم استخدام جهة اتصال منزلقة عبر حلقة منزلقة لنقل البيانات. توضح الأمثلة المشابهة أنه ليس من الضروري أن يكون لديك جهة اتصال ثابتة لنقل البيانات عبر SHDSL.
المقارنة مع التقنيات الأخرى
SHDSL مقابل GSM
إذا قارنا SHDSL مع أنظمة نقل البيانات المعتمدة على GSM (3G/4G)، فإن غياب تكاليف التشغيل المرتبطة بالمدفوعات المنتظمة للمشغل للوصول إلى شبكة الهاتف المحمول يتحدث لصالح DSL. مع SHDSL، نحن مستقلون عن منطقة التغطية وجودة وموثوقية الاتصالات المتنقلة في منشأة صناعية، بما في ذلك مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي. مع SHDSL ليست هناك حاجة لتكوين المعدات، مما يسرع تشغيل المنشأة. تتميز الشبكات اللاسلكية بتأخير كبير في نقل البيانات وصعوبة نقل البيانات باستخدام حركة مرور البث المتعدد (Profinet، Ethernet IP).
يتحدث أمن المعلومات لصالح SHDSL بسبب عدم الحاجة إلى نقل البيانات عبر الإنترنت والحاجة إلى تكوين اتصالات VPN لهذا الغرض.
SHDSL مقابل واي فاي
الكثير مما قيل عن GSM يمكن تطبيقه أيضًا على شبكات Wi-Fi الصناعية. إن المناعة المنخفضة للضوضاء، ومسافة نقل البيانات المحدودة، والاعتماد على طوبولوجيا المنطقة، والتأخير في نقل البيانات تتعارض مع شبكة Wi-Fi. العيب الأكثر أهمية هو أمن المعلومات لشبكات Wi-Fi، لأن أي شخص لديه حق الوصول إلى وسيلة نقل البيانات. باستخدام شبكة Wi-Fi، من الممكن بالفعل نقل بيانات Profinet أو Ethernet IP، الأمر الذي قد يكون صعبًا بالنسبة لـ GSM.
SHDSL مقابل البصريات
في الغالبية العظمى من الحالات، تتمتع البصريات بميزة كبيرة على SHDSL، ولكن في عدد من التطبيقات، يسمح لك SHDSL بتوفير الوقت والمال في مد الكابلات الضوئية ولحامها، مما يقلل الوقت المستغرق لتشغيل المنشأة. لا يتطلب SHDSL موصلات خاصة، لأن كابل الاتصال متصل ببساطة بمحطة المودم. نظرًا للخصائص الميكانيكية للكابلات الضوئية، فإن استخدامها محدود في التطبيقات التي تتضمن نقل المعلومات بين الأجسام المتحركة، حيث تكون الموصلات النحاسية أكثر شيوعًا.
المصدر: www.habr.com