På trods af den udbredte brug af Ethernet-netværk er DSL-baserede kommunikationsteknologier stadig relevante den dag i dag. Indtil nu kan DSL findes i last-mile-netværk til tilslutning af abonnentudstyr til internetudbydernetværk, og på det seneste er teknologien i stigende grad brugt i opbygningen af lokale netværk, for eksempel i industrielle applikationer, hvor DSL fungerer som et supplement til Ethernet eller feltnetværk baseret på RS-232/422/485. Lignende industrielle løsninger bruges aktivt i udviklede europæiske og asiatiske lande.
DSL er en familie af standarder, der oprindeligt blev udtænkt til at sende digitale data over telefonlinjer. Historisk set blev det den første bredbåndsinternetadgangsteknologi, der erstattede DIAL UP og ISDN. Den brede vifte af DSL-standarder, der findes i øjeblikket, skyldes, at mange virksomheder, der startede i 80'erne, forsøgte at udvikle og markedsføre deres egen teknologi.
Alle disse udviklinger kan opdeles i to store kategorier - asymmetriske (ADSL) og symmetriske (SDSL) teknologier. Asymmetrisk refererer til dem, hvor hastigheden på den indgående forbindelse er forskellig fra hastigheden for udgående trafik. Med symmetrisk mener vi, at modtage- og transmissionshastighederne er ens.
De mest kendte og udbredte asymmetriske standarder er faktisk ADSL (i seneste udgave - ADSL2+) og VDSL (VDSL2), symmetriske - HDSL (forældet profil) og SHDSL. De adskiller sig alle fra hinanden ved, at de opererer ved forskellige frekvenser og anvender forskellige kodnings- og moduleringsmetoder på den fysiske kommunikationslinje. Fejlkorrektionsmetoderne er også forskellige, hvilket resulterer i forskellige niveauer af støjimmunitet. Som et resultat har hver teknologi sine egne grænser for hastigheden og afstanden for datatransmission, herunder afhængigt af lederens type og kvalitet.
Grænser for forskellige DSL-standarder
I enhver DSL-teknologi falder dataoverførselshastigheden, når kablets længde øges. På ekstreme afstande er det muligt at opnå hastigheder på flere hundrede kilobits, men ved overførsel af data over 200-300 m er den maksimalt mulige hastighed tilgængelig.
Blandt alle teknologier har SHDSL en alvorlig fordel, der gør det muligt at bruge det i industrielle applikationer - høj støjimmunitet og evnen til at bruge enhver form for leder til datatransmission. Dette er ikke tilfældet med asymmetriske standarder, og kvaliteten af kommunikationen er meget afhængig af kvaliteten af den linje, der bruges til datatransmission. Det anbefales især at bruge et snoet telefonkabel. I dette tilfælde er en mere pålidelig løsning at bruge et optisk kabel i stedet for ADSL og VDSL.
Ethvert lederpar isoleret fra hinanden er velegnet til SHDSL - kobber, aluminium, stål osv. Transmissionsmediet kan være gamle elektriske ledninger, gamle telefonlinjer, pigtrådshegn mv.
Afhængighed af SHDSL-datatransmissionshastighed af afstand og ledertype
Fra grafen over dataoverførselshastighed kontra afstand og ledertype givet for SHDSL, kan du se, at ledere med et stort tværsnit giver dig mulighed for at transmittere information over en større afstand. Takket være teknologien er det muligt at organisere kommunikation over en afstand på op til 20 km med en maksimalt mulig hastighed på 15.3 Mb/s for et 2-leder kabel eller 30 Mb for et 4-leder kabel. I rigtige applikationer kan transmissionshastigheden indstilles manuelt, hvilket er nødvendigt under forhold med stærk elektromagnetisk interferens eller dårlig linjekvalitet. I dette tilfælde er det nødvendigt at reducere hastigheden på SHDSL-enheder for at øge transmissionsafstanden. For præcist at beregne hastighed afhængig af afstand og ledertype, kan du bruge gratis software som f.eks .
