Uprkos širokoj upotrebi Ethernet mreža, komunikacijske tehnologije zasnovane na DSL-u ostaju relevantne do danas. Do sada se DSL mogao naći u mrežama zadnje milje za povezivanje pretplatničke opreme na mreže internet provajdera, a u posljednje vrijeme ova tehnologija se sve više koristi u izgradnji lokalnih mreža, na primjer, u industrijskim aplikacijama, gdje DSL djeluje kao dopuna Ethernetu. ili terenske mreže zasnovane na RS-232/422/485. Slična industrijska rješenja aktivno se koriste u razvijenim evropskim i azijskim zemljama.
DSL je porodica standarda koji su prvobitno zamišljeni za prenos digitalnih podataka preko telefonskih linija. Istorijski gledano, to je postala prva tehnologija širokopojasnog pristupa internetu, koja je zamijenila DIAL UP i ISDN. Široka lepeza DSL standarda koji trenutno postoje rezultat je činjenice da su mnoge kompanije, počevši od 80-ih, pokušale da razviju i plasiraju sopstvenu tehnologiju.
Svi ovi razvoji mogu se podijeliti u dvije velike kategorije - asimetrične (ADSL) i simetrične (SDSL) tehnologije. Asimetrična se odnosi na one u kojima se brzina dolazne veze razlikuje od brzine odlaznog saobraćaja. Pod simetričnim podrazumijevamo da su brzine prijema i prijenosa jednake.
Najpoznatiji i najrašireniji asimetrični standardi su, zapravo, ADSL (u najnovijem izdanju - ADSL2+) i VDSL (VDSL2), simetrični - HDSL (zastarjeli profil) i SHDSL. Svi se međusobno razlikuju po tome što rade na različitim frekvencijama i koriste različite metode kodiranja i modulacije na fizičkoj komunikacijskoj liniji. Metode ispravljanja grešaka se također razlikuju, što rezultira različitim nivoima otpornosti na buku. Kao rezultat toga, svaka tehnologija ima svoja ograničenja u brzini i udaljenosti prijenosa podataka, uključujući ovisno o vrsti i kvaliteti vodiča.
Ograničenja različitih DSL standarda
U bilo kojoj DSL tehnologiji, brzina prijenosa podataka opada kako se dužina kabela povećava. Na ekstremnim udaljenostima moguće je postići brzine od nekoliko stotina kilobita, ali pri prijenosu podataka preko 200-300 m dostupna je najveća moguća brzina.
Među svim tehnologijama, SHDSL ima ozbiljnu prednost koja ga omogućava korištenje u industrijskim aplikacijama - visoku otpornost na buku i mogućnost korištenja bilo koje vrste vodiča za prijenos podataka. To nije slučaj sa asimetričnim standardima, a kvalitet komunikacije u velikoj mjeri ovisi o kvaliteti linije koja se koristi za prijenos podataka. Posebno se preporučuje upotreba upredenog telefonskog kabla. U ovom slučaju, pouzdanije rješenje je korištenje optičkog kabela umjesto ADSL-a i VDSL-a.
Za SHDSL je pogodan bilo koji par provodnika izolovan jedan od drugog - bakar, aluminijum, čelik itd. Prenosni medij mogu biti stare električne instalacije, stare telefonske linije, ograde od bodljikave žice itd.
Ovisnost brzine prijenosa SHDSL podataka o udaljenosti i vrsti provodnika
Iz grafikona brzine prijenosa podataka u odnosu na udaljenost i tip provodnika koji je dat za SHDSL, možete vidjeti da provodnici s velikim poprečnim presjekom omogućavaju prijenos informacija na veću udaljenost. Zahvaljujući tehnologiji, moguće je organizirati komunikaciju na udaljenosti do 20 km uz maksimalno moguću brzinu od 15.3 Mb/s za 2-žični kabel ili 30 Mb za 4-žični kabel. U stvarnim aplikacijama, brzina prenosa se može podesiti ručno, što je neophodno u uslovima jakih elektromagnetnih smetnji ili lošeg kvaliteta linije. U ovom slučaju, za povećanje udaljenosti prijenosa, potrebno je smanjiti brzinu SHDSL uređaja. Da biste precizno izračunali brzinu ovisno o udaljenosti i vrsti provodnika, možete koristiti besplatni softver kao npr .
