Предаване на данни на разстояние до 20 км по обикновени проводници? Лесно, ако това е SHDSL...

Въпреки широкоразпространеното използване на мрежи Ethernet, DSL технологиите все още запазват своята значимост и днес. DSL все още може да се срещне в мрежите на последната миля за свързване на клиентското оборудване с мрежите на интернет доставчиците, а напоследък технологията все по-често се използва при изграждането на локални мрежи, например в промишлени приложения, където DSL служи като допълнение на Ethernet или на полеви мрежи, основаващи се на RS-232/422/485. Подобни индустриални решения активно се прилагат в развитите европейски и азиатски страни.

DSL представлява семейство стандарти, които първоначално са били предназначени за предаване на цифрови данни по телефонни линии. Исторически това стана първата технология за широколентов достъп до интернет, идваща на мястото на DIAL UP и ISDN. Голямото разнообразие от съществуващите в момента стандарти DSL е свързано с факта, че много компании от 80-те години насам са се опитвали да разработят и наложат на пазара собствена технология.

Всички тези разработки могат да се разделят на две основни категории – асиметрични (ADSL) и симетрични (SDSL) технологии. Асиметричните включват тези, при които скоростта на входящата връзка се различава от скоростта на изходящия трафик. Симетричните технологии означават, че скоростите за приемане и предаване са равни.

Най-известните и разпространени асиметрични стандарти са, разбира се, ADSL (в последната редакция – ADSL2+) и VDSL (VDSL2), а симетрични – HDSL (устарял профил) и SHDSL. Те се различават помежду си по това, че работят на различни честоти и използват различни методи за кодиране и модулация на физическата линия. Също така, методите за корекция на грешки се различават, което осигурява различно ниво на устойчивост на смущения. В резултат на това всяка технология има свои лимити по скорост и разстояние на предаване на данни, включително в зависимост от типа и качеството на проводника.

Гранични параметри на различни стандарти DSL

При всяка DSL технология, скоростта на предаване на данни намалява с увеличаване на дължината на проводника. На гранични разстояния е възможно да се постигне скорост от няколко стотин килобита, но при предаване на данни на 200-300 м е налична максималната възможна скорост.

Сред всички технологии, SHDSL има сериозно предимство, което позволява нейното прилагане в индустриални приложения — висока устойчивост на смущения и възможност за предаване на данни през всякакъв тип проводник. В асиметричните стандарти това не е така, а качеството на връзката до голяма степен зависи от качеството на линията, използвана за предаване на данни. По-специално се препоръчва да се използва усукан телефонен кабел. В този случай, по-надеждно решение вместо ADSL и VDSL е използването на оптичен кабел.

За SHDSL е подходяща всяка двойка изолирани проводници — медни, алуминиеви, стоманени и др. Като среда за предаване могат да се използват стари електрически инсталации, стари телефонни линии, бодлива тел от огради и др.

Зависимост на скоростта на предаване на данни от SHDSL спрямо дистанцията и типа проводник

От графика на зависимостта на скоростта на предаване на данни от дистанцията и типа проводник, представен за SHDSL, може да се види, че проводниците с по-голямо сечение позволяват предаване на информация на по-голямо разстояние. Благодарение на технологията е възможно да се организира комуникация на разстояние до 20 км при максимална възможна скорост от 15.3 Мб/с за 2-жилен кабел или 30 Мб за 4-жилен. В реални приложения скоростта на предаване може да бъде настроена ръчно, което е необходимо при условия на силни електромагнитни смущения или лошо качество на линията. В този случай, за увеличаване на разстоянието на предаване е необходимо да се намали скоростта на работа на SHDSL устройствата. За точно изчисление на скоростта в зависимост от дистанцията и типа проводник може да се използват безплатни софтуерни средства, като SHDSL-калкулатор от Phoenix Contact.

Какво прави SHDSL с висока устойчивост на смущения?

Принципът на работа на приемопредавателя SHDSL може да бъде представен като блок-схема, в която се различава специфична и независима (инвариантна) част от гледна точка на приложението. Независимата част се състои от функционални блокове PMD (Зависим от физическото средство) и PMS-TC (TC слой, специфичен за физическото средство), докато специфичната част включва нивото TPS-TC (TC слой, специфичен за протокола за предаване) и интерфейсите за потребителски данни.

Физическата комуникационна линия между приемопредавателите (STU) може да съществува под формата на един проводник или няколко единични проводника. В случай на няколко проводници, STU съдържа няколко независими блока PMD, свързани с единствен PMS-TC.

