Trotz der weiten Verbreitung von Ethernet-Netzwerken bleiben DSL-basierte Kommunikationstechnologien bis heute relevant. Bisher ist DSL in Last-Mile-Netzen zur Anbindung von Teilnehmergeräten an Netze von Internetprovidern zu finden, in letzter Zeit wird die Technologie zunehmend auch beim Aufbau lokaler Netze eingesetzt, beispielsweise in industriellen Anwendungen, wo DSL als Ergänzung zu Ethernet fungiert oder Feldnetzwerke basierend auf RS-232/422/485. Ähnliche industrielle Lösungen werden in entwickelten europäischen und asiatischen Ländern aktiv eingesetzt.
DSL ist eine Familie von Standards, die ursprünglich für die Übertragung digitaler Daten über Telefonleitungen konzipiert wurden. Historisch gesehen war es die erste Breitband-Internetzugangstechnologie und ersetzte DIAL UP und ISDN. Die große Vielfalt der heute existierenden DSL-Standards ist darauf zurückzuführen, dass viele Unternehmen seit den 80er Jahren versuchten, eigene Technologien zu entwickeln und zu vermarkten.
Alle diese Entwicklungen lassen sich in zwei große Kategorien einteilen – asymmetrische (ADSL) und symmetrische (SDSL) Technologien. Unter asymmetrisch versteht man solche, bei denen sich die Geschwindigkeit der eingehenden Verbindung von der Geschwindigkeit des ausgehenden Datenverkehrs unterscheidet. Mit symmetrisch meinen wir, dass die Empfangs- und Übertragungsgeschwindigkeit gleich sind.
Die bekanntesten und am weitesten verbreiteten asymmetrischen Standards sind tatsächlich ADSL (in der neuesten Ausgabe - ADSL2+) und VDSL (VDSL2), symmetrisch - HDSL (veraltetes Profil) und SHDSL. Sie alle unterscheiden sich dadurch, dass sie auf unterschiedlichen Frequenzen arbeiten und unterschiedliche Kodierungs- und Modulationsverfahren auf der physischen Kommunikationsleitung verwenden. Auch die Fehlerkorrekturmethoden unterscheiden sich, was zu unterschiedlichen Graden der Störfestigkeit führt. Dadurch hat jede Technologie ihre eigenen Grenzen in der Geschwindigkeit und Entfernung der Datenübertragung, auch abhängig von der Art und Qualität des Leiters.
Grenzen verschiedener DSL-Standards
Bei jeder DSL-Technologie nimmt die Datenübertragungsrate mit zunehmender Kabellänge ab. Bei extremen Entfernungen können Geschwindigkeiten von mehreren hundert Kilobit erreicht werden, bei der Datenübertragung über 200–300 m ist jedoch die maximal mögliche Geschwindigkeit verfügbar.
Unter allen Technologien hat SHDSL einen gravierenden Vorteil, der den Einsatz in industriellen Anwendungen ermöglicht – hohe Störfestigkeit und die Möglichkeit, jede Art von Leiter zur Datenübertragung zu verwenden. Bei asymmetrischen Standards ist dies nicht der Fall und die Qualität der Kommunikation hängt stark von der Qualität der zur Datenübertragung genutzten Leitung ab. Insbesondere empfiehlt sich die Verwendung eines verdrillten Telefonkabels. In diesem Fall ist die Verwendung eines optischen Kabels anstelle von ADSL und VDSL eine zuverlässigere Lösung.
Für SHDSL eignet sich jedes voneinander isolierte Leiterpaar – Kupfer, Aluminium, Stahl usw. Das Übertragungsmedium können alte Elektroleitungen, alte Telefonleitungen, Stacheldrahtzäune usw. sein.