Zašto SHDSL ima visoku otpornost na buku?
Princip rada SHDSL primopredajnika može se predstaviti u obliku blok dijagrama, u kojem se izdvaja specifičan i nezavisan (invarijantni) dio sa stanovišta primjene. Nezavisni dio se sastoji od funkcionalnih blokova PMD (Physical Medium Dependent) i PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), dok specifični dio uključuje sloj TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) i interfejse korisničkih podataka.
Fizička veza između primopredajnika (STU) može postojati kao jedan par ili više pojedinačnih kablova. U slučaju više parova kablova, STU sadrži više nezavisnih PMD-ova povezanih sa jednim PMS-TC.
Funkcionalni model SHDSL primopredajnika (STU)
TPS-TC modul zavisi od aplikacije u kojoj se uređaj koristi (Ethernet, RS-232/422/485, itd.). Njegov zadatak je da konvertuje korisničke podatke u SHDSL format, vrši multipleksiranje/demultipleksiranje i vremensko podešavanje nekoliko kanala korisničkih podataka.
Na nivou PMS-TC formiraju se i sinhronizuju SHDSL okviri, kao i kodiranje i dekodiranje.
PMD modul obavlja funkcije kodiranja/dekodiranja informacija, modulacije/demodulacije, poništavanja eha, pregovaranja parametara na komunikacijskoj liniji i uspostavljanja veze između primopredajnika. Na nivou PMD se izvode glavne operacije kako bi se osigurala visoka otpornost na buku SHDSL-a, uključujući TCPAM kodiranje (Trellis kodiranje sa analognom impulsnom modulacijom), zajednički mehanizam kodiranja i modulacije koji poboljšava spektralnu efikasnost signala u poređenju sa zasebnim metoda. Princip rada PMD modula se takođe može predstaviti u obliku funkcionalnog dijagrama.
Blok dijagram PMD modula
TC-PAM se zasniva na upotrebi konvolucionog enkodera koji generiše redundantnu sekvencu bitova na strani SHDSL predajnika. U svakom ciklusu takta, svakom bitu koji stiže na ulaz enkodera dodjeljuje se dvostruki bit (dibit) na izlazu. Dakle, po cijenu relativno male redundance, povećava se otpornost na buku prijenosa. Upotreba Trellis modulacije omogućava vam da smanjite korišteni propusni opseg prijenosa podataka i pojednostavite hardver uz održavanje istog omjera signal-šum.
Princip rada Trellis enkodera (TC-PAM 16)
Dvostruki bit se formira logičkom operacijom sabiranja po modulu-2 (isključiva ili) na osnovu ulaznog bita x1(tn) i bitova x1(tn-1), x1(tn-2), itd. (ukupno ih može biti do 20), koji su prije primljeni na ulaz enkodera i ostali pohranjeni u memorijskim registrima. U sljedećem ciklusu takta kodera tn+1, bitovi će se pomjeriti u memorijskim ćelijama kako bi izvršili logičku operaciju: bit x1(tn) će se preseliti u memoriju, pomjerajući cijeli niz bitova koji su tamo pohranjeni.
Algoritam konvolucionog kodera
Tablice istinitosti za operaciju sabiranja po modulu 2
Radi jasnoće, zgodno je koristiti dijagram stanja konvolucionog enkodera, iz kojeg možete vidjeti u kojem je stanju enkoder u trenucima tn, tn+1, itd. zavisno od ulaznih podataka. Stanje kodera u ovom slučaju znači par vrijednosti ulaznog bita x1(tn) i bita u prvoj memorijskoj ćeliji x1(tn-1). Za konstruiranje dijagrama možete koristiti graf na čijim se vrhovima nalaze moguća stanja kodera, a prijelazi iz jednog stanja u drugo označeni su odgovarajućim ulaznim bitovima x1(tn) i izlaznim dibitima $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Dijagram stanja i prijelazni graf konvolucionog enkodera predajnika
U predajniku, na osnovu četiri primljena bita (dva izlazna bita enkodera i dva bita podataka), formira se simbol, od kojih svaki odgovara sopstvenoj amplitudi modulacionog signala analogno-pulsnog modulatora.
