Despite the widespread adoption of Ethernet networks, DSL-based communication technologies remain relevant to this day. DSL can still be found in last-mile networks for connecting subscriber equipment to Internet service provider networks, and recently, this technology is increasingly used in local network setups, such as in industrial applications, where DSL acts as a complement to Ethernet or field networks based on RS-232/422/485. Such industrial solutions are actively used in developed European and Asian countries.
DSL represents a family of standards that were initially designed for transmitting digital data over telephone lines. Historically, this was the first broadband Internet access technology, replacing DIAL UP and ISDN. The wide variety of existing DSL standards today is due to many companies, starting in the 1980s, attempting to develop and promote their own technology in the market.
All these developments can be divided into two major categories – asymmetric (ADSL) and symmetric (SDSL) technologies. Asymmetric technologies are those in which the incoming connection speed differs from the outgoing traffic speed. Symmetric technologies mean that the speeds for receiving and transmitting are equal.
The most well-known and widespread asymmetric standards are ADSL (in its latest version – ADSL2+) and VDSL (VDSL2), while the symmetric ones include HDSL (an outdated profile) and SHDSL. They all differ in terms of operating on different frequencies, using different methods of encoding and modulation on the physical line. They also differ in error correction methods, which ensures varying levels of noise immunity. As a result, each technology has its limits in terms of speed and data transmission distance, depending on the type and quality of the conductor.
Limit parameters of various DSL standards
I enhver DSL-teknologi falder dataoverførselshastigheden, når længden af ledningen øges. Over grænseafstande kan hastigheder på flere hundrede kilobit opnås, men ved dataoverførsel på 200-300 m er den maksimalt mulige hastighed tilgængelig.
Blandt alle teknologier har SHDSL en betydelig fordel, der muliggør dens anvendelse i industrielle applikationer — høj modstandsdygtighed over for interferens og muligheden for at bruge hvilken som helst type leder til dataoverførsel. Dette findes ikke i asymmetriske standarder, og kvaliteten af forbindelsen afhænger stærkt af kvaliteten af den linje, der bruges til dataoverførsel. Det anbefales især at bruge snoet telefonkabler. I dette tilfælde viser det sig, at optiske kabel er en mere pålidelig løsning end ADSL og VDSL.
SHDSL kan anvende ethvert par af isolerede ledere — kobber, aluminium, stål osv. Den kan også bruge gammelt elektrisk ledningsnet, gamle telefonlinjer, pigtråd fra hegn osv. som transmissionsmedium.
Afhængigheden af SHDSL dataoverførselshastighed fra afstand og type leder.
Grafen, der viser afhængigheden af dataoverførselshastigheden fra afstand og type leder for SHDSL, viser, at ledere med større tværsnit muliggør dataoverførsel over længere afstande. Takket være teknologien kan der etableres en forbindelse på afstande op til 20 km med en maksimalt mulig hastighed på 15.3 Mb/s for 2-leder kabel eller 30 Mb for 4-leder kabel. I praktiske anvendelser kan dataoverførselshastigheden indstilles manuelt, hvilket er nødvendigt under forhold med stærk elektromagnetisk interferens eller dårlig kvalitet af linjen. For at øge overførselsafstanden skal hastigheden for SHDSL-enhederne reduceres. For præcise beregninger af hastighed afhængig af afstand og type leder kan der anvendes gratis softwareværktøjer som .
Hvad giver SHDSL dens høje modstandsdygtighed over for interferens?
Virksomheden SHDSL-modtagerens funktion kan fremvises i en blokdiagram, hvor man skelner mellem en specifik og en uafhængig (invariant) del i forhold til applikationen. Den uafhængige del består af funktionelle blokke PMD (Physical Medium Dependent) og PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), mens den specifikke del inkluderer niveauet TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) og brugerdatainterfaces.
Det fysiske kommunikationslinje mellem modtagere (STU) kan eksistere som en enkeltparret eller flere enkeltparrede kabler. I tilfælde af flere par kabler indeholder STU flere uafhængige PMD-blokke, der er forbundet til en enkelt PMS-TC.
Funktionsmodellen for SHDSL-modtageren (STU)
Modulet TPS-TC afhænger af den applikation, hvori enheden anvendes (Ethernet, RS-232/422/485 osv.). Dens opgave er at konvertere brugerdata til SHDSL-format, udføre multiplexing/demultiplexing og tidskorrektion af flere kanaler med brugerdata.
På PMS-TC-niveauet dannes SHDSL-rammer og deres synkronisering, samt scrambling og descrambling udføres.