Abhängigkeit der SHDSL-Datenübertragungsgeschwindigkeit von Entfernung und Leitungstyp
Aus der für SHDSL dargestellten Grafik der Datenübertragungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung und dem Leitertyp können Sie erkennen, dass Leiter mit großem Querschnitt die Übertragung von Informationen über eine größere Entfernung ermöglichen. Dank der Technologie ist es möglich, die Kommunikation über eine Entfernung von bis zu 20 km mit einer maximal möglichen Geschwindigkeit von 15.3 Mbit/s für ein 2-Draht-Kabel oder 30 Mbit/s für ein 4-Draht-Kabel zu organisieren. In realen Anwendungen kann die Übertragungsgeschwindigkeit manuell eingestellt werden, was bei starken elektromagnetischen Störungen oder schlechter Leitungsqualität notwendig ist. In diesem Fall ist es zur Erhöhung der Übertragungsdistanz erforderlich, die Geschwindigkeit von SHDSL-Geräten zu reduzieren. Um die Geschwindigkeit abhängig von der Entfernung und der Art des Leiters genau zu berechnen, können Sie kostenlose Software wie verwenden .
Warum hat SHDSL eine hohe Störfestigkeit?
Das Funktionsprinzip des SHDSL-Transceivers lässt sich in Form eines Blockdiagramms darstellen, in dem ein spezifischer und unabhängiger (invarianter) Teil aus Anwendungssicht unterschieden wird. Der unabhängige Teil besteht aus den Funktionsblöcken PMD (Physical Medium Dependent) und PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), während der spezifische Teil die TPS-TC-Schicht (Transmission Protocol-Specific TC Layer) und Benutzerdatenschnittstellen umfasst.
Die physische Verbindung zwischen Transceivern (STUs) kann aus einem einzelnen Paar oder mehreren einzelnen Paarkabeln bestehen. Bei mehreren Kabelpaaren enthält die STU mehrere unabhängige PMDs, die einem einzelnen PMS-TC zugeordnet sind.
Funktionsmodell des SHDSL-Transceivers (STU)
Das TPS-TC-Modul hängt von der Anwendung ab, in der das Gerät verwendet wird (Ethernet, RS-232/422/485 usw.). Seine Aufgabe besteht darin, Nutzdaten in das SHDSL-Format zu konvertieren, Multiplexing/Demultiplexing und Zeitanpassung mehrerer Nutzdatenkanäle durchzuführen.
Auf der PMS-TC-Ebene erfolgt die Bildung und Synchronisierung von SHDSL-Frames sowie das Scrambling und Descrambling.
Das PMD-Modul übernimmt die Funktionen Informationskodierung/-dekodierung, Modulation/Demodulation, Echounterdrückung, Parameterverhandlung auf der Kommunikationsleitung und Herstellung von Verbindungen zwischen Transceivern. Auf der PMD-Ebene werden die Hauptoperationen durchgeführt, um eine hohe Störfestigkeit von SHDSL sicherzustellen, einschließlich der TCPAM-Codierung (Trellis-Codierung mit analoger Pulsmodulation), einem gemeinsamen Codierungs- und Modulationsmechanismus, der die spektrale Effizienz des Signals im Vergleich zu einem separaten verbessert Methode. Die Funktionsweise des PMD-Moduls kann auch in Form eines Funktionsdiagramms dargestellt werden.
Blockdiagramm des PMD-Moduls
TC-PAM basiert auf der Verwendung eines Faltungsencoders, der auf der SHDSL-Senderseite eine redundante Bitfolge erzeugt. Bei jedem Taktzyklus wird jedem am Encodereingang ankommenden Bit ein Doppelbit (Dibit) am Ausgang zugewiesen. Somit wird auf Kosten einer relativ geringen Redundanz die Störfestigkeit der Übertragung erhöht. Durch den Einsatz der Trellis-Modulation können Sie die genutzte Datenübertragungsbandbreite reduzieren und die Hardware vereinfachen, während gleichzeitig das gleiche Signal-Rausch-Verhältnis erhalten bleibt.