Stanje 16-bitnog AIM-a ovisno o vrijednosti četverobitnog karaktera
Na strani prijemnika signala odvija se obrnuti proces - demodulacija i odabir iz redundantnog koda (dvostruki bitovi y0y1(tn)) potrebne sekvence ulaznih bitova enkodera x1(tn). Ovu operaciju izvodi Viterbi dekoder.
Algoritam dekodera se zasniva na izračunavanju metrike greške za sva moguća očekivana stanja kodera. metrika greške se odnosi na razliku između primljenih bitova i očekivanih bitova za svaku moguću putanju. Ako nema grešaka u prijemu, tada će metrika greške prave putanje biti 0 jer nema divergencije bitova. Za lažne staze, metrika će se razlikovati od nule, stalno će se povećavati, a nakon nekog vremena dekoder će prestati izračunavati pogrešnu putanju, ostavljajući samo pravu.
Dijagram stanja enkodera izračunat od strane Viterbi dekodera prijemnika
Ali kako ovaj algoritam osigurava otpornost na buku? Pod pretpostavkom da je prijemnik greškom primio podatke, dekoder će nastaviti da izračunava dva puta sa metrikom greške 1. Putanja sa metrikom greške 0 više neće postojati. Ali algoritam će kasnije donijeti zaključak o tome koja je putanja istinita na osnovu sljedećih primljenih dvostrukih bitova.
Kada se dogodi druga greška, postojaće više putanja sa metrikom 2, ali će ispravna putanja biti identifikovana kasnije na osnovu metode maksimalne verovatnoće (tj. minimalne metrike).
Dijagram stanja enkodera izračunat Viterbi dekoderom prilikom prijema podataka s greškama
U gore opisanom slučaju, kao primjer, razmotrili smo algoritam 16-bitnog sistema (TC-PAM16), koji osigurava prijenos tri bita korisnih informacija i dodatni bit za zaštitu od greške u jednom simbolu. TC-PAM16 postiže brzine prenosa podataka od 192 do 3840 kbps. Povećanjem dubine bita na 128 (moderni sistemi rade sa TC-PAM128), šest bitova korisnih informacija se prenosi u svakom simbolu, a maksimalna dostižna brzina se kreće od 5696 kbps do 15,3 Mbps.
Upotreba analogne impulsne modulacije (PAM) čini SHDSL sličnim brojnim popularnim Ethernet standardima, kao što su gigabitni 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitni 10GBASE-T (PAM-16) ili industrijski jednoparni Ethernet 2020BASE -T10L, koji obećava za 1. godinu (PAM-3).
SHDSL preko Ethernet mreža
Postoje upravljani i neupravljani SHDSL modemi, ali ova klasifikacija nema mnogo zajedničkog s uobičajenom podjelom na upravljane i neupravljane uređaje koja postoji, na primjer, za Ethernet prekidače. Razlika je u konfiguraciji i alatima za praćenje. Upravljani modemi se konfigurišu preko web sučelja i mogu se dijagnosticirati putem SNMP-a, dok se neupravljani modemi mogu dijagnosticirati korištenjem dodatnog softvera preko konzolnog porta (za Phoenix Contact ovo je besplatni PSI-CONF program i mini-USB sučelje). Za razliku od svičeva, neupravljani modemi mogu raditi u mreži sa prstenastom topologijom.
Inače, upravljani i neupravljani modemi su apsolutno identični, uključujući funkcionalnost i mogućnost rada na Plug&Play principu, odnosno bez ikakve preliminarne konfiguracije.
Dodatno, modemi mogu biti opremljeni funkcijama zaštite od prenapona sa mogućnošću njihove dijagnoze. SHDSL mreže mogu formirati vrlo dugačke segmente, a provodnici mogu prolaziti na mjestima gdje se mogu pojaviti prenaponi (inducirane razlike potencijala uzrokovane pražnjenjem groma ili kratkim spojem u obližnjim kablovskim vodovima). Inducirani napon može uzrokovati protok struje pražnjenja kiloampera. Stoga, kako bi zaštitili opremu od takvih pojava, SPD-ovi su ugrađeni u modeme u obliku uklonjive ploče, koja se može zamijeniti ako je potrebno. SHDSL linija je spojena na terminalni blok ove ploče.
