Trotz der weit verbreiteten Nutzung von Ethernet-Netzwerken bleibt die DSL-Technologie nach wie vor relevant. DSL wird nach wie vor in letzten Meilen-Netzwerken eingesetzt, um Endgeräte mit den Netzen der Internetanbieter zu verbinden. In letzter Zeit wird diese Technologie zunehmend auch beim Aufbau von lokalen Netzwerken verwendet, beispielsweise in industriellen Anwendungen, wo DSL als Ergänzung zu Ethernet oder zu feldbasierten Netzwerken wie RS-232/422/485 dient. Solche industriellen Lösungen finden in entwickelten europäischen und asiatischen Ländern breite Anwendung.
DSL ist eine Familie von Standards, die ursprünglich für die Übertragung digitaler Daten über Telefonleitungen konzipiert wurden. Historisch gesehen ist dies die erste Technologie für den Breitband-Internetzugang, die DIAL UP und ISDN ablöste. Die Vielzahl der derzeit bestehenden DSL-Standards resultiert daraus, dass viele Unternehmen seit den 80er Jahren daran gearbeitet haben, ihre eigenen Technologien zu entwickeln und auf den Markt zu bringen.
Diese Entwicklungen lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen – asymmetrische (ADSL) und symmetrische (SDSL) Technologien. Bei asymmetrischen Technologien unterscheiden sich die Geschwindigkeiten des eingehenden und des ausgehenden Datenverkehrs. Symmetrische Technologien hingegen bieten gleiche Geschwindigkeiten für Empfang und Sendung.
Die bekanntesten und am häufigsten verwendeten asymmetrischen Standards sind ADSL (in der neuesten Version ADSL2+) und VDSL (VDSL2), während die symmetrischen Standards HDSL (ein veraltetes Profil) und SHDSL sind. Sie unterscheiden sich durch die Frequenzen, die sie nutzen, sowie durch die verschiedenen Kodierungs- und Modulationsmethoden auf der physikalischen Verbindung. Zudem variieren die Fehlerkorrekturverfahren, was zu unterschiedlichen Störfestigkeiten führt. Damit hat jede Technologie ihre jeweiligen Grenzen hinsichtlich Geschwindigkeit und Übertragungsdistanz, auch abhängig von der Art und Qualität des Leiters.
Grenzwerte verschiedener DSL-Standards
Bei jeder DSL-Technologie nimmt die Datenübertragungsrate mit zunehmender Kabellänge ab. An maximalen Strecken kann die Geschwindigkeit auf einige Hundert Kilobit fallen, doch bei einer Datenübertragung über 200-300 m ist die maximal mögliche Geschwindigkeit verfügbar.
Unter allen Technologien hat SHDSL einen entscheidenden Vorteil, der seine Anwendung in industriellen Anwendungen ermöglicht – hohe Störsicherheit und die Möglichkeit, für die Datenübertragung jede Art von Kabel zu verwenden. Dies fehlt in asymmetrischen Standards, wo die Verbindungsqualität stark von der Qualität der für die Datenübertragung verwendeten Leitung abhängt. Insbesondere wird die Verwendung von gedrehtem Telefonkabel empfohlen. In diesem Fall ist es eine zuverlässigere Lösung, anstelle von ADSL und VDSL ein optisches Kabel zu verwenden.
Für SHDSL eignet sich jedes isolierte Leitungspaar – aus Kupfer, Aluminium, Stahl usw. Als Übertragungsmedium können alte Elektronikleitungen, alte Telefonleitungen, Stacheldrahtzäune usw. verwendet werden.