Функционалната модел на SHDSL приемопредавателя (STU)

Модулът TPS-TC зависи от приложението, в което се използва устройството (Ethernet, RS-232/422/485 и др.). Неговата задача е преобразуването на потребителските данни в SHDSL формат, извършва се мултиплексиране/демултиплексиране и корекция на времето на няколко канала на потребителски данни.

На нивото PMS-TC се извършва образуването на SHDSL кадри и тяхната синхронизация, както и скремблиране и дескремблиране.

Модулът PMD изпълнява функции по кодиране/декодиране на информация, модулация/демодулация, подавяне на еха, съгласуване на параметрите на комуникационната линия и установяване на свъзка между приемопредавателите. На нивото PMD се извършват основните операции, осигуряващи висока устойчивост на шум на SHDSL, включително TCPAM кодиране (Трелис кодиране с аналогово-импулсна модулация), механизмът за съвместно кодиране и модулация, при който се подобрява спектралната ефективност на сигнала в сравнение с отделния метод. Принципът на работа на модула PMD също може да бъде представен като функционална диаграма.

Блок-схема на модула PMD

В основата на TC-PAM е използването на конволюционен кодер, който формира излишна последователност от битове от страна на SHDSL предавателя. На всеки такт на работа на кодера, всеки бит, постъпващ на входа, получава двойно значение (дибит) на изхода. По този начин, с сравнително малко изобилие се увеличава устойчивостта на предаване на смущения. Използването на Треллис модулация позволява да се намали необходимата честотна лента за предаване на данни и да се опрости хардуерната част при непроменено отношение сигнал/шум.

Принцип на работа на Треллис кода (TC-PAM 16)

Двойният бит се образува в резултат на логическа операция на събиране по модул 2 (изключващо "или") на базата на входния бит x1(tn) и битовете x1(tn-1), x1(tn-2) и т.н. (може да ги има до 20), които са постъпвали на входа на кода преди това и са останали в регистрите на паметта. На следващия такт на работа на кода tn+1 ще се случи изместване на битовете в паметовите клетки за извършване на логическата операция: бит x1(tn) ще се премести в паметта, измествайки цялата съхранявана там последователност от битове.

Алгоритъм на конволюционния кодер

Таблици на истинността за операцията на събиране по модул 2

За нагледност е удобно да се използва диаграма на състоянието на конволюционния кодер, по която може да се види в какво състояние се намира кодерът в моментите tn, tn+1 и т.н. в зависимост от входните данни. Под състояние на кода в този случай се подразбира двойката стойности на входния бит x1(tn) и битa в първата клетка на паметта x1(tn-1). За построяването на диаграмата може да се използва граф, в чийто върхове са възможните състояния на кода, а преходите от едно състояние в друго са обозначени с съответните входни битове x1(tn) и изходните дибити $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.

Диаграма на състоянията и граф на преходите на конволюционния кодер на предавателя

В предавателя на база на получените четири бита (двата изходни бита на кода и двата бита на данните) се формира символ, на който съответства собствена амплитуда на модулиращия сигнал на аналогово-импулсния модулятор.

Състояние на 16-битовия АИМ в зависимост от стойността на четирибитния символ

На приемната страна на сигнала се случва обратният процес – демодулация и извличане от излишния код (двойни битове y0y1(tn)) на необходимата последователност от входните битове на кодера x1(tn). Тази операция се изпълнява от декодера Витерби.

Алгоритъмът на декодера се основава на изчисляване на метрика на грешките за всички възможни предполагаеми състояния на кодера. Под метриката на грешките се разбира разликата между получените битове и предполагаемите битове за всеки възможен път. Ако няма грешки при получаването, метриката на грешките на истинския път ще бъде 0, тъй като не съществува разминаване по битовете. За фалшивите пътища метриката ще бъде различна от нула, постоянно ще нараства и след известно време декодерът ще спре да изчислява грешния път, оставяйки само истинския.

Диаграма на състоянията на кодера, изчислявана от декодера Витерби на приемника

Но как този алгоритъм осигурява устойчивост на смущения? Ако приемем, че приемникът е приел данни с грешка, декодерът ще продължи да изчислява два пъти с метрика на грешките 1. Пътят с метрика 0 вече няма да съществува. Но извода за това, кой път е истински, алгоритъма ще направи по-късно на базата на следващите приемани двойни битове.

Ако възникне втори грешен бит, ще има няколко пъти с метрика 2, но правилният път ще бъде идентифициран по-късно на базата на метода на максималната правдоподобност (тоест минималната метрика).

