Предаване на данни на разстояние до 20 км чрез обикновени кабели? Лесно, ако е SHDSL...

Въпреки широкото използване на Ethernet мрежите, базираните на DSL комуникационни технологии остават актуални и до днес. Досега DSL може да се намери в мрежи от последната миля за свързване на абонатно оборудване към мрежи на интернет доставчици, а напоследък технологията все повече се използва при изграждането на локални мрежи, например в индустриални приложения, където DSL действа като допълнение към Ethernet или полеви мрежи, базирани на RS-232/422/485. Подобни индустриални решения се използват активно в развитите европейски и азиатски страни.

DSL е семейство от стандарти, които първоначално са били замислени за предаване на цифрови данни по телефонни линии. В исторически план това се превърна в първата технология за широколентов достъп до Интернет, която замени DIAL UP и ISDN. Голямото разнообразие от DSL стандарти, които съществуват в момента, се дължи на факта, че много компании, започвайки през 80-те години, се опитват да разработят и пуснат на пазара свои собствени технологии.

Всички тези разработки могат да бъдат разделени на две големи категории – асиметрични (ADSL) и симетрични (SDSL) технологии. Асиметричните се отнасят за тези, при които скоростта на входящата връзка е различна от скоростта на изходящия трафик. Под симетрични имаме предвид, че скоростите на приемане и предаване са еднакви.

Най-известните и широко разпространени асиметрични стандарти всъщност са ADSL (в последното издание - ADSL2+) и VDSL (VDSL2), симетричните - HDSL (остарял профил) и SHDSL. Всички те се различават един от друг по това, че работят на различни честоти и използват различни методи за кодиране и модулация на физическата комуникационна линия. Методите за коригиране на грешки също се различават, което води до различни нива на устойчивост на шум. В резултат на това всяка технология има свои ограничения в скоростта и разстоянието на предаване на данни, включително в зависимост от вида и качеството на проводника.

Ограничения на различни DSL стандарти

Във всяка DSL технология скоростта на трансфер на данни намалява с увеличаване на дължината на кабела. На екстремни разстояния е възможно да се получат скорости от няколкостотин килобита, но при предаване на данни над 200-300 m е налична максималната възможна скорост.

Сред всички технологии, SHDSL има сериозно предимство, което прави възможно използването му в индустриални приложения - висока устойчивост на шум и възможност за използване на всякакъв вид проводник за предаване на данни. Това не е така при асиметричните стандарти и качеството на комуникацията зависи силно от качеството на линията, използвана за предаване на данни. По-специално се препоръчва използването на усукан телефонен кабел. В този случай по-надеждно решение е използването на оптичен кабел вместо ADSL и VDSL.

Всяка двойка проводници, изолирани един от друг, е подходяща за SHDSL - мед, алуминий, стомана и др. Преносната среда може да бъде стара електрическа инсталация, стари телефонни линии, огради от бодлива тел и др.

Зависимост на скоростта на предаване на SHDSL данни от разстоянието и вида на проводника

От графиката на скоростта на трансфер на данни спрямо разстоянието и вида на проводника, дадена за SHDSL, можете да видите, че проводниците с голямо напречно сечение ви позволяват да предавате 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 Mb/s за 2-жилен кабел или 30 Mb за 4-жилен кабел. В реални приложения скоростта на предаване може да се задава ръчно, което е необходимо при условия на силни електромагнитни смущения или лошо качество на линията. В този случай, за да се увеличи разстоянието на предаване, е необходимо да се намали скоростта на SHDSL устройствата. За да изчислите точно скоростта в зависимост от разстоянието и вида на проводника, можете да използвате безплатен софтуер като напр SHDSL калкулатор от Phoenix Contact.

Защо SHDSL има висока устойчивост на шум?

Принципът на работа на SHDSL трансивъра може да бъде представен под формата на блокова схема, в която е разграничена специфична и независима (инвариантна) част от гледна точка на приложението. Независимата част се състои от функционални блокове PMD (Physical Medium Dependent) и PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), докато специфичната част включва TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) слой и интерфейси за потребителски данни.

Физическата връзка между трансивърите (STU) може да съществува като единична двойка или множество единични двойки кабели. В случай на множество двойки кабели, STU съдържа множество независими PMD, свързани с един PMS-TC.

Функционален модел на SHDSL трансивър (STU)

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

На ниво PMS-TC се формират и синхронизират SHDSL рамки, както и кодиране и декодиране.

