Navzdory rozšířenému používání ethernetových sítí zůstávají komunikační technologie založené na DSL dodnes relevantní. Doposud lze DSL nalézt v sítích poslední míle pro připojení účastnických zařízení k sítím poskytovatelů internetu a v poslední době se tato technologie stále více používá při výstavbě místních sítí, například v průmyslových aplikacích, kde DSL funguje jako doplněk k Ethernetu. nebo polní sítě založené na RS-232/422/485. Podobná průmyslová řešení se aktivně používají ve vyspělých evropských a asijských zemích.
DSL je rodina standardů, které byly původně vytvořeny pro přenos digitálních dat po telefonních linkách. Historicky se stala první technologií širokopásmového přístupu k internetu, která nahradila DIAL UP a ISDN. Široká škála standardů DSL, které v současnosti existují, je způsobena skutečností, že mnoho společností se počínaje 80. lety snažilo vyvinout a uvést na trh vlastní technologii.
Celý tento vývoj lze rozdělit do dvou velkých kategorií – asymetrické (ADSL) a symetrické (SDSL) technologie. Asymetrické označuje ty, u kterých se rychlost příchozího připojení liší od rychlosti odchozího provozu. Symetrickým rozumíme, že rychlost příjmu a přenosu jsou stejné.
Nejznámější a nejrozšířenější asymetrické standardy jsou ve skutečnosti ADSL (v posledním vydání - ADSL2+) a VDSL (VDSL2), symetrické - HDSL (zastaralý profil) a SHDSL. Všechny se od sebe liší tím, že pracují na různých frekvencích a používají různé metody kódování a modulace na fyzické komunikační lince. Liší se také metody korekce chyb, což má za následek různé úrovně odolnosti proti šumu. V důsledku toho má každá technologie své limity v rychlosti a vzdálenosti přenosu dat, včetně závislosti na typu a kvalitě vodiče.
Limity různých DSL standardů
V jakékoli technologii DSL se rychlost přenosu dat snižuje s rostoucí délkou kabelu. Na extrémní vzdálenosti je možné dosáhnout rychlosti několika set kilobitů, ale při přenosu dat nad 200-300 m je k dispozici maximální možná rychlost.
Mezi všemi technologiemi má SHDSL vážnou výhodu, která umožňuje jeho použití v průmyslových aplikacích – vysokou odolnost proti rušení a možnost použít pro přenos dat jakýkoli typ vodiče. U asymetrických standardů tomu tak není a kvalita komunikace je velmi závislá na kvalitě linky používané pro přenos dat. Zejména se doporučuje používat kroucený telefonní kabel. V tomto případě je spolehlivějším řešením místo ADSL a VDSL použít optický kabel.
Pro SHDSL je vhodný jakýkoli pár vodičů od sebe izolovaných - měď, hliník, ocel atd. Přenosovým médiem mohou být staré elektrické rozvody, staré telefonní linky, ploty z ostnatého drátu apod.
Závislost rychlosti přenosu dat SHDSL na vzdálenosti a typu vodiče
Z grafu rychlosti přenosu dat v závislosti na vzdálenosti a typu vodiče uvedeného pro SHDSL můžete vidět, že vodiče s velkým průřezem umožňují přenášet informace na větší vzdálenost. Díky technologii je možné organizovat komunikaci na vzdálenost až 20 km při maximální možné rychlosti 15.3 Mb/s pro 2-vodičový kabel nebo 30 Mb pro 4-vodičový kabel. V reálných aplikacích lze přenosovou rychlost nastavit ručně, což je nutné v podmínkách silného elektromagnetického rušení nebo špatné kvality linky. V tomto případě je pro zvýšení přenosové vzdálenosti nutné snížit rychlost SHDSL zařízení. Pro přesný výpočet rychlosti v závislosti na vzdálenosti a typu vodiče můžete použít bezplatný software jako např .
Proč má SHDSL vysokou odolnost proti šumu?
Princip činnosti SHDSL transceiveru lze znázornit formou blokového schématu, ve kterém je rozlišena specifická a z aplikačního hlediska nezávislá (invariantní) část. Nezávislou část tvoří funkční bloky PMD (Physical Medium Dependent) a PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), zatímco specifická část zahrnuje vrstvu TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) a uživatelská datová rozhraní.
Fyzické spojení mezi transceivery (STU) může existovat jako jeden pár nebo více jednopárových kabelů. V případě více párů kabelů obsahuje STU více nezávislých PMD spojených s jedním PMS-TC.
Funkční model SHDSL transceiveru (STU)
Modul TPS-TC závisí na aplikaci, ve které je zařízení používáno (Ethernet, RS-232/422/485 atd.). Jeho úkolem je převádět uživatelská data do formátu SHDSL, provádět multiplexování/demultiplexování a časové přizpůsobení několika kanálů uživatelských dat.