Диаграма на състоянията на кодера, изчислявана от декодера Витерби, при приемане на данни с грешки

В горепосочения случай за пример беше разгледан алгоритъм на 16-битова система (TC-PAM16), осигуряваща предаване на три бита полезна информация и допълнителен бит за защита от грешки в един символ. В TC-PAM16 е възможна скорост на предаване от 192 до 3840 kbps. При увеличаване на разрядността до 128 (съвременните системи работят с TC-PAM128) в всеки символ се предават шест бита полезна информация, а максималната постижима скорост е от 5696 kbps до 15,3 Mbps.

Използването на аналого-импулсна модулация (PAM) свързва SHDSL с редица популярни стандарти на Ethernet, като гигабитен 1000BASE-T (PAM-5), 10-гигабитен 10GBASE-T (PAM-16) или обещаващ за 2020 година индустриален еднопарен Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3).

SHDSL в мрежите Ethernet

Различават се управлявани и неуправлявани SHDSL модеми, но в подобна класификация има малко общо с познатото разделение на управлявани и неуправлявани устройства, което съществува, например, за Ethernet комутатори. Разликата е в средствата за конфигуриране и мониторинг. Управляваните модеми се настройват чрез уеб интерфейс и могат да бъдат диагностицирани по SNMP, а неуправляваните – с допълнителен софтуер през конзолния порт (за Phoenix Contact това е безплатната програма PSI-CONF и интерфейс mini-USB). В отличие от комутаторите, неуправляваните модеми могат да работят в мрежа с кръгова топология.

В останалата част управляваните и неуправляваните модеми са абсолютно идентични, включително функционалност и възможност за работа по принципа Plug&Play, тоест без никакво предварително конфигуриране.

Допълнително на модемите могат да бъдат възложени функции за защита от импулсни пренапрежения с възможност за диагностика. SHDSL мрежите могат да образуват много дълги сегменти и проводниците могат да преминават на места, където е възможно образуването на импулсни пренапрежения (индукция на потенциална разлика, причинена от гръмотевични разряди или къси съединения в близките кабелни линии). Индуцираното напрежение може да провокира протичане на разрядни токове с величина в килоампери. Затова, за защита на оборудването от подобни явления, в модемите се вграждат УЗИП под формата на подменяема платка, която при необходимост може да бъде заменена. Именно към клемника на тази платка се свързва SHDSL линията.

Топологии

С помощта на SHDSL в Ethernet е възможно изграждане на мрежи с всяка топология: точка-точка, линия, звезда и кръг. При това, в зависимост от типа модем, за свързване могат да се използват както 2-проводни, така и 4-проводни линии за връзка.

Топологии на Ethernet мрежата на базата на SHDSL

Също така е възможно изграждане на разпределени системи с комбинирана топология. Всеки сегмент на SHDSL мрежата може да включва до 50 модема и, отчитайки физическите възможности на технологията (разстояние между модемите от 20 км), дължината на сегмента може да достигне 1000 км.

Ако в главата на всеки такъв сегмент се инсталира управляван модем, целостта на сегмента може да се диагностицира по SNMP. Освен това, управляваните и неуправваните модеми поддържат технологията VLAN, което позволява разделянето на мрежата на логически подмрежи. Устройствата също са способни да работят с протоколи за предаване на данни, използвани в съвременните автоматизационни системи (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP и др.).

Резервиране на комуникационни канали с SHDSL

SHDSL се използва за създаване на резервни комуникационни канали в Ethernet мрежи, най-често оптични.

SHDSL и последователен интерфейс

SHDSL модемите с последователен интерфейс позволяват преодоляване на ограниченията по дистанция, топология и качество на проводника, които съществуват за традиционните проводникови системи на базата на асинхронни предаватели (UART): RS-232 — 15 м, RS-422 и RS-485 — 1200 м.

Съществуват модеми с последователни интерфейси (RS-232/422/485) както за универсални приложения, така и за специализирани (например, за Profibus). Всички подобни устройства принадлежат към категорията „неуправляеми“, следователно се настройват и диагностицират с помощта на специализираен софтуер.

Топологии

В мрежи с последователен интерфейс, чрез SHDSL, е възможно изграждане на мрежи с топология точка-точка, линия и звезда. В рамките на линейната топология е възможно обединяването на до 255 узла в една мрежа (за Profibus — 30).

В системи, изградени само с устройства на интерфейс RS-485, няма ограничения по отношение на използвания протокол за предаване на данни, но топологиите тип линия и звезда не са типични за RS-232 и RS-422, поради което работата на крайните устройства в SHDSL мрежа с подобни топологии е възможна само в полудуплексен режим. В системи с RS-232 и RS-422 трябва да бъде осигурена адресация на приборите на ниво протокол, което не е характерно за интерфейсите, най-често използвани в точка-точка мрежи.