Модулът PMD изпълнява функциите на кодиране/декодиране на информация, модулация/демодулация, анулиране на ехо, договаряне на параметри по комуникационната линия и установяване на връзки между приемо-предаватели. На ниво PMD се извършват основните операции, за да се осигури висока устойчивост на шум на SHDSL, включително TCPAM кодиране (Trellis кодиране с аналогова импулсна модулация), съвместен механизъм за кодиране и модулация, който подобрява спектралната ефективност на сигнала в сравнение с отделен метод. Принципът на работа на PMD модула може да бъде представен и под формата на функционална схема.

Блокова схема на PMD модул

TC-PAM се основава на използването на конволюционен енкодер, който генерира излишна последователност от битове от страната на SHDSL предавателя. При всеки тактов цикъл на всеки бит, пристигащ на входа на енкодера, се присвоява двоен бит (дибит) на изхода. По този начин, с цената на относително малък излишък, устойчивостта на предаване на шум се увеличава. Използването на модулация Trellis ви позволява да намалите използваната честотна лента за предаване на данни и да опростите хардуера, като същевременно поддържате същото съотношение сигнал/шум.

Принцип на работа на енкодера Trellis (TC-PAM 16)

Двойният бит се формира чрез логическа операция по добавяне по модул-2 (изключващо или) въз основа на входния бит x1(tn) и битовете x1(tn-1), x1(tn-2) и т.н. (общо могат да бъдат до 20), които са постъпили на входа на енкодера преди това и са останали съхранени в регистрите на паметта. При следващия тактов цикъл на енкодера tn+1, битовете ще бъдат изместени в клетките на паметта, за да извършат логическа операция: бит x1(tn) ще се премести в паметта, измествайки цялата последователност от битове, съхранени там.

Алгоритъм на конволюционния енкодер

Таблици на истинност за операция събиране по модул 2

За по-голяма яснота е удобно да използвате диаграма на състоянието на конволюционен енкодер, от която можете да видите в какво състояние е енкодерът в моменти tn, tn+1 и т.н. в зависимост от входните данни. В този случай състоянието на енкодера означава двойка стойности на входния бит x1(tn) и бита в първата клетка от паметта x1(tn-1). За да конструирате диаграма, можете да използвате графика, в чиито върхове има възможни състояния на енкодера, а преходите от едно състояние към друго се обозначават със съответните входни битове x1(tn) и изходни битове $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.

Диаграма на състоянието и графика на прехода на конволюционен енкодер на предавател

В предавателя, въз основа на четирите получени бита (два изходни бита на енкодера и два бита данни), се формира символ, всеки от които съответства на собствената си амплитуда на модулиращия сигнал на аналогово-импулсния модулатор.

Състояние на 16-битовия AIM в зависимост от стойността на четирибитовия знак

От страна на приемника на сигнала протича обратният процес - демодулация и селекция от излишния код (двойни битове y0y1(tn)) на необходимата последователност от входни битове на енкодера x1(tn). Тази операция се извършва от декодер Viterbi.

Алгоритъмът на декодера се основава на изчисляване на показател за грешка за всички възможни очаквани състояния на енкодера. Показателят за грешка се отнася до разликата между получените битове и очакваните битове за всеки възможен път. Ако няма грешки при получаване, тогава показателят за грешка на истинския път ще бъде 0, тъй като няма отклонение на битовете. За фалшивите пътища показателят ще се различава от нула, ще се увеличава постоянно и след известно време декодерът ще спре да изчислява грешния път, оставяйки само истинския.

Диаграма на състоянието на енкодера, изчислена от декодера Viterbi на приемника

Но как този алгоритъм гарантира устойчивост на шум? Ако приемем, че приемникът е получил данните по погрешка, декодерът ще продължи да изчислява два пътя с показател за грешка 1. Пътят с показател за грешка 0 вече няма да съществува. Но алгоритъмът ще направи заключение за това кой път е верен по-късно въз основа на следващите получени двойни битове.

Когато възникне втората грешка, ще има множество пътища с показател 2, но правилният път ще бъде идентифициран по-късно въз основа на метода на максималната вероятност (т.е. минималния показател).

Диаграма на състоянието на енкодера, изчислена от декодера на Viterbi при получаване на данни с грешки

В описания по-горе случай като пример разгледахме алгоритъма на 16-битова система (TC-PAM16), който осигурява предаването на три бита полезна информация и допълнителен бит за защита от грешки в един символ. TC-PAM16 постига скорости на данни от 192 до 3840 kbps. Чрез увеличаване на дълбочината на битовете до 128 (модерните системи работят с TC-PAM128), във всеки символ се предават шест бита полезна информация, а максималната постижима скорост варира от 5696 kbps до 15,3 Mbps.

