Navzdory široké dostupnosti sítí Ethernet technologie komunikace založené na DSL stále neztrácejí na významu. DSL stále potkáváme v sítích poslední míle pro připojení uživatelského vybavení k sítím poskytovatelů internetu, a v poslední době se tato technologie stále častěji používá při budování lokálních sítí, například v průmyslových aplikacích, kde DSL slouží jako doplněk k Ethernetu nebo k polním sítím založeným na RS-232/422/485. Taková průmyslová řešení jsou aktivně využívána v rozvinutých evropských a asijských zemích.
DSL představuje rodinu standardů, které byly původně navrženy pro přenos digitálních dat po telefonních linkách. Historicky se stala první technologií širokopásmového přístupu k internetu, když nahradila DIAL UP a ISDN. Velké rozmanitosti stávajících DSL standardů je způsobeno tím, že mnoho společností, počínaje osmdesátými lety, usilovalo o vývoj a uvedení na trh vlastních technologií.
Všechny tyto vývoje lze rozdělit do dvou velkých kategorií – asymetrické (ADSL) a symetrické (SDSL) technologie. Mezi asymetrickými se rozumí ty, u kterých se rychlost příchozího spojení liší od rychlosti odchozího provozu. U symetrických se pak rychlosti pro příjem a odesílání rovnají.
Nejznámějšími a nejrozšířenějšími asymetrickými standardy jsou ADSL (v poslední verzi – ADSL2+) a VDSL (VDSL2), mezi symetrickými pak HDSL (zastaralé profily) a SHDSL. Od sebe se liší tím, že pracují na různých frekvencích, používají různé způsoby kódování a modulace na fyzické lince. Rovněž se liší způsoby korekce chyb, což zajišťuje různou úroveň odolnosti proti rušení. Každá technologie má své limity v rychlosti a vzdálenosti přenosu dat, a to včetně závislosti na typu a kvalitě vodiče.
Limity různých DSL standardů
V jakékoli DSL technologii rychlost přenosu dat klesá se zvyšující se délkou vodiče. Na mezních vzdálenostech je možné dosáhnout rychlosti několika stovek kilobitů, ale při přenosu dat na vzdálenosti 200-300 m je dostupná maximálně možná rychlost.
Mezi všemi technologiemi má SHDSL vážnou výhodu, která umožňuje její použití v průmyslových aplikacích — vysokou odolnost proti rušení a možnost využití jakéhokoli typu vodiče pro přenos dat. To v asymetrických standardech chybí a kvalita spojení silně závisí na kvalitě linky používané pro přenos dat. Zejména se doporučuje používat kroucený telefonní kabel. V tomto případě se jako spolehlivější řešení místo ADSL a VDSL jeví používání optického kabelu.
Pro SHDSL je vhodný jakýkoli pár izolovaných vodičů — měděných, hliníkových, ocelových atd. Jako prostředí pro přenos dat mohou sloužit staré elektrické rozvody, staré telefonní linky, ostnatý drát plotů atd.
Závislost rychlosti přenosu dat SHDSL na vzdálenosti a typu vodiče
Z grafu závislosti rychlosti přenosu dat na vzdálenosti a typu vodiče, uvedeného pro SHDSL, je vidět, že vodiče s větším průřezem umožňují přenášet informace na delší vzdálenost. Díky technologii je možné organizovat spojení na vzdálenost až 20 km při maximální možné rychlosti 15,3 Mb/s pro 2-vodičový kabel nebo 30 Mb/s pro 4-vodičový. V reálných aplikacích může být rychlost přenosu nastavena ručně, což je nezbytné v podmínkách silného elektromagnetického rušení nebo špatné kvality linky. V tomto případě je pro zvýšení přenosové vzdálenosti nutné snížit rychlost provozu zařízení SHDSL. Pro přesný výpočet rychlosti v závislosti na vzdálenosti a typu vodiče lze použít bezplatné softwarové nástroje, jako je .