Hvorfor har SHDSL høj støjimmunitet?
Driftsprincippet for SHDSL-transceiveren kan repræsenteres i form af et blokdiagram, hvor en specifik og uafhængig (invariant) del fra anvendelsessynspunktet skelnes. Den uafhængige del består af PMD (Physical Medium Dependent) og PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer) funktionsblokke, mens den specifikke del omfatter TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) lag og brugerdatagrænseflader.
Den fysiske forbindelse mellem transceivere (STU'er) kan eksistere som et enkelt par eller flere enkelt par kabler. I tilfælde af flere kabelpar indeholder STU'en flere uafhængige PMD'er forbundet med en enkelt PMS-TC.
Funktionel model af SHDSL transceiver (STU)
TPS-TC-modulet afhænger af den applikation, som enheden bruges i (Ethernet, RS-232/422/485 osv.). Dens opgave er at konvertere brugerdata til SHDSL-formatet, udføre multipleksing/demultipleksing og tidsjustering af flere kanaler med brugerdata.
På PMS-TC-niveau dannes og synkroniseres SHDSL-rammer samt scrambling og descrambling.
PMD-modulet udfører funktionerne informationskodning/dekodning, modulering/demodulering, ekkoannullering, parameterforhandling på kommunikationslinjen og etablering af forbindelser mellem transceivere. Det er på PMD-niveau, at hovedoperationerne udføres for at sikre høj støjimmunitet af SHDSL, herunder TCPAM-kodning (Trellis-kodning med analog pulsmodulation), en fælles kodnings- og moduleringsmekanisme, der forbedrer signalets spektrale effektivitet sammenlignet med en separat metode. Funktionsprincippet for PMD-modulet kan også repræsenteres i form af et funktionsdiagram.
PMD-modulblokdiagram
TC-PAM er baseret på brugen af en foldningskoder, der genererer en redundant sekvens af bit på SHDSL-sendersiden. Ved hver klokcyklus tildeles hver bit, der ankommer til koderindgangen, en dobbeltbit (dibit) ved udgangen. På bekostning af relativt lille redundans øges transmissionsstøjimmuniteten således. Brugen af Trellis-modulation giver dig mulighed for at reducere den brugte datatransmissionsbåndbredde og forenkle hardwaren, mens du bibeholder det samme signal-til-støj-forhold.
Driftsprincip for Trellis-encoderen (TC-PAM 16)
Dobbeltbitten er dannet af en logisk modulo-2 (eksklusiv-eller) additionsoperation baseret på inputbitten x1(tn) og bitsene x1(tn-1), x1(tn-2) osv. (der kan være op til 20 af dem i alt), som blev modtaget ved encoder-indgangen før og forblev lagret i hukommelsesregistre. Ved den næste clock-cyklus af indkoderen tn+1 vil bits blive forskudt i hukommelsesceller for at udføre en logisk operation: bit x1(tn) vil flytte ind i hukommelsen og forskyde hele sekvensen af bit, der er lagret der.
Konvolutionel encoder-algoritme
Sandhedstabeller for additionsoperation modulo 2
For klarhedens skyld er det praktisk at bruge et tilstandsdiagram af en foldningskoder, hvorfra du kan se, hvilken tilstand koderen er i til tider tn, tn+1 osv. afhængig af inputdata. I dette tilfælde betyder indkodertilstanden et par værdier af inputbit x1(tn) og bit i den første hukommelsescelle x1(tn-1). For at konstruere et diagram kan du bruge en graf, i hvis toppunkter der er mulige tilstande for indkoderen, og overgange fra en tilstand til en anden er angivet med de tilsvarende inputbits x1(tn) og output-dibits $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Tilstandsdiagram og overgangsgraf for en transmitters foldningskoder
I senderen, baseret på de fire modtagne bits (to udgangsbit af koderen og to databit), dannes et symbol, som hver svarer til sin egen amplitude af det modulerende signal fra den analoge impulsmodulator.