Die Beziehung zwischen der Datenübertragungsrate von SHDSL, der Distanz und dem Kabeltyp
Aus dem Diagramm zur Abhängigkeit der Datenübertragungsrate von der Entfernung und dem Typ des Leiters, das für SHDSL dargestellt ist, zeigt sich, dass dickere Leiter es ermöglichen, Informationen über größere Strecken zu übertragen. Dank dieser Technologie ist es möglich, Verbindungen über Entfernungen von bis zu 20 km bei maximalen Geschwindigkeiten von 15,3 Mbit/s für ein zweiadriges Kabel oder 30 Mbit/s für ein vieradriges Kabel herzustellen. In der Praxis kann die Übertragungsgeschwindigkeit manuell angepasst werden, was bei starken elektromagnetischen Störungen oder schlechtem Leitungsqualität notwendig ist. In diesem Fall muss die Geschwindigkeit der SHDSL-Geräte reduziert werden, um die Übertragungsdistanz zu erhöhen. Zur genauen Berechnung der Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung und dem Leiter können kostenlose Softwaretools wie .
Warum bietet SHDSL eine hohe Störfestigkeit?
Der Betriebsprinzip des SHDSL-Transceivers lässt sich als Blockdiagramm darstellen, in dem der spezifische und der unabhängige (invariante) Teil aus Sicht der Anwendung hervorgehoben werden. Der unabhängige Teil besteht aus den Funktionseinheiten PMD (Physical Medium Dependent) und PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), während der spezifische Teil die Ebene TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) und die Benutzeroberflächen umfasst.
Die physische Verbindungslinie zwischen den Transceivern (STU) kann aus einem Einzeladern- oder mehreren Einzeladern-Kabeln bestehen. Im Falle mehrerer Adern enthält das STU mehrere unabhängige PMD-Module, die mit einem einzigen PMS-TC verbunden sind.
Funktionales Modell des SHDSL-Transceivers (STU)
Das Modul TPS-TC hängt von der Anwendung ab, in der das Gerät verwendet wird (Ethernet, RS-232/422/485 usw.). Es übernimmt die Aufgabe, Benutzerdaten in das SHDSL-Format umzuwandeln, führt Multiplexing/Demultiplexing durch und synchronisiert mehrere Kanäle von Benutzerdaten.
Auf der PMS-TC-Ebene erfolgt die Bildung von SHDSL-Frames und deren Synchronisation sowie die Verschränkung und Entschränkung.
Das PMD-Modul übernimmt Funktionen zur Kodierung/Dekodierung von Informationen, Modulation/Demodulation, Echounterdrückung, Parameterabstimmung auf der Kommunikationslinie und zur Einrichtung der Verbindung zwischen Sendern und Empfängern. Auf der Ebene des PMD werden die grundlegenden Operationen durchgeführt, die eine hohe Störfestigkeit von SHDSL gewährleisten, einschließlich TCPAM-Kodierung (Trellis-Kodierung mit analoger Impulsmodulation), ein Verfahren zur gemeinsamen Kodierung und Modulation, das die spektrale Effizienz des Signals im Vergleich zur separaten Methode verbessert. Der Arbeitsprinzip des PMD-Moduls kann auch in Form eines Funktionsdiagramms dargestellt werden.
Blockdiagramm des PMD-Moduls
Die Grundlage von TC-PAM besteht in der Verwendung eines Faltungscoders, der eine redundante Bitfolge auf der Seite des SHDSL-Transmitters erzeugt. In jedem Takt, in dem der Code arbeitet, wird jedem Bit, das dem Encoder zugeführt wird, ein doppeltes Bit (Dibit) am Ausgang zugeordnet. Auf diese Weise wird die Störfestigkeit der Übertragung durch einen vergleichsweise geringen Redundanzaufwand erhöht. Die Verwendung von Trellis-Modulation ermöglicht es, die zur Übertragung von Daten verwendete Frequenzbandbreite zu reduzieren und die Hardware zu vereinfachen, während das Verhältnis von Signal zu Rausch bleibt gleich.