Funktionsprinzip des Trellis-Encoders (TC-PAM 16)
Das Doppelbit wird durch eine logische Modulo-2-Additionsoperation (Exklusiv-Oder) basierend auf dem Eingangsbit x1(tn) und den Bits x1(tn-1), x1(tn-2) usw. gebildet. (insgesamt können es bis zu 20 sein), die zuvor am Encodereingang empfangen wurden und in Speicherregistern gespeichert blieben. Beim nächsten Taktzyklus des Encoders tn+1 werden Bits in Speicherzellen verschoben, um eine logische Operation auszuführen: Bit x1(tn) wird in den Speicher verschoben und verschiebt die gesamte dort gespeicherte Bitsequenz.
Faltungs-Encoder-Algorithmus
Wahrheitstabellen für die Additionsoperation Modulo 2
Der Übersichtlichkeit halber ist es praktisch, ein Zustandsdiagramm eines Faltungsencoders zu verwenden, aus dem Sie erkennen können, in welchem Zustand sich der Encoder zu den Zeitpunkten tn, tn+1 usw. befindet. abhängig von den Eingabedaten. In diesem Fall bedeutet der Encoderzustand ein Wertepaar des Eingangsbits x1(tn) und des Bits in der ersten Speicherzelle x1(tn-1). Um ein Diagramm zu erstellen, können Sie einen Graphen verwenden, an dessen Eckpunkten sich mögliche Zustände des Encoders befinden und Übergänge von einem Zustand in einen anderen durch die entsprechenden Eingangsbits x1(tn) und Ausgangsdibits $inline$y ₀y angezeigt werden ₁(t ₀)$inline$.
Zustandsdiagramm und Übergangsgraph eines Sender-Faltungsencoders
Im Sender wird aus den vier empfangenen Bits (zwei Ausgangsbits des Encoders und zwei Datenbits) ein Symbol gebildet, das jeweils seiner eigenen Amplitude des Modulationssignals des Analog-Pulsmodulators entspricht.
Zustand des 16-Bit-AIM abhängig vom Wert des Vier-Bit-Zeichens
Auf der Seite des Signalempfängers erfolgt der umgekehrte Vorgang – Demodulation und Auswahl der erforderlichen Folge von Eingangsbits des Encoders x0(tn) aus dem redundanten Code (Doppelbits y1y1(tn)). Diese Operation wird von einem Viterbi-Decoder durchgeführt.
Der Decoder-Algorithmus basiert auf der Berechnung einer Fehlermetrik für alle möglichen erwarteten Encoderzustände. Die Fehlermetrik bezieht sich auf die Differenz zwischen den empfangenen Bits und den erwarteten Bits für jeden möglichen Pfad. Wenn keine Empfangsfehler vorliegen, beträgt die wahre Pfadfehlermetrik 0, da keine Bitdivergenz vorliegt. Bei falschen Pfaden weicht die Metrik von Null ab, steigt ständig an und nach einiger Zeit stoppt der Decoder die Berechnung des fehlerhaften Pfads, so dass nur der wahre Pfad übrig bleibt.
Vom Viterbi-Decoder des Empfängers berechnetes Encoder-Zustandsdiagramm
Aber wie gewährleistet dieser Algorithmus die Störfestigkeit? Unter der Annahme, dass der Empfänger die Daten fehlerhaft empfangen hat, berechnet der Decoder weiterhin zwei Pfade mit einer Fehlermetrik von 1. Der Pfad mit einer Fehlermetrik von 0 existiert nicht mehr. Der Algorithmus wird jedoch später anhand der nächsten empfangenen Doppelbits eine Schlussfolgerung darüber ziehen, welcher Pfad wahr ist.
Wenn der zweite Fehler auftritt, gibt es mehrere Pfade mit Metrik 2, der richtige Pfad wird jedoch später anhand der Maximum-Likelihood-Methode (d. h. der minimalen Metrik) identifiziert.