Na úrovni PMS-TC se tvoří a synchronizují rámce SHDSL, stejně jako kódování a dekódování.
Modul PMD plní funkce kódování/dekódování informací, modulace/demodulace, rušení ozvěny, vyjednávání parametrů na komunikační lince a navazování spojení mezi transceivery. Právě na úrovni PMD se provádějí hlavní operace pro zajištění vysoké odolnosti SHDSL proti šumu, včetně kódování TCPAM (kódování Trellis s analogovou pulzní modulací), společného kódovacího a modulačního mechanismu, který zlepšuje spektrální účinnost signálu ve srovnání se samostatným metoda. Princip činnosti modulu PMD lze znázornit také formou funkčního schématu.
Blokové schéma modulu PMD
TC-PAM je založen na použití konvolučního kodéru, který generuje redundantní sekvenci bitů na straně vysílače SHDSL. V každém hodinovém cyklu je každému bitu přicházejícímu na vstup kodéru přiřazen dvojitý bit (dibit) na výstupu. Za cenu relativně malé redundance se tedy zvyšuje odolnost vůči přenosovému šumu. Použití modulace Trellis umožňuje snížit použitou šířku pásma přenosu dat a zjednodušit hardware při zachování stejného odstupu signálu od šumu.
Princip činnosti kodéru Trellis (TC-PAM 16)
Dvojitý bit je tvořen logickou operací sčítání modulo-2 (exclusive-nebo) na základě vstupního bitu x1(tn) a bitů x1(tn-1), x1(tn-2) atd. (celkem jich může být až 20), které byly dříve přijaty na vstup kodéru a zůstaly uloženy v paměťových registrech. V dalším hodinovém cyklu kodéru tn+1 se bity v paměťových buňkách posunou, aby se provedla logická operace: bit x1(tn) se přesune do paměti, čímž se posune celá sekvence bitů tam uložených.
Algoritmus konvolučního kodéru
Pravdivé tabulky pro operaci sčítání modulo 2
Pro přehlednost je vhodné použít stavový diagram konvolučního kodéru, ze kterého je vidět, v jakém stavu se kodér nachází v časech tn, tn+1 atp. v závislosti na vstupních datech. V tomto případě stav kodéru znamená dvojici hodnot vstupního bitu x1(tn) a bitu v první paměťové buňce x1(tn-1). Pro sestavení diagramu lze použít graf, na jehož vrcholech jsou možné stavy kodéru a přechody z jednoho stavu do druhého jsou indikovány odpovídajícími vstupními bity x1(tn) a výstupními dibity $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Stavový diagram a přechodový graf konvolučního kodéru vysílače
Ve vysílači se na základě čtyř přijatých bitů (dva výstupní bity kodéru a dva datové bity) vytvoří symbol, z nichž každý odpovídá své vlastní amplitudě modulačního signálu analogově-pulsního modulátoru.
Stav 16bitového AIM v závislosti na hodnotě čtyřbitového znaku
Na straně přijímače signálu dochází k opačnému procesu - demodulaci a výběru z redundantního kódu (dvojité bity y0y1(tn)) požadované sekvence vstupních bitů kodéru x1(tn). Tuto operaci provádí dekodér Viterbi.
Algoritmus dekodéru je založen na výpočtu chybové metriky pro všechny možné očekávané stavy kodéru. Metrika chyb odkazuje na rozdíl mezi přijatými bity a očekávanými bity pro každou možnou cestu. Pokud nejsou žádné chyby příjmu, pak bude metrika skutečné chyby cesty 0, protože nedochází k žádné bitové divergenci. U falešných cest se bude metrika lišit od nuly, neustále narůstat a po nějaké době dekodér přestane vypočítávat chybnou cestu a zůstane jen ta pravá.
Stavový diagram kodéru vypočítaný dekodérem Viterbi přijímače
Ale jak tento algoritmus zajišťuje odolnost proti hluku? Za předpokladu, že přijímač přijal data chybně, bude dekodér pokračovat ve výpočtu dvou cest s chybovou metrikou 1. Cesta s chybovou metrikou 0 již nebude existovat. Ale algoritmus udělá závěr o tom, která cesta je pravdivá, později na základě dalších přijatých dvojitých bitů.
Když dojde k druhé chybě, bude existovat více cest s metrikou 2, ale správná cesta bude identifikována později na základě metody maximální pravděpodobnosti (tj. minimální metriky).
Stavový diagram kodéru vypočítaný dekodérem Viterbi při příjmu dat s chybami
Ve výše popsaném případě jsme jako příklad uvažovali algoritmus 16bitového systému (TC-PAM16), který zajišťuje přenos tří bitů užitečné informace a dalšího bitu pro ochranu proti chybám v jednom symbolu. TC-PAM16 dosahuje datových rychlostí od 192 do 3840 kbps. Zvýšením bitové hloubky na 128 (moderní systémy pracují s TC-PAM128) se v každém symbolu přenese šest bitů užitečných informací a maximální dosažitelná rychlost se pohybuje od 5696 kbps do 15,3 Mbps.