Funktionsweise des Trellis-Coders (TC-PAM 16)
Das doppelte Bit wird durch eine logische Addition modulo 2 (exklusives „ODER“) basierend auf dem Eingangssignal x1(tn) und den Signalen x1(tn-1), x1(tn-2) usw. (insgesamt können bis zu 20 verwendet werden) gebildet, die zuvor dem Encoder zugeführt wurden und in Speicheregistern gespeichert sind. Im nächsten Takt des Encoders tn+1 erfolgt eine Verschiebung der Bits in den Speichereinheiten, um die logische Operation auszuführen: Das Bit x1(tn) wird in den Speicher verschoben und schiebt dabei die gesamte dort gespeicherte Bitfolge.
Algorithmus des Faltungscoders
Wahrheitstabellen der Addition modulo 2
Zur Veranschaulichung ist es nützlich, ein Zustandsdiagramm des Faltungscoders zu verwenden, anhand dessen man erkennen kann, in welchem Zustand sich der Codierer zu den Zeitpunkten tn, tn+1 usw. befindet, abhängig von den Eingangsdaten. Unter dem Zustand des Codierers versteht man in diesem Fall das Paar von Werten des Eingangsbits x1(tn) und des Bits im ersten Speicherzelle x1(tn-1). Für den Bau des Diagramms kann ein Graph verwendet werden, dessen Knoten mögliche Zustände des Codierers darstellen und die Übergänge von einem Zustand in einen anderen durch die entsprechenden Eingangsbits x1(tn) und die Ausgangsdibits $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$ kenntlich gemacht sind.
Zustandsdiagramm und Übergangsgraph des Faltungscoders des Senders
Im Sender wird aus den erhaltenen vier Bits (zwei Ausgangsbits des Codierers und zwei Datenbits) ein Symbol gebildet, das jeweils einer bestimmten Amplitude des modulierten Signals des analogen Impulsmodulators entspricht.
Zustand des 16-Bit-AIMP in Abhängigkeit vom Wert des vierbitigen Symbols
Auf der Empfangsseite des Signals erfolgt der umgekehrte Prozess – Demodulation und Extraktion der benötigten Eingangsbits aus dem überflüssigen Code (doppelte Bits y0y1(tn)) des Codierers x1(tn). Diese Operation wird vom Viterbi-Dekodierer durchgeführt.
Der Algorithmus des Dekodierers basiert auf der Berechnung der Fehlerkennzahl für alle möglichen angenommenen Zustände des Codierers. Unter der Fehlerkennzahl versteht man den Unterschied zwischen den empfangenen Bits und den angenommenen Bits für jeden möglichen Weg. Gibt es keine Fehler beim Empfang, beträgt die Fehlerkennzahl des richtigen Weges 0, da es keine Abweichungen bei den Bits gibt. Für falsche Wege wird die Kennzahl von null abweichen, stetig wachsen, und nach einer gewissen Zeit wird der Dekodierer aufhören, den fehlerhaften Weg zu berechnen und nur den richtigen beibehalten.
Zustandsdiagramm des Codierers, berechnet vom Viterbi-Dekodierer des Empfängers
Wie sorgt dieser Algorithmus für Fehlertoleranz? Angenommen, der Empfänger hat die Daten mit einem Fehler empfangen, wird der Dekoder weiterhin zwei Wege mit einer Fehlermetrik von 1 berechnen. Der Weg mit der Metrik 0 wird nicht mehr existieren. Der Algorithmus wird jedoch später auf Basis der nächsten empfangenen dualen Bits entscheiden, welcher Weg der richtige ist.
Wenn der zweite Fehler auftritt, wird es mehrere Wege mit einer Metrik von 2 geben, doch der korrekte Weg wird später anhand des Maximum-Likelihood-Verfahrens (also der minimalen Metrik) ermittelt.
Zustandsdiagramm des Encoders, wie es vom Viterbi-Dekoder bei Empfang fehlerhafter Daten berechnet wird.