Díky čemu má SHDSL vysokou odolnost proti rušení?
Princip fungování přijímače a vysílače SHDSL lze představit ve formě blokového diagramu, ve kterém se vymezují specifická a nezávislá (invariantní) část z hlediska aplikace. Nezávislá část se skládá z funkčních bloků PMD (Physical Medium Dependent) a PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), zatímco specifická část zahrnuje úroveň TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) a rozhraní uživatelských dat.
Fyzická komunikační linka mezi přijímači a vysílači (STU) může existovat jako jednopárový nebo několik jednopárových kabelů. V případě více párů kabelů STU obsahuje několik nezávislých bloků PMD spojených s jedním PMS-TC.
Funkční model SHDSL přijímače a vysílače (STU)
Modul TPS-TC závisí na aplikaci, ve které je zařízení používáno (Ethernet, RS-232/422/485 atd.). Jeho úkolem je převod uživatelských dat do formátu SHDSL, multiplexování/demultiplexování a časová korekce několika kanálů uživatelských dat.
Na úrovni PMS-TC se vytvářejí rámce SHDSL a jejich synchronizace, stejně jako skrémblování a deskremblování.
Modul PMD provádí funkce kódování/dekódování informací, modulace/demodulace, potlačení ozvěny, sladění parametrů na komunikační lince a establishment spojení mezi přijímači a vysílači. Právě na úrovni PMD se provádějí hlavní operace zajišťující vysokou odolnost SHDSL vůči rušení, včetně TCPAM kódování (Trelis kódování s analogově-impulsní modulací), mechanismu společného kódování a modulace, při kterém se zlepšuje spektrální efektivita signálu ve srovnání s odděleným způsobem. Princip práce modulu PMD lze také představit ve formě funkčního diagramu.
Blokový diagram modulu PMD
Základem TC-PAM je použití konvolučního kódujícího zařízení, které vytváří nadbytečnou sekvenci bitů na straně SHDSL vysílače. Na každém taktu práce je každému bitu, který vstupuje do kódujícího zařízení, přiřazen dvojitý bit (dibit) na výstupu. Takto, za cenu poměrně malého nadbytku, se zvyšuje odolnost přenosu vůči rušení. Použití Trelis modulace umožňuje snížit používanou šířku pásma přenosu dat a zjednodušit hardwarovou část při neměnném poměru signál/šum.
Princip činnosti Trelis kódujícího zařízení (TC-PAM 16)
Dvojný bit se vytváří výsledkem logické operace sčítání modulo 2 (exkluzivní 'nebo') na základě vstupního bitu x1(tn) a bitů x1(tn-1), x1(tn-2) atd. (může jich být až 20), které byly na vstupu kodéru předtím a zůstaly uloženy v paměťových registrech. Při dalším taktu práce kodéru tn+1 dojde k posunu bitů v paměťových buňkách pro provedení logické operace: bit x1(tn) se přesune do paměti, přičemž posune celou uloženou sekvenci bitů.
Algoritmus konvolučního kodéru
Tabulky pravdivosti operace sčítání modulo 2
Pro přehlednost je vhodné použít stavový diagram konvolučního kodéru, podle kterého lze vidět, v jakém stavu se kodér nachází v okamžicích tn, tn+1 atd. v závislosti na vstupních datech. Pod stavem kodéru se v tomto případě rozumí dvojice hodnot vstupního bitu x1(tn) a bitu v první paměťové buňce x1(tn-1). Pro konstrukci diagramu lze použít graf, jehož vrcholy obsahují možné stavy kodéru a přechody z jednoho stavu do druhého jsou označeny odpovídajícími vstupními bity x1(tn) a výstupními dvojitými bity $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Stavový diagram a graf přechodů konvolučního kodéru vysílače
Ve vysílači se na základě přijatých čtyř bitů (dvou výstupních bitů kodéru a dvou datových bitů) vytváří symbol, kterému odpovídá jeho vlastní amplituda modulujícího signálu analogového impulsního modulatoru.