PMD-modulet udfører funktioner som kodning/dekodning af information, modulerings/demodulering, ekkoundertrykkelse, parameterjustering på kommunikationslinjen og etablering af forbindelse mellem modtagere. Det er på PMD-niveauet, at de grundlæggende operationer, der sikrer høj modstandsdygtighed over for støj i SHDSL, udføres, herunder TCPAM-kodning (Trellis-kodning med analog impulsmodulering), en mekanisme for fælles kodning og modulation, hvor den spektrale effektivitet af signalet forbedres sammenlignet med den separate metode. Modulet PMDs funktionelle princip kan også fremvises i form af et funktionsdiagram.
Blokdiagram for PMD-modulet
TC-PAM er baseret på brugen af en konvolutionskode, der danner en overflødig sekvens af bits på SHDSL-transmittersiden. På hver tak forarbejdning tildeles hver bit, der kommer ind i koden, en dobbeltbit (dibit) på udgangen. På den måde opnås der en relativt beskeden overflødighed, som øger interferensmodstanden ved transmission. Anvendelse af Trellis-modulation gør det muligt at reducere det anvendte båndbredde til datatransmission og forenkle hardwaredelen, samtidig med at forholdet mellem signal/støj forbliver uændret.
Funktionsprincippet for Trellis-koderen (TC-PAM 16)
Dobbeltbittet dannes ved hjælp af en logisk operation, der er summation modulo 2 (ekskluderende "eller") baseret på den indkommende bit x1(tn) og bittene x1(tn-1), x1(tn-2) osv. (op til 20 i alt), som kom ind i koden tidligere og er blevet gemt i hukommelsesregistre. På den næste tak for koderen tn+1 vil bittene i hukommelsescellerne blive forskudt for at udføre den logiske operation: bit x1(tn) vil blive flyttet til hukommelsen, hvilket skubber den gemte sekvens af bits.
Algoritmen for konvolutionskoderen
Sandhedstabeller for summation modulo 2 operationen
For overskuelighed er det praktisk at bruge et tilstandsdiagram for konvolutionskoderen, hvor det kan ses, hvilken tilstand koden befinder sig i på tidspunkterne tn, tn+1 osv. afhængigt af inddataene. Med 'tilstanden' for koden refereres der i dette tilfælde til det par af værdier, som er den indkommende bit x1(tn) og bit i den første hukommelsescelle x1(tn-1). For at konstruere diagrammet kan der bruges en graf, hvor noderne repræsenterer de mulige tilstande af koden, og overgange fra en tilstand til en anden er markeret med de tilsvarende inddata-bits x1(tn) og uddata-dibitter $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Tilstandsdiagram og transition graf for konvolutionskoderen i transmitter
I transmitteren dannes der et symbol baseret på de opnåede fire bits (to uddata-bits fra koden og to databit), hvor hver af dem svarer til sin egen amplitudemodulering af det analoge impulsmodulator signal.
Tilstanden af den 16-bits AIM afhænger af værdien af det fire-bits symbol
På modtagerens side sker der en omvendt proces - demodulation og udtrækning af den nødvendige sekvens af indgangsbiter fra den overflødige kode (dobbeltbiter y0y1(tn)) fra koderens x1(tn). Denne operation udføres af Viterbi-dekoder.
Dekoderens algoritme er baseret på beregningen af fejlmetrikken for alle mulige antagne tilstande af koden. Med fejlmetrik menes der forskellen mellem de modtagne bit og de antagne bit for hver mulig vej. Hvis der ikke er fejl ved modtagelsen, vil fejlmetrikken for den sande vej være 0, fordi der ikke er nogen forskel i bitene. For falske veje vil metrikken være forskellig fra nul, konstant vokse og efter et stykke tid vil dekoderen stoppe med at beregne den fejlagtige vej, og kun den sande vil være tilbage.
Tilstandsgrafen for koder, beregnet af Viterbi-dekoderen på modtageren
Men hvordan sikrer denne algoritme mod interferens? Hvis vi antager, at modtageren modtog data med en fejl, vil dekoderen fortsætte med at beregne to veje med fejlmetrikken 1. Vejen med metrik 0 vil ikke længere eksistere. Men konklusionen om, hvilken vej der er den sande, vil algoritmen drage senere baseret på de næste modtagne dobbeltbiter.
Ved fremkomsten af den anden fejl vil der være flere veje med metrik 2, men den korrekte vej vil blive identificeret senere baseret på maximum likelihood-metoden (dvs. minimum metrik).
Tilstandsgrafen for koder, beregnet af Viterbi-dekoderen, når der modtages data med fejl
I det ovenfor beskrevne tilfælde blev algoritmen for et 16-bit system (TC-PAM16) overvejet, som muliggør transmission af tre bit nyttig information og en yderligere bit til fejlkontrol i ét symbol. I TC-PAM16 er hastigheden for dataoverførsel mellem 192 og 3840 kbit/s. Ved at øge bitdybden til 128 (moderne systemer arbejder med TC-PAM128) overføres der seks bit nyttig information i hvert symbol, og den maksimalt opnåelige hastighed er mellem 5696 kbit/s og 15,3 Mb/s.
