Trotz der weit verbreiteten Nutzung von Ethernet-Netzwerken behalten DSL-basierte Kommunikationstechnologien auch heute noch ihre Relevanz. DSL findet sich nach wie vor in letzten Meilen-Netzwerken zur Anbindung von Kundenanlagen an die Internetanbieter, und in letzter Zeit wird die Technologie zunehmend beim Aufbau lokaler Netzwerke verwendet, zum Beispiel in industriellen Anwendungen, wo DSL als Ergänzung zu Ethernet oder zu Feldnetzwerken auf Basis von RS-232/422/485 dient. Solche industriellen Lösungen werden aktiv in entwickelten europäischen und asiatischen Ländern eingesetzt.
DSL stellt eine Familie von Standards dar, die ursprünglich für die Übertragung digitaler Daten über Telefonleitungen konzipiert wurden. Historisch gesehen war dies die erste Technologie für den Breitbandzugang zum Internet, die die DIAL UP- und ISDN-Technologien ablöste. Die große Vielfalt der derzeit vorhandenen DSL-Standards ist darauf zurückzuführen, dass viele Unternehmen seit den 80er Jahren versucht haben, eigene Technologien zu entwickeln und auf dem Markt zu fördern.
All diese Entwicklungen lassen sich in zwei große Kategorien einteilen – asymmetrische (ADSL) und symmetrische (SDSL) Technologien. Unter asymmetrischen versteht man solche, bei denen die Geschwindigkeit der eingehenden Verbindung von der Geschwindigkeit des ausgehenden Verkehrs abweicht. Bei symmetrischen Technologien sind die Geschwindigkeiten für Empfang und Übertragung gleich.
Die bekanntesten und am weitesten verbreiteten asymmetrischen Standards sind ADSL (in der neuesten Version ADSL2+) und VDSL (VDSL2), symmetrisch sind HDSL (veraltetes Profil) und SHDSL. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass sie auf unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, verschiedene Methoden der Codierung und Modulation über die physikalische Verbindung verwenden. Auch die Methoden zur Fehlerkorrektur sind unterschiedlich, was unterschiedliche Stufen der Störfestigkeit gewährleistet. Infolgedessen hat jede Technologie ihre eigenen Grenzen in Bezug auf Geschwindigkeit und Übertragungsdistanz, einschließlich der Abhängigkeit vom Typ und der Qualität des Leiters.
Grenzparameter verschiedener DSL-Standards
Bei jeder DSL-Technologie sinkt die Datenübertragungsrate mit zunehmender Länge des Leiters. Über extreme Distanzen lässt sich eine Geschwindigkeit von mehreren hundert Kilobit erreichen; aber bei Übertragungen über 200-300 m steht die maximal mögliche Geschwindigkeit zur Verfügung.
Unter allen Technologien hat SHDSL einen entscheidenden Vorteil, der ihre Anwendung in industriellen Anwendungen möglich macht – hohe Störfestigkeit und die Möglichkeit, Daten jeglichen Typs über beliebige Leitungen zu übertragen. In asymmetrischen Standards gibt es das nicht, und die Verbindungsqualität hängt stark von der Qualität der für die Datenübertragung verwendeten Leitung ab. Es wird insbesondere empfohlen, ein verdrilltes Telefonkabel zu verwenden. In diesem Fall erweist es sich als zuverlässigere Lösung, anstelle von ADSL und VDSL Glasfaserkabel zu verwenden.
Für SHDSL eignet sich jedes isolierte Kabelpaar – Kupfer-, Aluminium-, Stahlkabel usw. Als Übertragungsmedium können alte elektrische Leitungen, alte Telefonleitungen, Stacheldrahtzäune usw. dienen.
Die Abhängigkeit der Datenübertragungsgeschwindigkeit von SHDSL von der Entfernung und dem Kabeltyp
Aus dem Diagramm, das die Abhängigkeit der Datenübertragungsgeschwindigkeit von der Entfernung und dem Kabeltyp für SHDSL zeigt, ist zu erkennen, dass Leitungen mit größerem Querschnitt Informationen über größere Entfernungen übertragen können. Dank der Technologie kann eine Verbindung auf einer Strecke von bis zu 20 km bei maximal möglichen Geschwindigkeiten von 15,3 Mbit/s für ein 2-Draht-Kabel oder 30 Mbit/s für ein 4-Draht-Kabel eingerichtet werden. In realen Anwendungen kann die Übertragungsgeschwindigkeit manuell eingestellt werden, was in Fällen starker elektromagnetischer Störungen oder schlechter Leitungsqualität erforderlich ist. In diesem Fall muss die Geschwindigkeit der SHDSL-Geräte verringert werden, um die Übertragungsdistanz zu erhöhen. Für die genaue Berechnung der Geschwindigkeit in Abhängigkeit von Entfernung und Kabeltyp können kostenlose Programmiertools wie .