Status for 16-bit AIM afhængigt af værdien af fire-bit tegnet
På siden af signalmodtageren sker den omvendte proces - demodulation og udvælgelse fra den redundante kode (dobbeltbits y0y1(tn)) af den påkrævede sekvens af inputbits af indkoderen x1(tn). Denne operation udføres af en Viterbi-dekoder.
Dekoderalgoritmen er baseret på at beregne en fejlmetrik for alle mulige forventede indkodertilstande. Fejlmetrikken refererer til forskellen mellem de modtagne bits og de forventede bits for hver mulig vej. Hvis der ikke er nogen modtagefejl, vil den sande stifejl-metrik være 0, fordi der ikke er nogen bitdivergens. For falske stier vil metrikken afvige fra nul, konstant stige, og efter et stykke tid stopper dekoderen med at beregne den fejlagtige sti og efterlader kun den sande.
Encodertilstandsdiagram beregnet af modtagerens Viterbi-dekoder
Men hvordan sikrer denne algoritme støjimmunitet? Hvis det antages, at modtageren har modtaget dataene ved en fejl, vil dekoderen fortsætte med at beregne to stier med en fejlmetrik på 1. Stien med en fejlmetrik på 0 vil ikke længere eksistere. Men algoritmen vil lave en konklusion om, hvilken vej der er sand senere baseret på de næste modtagne dobbeltbits.
Når den anden fejl opstår, vil der være flere stier med metrik 2, men den korrekte sti vil blive identificeret senere baseret på maksimumsandsynlighedsmetoden (dvs. minimumsmetrikken).
Encodertilstandsdiagram beregnet af Viterbi-dekoder ved modtagelse af data med fejl
I det ovenfor beskrevne tilfælde betragtede vi som et eksempel algoritmen for et 16-bit system (TC-PAM16), som sikrer transmission af tre bits nyttig information og en ekstra bit til fejlbeskyttelse i ét symbol. TC-PAM16 opnår datahastigheder fra 192 til 3840 kbps. Ved at øge bitdybden til 128 (moderne systemer arbejder med TC-PAM128), transmitteres seks bits nyttig information i hvert symbol, og den maksimalt opnåelige hastighed varierer fra 5696 kbps til 15,3 Mbps.
Brugen af analog pulsmodulation (PAM) gør SHDSL ligner en række populære Ethernet-standarder, såsom gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) eller industriel single-pair Ethernet 2020BASE -T10L, som er lovende for 1 (PAM-3).
SHDSL over Ethernet-netværk
Der er administrerede og ikke-administrerede SHDSL-modemmer, men denne klassifikation har ikke meget til fælles med den sædvanlige opdeling i administrerede og ikke-administrerede enheder, der findes for eksempel til Ethernet-switche. Forskellen ligger i konfigurations- og overvågningsværktøjerne. Administrerede modemer konfigureres via en webgrænseflade og kan diagnosticeres via SNMP, mens ikke-administrerede modemer kan diagnosticeres ved hjælp af ekstra software via konsolporten (for Phoenix Contact er dette et gratis PSI-CONF-program og et mini-USB-interface). I modsætning til switches kan ikke-administrerede modemer fungere i et netværk med en ringtopologi.
Ellers er administrerede og ikke-administrerede modemer fuldstændig identiske, inklusive funktionalitet og mulighed for at arbejde efter Plug&Play-princippet, det vil sige uden nogen foreløbig konfiguration.
Derudover kan modemer udstyres med overspændingsbeskyttelsesfunktioner med mulighed for at diagnosticere dem. SHDSL-netværk kan danne meget lange segmenter, og ledere kan køre på steder, hvor overspændinger (inducerede potentialeforskelle forårsaget af lynudladninger eller kortslutninger i nærliggende kabellinjer) kan forekomme. Den inducerede spænding kan få udladningsstrømme på kiloampere til at flyde. For at beskytte udstyr mod sådanne fænomener er SPD'er derfor indbygget i modemer i form af et aftageligt kort, som kan udskiftes om nødvendigt. Det er til klemrækken på dette kort, at SHDSL-linjen er forbundet.