Vom Viterbi-Decoder berechnetes Encoder-Zustandsdiagramm beim Empfang fehlerhafter Daten
Im oben beschriebenen Fall haben wir als Beispiel den Algorithmus eines 16-Bit-Systems (TC-PAM16) betrachtet, der die Übertragung von drei Bits Nutzinformation und einem zusätzlichen Bit zum Fehlerschutz in einem Symbol gewährleistet. Der TC-PAM16 erreicht Datenraten von 192 bis 3840 kbit/s. Durch die Erhöhung der Bittiefe auf 128 (moderne Systeme arbeiten mit TC-PAM128) werden in jedem Symbol sechs Bit Nutzinformation übertragen und die maximal erreichbare Geschwindigkeit reicht von 5696 kbps bis 15,3 Mbps.
Durch die Verwendung der analogen Pulsmodulation (PAM) ähnelt SHDSL einer Reihe beliebter Ethernet-Standards, wie etwa Gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-Gigabit 10GBASE-T (PAM-16) oder industriellem Single-Pair-Ethernet 2020BASE -T10L, was für 1 vielversprechend ist (PAM-3).
SHDSL über Ethernet-Netzwerke
Es gibt verwaltete und nicht verwaltete SHDSL-Modems, diese Klassifizierung hat jedoch wenig mit der üblichen Einteilung in verwaltete und nicht verwaltete Geräte gemein, die beispielsweise bei Ethernet-Switches existiert. Der Unterschied liegt in den Konfigurations- und Überwachungstools. Verwaltete Modems werden über eine Weboberfläche konfiguriert und können über SNMP diagnostiziert werden, während nicht verwaltete Modems mit zusätzlicher Software über den Konsolenport diagnostiziert werden können (für Phoenix Contact ist dies ein kostenloses PSI-CONF-Programm und eine Mini-USB-Schnittstelle). Im Gegensatz zu Switches können nicht verwaltete Modems in einem Netzwerk mit Ringtopologie betrieben werden.
Ansonsten sind verwaltete und nicht verwaltete Modems absolut identisch, einschließlich der Funktionalität und der Fähigkeit, nach dem Plug&Play-Prinzip, also ohne Vorkonfiguration, zu arbeiten.
Darüber hinaus können Modems mit Überspannungsschutzfunktionen mit Diagnosefunktion ausgestattet werden. SHDSL-Netzwerke können sehr lange Segmente bilden und Leiter können an Orten verlaufen, an denen Überspannungen (induzierte Potenzialunterschiede durch Blitzentladungen oder Kurzschlüsse in nahegelegenen Kabelleitungen) auftreten können. Durch die induzierte Spannung können Entladeströme von Kiloampere fließen. Um Geräte vor solchen Phänomenen zu schützen, werden SPDs daher in Form einer abnehmbaren Platine in Modems eingebaut, die bei Bedarf ausgetauscht werden kann. An den Klemmenblock dieser Platine wird die SHDSL-Leitung angeschlossen.
Topologien
Mit SHDSL über Ethernet ist es möglich, Netzwerke mit beliebiger Topologie aufzubauen: Punkt-zu-Punkt, Linie, Stern und Ring. Dabei können Sie je nach Modemtyp sowohl 2-Draht- als auch 4-Draht-Kommunikationsleitungen für den Anschluss nutzen.
Ethernet-Netzwerktopologien basierend auf SHDSL
Es ist auch möglich, verteilte Systeme mit einer kombinierten Topologie aufzubauen. Jedes SHDSL-Netzwerksegment kann bis zu 50 Modems haben und unter Berücksichtigung der physikalischen Fähigkeiten der Technologie (der Abstand zwischen den Modems beträgt 20 km) kann die Segmentlänge 1000 km erreichen.