Brugen af analog-pulsmodulation (PAM) forbinder SHDSL med en række populære Ethernet-standarder som gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) eller den lovende industrielle enkeltpar Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3) for 2020.
SHDSL i Ethernet-netværk
Der findes administrerede og uadministrerede SHDSL-modemer, men i en sådan klassifikation er der lidt til fælles med den velkendte opdeling i administrerede og uadministrerede enheder, som eksempelvis findes for Ethernet-switches. Forskellen ligger i konfigurations- og overvågningsmidlerne. Administrerede modemer konfigureres gennem et webinterface og kan diagnosticeres via SNMP, mens uadministrerede modemer kræver ekstra software via konsolporten (for Phoenix Contact er dette det gratis program PSI-CONF og mini-USB interface). I modsætning til switches kan uadministrerede modemer arbejde i et netværk med ringtopologi.
Ellers er administrerede og uadministrerede modemer helt identiske, inklusive funktionalitet og muligheden for at fungere efter princippet Plug&Play, det vil sige uden nogen form for forudgående konfiguration.
Derudover kan modemerne pålægges funktioner til beskyttelse mod spændingsimpulsser med mulighed for diagnosticering. SHDSL-netværk kan danne meget lange segmenter, og ledningerne kan løbe i områder, hvor der kan opstå spændingsimpulser (induktiv spændingsforskydning forårsaget af lynnedslag eller kortslutninger i nærliggende kabelsystemer). Induktiv spænding kan forårsage strømme på flere kiloampere. Derfor integreres overspændingsbeskyttere (UZIPl) i modemerne i form af udskiftelige kort, som kan udskiftes ved behov. Det er til terminalen på dette kort, at SHDSL-linjen tilsluttes.
Topologier
Ved hjælp af SHDSL er det muligt at bygge netværk i Ethernet med hvilken som helst topologi: punkt-til-punkt, linje, stjerne og ring. Alt efter modemtypen kan der anvendes både 2-leder og 4-leder kommunikationslinjer til forbindelsen.
Ethernet-netværkstopologier baseret på SHDSL
Der kan også opbygges distribuerede systemer med en kombinationstopologi. Hver sektion af SHDSL-netværket kan rumme op til 50 modemer, og da teknologien tillader en afstand mellem modemerne på 20 km, kan længden af et segment nå op til 1000 km.
Hvis der installeres en administreret modem i hvert af disse segmenter, kan segmentets integritet diagnosticeres via SNMP. Derudover understøtter både administrerede og ikke-administrerede modemer VLAN-teknologi, hvilket gør det muligt at opdele netværket i logiske undernet. Enhederne er også i stand til at arbejde med datatransmissionsprotokoller, der anvendes i moderne automatiseringssystemer (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP m.fl.).
Redundans af kommunikationskanaler med SHDSL
SHDSL bruges til at oprette reservedele kommunikationskanaler i Ethernet-netværk, oftest optiske.
SHDSL og seriel interface
SHDSL-modemer med seriel interface giver mulighed for at overvinde begrænsninger med afstand, topologi og kvalitet af leder, som findes i traditionelle ledningssystemer baseret på asynkrone transceivere (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 og RS-485 — 1200 m.
Der findes modemer med serielle interfaces (RS-232/422/485) både til generelle applikationer og til specialiserede (f.eks. til Profibus). Alle sådanne enheder falder ind under kategorien "ikke-administrerede", så de konfigureres og diagnosticeres ved hjælp af specialsoftware.
Topologier
I netværk med serielle interfaces er det muligt at bygge netværk med topologier som punkt-til-punkt, linje og stjerne via SHDSL. I lineær topologi er det muligt at kombinere op til 255 noder i ét netværk (for Profibus — 30).
I systemer, der kun er bygget med enheder på RS-485 interface, er der ingen begrænsninger for den anvendte datatransmissionsprotokol, men topologier som linje og stjerne er usædvanlige for RS-232 og RS-422, så driften af slutbrugere i et SHDSL-netværk med sådanne topologier er kun mulig i halvdublex-tilstand. Samtidig skal der i systemer med RS-232 og RS-422 sikres adressering af enheder på protokolniveau, hvilket ikke er karakteristisk for de interfaces, der oftest anvendes i punkt-til-punkt netværk.
Når der sammenkobles enheder med forskellige typer interfaces gennem SHDSL, er det vigtigt at tage højde for, at der ikke er en ensartet mekanisme til at etablere forbindelse (håndtryk) mellem enhederne. Det er dog stadig muligt at organisere udveksling i dette tilfælde — for det kræver, at følgende betingelser opfyldes:
- Sammenkobling og dataoverførsel skal udføres på niveauet for en enkelt informationsprotokol til dataoverførsel;
- Alle slutbrugerenheder skal fungere i halvdublet tilstand, hvilket også skal understøttes af informationsprotokollen.