Použití analogové pulzní modulace (PAM) činí SHDSL podobným řadě oblíbených ethernetových standardů, jako je gigabitový 1000BASE-T (PAM-5), 10gigabitový 10GBASE-T (PAM-16) nebo průmyslový jednopárový Ethernet 2020BASE -T10L, což je slibné pro rok 1 (PAM-3).
SHDSL přes ethernetové sítě
Existují spravované a nespravované SHDSL modemy, ale tato klasifikace má pramálo společného s obvyklým dělením na spravovaná a nespravovaná zařízení, které existuje například u ethernetových přepínačů. Rozdíl spočívá v konfiguračních a monitorovacích nástrojích. Spravované modemy se konfigurují přes webové rozhraní a lze je diagnostikovat pomocí SNMP, zatímco nespravované modemy lze diagnostikovat pomocí dodatečného softwaru přes konzolový port (pro Phoenix Contact je to bezplatný program PSI-CONF a rozhraní mini-USB). Na rozdíl od přepínačů mohou neřízené modemy fungovat v síti s kruhovou topologií.
Jinak spravované a nespravované modemy jsou naprosto totožné, včetně funkčnosti a schopnosti pracovat na principu Plug&Play, tedy bez jakékoliv předběžné konfigurace.
Modemy mohou být navíc vybaveny funkcemi přepěťové ochrany s možností jejich diagnostiky. Sítě SHDSL mohou tvořit velmi dlouhé segmenty a vodiče mohou vést v místech, kde může dojít k přepětí (indukované rozdíly potenciálu způsobené výboji blesku nebo zkraty v blízkých kabelových vedeních). Indukované napětí může způsobit tok výbojových proudů o velikosti kiloampér. K ochraně zařízení před takovými jevy jsou proto do modemů zabudovány SPD ve formě odnímatelné desky, kterou lze v případě potřeby vyměnit. Právě na svorkovnici této desky je připojena linka SHDSL.
Topologie
Pomocí SHDSL přes Ethernet je možné budovat sítě s libovolnou topologií: point-to-point, line, star a ring. Zároveň podle typu modemu můžete pro připojení využít 2-drátové i 4-drátové komunikační linky.
Síťové topologie Ethernet založené na SHDSL
Je také možné budovat distribuované systémy s kombinovanou topologií. Každý segment SHDSL sítě může mít až 50 modemů a s přihlédnutím k fyzickým možnostem technologie (vzdálenost mezi modemy je 20 km) může délka segmentu dosáhnout 1000 km.
Pokud je v čele každého takového segmentu nainstalován spravovaný modem, lze integritu segmentu diagnostikovat pomocí SNMP. Spravované a nespravované modemy navíc podporují technologii VLAN, to znamená, že umožňují rozdělit síť na logické podsítě. Zařízení jsou také schopna pracovat s protokoly přenosu dat používanými v moderních automatizačních systémech (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP atd.).
Rezervace komunikačních kanálů pomocí SHDSL
SHDSL se používá k vytvoření redundantních komunikačních kanálů v síti Ethernet, nejčastěji optických.
SHDSL a sériové rozhraní
SHDSL modemy se sériovým rozhraním překonávají omezení ve vzdálenosti, topologii a kvalitě vodičů, která existují pro tradiční drátové systémy založené na asynchronních transceiverech (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 a RS-485 - 1200 m.
Existují modemy se sériovým rozhraním (RS-232/422/485) jak pro univerzální aplikace, tak pro specializované aplikace (například pro Profibus). Všechna taková zařízení patří do kategorie „unmanaged“, proto jsou konfigurována a diagnostikována pomocí speciálního softwaru.
Topologie
V sítích se sériovým rozhraním je možné pomocí SHDSL budovat sítě s topologiemi typu point-to-point, line a star. V rámci lineární topologie je možné spojit až 255 uzlů do jedné sítě (pro Profibus - 30).
V systémech postavených pouze pomocí zařízení RS-485 neexistují žádná omezení na použitý protokol přenosu dat, ale liniové a hvězdicové topologie jsou pro RS-232 a RS-422 atypické, takže provoz koncových zařízení v síti SHDSL s podobnou topologií je možné pouze v poloduplexním režimu. Zároveň v systémech s RS-232 a RS-422 musí být adresování zařízení zajištěno na úrovni protokolu, což není typické pro rozhraní nejčastěji používaná v sítích typu point-to-point.