Stav 16bitového AIM v závislosti na hodnotě čtyřbitového symbolu
Na straně přijímače signálu probíhá opačný proces – demodulace a extrakce požadované sekvence vstupních bitů kodéru x1(tn) z nadbytečného kódu (dvojných bitů y0y1(tn)). Tento úkol vykonává Viterbiho dekodér.
Algoritmus dekodéru je založen na výpočtu metriky chyb pro všechny možné předpokládané stavy kodéru. Pod metrikou chyb se rozumí rozdíl mezi přijatými bity a předpokládanými bity pro každou možnou cestu. Pokud při příjmu nedojde k chybám, bude metrika chyb pravé cesty 0, protože nedochází k žádným rozdílům v bitech. Pro falešné cesty se metrika bude lišit od nuly, neustále narůstat a po určité době dekodér přestane počítat chybovou cestu, čímž ponechá pouze pravou.
Stavový diagram kodéru, vypočítaný dekodérem Viterbiho přijímače
Ale jak tento algoritmus zajišťuje odolnost vůči rušení? Pokud se předpokládá, že přijímač přijal data s chybou, dekodér bude pokračovat ve výpočtu dvou cest s metrikou chyb 1. Cesta s metrikou 0 již nebude existovat. Ale závěr o tom, která cesta je správná, algoritmus učiní později na základě následujících přijímaných dvojitých bitů.
Při vzniku druhé chyby bude několik cest s metrikou 2, ale správná cesta se odhalí později na základě metody maximální pravděpodobnosti (tedy minimální metriky).
Stavový diagram kodéru, vypočítaný dekodérem Viterbi, při přijímání dat s chybami
V uvedeném příkladu byl zvažován algoritmus 16bitového systému (TC-PAM16), který zajišťuje přenos tří bitů užitečných informací a jednoho bitu pro ochranu proti chybám v jednom symbolu. V TC-PAM16 je dosažitelná přenosová rychlost od 192 do 3840 kbit/s. Při zvýšení bitové hloubky na 128 (moderní systémy pracují s TC-PAM128) se v každém symbolu přenáší šest bitů užitečných informací, přičemž maximální dosažitelná rychlost se pohybuje od 5696 kbit/s do 15,3 Mb/s.
Použití analogově-impulsní modulace (PAM) přiřazuje SHDSL k několika populárním standardům Ethernet, jako jsou gigabitní 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitní 10GBASE-T (PAM-16) nebo perspektivní průmyslový jednožilový Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3) pro rok 2020.
SHDSL v sítích Ethernet
Rozlišujeme řízené a neřízené SHDSL modemy, ale v takové klasifikaci má málo společného s obvyklým dělením na řízené a neřízené zařízení, které existuje například pro Ethernet switche. Rozdíl spočívá ve schopnostech konfigurace a monitorování. Řízené modemy se nastavují přes webové rozhraní a lze je diagnostikovat pomocí SNMP, zatímco neřízené – pomocí dalšího software přes konzolový port (pro Phoenix Contact je to zdarma dostupný program PSI-CONF a mini-USB rozhraní). Na rozdíl od switchů mohou neřízené modemy pracovat v síti s kruhovou topologií.
Jinak jsou řízené a neřízené modemy zcela identické, včetně funkcionality a možnosti fungovat na principu Plug&Play, tedy bez jakéhokoli předchozího konfigurování.
Další funkce, které mohou být na modemy uloženy, zahrnují ochranu proti impulzním přepětím s možností její diagnostiky. Sítě SHDSL mohou vytvářet velmi dlouhé segmenty a vodiče mohou procházet místy, kde je možné vznik impulzních přepětí (indukovaného napětí způsobeného atmosférickými výboji nebo zkraty v blízkých kabelových vedeních). Indukované napětí může způsobit procházení vybíjecích proudů v kileampérech. Proto, aby bylo zařízení chráněno před podobnými jevy, jsou do modemů integrovány přepěťové ochrany ve formě vyjímatelných desek, které mohou být v případě potřeby vyměněny. Právě k terminálu této desky je připojena linka SHDSL.