Den mest almindeligt anvendte protokol til asynkrone grænseflader, Modbus RTU, tillader at omgå alle de nævnte begrænsninger og skabe et ensartet system med forskellige typer grænseflader.
Netværkstopologier med sekventiel grænseflade baseret på SHDSL
Ved brug af totråds RS-485 på udstyret kan der opbygges mere komplekse strukturer ved at sammenkoble modemmer via en bus på DIN-skinnen. På denne bus kan der også installeres en strømforsyning (i så fald forsynes alle enheder via busen) samt optiske konvertere af serien PSI-MOS for at skabe et kombineret netværk. En vigtig betingelse for driften af et sådant system er, at alle sendere og modtagere har samme hastighed.
Yderligere muligheder for SHDSL i RS-485-netværket
Eksempler på anvendelse
SHDSL-teknologi anvendes aktivt i den kommunale sektor i Tyskland. Over 50 virksomheder, der betjener byens kommunale systemer, bruger gamle kobberledninger til at forbinde de distribuerede objekter i byen. SHDSL-drevne systemer anvendes primært til styring og måling inden for vand-, gas- og energiforsyning. Byer som Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt (Oder) og mange andre er blandt disse.
Det mest omfattende SHDSL-baserede system blev etableret i byen Lübeck. Systemet har en kombineret struktur baseret på optisk Ethernet og SHDSL, forbinder 120 fjerntliggende objekter og bruger mere end 50 modemmer. . Hele netværket diagnosticeres via SNMP. Den længste sektion fra kommunen Kalkhorst til Lübeck Lufthavn har en længde på 39 km. Årsagen til, at den bestillende virksomhed valgte SHDSL, var, at realiseringen af projektet udelukkende på fiberoptik var økonomisk uholdbar under hensyntagen til de eksisterende gamle kobberkabler.
Dataoverførsel gennem kontaktringen
Et interessant eksempel er dataoverførsel mellem bevægelige objekter, som f.eks. i vindmøller eller store industrielle drejemaskiner. Et sådant system anvendes til informationsudveksling mellem controllere placeret på rotoren og statoren af installationerne. I dette tilfælde bruges et glidende kontakt gennem et kontakt-ring til dataoverførsel. Sådanne eksempler viser, at det ikke er nødvendigt at have en statisk kontakt for at overføre data via SHDSL.
Sammenligning med andre teknologier
SHDSL vs GSM
Når man sammenligner SHDSL med datatransmissionssystemer baseret på GSM (3G/4G), taler fraværet af driftsomkostninger for DSL, da der ikke er nogen faste betalinger til operatøren for adgang til mobilnetværket. Med SHDSL er vi ikke afhængige af dækningsområde, kvaliteten og pålideligheden af mobilkommunikation på industrielle steder, inklusive modstandsdygtighed over for elektromagnetiske forstyrrelser. I SHDSL er der ikke behov for at konfigurere udstyr, hvilket fremskynder idriftsættelsen. Trådløse netværk er præget af større forsinkelser i dataoverførsel og vanskeligheder med at overføre data, der bruger multicast-trafik (Profinet, Ethernet IP).
Information sikkerhed taler til fordel for SHDSL, da der ikke er behov for at overføre data via internettet eller at konfigurere VPN-forbindelser til dette.
SHDSL vs Wi-Fi
Meget af det, der siges om GSM, kan også gælde for industriel Wi-Fi. Ulemperne ved Wi-Fi inkluderer lav modstandsdygtighed over for forstyrrelser, begrænsede transmissionsafstande, afhængighed af terræntopologi og forsinkelser i dataoverførslen. Den største ulempe er informationssikkerheden i Wi-Fi-netværk, da enhver person har adgang til transmissionsmediet. Det er allerede muligt at overføre Profinet eller Ethernet IP-data via Wi-Fi, hvilket ville være besværligt for GSM.
SHDSL vs fiber
Fiberoptik har i langt de fleste tilfælde en betydelig fordel i forhold til SHDSL, men i visse applikationer tillader SHDSL at spare tid og penge på installation og svejsning af fiberkabler, hvilket forkorter tiden til idriftsættelse. Der kræves ikke specielle stik til SHDSL, da kommunikationskablet blot tilsluttes terminalerne på modemet. På grund af de mekaniske egenskaber ved fiberkabler er deres anvendelse begrænset i applikationer, der involverer dataoverførsel mellem bevægelige genstande, hvor kobberledninger er mere udbredte.
Kilde: habr.com