Při připojování zařízení s různými typy rozhraní přes SHDSL je nutné vzít v úvahu skutečnost, že neexistuje jednotný mechanismus pro navázání spojení (handshake) mezi zařízeními. I v tomto případě je však stále možné zorganizovat výměnu, k tomu musí být splněny následující podmínky:
- koordinace komunikace a kontrola přenosu dat musí být prováděna na úrovni jednotného protokolu pro přenos dat informací;
- všechna koncová zařízení musí pracovat v poloduplexním režimu, který musí být rovněž podporován informačním protokolem.
Protokol Modbus RTU, nejběžnější protokol pro asynchronní rozhraní, umožňuje vyhnout se všem popsaným omezením a postavit jeden systém s různými typy rozhraní.
Sériové síťové topologie založené na SHDSL
Při použití dvouvodičového RS-485 na zařízení Kombinací modemů přes jednu sběrnici na DIN lištu můžete stavět složitější struktury. Na stejnou sběrnici lze nainstalovat napájecí zdroj (v tomto případě jsou všechna zařízení napájena přes sběrnici) a optické převodníky řady PSI-MOS pro vytvoření kombinované sítě. Důležitou podmínkou pro provoz takového systému je stejná rychlost všech transceiverů.
Další funkce SHDSL v síti RS-485
Příklady aplikací
Technologie SHDSL se aktivně používá v komunálních službách v Německu. Více než 50 společností obsluhujících městské inženýrské sítě používá staré měděné dráty k propojení objektů rozmístěných po celém městě jednou sítí. Řídicí a účetní systémy pro zásobování vodou, plynem a energií jsou primárně postaveny na SHDSL. Mezi taková města patří Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt nad Odrou a mnoho dalších.
Největší systém na bázi SHDSL byl vytvořen ve městě Lübeck. Systém má kombinovanou strukturu založenou na optickém Ethernetu a SHDSL, propojuje 120 objektů vzdálených od sebe a využívá více než 50 modemů . Celá síť je diagnostikována pomocí SNMP. Nejdelší úsek z Kalkhorstu na letiště Lübeck je dlouhý 39 km. Důvodem, proč si klientská společnost vybrala SHDSL, bylo to, že nebylo ekonomicky výhodné realizovat projekt zcela na optice, vzhledem k dostupnosti starých měděných kabelů.
Přenos dat přes sběrací kroužek
Zajímavým příkladem je přenos dat mezi pohybujícími se objekty, jak se to děje ve větrných turbínách nebo velkých průmyslových kroucecích strojích. Podobný systém se používá pro výměnu informací mezi regulátory umístěnými na rotoru a statoru zařízení. V tomto případě se pro přenos dat používá posuvný kontakt přes sběrací kroužek. Příklady jako tento ukazují, že pro přenos dat přes SHDSL není nutné mít statický kontakt.
Srovnání s jinými technologiemi
SHDSL vs GSM
Srovnáme-li SHDSL se systémy přenosu dat na bázi GSM (3G/4G), pak ve prospěch DSL hovoří absence provozních nákladů spojených s pravidelnými platbami operátorovi za přístup do mobilní sítě. S SHDSL jsme nezávislí na oblasti pokrytí, kvalitě a spolehlivosti mobilních komunikací v průmyslovém zařízení, včetně odolnosti proti elektromagnetickému rušení. S SHDSL není potřeba konfigurovat zařízení, což urychluje uvedení zařízení do provozu. Bezdrátové sítě se vyznačují velkým zpožděním při přenosu dat a obtížností při přenosu dat pomocí multicastového provozu (Profinet, Ethernet IP).
Ve prospěch SHDSL hovoří informační bezpečnost z důvodu absence nutnosti přenášet data přes internet a nutnosti konfigurovat k tomu VPN připojení.
SHDSL vs Wi-Fi
Mnohé z toho, co bylo řečeno o GSM, lze také aplikovat na průmyslové Wi-Fi. V neprospěch Wi-Fi hovoří nízká odolnost proti šumu, omezená vzdálenost přenosu dat, závislost na topologii oblasti a zpoždění v přenosu dat. Nejdůležitější nevýhodou je informační bezpečnost Wi-Fi sítí, protože k médiu pro přenos dat má přístup kdokoli. S Wi-Fi je již možné přenášet Profinet nebo Ethernet IP data, což by u GSM bylo obtížné.
SHDSL vs optika
V naprosté většině případů má optika oproti SHDSL velkou výhodu, ale v řadě aplikací vám SHDSL umožňuje ušetřit čas a peníze na pokládku a svařování optických kabelů a zkrátit čas potřebný k uvedení zařízení do provozu. SHDSL nevyžaduje speciální konektory, protože komunikační kabel se jednoduše připojí k terminálu modemu. Vzhledem k mechanickým vlastnostem optických kabelů je jejich použití omezené v aplikacích zahrnujících přenos informací mezi pohybujícími se objekty, kde jsou běžnější měděné vodiče.
Zdroj: www.habr.com