Warum hat SHDSL eine hohe Störfestigkeit?
Der Arbeitsprinzip des SHDSL-Transceivers kann als Blockdiagramm dargestellt werden, bei dem ein spezifischer und ein unabhängiger (invarianten) Teil aus Sicht der Anwendung unterschieden werden. Der unabhängige Teil besteht aus funktionalen Blöcken 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 Schnittstellen der Benutzerdaten umfasst.
Die physische Verbindungslinie zwischen den Transceivern (STU) kann in Form eines Einzelpaars oder mehrerer Einzelpaare von Kabeln existieren. Bei mehreren Paaren von Kabeln enthält der STU mehrere unabhängige PMD-Module, die mit einer einzigen PMS-TC verbunden sind.
Funktionales Modell des SHDSL-Transceivers (STU)
Das TPS-TC-Modul hängt von der Anwendung ab, in der das Gerät eingesetzt wird (Ethernet, RS-232/422/485 usw.). Es ist dafür verantwortlich, Benutzerdaten in das SHDSL-Format umzuwandeln, Multiplexing/Demultiplexing durchzuführen und die Zeitsynchronisation mehrerer Kanäle von Benutzerdaten zu gewährleisten.
Auf Ebene des PMS-TC erfolgt die Bildung und Synchronisation der SHDSL-Frames sowie deren Scrambling und Descrambling.
Das PMD-Modul führt Funktionen wie Codierung/Dekodierung von Informationen, Modulation/Demodulation, Echounterdrückung, Anpassung der Parameter auf der Verbindungslinie und Herstellung einer Verbindung zwischen den Transceivern aus. Genau auf der PMD-Ebene werden die grundlegenden Operationen durchgeführt, die die hohe Störsicherheit des SHDSL gewährleisten, einschließlich TCPAM-Codierung (Trellis-Codierung mit analoger Impulsmodulation), einem Mechanismus für gemeinsames Codieren und Modulieren, der die spektrale Effizienz des Signals im Vergleich zur separaten Methode verbessert. Das Funktionsprinzip des PMD-Moduls kann auch in Form eines funktionalen Diagramms dargestellt werden.
Blockdiagramm des PMD-Moduls
Die TC-PAM basiert auf der Verwendung eines Faltungscoders, der auf der SHDSL-Transmitterseite eine redundante Bitfolge erzeugt. Bei jedem Takt wird jedem Bit, das in den Encoder eingegeben wird, ein doppeltes Bit (Dibit) am Ausgang zugeordnet. Auf diese Weise wird bei vergleichsweise geringer Redundanz die Störsicherheit der Übertragung erhöht. Der Einsatz von Trellis-Modulation ermöglicht es, die benötigte Bandbreite für die Datenübertragung zu reduzieren und die Hardware-Komponenten bei gleichbleibendem Signal-Rausch-Verhältnis zu vereinfachen.
Funktionsprinzip des Trellis-Coders (TC-PAM 16)
Ein doppeltes Bit wird durch eine logische Modul-2-Addition (exklusives „oder“) erzeugt, basierend auf dem Eingangsbit x1(tn) und den Bits x1(tn-1), x1(tn-2) usw. (insgesamt können es bis zu 20 sein), die zuvor in den Encoder eingegeben wurden und im Speicherregistern gespeichert sind. Im nächsten Takt der Encoderoperation tn+1 erfolgt eine Verschiebung der Bits in den Speichereinheiten, um die logische Operation auszuführen: Das Bit x1(tn) wird in den Speicher verschoben, wodurch die gesamte dort gespeicherte Bitsequenz verschoben wird.
Algorithmus des Faltungscoders
Wahrheitstabellen der Modul-2-Addition
Zur Veranschaulichung ist es praktisch, ein Zustandsdiagramm des Faltungscoders zu verwenden, aus dem ersichtlich ist, in welchem Zustand sich der Encoder zu den Zeitpunkten tn, tn+1 usw. basierend auf den Eingangsdaten befindet. Der Zustand des Encoders bezieht sich in diesem Fall auf das Paar der Werte des Eingangsbits x1(tn) und des Bits in der ersten Speichereinheit x1(tn-1). Zur Erstellung des Diagramms kann ein Graph verwendet werden, dessen Knoten die möglichen Zustände des Encoders darstellen, während die Übergänge von einem Zustand zum anderen durch die entsprechenden Eingangsbits x1(tn) und die Ausgangsdibits $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$ gekennzeichnet sind.
Zustandsdiagramm und Übergangsgraph des Faltungscoders im Sender
Im Sender wird aus den erhaltenen vier Bits (zwei Ausgangsbits des Encoders und zwei Datenbits) ein Symbol gebildet, dem jeweils eine bestimmte Amplitude des modulierten analogen Impulsmodulators entspricht.