При обединяване на устройства с различни типове интерфейси чрез SHDSL, е необходимо да се вземе предвид липсата на единен механизъм за установяване на връзка (ръкостискане) между устройствата. Въпреки това, организирането на обмен в този случай все пак е възможно — за тази цел е необходимо изпълнението на следните условия:

• Съгласуването на връзката и управлението на предаването на данни трябва да се извършва на ниво единен информационен протокол за предаване на данни;
• Всички крайни устройства трябва да функционират в полудуплексен режим, което също трябва да бъде поддържано от информационния протокол.

Най-често срещаният протокол за асинхронни интерфейси Modbus RTU позволява да се избегнат всички описани ограничения и да се построи единна система с различни типове интерфейси.

Топологии на мрежата с последователен интерфейс на базата на SHDSL

При използване на двужилен RS-485 на оборудването Phoenix Contact може да се изградят по-сложни структури, като се комбинират модеми през една шина на DIN-рейка. На същата шина може да бъде инсталиран източник на захранване (в такъв случай захранването на всички устройства се осъществява през шината) и оптични преобразуватели от серия PSI-MOS за създаване на комбинирана мрежа. Важно условие за работата на такава система е еднаквата скорост на всички предаватели и приемници.

Допълнителни възможности на SHDSL в мрежата RS-485

Примери за приложение

SHDSL технологията активно се прилага в градското комунално стопанство в Германия. Повече от 50 компании, обслужващи градските комунални системи, използват стари медни проводници, за да свържат разпределените в града обекти в една мрежа. На SHDSL се изграждат преди всичко системи за управление и отчитане на водоснабдяването, газоснабдяването и енергоснабдяването. Сред тези градове са Улм, Магдебург, Инголщат, Билефелд, Франкфурт на Одер и много други.

Най-мащабната система на базата на SHDSL беше изградена в град Любек. Системата има комбинирана структура на базата на оптичен Ethernet и SHDSL, обединяваща 120 раздалечени обекта и използваща повече от 50 модема Phoenix Contact. Цялата мрежа се диагностицира чрез SNMP. Най-дългият сегмент от община Калькхорст до летището в Любек има дължина 39 км. Причината, поради която компанията-поръчител избра SHDSL, беше, че реализирането на проекта изцяло на оптика беше икономически неизгодно с оглед на наличието на стари медни кабели.

Предаване на данни през контактно пръстен

Интересен пример на предаване на данни между движещи се обекти, например, как е направено при вятърни генератори или в големи индустриални усукателни машини. Подобна система се използва за информационен обмен между контролери, разположени на ротора и статора на установките. В този случай за предаване на данни се използва плъзгащ контакт чрез контактно кольо. Подобни примери показват, че не е задължително да имате статичен контакт за предаване на данни по SHDSL.

Сравнение с други технологии

SHDSL срещу GSM

Ако сравним SHDSL с системи за предаване на данни, основани на GSM (3G/4G), за полза на DSL говори отсъствието на експлоатационни разходи, свързани с редовната такса на оператора за достъп до мобилната мрежа. При SHDSL не зависим от зона на покритие, качество и надеждност на мобилната връзка в индустриалния обект, включително устойчивост на електромагнитни смущения. В SHDSL не е необходимо конфигуриране на оборудването, което ускорява въвеждането на обекта в експлоатация. За безжичните мрежи са характерни големи забавяния при предаване на данни и затруднения при предаването на данни, използващи мултикастов трафик (Profinet, Ethernet IP).

За полза на SHDSL говори информационната сигурност поради отсъствието на необходимост от предаване на данни през Интернет и необходимостта от конфигуриране на VPN връзки за това.

SHDSL срещу Wi-Fi

Много от казаното за GSM може да се отнесе и към индустриалния Wi-Fi. Срещу Wi-Fi говори ниската устойчивост на смущения, ограниченото разстояние за предаване на данни, зависимостта от топологията на местността, забавянията при предаване на данни. Най-важният недостатък – информационната сигурност на Wi-Fi мрежите, тъй като всеки човек има достъп до средата за предаване на данни. С помощта на Wi-Fi вече е възможно предаване на данни Profinet или Ethernet IP, което би било затруднително за GSM.

SHDSL срещу оптика

Оптиката в преобладающата част на случаите предлага значителни предимства в сравнение с SHDSL, но в редица приложения SHDSL спестява време и средства за инсталиране и заваряване на оптични кабели, съкращавайки времето за въвеждане на обекта в експлоатация. За SHDSL не са необходими специални конектори, тъй като комуникационният кабел се свързва директно към клемите на модема. Поради механичните свойства на оптичните кабели, тяхното приложение е ограничено в приложения, свързани с предаване на информация между движещи се обекти, където медните проводници имат по-голямо разпространение.

Източник: habr.com