Topologie
S pomocí SHDSL v Ethernetu je možné budovat sítě s jakoukoli topologií: bod-bod, linka, hvězda a kruh. V závislosti na typu modemu pro připojení lze použít jak 2-vodičové, tak 4-vodičové komunikační linky.
Topologie Ethernetové sítě na bázi SHDSL
Je také možné budovat distribuované systémy s kombinovanou topologií. Každý segment SHDSL sítě může mít až 50 modemů a vzhledem k fyzickým možnostem technologie (vzdálenost mezi modemy 20 km) může délka segmentu dosahovat 1000 km.
Pokud je na začátku každého takového segmentu nainstalován řízený modem, lze celistvost segmentu diagnostikovat pomocí SNMP. Kromě toho řízené a neřízené modemy podporují technologii VLAN, což znamená, že umožňují rozdělit síť na logické podsítě. Zařízení jsou také schopna pracovat s přenosovými protokoly používanými v moderních automatizačních systémech (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP atd.).
Zálohování komunikačních kanálů pomocí SHDSL
SHDSL se používá k vytváření záložních komunikačních kanálů v síti Ethernet, nejčastěji optických.
SHDSL a sériové rozhraní
Modemy SHDSL se sériovým rozhraním umožňují překonat omezení vzdálenosti, topologie a kvality vodiče, která existují pro tradiční drátové systémy založené na asynchronních přenašečích (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 a RS-485 — 1200 m.
Existují modemy se sériovými rozhraními (RS-232/422/485) jak pro univerzální aplikace, tak pro specializované (například pro Profibus). Všechny tyto zařízení spadají do kategorie „neřízených“, a proto se konfigurují a diagnostikují pomocí speciálního softwaru.
Topologie
V sítích se sériovým rozhraním pomocí SHDSL je možné budovat sítě s topologií bod-bod, linka a hvězda. V rámci liniové topologie je možné spojit do jedné sítě až 255 uzlů (pro Profibus – 30).
V systémech postavených výhradně s zařízeními na rozhraní RS-485 neexistují žádná omezení na použité datové protokoly, ale topologie typu linka a hvězda jsou netypické pro RS-232 a RS-422, proto funkce koncových zařízení v síti SHDSL s takovými topologiemi je možná pouze v poloduplexním režimu. Současně v systémech s RS-232 a RS-422 musí být na úrovni protokolu zajištěna adresace přístrojů, což není pro tato rozhraní typické, protože se nejčastěji používají v sítích bod-bod.
Při spojování zařízení s různými typy rozhraní přes SHDSL je třeba brát v úvahu skutečnost, že neexistuje jednotný mechanismus pro navazování spojení (podání ruky) mezi zařízeními. Nicméně, uspořádání výměny je v tomto případě přesto možné – za následujících podmínek:
- sjednocení spojení a řízení přenosu dat musí být prováděno na úrovni jednotného informačního datového protokolu;
- všechna koncová zařízení by měla fungovat v poloduplexním režimu, což musí také podporovat informační protokol.
Nejběžněji používaný protokol Modbus RTU pro asynchronní rozhraní umožňuje vyhnout se všem popsaným omezením a vytvořit jednotný systém s různými typy rozhraní.
Topologie sítě se sériovým rozhraním na bázi SHDSL
Při použití dvouvodičového RS-485 na zařízení Lze vytvářet složitější struktury spojením modemů přes jednu sběrnici na DIN liště. Na této sběrnici může být nainstalován také zdroj napájení (v tomto případě je napájení všech zařízení realizováno přes sběrnici) a optické převodníky série PSI-MOS pro vytvoření kombinované sítě. Důležitou podmínkou pro provoz takového systému je stejná rychlost všech přijímačů a vysílačů.