Im oben beschriebenen Fall wurde der Algorithmus des 16-Bit-Systems (TC-PAM16) betrachtet, der die Übertragung von drei Bits nützlicher Informationen und einem zusätzlichen Bit zum Schutz vor Fehlern in einem Symbol ermöglicht. Mit TC-PAM16 sind Datenübertragungsraten von 192 bis 3840 kbit/s erreichbar. Bei Erhöhung der Bitanzahl auf 128 (moderne Systeme verwenden TC-PAM128) werden in jedem Symbol sechs Bits nützlicher Informationen übertragen, und die maximal erreichbare Geschwindigkeit liegt zwischen 5696 kbit/s und 15,3 Mbit/s.
Die Verwendung der Pulse Amplitude Modulation (PAM) verbindet SHDSL mit mehreren beliebten Ethernet-Standards, wie dem Gigabit 1000BASE-T (PAM-5), dem 10-Gigabit 10GBASE-T (PAM-16) oder dem zukunftsweisenden industriellen Einzelader-Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3), das für 2020 geplant ist.
SHDSL in Ethernet-Netzwerken
Es wird zwischen verwalteten und nicht verwalteten SHDSL-Modems unterschieden, jedoch hat diese Klassifizierung nur wenig mit der gängigen Einteilung in verwaltete und nicht verwaltete Geräte zu tun, wie sie z.B. für Ethernet-Switches existiert. Der Unterschied liegt in den Konfigurations- und Überwachungsmethoden. Verwaltete Modems werden über eine Web-Oberfläche konfiguriert und können über SNMP diagnostiziert werden, während nicht verwaltete Modems mithilfe zusätzlicher Software über einen Konsolenport eingerichtet werden (für Phoenix Contact ist dies das kostenlose Programm PSI-CONF und die mini-USB-Schnittstelle). Im Gegensatz zu Switches können nicht verwaltete Modems in einem Netz mit Ringtopologie arbeiten.
Abgesehen davon sind verwaltete und nicht verwaltete Modems völlig identisch, einschließlich der Funktionalität und der Möglichkeit, nach dem Plug-and-Play-Prinzip zu arbeiten, also ohne jegliche vorherige Konfiguration.
Zusätzlich können Modems Funktionen zum Schutz vor Überspannungen mit Diagnosemöglichkeiten übernehmen. SHDSL-Netzwerke können sehr ausgedehnte Segmente bilden, und Leitungen können in Bereichen verlaufen, wo Überspannungen entstehen können (induzierte Potentialunterschiede, die durch Blitzeinschläge oder Kurzschlüsse in nahestehenden Kabelanlagen hervorgerufen werden). Induziertes Spannungen können Entladungströme im Kiloampere-Bereich hervorrufen. Daher werden zum Schutz der Geräte vor solchen Phänomenen in die Modems Überspannungsschutzgeräte (ÜSG) in Form einer steckbaren Platine integriert, die bei Bedarf ausgetauscht werden kann. Die SHDSL-Leitung wird an die Klemmen dieser Platine angeschlossen.
Topologien
Mit SHDSL in Ethernet können Netzwerke mit beliebiger Topologie aufgebaut werden: Punkt-zu-Punkt, Linie, Stern und Ring. Je nach Modemtyp können sowohl 2-Draht- als auch 4-Draht-Verbindungen verwendet werden.
Topologien von Ethernet-Netzen basierend auf SHDSL
Es ist auch möglich, verteilte Systeme mit einer kombinierten Topologie zu erstellen. Jedes Segment eines SHDSL-Netzes kann bis zu 50 Modems umfassen, und unter Berücksichtigung der physikalischen Möglichkeiten der Technologie (eine Distanz von 20 km zwischen Modems) kann die Länge eines Segments bis zu 1000 km betragen.
Wenn in jedem solchen Segment ein verwaltetes Modem installiert ist, kann die Integrität des Segments über SNMP diagnostiziert werden. Darüber hinaus unterstützen sowohl verwaltete als auch nicht verwaltete Modems die VLAN-Technologie, was bedeutet, dass das Netzwerk in logische Subnetze unterteilt werden kann. Außerdem können die Geräte mit den Datenübertragungsprotokollen arbeiten, die in modernen Automatisierungssystemen verwendet werden (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP usw.).