Topologier
Ved at bruge SHDSL over Ethernet er det muligt at bygge netværk med enhver topologi: punkt-til-punkt, linje, stjerne og ring. Samtidig kan du, afhængigt af typen af modem, bruge både 2-leder og 4-leder kommunikationslinjer til tilslutning.
Ethernet-netværkstopologier baseret på SHDSL
Det er også muligt at bygge distribuerede systemer med en kombineret topologi. Hvert SHDSL-netværkssegment kan have op til 50 modemer, og under hensyntagen til teknologiens fysiske muligheder (afstanden mellem modemerne er 20 km), kan segmentlængden nå 1000 km.
Hvis et administreret modem er installeret i toppen af hvert sådant segment, kan integriteten af segmentet diagnosticeres ved hjælp af SNMP. Derudover understøtter administrerede og ikke-administrerede modemer VLAN-teknologi, det vil sige, at de giver dig mulighed for at opdele netværket i logiske undernet. Enhederne er også i stand til at arbejde med dataoverførselsprotokoller, der bruges i moderne automatiseringssystemer (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP osv.).
Reservation af kommunikationskanaler ved hjælp af SHDSL
SHDSL bruges til at skabe redundante kommunikationskanaler i et Ethernet-netværk, oftest optisk.
SHDSL og seriel interface
SHDSL-modemmer med et serielt interface overvinder de begrænsninger i afstand, topologi og lederkvalitet, der findes for traditionelle kablede systemer baseret på asynkrone transceivere (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 og RS-485 - 1200 m.
Der er modemer med serielle interfaces (RS-232/422/485) til både universelle applikationer og specialiserede (for eksempel til Profibus). Alle sådanne enheder tilhører kategorien "ikke-administreret", derfor er de konfigureret og diagnosticeret ved hjælp af speciel software.
Topologier
I netværk med seriel interface er det ved hjælp af SHDSL muligt at bygge netværk med punkt-til-punkt-, linje- og stjernetopologier. Inden for den lineære topologi er det muligt at kombinere op til 255 noder i ét netværk (for Profibus - 30).
I systemer, der kun er bygget med RS-485-enheder, er der ingen begrænsninger på den anvendte dataoverførselsprotokol, men linje- og stjernetopologier er atypiske for RS-232 og RS-422, så driften af slutenheder på et SHDSL-netværk med lignende topologier er kun mulig i halv-dupleks-tilstand. Samtidig skal der i systemer med RS-232 og RS-422 leveres enhedsadressering på protokolniveau, hvilket ikke er typisk for grænseflader, der oftest anvendes i punkt-til-punkt netværk.
Når du forbinder enheder med forskellige typer grænseflader via SHDSL, er det nødvendigt at tage højde for, at der ikke er en enkelt mekanisme til at etablere en forbindelse (håndtryk) mellem enheder. Det er dog stadig muligt at organisere en udveksling i dette tilfælde, for dette skal følgende betingelser være opfyldt:
- kommunikationskoordinering og dataoverførselskontrol skal udføres på niveau med en samlet informationsdataoverførselsprotokol;
- alle slutenheder skal fungere i halv-dupleks-tilstand, som også skal understøttes af informationsprotokollen.
Modbus RTU-protokollen, den mest almindelige protokol for asynkrone grænseflader, giver dig mulighed for at undgå alle de beskrevne begrænsninger og bygge et enkelt system med forskellige typer grænseflader.
Serielle netværkstopologier baseret på SHDSL
Ved brug af to-leder RS-485 på udstyr Du kan bygge mere komplekse strukturer ved at kombinere modemer gennem en bus på en DIN-skinne. En strømforsyning kan installeres på den samme bus (i dette tilfælde får alle enheder strøm via bussen) og optiske omformere i PSI-MOS-serien for at skabe et kombineret netværk. En vigtig betingelse for driften af et sådant system er den samme hastighed for alle transceivere.