Topologije
Koristeći SHDSL preko Etherneta, moguće je izgraditi mreže sa bilo kojom topologijom: point-to-point, line, star i ring. Istovremeno, ovisno o vrsti modema, za povezivanje možete koristiti i 2-žične i 4-žične komunikacijske linije.
Topologije Ethernet mreže zasnovane na SHDSL-u
Takođe je moguće izgraditi distribuirane sisteme sa kombinovanom topologijom. Svaki segment SHDSL mreže može imati do 50 modema i, uzimajući u obzir fizičke mogućnosti tehnologije (razdaljina između modema je 20 km), dužina segmenta može doseći 1000 km.
Ako je upravljani modem instaliran na čelu svakog takvog segmenta, tada se integritet segmenta može dijagnosticirati pomoću SNMP-a. Osim toga, upravljani i neupravljani modemi podržavaju VLAN tehnologiju, odnosno omogućavaju vam da podijelite mrežu na logičke podmreže. Uređaji su takođe sposobni da rade sa protokolima za prenos podataka koji se koriste u savremenim sistemima automatizacije (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, itd.).
Rezervacija komunikacijskih kanala korištenjem SHDSL-a
SHDSL se koristi za kreiranje rezervnih komunikacijskih kanala u Ethernet mreži, najčešće optičkih.
SHDSL i serijski interfejs
SHDSL modemi sa serijskim interfejsom prevazilaze ograničenja u udaljenosti, topologiji i kvalitetu provodnika koja postoje za tradicionalne žičane sisteme zasnovane na asinhronim primopredajnicima (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 i RS-485 - 1200 m.
Postoje modemi sa serijskim interfejsom (RS-232/422/485) kako za univerzalne aplikacije tako i za specijalizovane (na primer, za Profibus). Svi takvi uređaji spadaju u kategoriju „neupravljanih“, stoga se konfiguriraju i dijagnosticiraju pomoću posebnog softvera.
Topologije
U mrežama sa serijskim sučeljem, korištenjem SHDSL-a moguće je graditi mreže sa topologijama točka-tačka, linija i zvijezda. U okviru linearne topologije moguće je kombinovati do 255 čvorova u jednu mrežu (za Profibus - 30).
U sistemima izgrađenim samo pomoću RS-485 uređaja, ne postoje ograničenja u pogledu protokola za prijenos podataka koji se koristi, ali topologije linija i zvijezda su netipične za RS-232 i RS-422, tako da rad krajnjih uređaja na SHDSL mreži sa sličnim topologijama moguće je samo u poludupleksnom načinu rada. Istovremeno, u sistemima sa RS-232 i RS-422 adresiranje uređaja mora biti obezbeđeno na nivou protokola, što nije tipično za interfejse koji se najčešće koriste u mrežama od tačke do tačke.
Prilikom povezivanja uređaja s različitim tipovima sučelja putem SHDSL-a potrebno je uzeti u obzir činjenicu da ne postoji jedinstveni mehanizam za uspostavljanje veze (rukovanja) između uređaja. Međutim, i dalje je moguće organizirati razmjenu u ovom slučaju, za to moraju biti ispunjeni sljedeći uvjeti:
- koordinacija komunikacije i kontrola prenosa podataka moraju se vršiti na nivou jedinstvenog protokola za prenos podataka;
- svi krajnji uređaji moraju raditi u poludupleksnom načinu rada, što također mora biti podržano informacijskim protokolom.
Modbus RTU protokol, najčešći protokol za asinhrone interfejse, omogućava vam da izbegnete sva opisana ograničenja i izgradite jedinstven sistem sa različitim tipovima interfejsa.
Topologije serijske mreže bazirane na SHDSL-u
Kada koristite dvožični RS-485 na opremi Možete izgraditi složenije strukture kombinovanjem modema kroz jednu magistralu na DIN šinu. Na istu magistralu se može instalirati napajanje (u ovom slučaju svi uređaji se napajaju preko magistrale) i optički pretvarači PSI-MOS serije za stvaranje kombinovane mreže. Važan uslov za rad ovakvog sistema je ista brzina svih primopredajnika.