Използването на аналогова импулсна модулация (PAM) прави SHDSL подобен на редица популярни Ethernet стандарти, като гигабитов 1000BASE-T (PAM-5), 10-гигабитов 10GBASE-T (PAM-16) или индустриален Ethernet с една двойка 2020BASE -T10L, който е обещаващ за 1 г. (PAM-3).

SHDSL през Ethernet мрежи

Има управлявани и неуправляеми SHDSL модеми, но тази класификация има малко общо с обичайното разделение на управлявани и неуправляеми устройства, което съществува, например, за Ethernet комутатори. Разликата е в конфигурацията и инструментите за наблюдение. Управляваните модеми се конфигурират чрез уеб интерфейс и могат да бъдат диагностицирани чрез SNMP, докато неуправляваните модеми могат да бъдат диагностицирани с помощта на допълнителен софтуер през конзолния порт (за Phoenix Contact това е безплатна програма PSI-CONF и мини-USB интерфейс). За разлика от комутаторите, неуправляваните модеми могат да работят в мрежа с пръстеновидна топология.

В противен случай управляваните и неуправляваните модеми са абсолютно идентични, включително функционалност и възможност за работа на принципа Plug&Play, тоест без предварителна конфигурация.

Освен това модемите могат да бъдат оборудвани с функции за защита от пренапрежение с възможност за диагностика. SHDSL мрежите могат да образуват много дълги сегменти и проводниците могат да се движат на места, където могат да възникнат пренапрежения (предизвикани потенциални разлики, причинени от мълниеносни разряди или късо съединение в близки кабелни линии). Индуцираното напрежение може да доведе до протичане на разрядни токове от килоампери. Следователно, за да се защити оборудването от подобни явления, SPDs са вградени в модемите под формата на подвижна платка, която може да бъде заменена, ако е необходимо. SHDSL линията е свързана към клемния блок на тази платка.

Топологии

Използвайки SHDSL през Ethernet, е възможно да се изградят мрежи с всякаква топология: точка до точка, линия, звезда и пръстен. В същото време, в зависимост от вида на модема, можете да използвате както 2-жилни, така и 4-жилни комуникационни линии за връзка.

Ethernet мрежови топологии, базирани на SHDSL

Също така е възможно да се изградят разпределени системи с комбинирана топология. Всеки сегмент на SHDSL мрежата може да има до 50 модема и, като се вземат предвид физическите възможности на технологията (разстоянието между модемите е 20 km), дължината на сегмента може да достигне 1000 km.

Ако в началото на всеки такъв сегмент е инсталиран управляван модем, тогава целостта на сегмента може да бъде диагностицирана с помощта на SNMP. В допълнение, управляваните и неуправляваните модеми поддържат технологията VLAN, тоест ви позволяват да разделите мрежата на логически подмрежи. Устройствата могат да работят и с протоколи за пренос на данни, използвани в съвременните системи за автоматизация (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP и др.).

Резервиране на комуникационни канали чрез SHDSL

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

SHDSL и сериен интерфейс

SHDSL модемите със сериен интерфейс преодоляват ограниченията в разстоянието, топологията и качеството на проводника, които съществуват за традиционните кабелни системи, базирани на асинхронни приемо-предаватели (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 и RS-485 - 1200 m.

Има модеми със сериен интерфейс (RS-232/422/485) както за универсални приложения, така и за специализирани (например за Profibus). Всички такива устройства принадлежат към категорията „неуправляеми“, поради което се конфигурират и диагностицират с помощта на специален софтуер.

Топологии

В мрежи със сериен интерфейс, използвайки SHDSL, е възможно да се изградят мрежи с топологии от точка до точка, линия и звезда. В рамките на линейната топология е възможно да се комбинират до 255 възела в една мрежа (за Profibus - 30).

В системи, изградени само с RS-485 устройства, няма ограничения за използвания протокол за пренос на данни, но топологиите линия и звезда са нетипични за RS-232 и RS-422, така че работата на крайни устройства в SHDSL мрежа с подобни топологии е възможно само в полудуплексен режим. В същото време в системите с RS-232 и RS-422 адресирането на устройствата трябва да се осигури на ниво протокол, което не е типично за интерфейсите, използвани най-често в мрежи от точка до точка.