Yderligere funktioner i SHDSL på et RS-485-netværk
Anvendelseseksempler
SHDSL-teknologi bruges aktivt i kommunale forsyningsselskaber i Tyskland. Mere end 50 virksomheder, der betjener byforsyningssystemer, bruger gamle kobberledninger til at forbinde objekter fordelt over hele byen med ét netværk. Kontrol- og regnskabssystemer til vand-, gas- og energiforsyning er primært bygget på SHDSL. Blandt sådanne byer er Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder og mange andre.
Det største SHDSL-baserede system blev skabt i byen Lübeck. Systemet har en kombineret struktur baseret på optisk Ethernet og SHDSL, forbinder 120 objekter fjernt fra hinanden og bruger mere end 50 modemer . Hele netværket diagnosticeres ved hjælp af SNMP. Det længste stykke fra Kalkhorst til Lübeck Lufthavn er 39 km langt. Grunden til, at kundevirksomheden valgte SHDSL, var, at det ikke var økonomisk rentabelt at gennemføre projektet udelukkende på optik, givet tilgængeligheden af gamle kobberkabler.
Dataoverførsel via glidering
Et interessant eksempel er overførsel af data mellem objekter i bevægelse, som det sker i vindmøller eller store industrielle vridemaskiner. Et lignende system bruges til informationsudveksling mellem regulatorer placeret på rotor og stator af anlæggene. I dette tilfælde bruges en glidende kontakt gennem en glidering til at overføre data. Eksempler som dette viser, at det ikke er nødvendigt at have en statisk kontakt for at overføre data over SHDSL.
Sammenligning med andre teknologier
SHDSL vs GSM
Hvis vi sammenligner SHDSL med datatransmissionssystemer baseret på GSM (3G/4G), så taler fraværet af driftsomkostninger forbundet med regelmæssige betalinger til operatøren for adgang til mobilnetværket for DSL. Med SHDSL er vi uafhængige af dækningsområde, kvalitet og pålidelighed af mobilkommunikation på en industriel facilitet, herunder modstand mod elektromagnetisk interferens. Med SHDSL er der ingen grund til at konfigurere udstyr, hvilket fremskynder idriftsættelsen af anlægget. Trådløse netværk er kendetegnet ved store forsinkelser i datatransmission og vanskeligheder med at transmittere data ved hjælp af multicast-trafik (Profinet, Ethernet IP).
Informationssikkerhed taler for SHDSL på grund af fraværet af behovet for at overføre data over internettet og behovet for at konfigurere VPN-forbindelser til dette.
SHDSL vs Wi-Fi
Meget af det, der er blevet sagt om GSM, kan også anvendes på industriel Wi-Fi. Lav støjimmunitet, begrænset datatransmissionsafstand, afhængighed af områdets topologi og forsinkelser i datatransmission taler imod Wi-Fi. Den vigtigste ulempe er informationssikkerheden for Wi-Fi-netværk, fordi enhver har adgang til dataoverførselsmediet. Med Wi-Fi er det allerede muligt at overføre Profinet eller Ethernet IP-data, hvilket ville være svært for GSM.
SHDSL vs optik
I langt de fleste tilfælde har optik en stor fordel i forhold til SHDSL, men i en række anvendelser giver SHDSL mulighed for at spare tid og penge på at lægge og svejse optiske kabler, hvilket reducerer den tid, det tager at sætte et anlæg i drift. SHDSL kræver ikke specielle stik, fordi kommunikationskablet blot er tilsluttet modemterminalen. På grund af de mekaniske egenskaber af optiske kabler er deres anvendelse begrænset i applikationer, der involverer overførsel af information mellem bevægelige objekter, hvor kobberledere er mere almindelige.
Kilde: www.habr.com