Wenn an der Spitze jedes dieser Segmente ein verwaltetes Modem installiert ist, kann die Integrität des Segments mithilfe von SNMP diagnostiziert werden. Darüber hinaus unterstützen verwaltete und nicht verwaltete Modems die VLAN-Technologie, das heißt, sie ermöglichen die Aufteilung des Netzwerks in logische Subnetze. Die Geräte sind auch in der Lage, mit Datenübertragungsprotokollen zu arbeiten, die in modernen Automatisierungssystemen verwendet werden (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP usw.).
Reservierung von Kommunikationskanälen über SHDSL
SHDSL wird verwendet, um redundante Kommunikationskanäle in einem Ethernet-Netzwerk zu schaffen, meist optische.
SHDSL und serielle Schnittstelle
SHDSL-Modems mit serieller Schnittstelle überwinden die Einschränkungen in Bezug auf Entfernung, Topologie und Leiterqualität, die bei herkömmlichen kabelgebundenen Systemen auf Basis asynchroner Transceiver (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 als auch für spezielle Anwendungen (z. B. für Profibus). Alle diese Geräte gehören zur Kategorie „nicht verwaltet“ 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 Sterntopologien aufzubauen. Innerhalb der Linientopologie ist es möglich, bis zu 255 Knoten zu einem Netzwerk zusammenzufassen (für Profibus - 30).
In Systemen, die nur mit RS-485-Geräten aufgebaut sind, gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich des verwendeten Datenübertragungsprotokolls, Linien- und Sterntopologien sind jedoch für RS-232 und RS-422 untypisch, also der Betrieb von Endgeräten an einem SHDSL-Netzwerk mit ähnlichen Topologien ist nur im Halbduplex-Modus möglich. Gleichzeitig muss in Systemen mit RS-232 und RS-422 die Geräteadressierung auf Protokollebene bereitgestellt werden, was für Schnittstellen, die am häufigsten in Punkt-zu-Punkt-Netzwerken verwendet werden, nicht typisch ist.
Bei der Verbindung von Geräten mit unterschiedlichen Schnittstellentypen über SHDSL ist zu berücksichtigen, dass es keinen einheitlichen Mechanismus zum Verbindungsaufbau (Handshake) zwischen Geräten gibt. Dennoch besteht in diesem Fall die Möglichkeit, einen Austausch zu organisieren; hierfür müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
- Kommunikationskoordination und Datenübertragungskontrolle müssen auf der Ebene eines einheitlichen Informationsdatenübertragungsprotokolls durchgeführt werden;
- Alle Endgeräte müssen im Halbduplex-Modus arbeiten, was auch vom Informationsprotokoll unterstützt werden muss.
Mit dem Modbus RTU-Protokoll, dem gebräuchlichsten Protokoll für asynchrone Schnittstellen, können Sie alle beschriebenen Einschränkungen vermeiden und ein einziges System mit verschiedenen Schnittstellentypen aufbauen.
Serielle Netzwerktopologien basierend auf SHDSL
Bei Verwendung von Zweidraht-RS-485 an Geräten Sie können komplexere Strukturen aufbauen, indem Sie Modems über einen Bus auf einer DIN-Schiene kombinieren. Am selben Bus können ein Netzteil (in diesem Fall werden alle Geräte über den Bus mit Strom versorgt) und optische Wandler der PSI-MOS-Serie installiert werden, um ein gemeinsames Netzwerk zu schaffen. Eine wichtige Voraussetzung für den Betrieb eines solchen Systems ist die gleiche Geschwindigkeit aller Transceiver.
Zusätzliche Funktionen von SHDSL in einem RS-485-Netzwerk
Anwendungsbeispiele
Die SHDSL-Technologie wird in den Stadtwerken Deutschlands aktiv eingesetzt. Mehr als 50 Unternehmen, die Stadtwerke versorgen, nutzen alte Kupferleitungen, um über die ganze Stadt verteilte Objekte mit einem Netzwerk zu verbinden. Steuerungs- und Abrechnungssysteme für die Wasser-, Gas- und Energieversorgung basieren überwiegend auf SHDSL. Zu diesen Städten zählen Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder und viele andere.