Dodatne karakteristike SHDSL-a na RS-485 mreži
Primjeri primjene
SHDSL tehnologija se aktivno koristi u komunalnim preduzećima u Njemačkoj. Više od 50 kompanija koje opslužuju gradske komunalne sisteme koriste stare bakarne žice za povezivanje objekata raspoređenih po gradu u jednu mrežu. Upravljački i računovodstveni sistemi za snabdijevanje vodom, gasom i energijom prvenstveno su izgrađeni na SHDSL-u. Među takvim gradovima su Ulm, Magdeburg, Ingolštat, Bilefeld, Frankfurt na Odri i mnogi drugi.
Najveći sistem baziran na SHDSL-u stvoren je u gradu Libeku. Sistem ima kombinovanu strukturu zasnovanu na optičkom Ethernetu i SHDSL-u, povezuje 120 objekata udaljenih jedan od drugog i koristi više od 50 modema . Cijela mreža se dijagnosticira pomoću SNMP-a. Najduži dio od Kalkhorsta do aerodroma Lübeck dugačak je 39 km. Razlog zašto je kompanija klijent odabrala SHDSL je taj što nije bilo ekonomski isplativo implementirati projekat u potpunosti na optici, s obzirom na dostupnost starih bakrenih kablova.
Prijenos podataka preko kliznog prstena
Zanimljiv primjer je prijenos podataka između pokretnih objekata, kao što se radi u vjetroturbinama ili velikim industrijskim mašinama za uvijanje. Sličan sistem se koristi za razmjenu informacija između regulatora koji se nalaze na rotoru i statoru postrojenja. U ovom slučaju se za prijenos podataka koristi klizni kontakt kroz klizni prsten. Primjeri poput ovog pokazuju da nije potrebno imati statički kontakt za prijenos podataka preko SHDSL-a.
Poređenje sa drugim tehnologijama
SHDSL vs GSM
Ako uporedimo SHDSL sa sistemima za prenos podataka baziranim na GSM (3G/4G), onda u prilog DSL-u govori izostanak operativnih troškova vezanih za redovno plaćanje operateru za pristup mobilnoj mreži. Sa SHDSL-om smo neovisni o području pokrivenosti, kvaliteti i pouzdanosti mobilnih komunikacija u industrijskom objektu, uključujući otpornost na elektromagnetne smetnje. Sa SHDSL-om nema potrebe za konfigurisanjem opreme, što ubrzava puštanje u rad objekta. Bežične mreže karakterišu velika kašnjenja u prenosu podataka i poteškoće u prenosu podataka korišćenjem multicast saobraćaja (Profinet, Ethernet IP).
Informacijska sigurnost govori u prilog SHDSL-u zbog nepostojanja potrebe za prijenosom podataka preko Interneta i potrebe za konfigurisanjem VPN konekcija za to.
SHDSL vs Wi-Fi
Mnogo od onoga što je rečeno za GSM može se primijeniti i na industrijski Wi-Fi. Niska otpornost na buku, ograničena udaljenost prijenosa podataka, ovisnost o topologiji područja i kašnjenja u prijenosu podataka govore protiv Wi-Fi mreže. Najvažniji nedostatak je informatička sigurnost Wi-Fi mreža, jer svako ima pristup mediju za prijenos podataka. Uz Wi-Fi je već moguće prenositi Profinet ili Ethernet IP podatke, što bi bilo teško sa GSM-om.
SHDSL protiv optike
U velikoj većini slučajeva, optika ima veliku prednost u odnosu na SHDSL, ali u nizu primjena SHDSL omogućava uštedu vremena i novca na polaganju i zavarivanju optičkih kablova, smanjujući vrijeme potrebno za puštanje objekta u rad. SHDSL ne zahtijeva posebne konektore, jer se komunikacijski kabel jednostavno povezuje na modemski terminal. Zbog mehaničkih svojstava optičkih kablova, njihova upotreba je ograničena u aplikacijama koje uključuju prijenos informacija između pokretnih objekata, gdje su bakarni provodnici češći.
izvor: www.habr.com