Redundanz von Kommunikationskanälen mit SHDSL
SHDSL wird zur Erstellung von redundanten Kommunikationskanälen im Ethernet-Netzwerk verwendet, meist im Zusammenhang mit optischen Übertragungswegen.
SHDSL und serielle Schnittstelle
SHDSL-Modems mit serieller Schnittstelle ermöglichen es, die Einschränkungen hinsichtlich Distanz, Topologie und Leitungsqualität zu überwinden, die für traditionelle leitungsgebundene Systeme auf Basis asynchroner Übertragungsgeräte (UART) bestehen: RS-232 – 15 m, RS-422 und RS-485 – 1200 m.
Es gibt Modems mit seriellen Schnittstellen (RS-232/422/485) sowohl für universelle Anwendungen als auch für spezialisierte (z. B. für Profibus). Alle diese Geräte fallen in die Kategorie "nicht verwaltete" und werden daher mit spezieller Software konfiguriert und diagnostiziert.
Topologien
In Netzwerken mit serieller Schnittstelle ist es mit SHDSL möglich, Netzwerke mit Punkt-zu-Punkt-, Linien- und Stern-Topologie aufzubauen. Innerhalb der linienbasierten Topologie können bis zu 255 Knoten in einem Netzwerk vereint werden (für Profibus — 30).
In Systemen, die ausschließlich mit Geräten über die RS-485-Schnittstelle arbeiten, gibt es keine Einschränkungen bezüglich des verwendeten Datenübertragungsprotokolls. Allerdings sind Linien- und Stern-Topologien für RS-232 und RS-422 untypisch, weshalb der Betrieb von Endgeräten in einem SHDSL-Netz mit solchen Topologien nur im Halbduplex-Modus möglich ist. Gleichzeitig muss in Systemen mit RS-232 und RS-422 auf Protokollebene die Adressierung der Geräte gewährleistet sein, was für Schnittstellen, die häufig in Punkt-zu-Punkt-Netzen verwendet werden, untypisch ist.
Beim Verbinden von Geräten über SHDSL mit unterschiedlichen Schnittstellentypen ist zu beachten, dass es keinen einheitlichen Mechanismus für die Verbindung (Handshake) zwischen den Geräten gibt. Dennoch ist der Austausch in diesem Fall möglich, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
- Die Vereinbarung der Verbindung und die Verwaltung der Datenübertragung müssen auf der Ebene eines einheitlichen Informationsübertragungsprotokolls erfolgen;
- alle Endgeräte müssen im Halbduplexmodus arbeiten, was ebenfalls vom Informationsprotokoll unterstützt werden muss.
Das am häufigsten für asynchrone Schnittstellen verwendete Protokoll Modbus RTU vermeidet alle beschriebenen Einschränkungen und ermöglicht den Aufbau eines einheitlichen Systems mit verschiedenen Schnittstellentypen.
Netzwerktopologien mit seriellem Interface basierend auf SHDSL
Bei Verwendung von zweiadrigem RS-485 an der Hardware Es können komplexere Strukturen aufgebaut werden, indem Modems über einen gemeinsamen Bus auf einer DIN-Schiene verbunden werden. An diesem Bus kann auch eine Stromversorgung installiert werden (in diesem Fall erfolgt die Stromversorgung aller Geräte über den Bus) sowie optische Wandler der Serie PSI-MOS zur Schaffung eines kombinierten Netzwerks. Eine wichtige Voraussetzung für den Betrieb eines solchen Systems ist die gleiche Geschwindigkeit aller Sender und Empfänger.
Zusätzliche Möglichkeiten von SHDSL im RS-485-Netz
Anwendungsbeispiele
Die SHDSL-Technologie wird aktiv im städtischen Versorgungswesen in Deutschland eingesetzt. Über 50 Unternehmen, die städtische Versorgungssysteme betreuen, nutzen alte Kupferleitungen, um dezentralisierte Objekte in einer gemeinsamen Netzwerkstruktur zu verbinden. SHDSL wird in erster Linie für Steuer- und Abrechnungssysteme in der Wasser-, Gas- und Energieversorgung eingesetzt. Zu den Städten gehören Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt (Oder) und viele mehr.