Das größte SHDSL-basierte System entstand in der Stadt Lübeck. Das System verfügt über eine kombinierte Struktur auf Basis von optischem Ethernet und SHDSL, verbindet 120 voneinander entfernte Objekte und nutzt mehr als 50 Modems . Die Diagnose des gesamten Netzwerks erfolgt über SNMP. Der längste Abschnitt von Kalkhorst bis zum Flughafen Lübeck ist 39 km lang. Der Grund, warum sich das Kundenunternehmen für SHDSL entschieden hat, war, dass es angesichts der Verfügbarkeit alter Kupferkabel wirtschaftlich nicht sinnvoll war, das Projekt vollständig auf Optik umzusetzen.
Datenübertragung per Schleifring
Ein interessantes Beispiel ist die Datenübertragung zwischen bewegten Objekten, wie sie beispielsweise in Windkraftanlagen oder großen industriellen Zwirnmaschinen erfolgt. Ein ähnliches System dient dem Informationsaustausch zwischen Steuerungen, die sich am Rotor und Stator der Anlagen befinden. In diesem Fall wird zur Datenübertragung ein Schleifkontakt über einen Schleifring verwendet. Beispiele wie dieses zeigen, dass für die Datenübertragung über SHDSL kein statischer Kontakt erforderlich ist.
Vergleich mit anderen Technologien
SHDSL vs. GSM
Vergleicht man SHDSL mit Datenübertragungssystemen auf Basis von GSM (3G/4G), so spricht für DSL das Fehlen von Betriebskosten, die mit regelmäßigen Zahlungen an den Betreiber für den Zugang zum Mobilfunknetz verbunden sind. Mit SHDSL sind wir unabhängig vom Versorgungsgebiet, der Qualität und Zuverlässigkeit der Mobilfunkkommunikation einer Industrieanlage, einschließlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen. Bei SHDSL ist keine Gerätekonfiguration erforderlich, was die Inbetriebnahme der Anlage beschleunigt. Drahtlose Netzwerke zeichnen sich durch große Verzögerungen bei der Datenübertragung und Schwierigkeiten bei der Datenübertragung über Multicast-Verkehr (Profinet, Ethernet IP) aus.
Für SHDSL spricht die Informationssicherheit, da keine Datenübertragung über das Internet erforderlich ist und hierfür keine VPN-Verbindungen konfiguriert werden müssen.
SHDSL vs. WLAN
Vieles, was für GSM gesagt wurde, lässt sich auch auf industrielles WLAN übertragen. Geringe Störfestigkeit, begrenzte Datenübertragungsentfernung, Abhängigkeit von der Topologie des Gebiets und Verzögerungen bei der Datenübertragung sprechen gegen WLAN. Der größte Nachteil ist die Informationssicherheit von Wi-Fi-Netzwerken, da jeder Zugriff auf das Datenübertragungsmedium hat. Mit WLAN ist es bereits möglich, Profinet- oder Ethernet-IP-Daten zu übertragen, was für GSM schwierig wäre.
SHDSL vs. Optik
In den allermeisten Fällen hat die Optik einen großen Vorteil gegenüber SHDSL, aber in einer Reihe von Anwendungen können Sie mit SHDSL Zeit und Geld beim Verlegen und Schweißen optischer Kabel sparen und so die Zeit bis zur Inbetriebnahme einer Anlage verkürzen. Für SHDSL sind keine speziellen Anschlüsse erforderlich, da das Kommunikationskabel einfach an das Modem-Terminal angeschlossen wird. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften optischer Kabel ist ihr Einsatz bei Anwendungen zur Informationsübertragung zwischen sich bewegenden Objekten eingeschränkt, bei denen Kupferleiter häufiger zum Einsatz kommen.
Source: habr.com