При свързване на устройства с различни видове интерфейси чрез SHDSL е необходимо да се вземе предвид факта, че няма единен механизъм за установяване на връзка (ръкостискане) между устройствата. В този случай обаче все още е възможно да се организира обмен, за което трябва да бъдат изпълнени следните условия:

• координацията на комуникацията и контролът на трансфера на данни трябва да се извършва на ниво единен протокол за трансфер на информация;
• всички крайни устройства трябва да работят в полудуплексен режим, който също трябва да се поддържа от информационния протокол.

Протоколът Modbus RTU, най-разпространеният протокол за асинхронни интерфейси, ви позволява да избегнете всички описани ограничения и да изградите една система с различни типове интерфейси.

Серийни мрежови топологии, базирани на SHDSL

При използване на двупроводен RS-485 на оборудване Phoenix Contact Можете да изградите по-сложни структури, като комбинирате модеми през една шина на DIN шина. На една и съща шина може да се инсталира захранване (в този случай всички устройства се захранват през шината) и оптични преобразуватели от серията PSI-MOS за създаване на комбинирана мрежа. Важно условие за работата на такава система е еднаква скорост на всички трансивъри.

Допълнителни функции на SHDSL в мрежа RS-485

Примери за приложение

SHDSL технологията се използва активно в общинските комунални услуги в Германия. Повече от 50 компании, обслужващи градските комунални системи, използват стари медни проводници, за да свържат обекти, разпределени в целия град, в една мрежа. Системите за контрол и отчитане на водоснабдяването, газа и енергията са изградени основно на SHDSL. Сред тях са Улм, Магдебург, Инголщат, Билефелд, Франкфурт на Одер и много други.

Най-голямата SHDSL базирана система е създадена в град Любек. Системата има комбинирана структура, базирана на оптичен Ethernet и SHDSL, свързва 120 отдалечени един от друг обекта и използва повече от 50 модема Phoenix Contact. Цялата мрежа се диагностицира с помощта на SNMP. Най-дългият сегмент от Калкхорст до летището в Любек е с дължина 39 км. Причината фирмата клиент да избере SHDSL е, че не е икономически изгодно проектът да се реализира изцяло върху оптика, предвид наличието на стари медни кабели.

Предаване на данни чрез контактен пръстен

Интересен пример е прехвърлянето на данни между движещи се обекти, както се прави във вятърни турбини или големи промишлени машини за усукване. Подобна система се използва за обмен на информация между контролери, разположени на ротора и статора на инсталациите. В този случай за предаване на данни се използва плъзгащ се контакт през контактен пръстен. Примери като този показват, че не е необходимо да имате статичен контакт за предаване на данни през SHDSL.

Сравнение с други технологии

SHDSL срещу GSM

Ако сравним SHDSL със системи за пренос на данни, базирани на GSM (3G/4G), то липсата на оперативни разходи, свързани с редовни плащания към оператора за достъп до мобилната мрежа, говори в полза на DSL. Със SHDSL ние сме независими от зоната на покритие, качеството и надеждността на мобилните комуникации в индустриално съоръжение, включително устойчивост на електромагнитни смущения. При SHDSL няма нужда от конфигуриране на оборудване, което ускорява въвеждането в експлоатация на съоръжението. Безжичните мрежи се характеризират с големи закъснения при предаване на данни и трудности при предаване на данни с помощта на мултикаст трафик (Profinet, Ethernet IP).

Информационната сигурност говори в полза на SHDSL поради липсата на необходимост от прехвърляне на данни през интернет и необходимостта от конфигуриране на VPN връзки за това.

SHDSL срещу Wi-Fi

Голяма част от казаното за GSM може да се приложи и към индустриалния Wi-Fi. Ниската устойчивост на шум, ограниченото разстояние за предаване на данни, зависимостта от топологията на района и забавянето на предаването на данни говорят против Wi-Fi. Най-важният недостатък е информационната сигурност на Wi-Fi мрежите, тъй като всеки има достъп до средата за предаване на данни. С Wi-Fi вече е възможно да се предават Profinet или Ethernet IP данни, което би било трудно за GSM.

SHDSL срещу оптика

В по-голямата част от случаите оптиката има голямо предимство пред SHDSL, но в редица приложения SHDSL ви позволява да спестите време и пари за полагане и заваряване на оптични кабели, намалявайки времето, необходимо за въвеждане на обекта в експлоатация. SHDSL не изисква специални съединители, тъй като комуникационният кабел просто се свързва към терминала на модема. Поради механичните свойства на оптичните кабели, тяхното използване е ограничено в приложения, включващи пренос на информация между движещи се обекти, където медните проводници са по-често срещани.

Източник: www.habr.com