Další možnosti SHDSL v síti RS-485
Příklady použití
Technologie SHDSL se aktivně používá v městském komunálním sektoru v Německu. Více než 50 společností, které obsluhují městské komunální systémy, používá staré měděné kabely k propojení objektů rozptýlených po městě do jedné sítě. Na základě SHDSL jsou především budovány řídicí a monitorovací systémy pro dodávku vody, plynu a energie. Mezi takové města patří Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt nad Odrou a mnoho dalších.
Nejrozsáhlejší systém založený na SHDSL byl vytvořen ve městě Lübeck. Systém má kombinovanou strukturu založenou na optickém Ethernetu a SHDSL, spojuje 120 od sebe vzdálených objektů a využívá více než 50 modemů. . Celá síť je diagnostikována pomocí SNMP. Nejdelší segment od obce Kalkhorst k letišti Lübeck má délku 39 km. Důvodem, proč si objednavatel vybral SHDSL, bylo to, že realizace projektu výhradně na optice by ekonomicky nebyla výhodná s ohledem na existenci starých měděných kabelů.
Přenášení dat přes kontaktní kroužek
Zajímavým příkladem je přenášení dat mezi pohyblivými objekty, jako je tomu například u větrných generátorů nebo ve velkých průmyslových krouticích strojích. Takový systém se používá k informačnímu výměně mezi kontroléry umístěnými na rotoru a statoru zařízení. V tomto případě se k přenášení dat používá klouzavý kontakt prostřednictvím kontaktního kroužku. Takové příklady ukazují, že není nutné mít statický kontakt pro přenos dat pomocí SHDSL.
Srovnání s jinými technologiemi
SHDSL vs GSM
Pokud porovnáme SHDSL se systémy přenosu dat založenými na GSM (3G/4G), výhodou DSL je absence provozních nákladů spojených s pravidelnou platbou operátorovi za přístup k mobilní síti. U SHDSL nezávisíme na pokrytí, kvalitě a spolehlivosti mobilní komunikace na průmyslovém objektu, včetně odolnosti vůči elektromagnetickým rušením. U SHDSL není potřeba konfigurovat zařízení, což urychluje spuštění objektu do provozu. Pro bezdrátové sítě jsou charakteristické vysoké zpoždění v přenosu dat a složitosti s přenosem dat využívajících multicastový provoz (Profinet, Ethernet IP).
Pro SHDSL hovoří informační bezpečnost díky absenci potřeby přenosu dat přes Internet a nutnosti konfigurovat pro tento účel VPN spojení.
SHDSL vs Wi-Fi
Mnohé z toho, co bylo řečeno o GSM, lze vztáhnout i na průmyslové Wi-Fi. Proti Wi-Fi hovoří nízká odolnost vůči rušení, omezená vzdálenost přenosu dat, závislost na topologii terénu a zpoždění při přenosu dat. Největší nevýhodou je informační bezpečnost Wi-Fi sítí, protože každý má přístup k přenosovému médiu. Pomocí Wi-Fi je již možné přenášet data Profinet nebo Ethernet IP, což by bylo pro GSM obtížné.
SHDSL vs optika
Optika má v drtivé většině velkou výhodu oproti SHDSL, ale v některých aplikacích SHDSL umožňuje šetřit čas a prostředky na pokládku a svařování optického kabelu, čímž se zkracuje doba uvedení objektu do provozu. Pro SHDSL nejsou potřebné speciální konektory, protože komunikační kabel se jednoduše připojí na svorku modemu. Z důvodu mechanických vlastností optických kabelů je jejich použití omezeno v aplikacích souvisejících s přenosem informací mezi pohyblivými objekty, kde větší rozšíření získaly měděné vodiče.
Zdroj: habr.com