Das größte auf SHDSL basierende System wurde in der Stadt Lübeck erstellt. Das System hat eine kombinierte Struktur aus optischem Ethernet und SHDSL, verbindet 120 voneinander entfernte Objekte und verwendet über 50 Modems. . Das gesamte Netzwerk wird über SNMP diagnostiziert. Der längste Abschnitt erstreckt sich von der Gemeinde Kalkhorst bis zum Flughafen Lübeck und hat eine Länge von 39 km. Der Grund, warum der Auftraggeber sich für SHDSL entschieden hat, war, dass die Umsetzung des Projekts vollständig auf Glasfaser wirtschaftlich unvorteilhaft war, angesichts der vorhandenen alten Kupferkabel.
Datenübertragung über einen Kontaktkreis
Ein interessantes Beispiel ist die Datenübertragung zwischen beweglichen Objekten, wie sie beispielsweise bei Windkraftanlagen oder großen industriellen Drehmaschinen zu finden ist. Ein solches System wird für den Informationsaustausch zwischen den Controllern verwendet, die sich auf dem Rotor und dem Stator der Anlagen befinden. In diesem Fall wird ein Gleitsystem über einen Kontaktkreis zur Datenübertragung genutzt. Solche Beispiele zeigen, dass es nicht notwendig ist, für die Datenübertragung über SHDSL einen statischen Kontakt zu haben.
Vergleich mit anderen Technologien
SHDSL vs GSM
Im Vergleich zwischen SHDSL und datengestützten Systemen auf Basis von GSM (3G/4G) spricht für DSL der Verzicht auf Betriebskosten, die mit regelmäßigen Zahlungen an den Betreiber für den Zugang zum mobilen Netzwerk verbunden sind. Mit SHDSL sind wir nicht von der Abdeckung, Qualität und Zuverlässigkeit des Mobilfunks am Standort abhängig, einschließlich der Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen. Bei SHDSL entfällt die Notwendigkeit, die Hardware zu konfigurieren, was die Inbetriebnahme des Systems beschleunigt. Bei drahtlosen Netzwerken sind hohe Latenzen bei der Datenübertragung und Schwierigkeiten mit der Übertragung von Multicast-Daten (Profinet, Ethernet IP) typisch.
Für SHDSL spricht die Informationssicherheit, da keine Datenübertragung über das Internet erforderlich ist und keine VPN-Verbindungen dafür konfiguriert werden müssen.
SHDSL vs. Wi-Fi
Vieles von dem, was für GSM gesagt wurde, gilt ebenfalls für industrielles Wi-Fi. Nachteile des Wi-Fi sind die geringe Störsicherheit, die begrenzte Reichweite, die Abhängigkeit von der Topologie des Geländes und die Latenz bei der Datenübertragung. Der größte Nachteil ist die Informationssicherheit von Wi-Fi-Netzwerken, da jeder Zugang zu den Übertragungsmedien hat. Mit Wi-Fi ist es inzwischen möglich, Daten über Profinet oder Ethernet IP zu übertragen, was für GSM problematisch wäre.
SHDSL vs. Glasfaser
Glasfaser hat in den meisten Fällen klare Vorteile gegenüber SHDSL, jedoch ermöglicht SHDSL in bestimmten Anwendungen eine Zeit- und Kostenersparnis beim Verlegen und Schweißen von Glasfaserkabeln, wodurch die Inbetriebnahme eines Objekts beschleunigt wird. Für SHDSL sind keine speziellen Anschlüsse erforderlich, da das Kabel einfach an die Klemme des Modems angeschlossen wird. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften von Glasfaserkabeln ist deren Einsatz in Anwendungen, die den Informationsaustausch zwischen beweglichen Objekten betreffen, eingeschränkt, wo Kupferleiter verbreiteter sind.
Quelle: habr.com