Zustand des 16-Bit-AIM in Abhängigkeit vom Wert des vierbit-Symbols
Auf der Empfängerseite des Signals erfolgt der umgekehrte Prozess – Demodulation und Extraktion der benötigten Sequenz der Eingangsbits des Encoders x1(tn) aus dem redundanten Code (doppelten Bits y0y1(tn)). Diese Operation wird vom Viterbi-Decodierer ausgeführt.
Der Algorithmus des Decodierers basiert auf der Berechnung der Fehlerkennzahlen für alle möglichen angenommenen Zustände des Encoders. Unter der Fehlerkennzahl versteht man die Abweichung zwischen den empfangenen Bits und den angenommenen Bits für jeden möglichen Pfad. Wenn beim Empfang keine Fehler auftreten, beträgt die Fehlerkennzahl des wahren Pfades 0, da keine Abweichung bei den Bits vorliegt. Für falsche Pfade wird die Kennzahl von null abweichen, kontinuierlich ansteigen und nach einer gewissen Zeit wird der Dekoder aufhören, den fehlerhaften Pfad zu berechnen, und nur den wahren Pfad beibehalten.
Zustandsdiagramm des Codierers, berechnet vom Viterbi-Dekoder des Empfängers
Aber wie gewährleistet dieser Algorithmus die Fehlertoleranz? Angenommen, der Empfänger hat fehlerhafte Daten empfangen, wird der Dekoder weiterhin zwei Pfade mit einer Fehlermetrik von 1 berechnen. Ein Pfad mit der Metrik 0 wird nicht mehr existieren. Der Algorithmus wird später basierend auf den nächsten empfangenen Paar-Bits entscheiden, welcher Pfad der richtige ist.
Bei Auftreten des zweiten Fehlers wird es mehrere Pfade mit einer Metrik von 2 geben, aber der richtige Pfad wird später anhand der Maximum-Likelihood-Methode (d. h. der minimalen Metrik) ermittelt.
Zustandsdiagramm des Codierers, berechnet vom Viterbi-Dekoder, beim Empfang fehlerhafter Daten
Im oben beschriebenen Beispiel wurde der Algorithmus des 16-Bit-Systems (TC-PAM16) betrachtet, das die Übertragung von drei Bits nützlicher Informationen und einem zusätzlichen Bit zur Fehlerkorrektur in einem Symbol ermöglicht. Bei TC-PAM16 sind Übertragungsraten von 192 bis 3840 kbit/s erreichbar. Bei Erhöhung der Bitbreite auf 128 (moderne Systeme arbeiten mit TC-PAM128) werden in jedem Symbol sechs Bits nützlicher Informationen übertragen, und die maximal erreichbare Geschwindigkeit liegt zwischen 5696 kbit/s und 15,3 Mb/s.
Die Verwendung der Pulsamplitudenmodulation (PAM) verbindet SHDSL mit einer Reihe beliebter Ethernet-Standards, wie zum Beispiel Gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-Gigabit 10GBASE-T (PAM-16) oder dem vielversprechenden industriellen Single-Pair-Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3) für das Jahr 2020.
SHDSL in Ethernet-Netzwerken
Es werden verwaltete und nicht verwaltete SHDSL-Modems unterschieden, aber diese Klassifizierung hat wenig mit der üblichen Unterscheidung zwischen verwalteten und nicht verwalteten Geräten zu tun, die beispielsweise für Ethernet-Switches existiert. Der Unterschied liegt in den Konfigurations- und Überwachungsmöglichkeiten. Verwaltete Modems werden über ein Web-Interface konfiguriert und können über SNMP diagnostiziert werden, während nicht verwaltete über zusätzliche Software über den seriellen Port eingerichtet werden können (bei Phoenix Contact handelt es sich um die kostenlose Software PSI-CONF und eine mini-USB-Schnittstelle). Im Gegensatz zu Switches können nicht verwaltete Modems in einem Netzwerk mit Ringtopologie funktionieren.
Ansonsten sind verwaltete und nicht verwaltete Modems absolut identisch, einschließlich der Funktionalität und der Möglichkeit, nach dem Plug&Play-Prinzip zu arbeiten, also ohne jegliche vorherige Konfiguration.
Zusätzlich können Modems Funktionen zum Schutz gegen impulsartige Spannungsspitzen mit der Möglichkeit ihrer Diagnose übernehmen. SHDSL-Netze können sehr lange Segmente bilden, und die Leitungen können an Orten verlegt werden, an denen impulsartige Spannungsspitzen auftreten können (induzierte Spannungsunterschiede, die durch Blitzeinschläge oder Kurzschlüsse in nahegelegenen Kabelverbindungen verursacht werden). Induzierte Spannungen können Stromstärken in der Größenordnung von Kiloampere verursachen. Daher werden zur Sicherung der Geräte gegen solche Phänomene in Modems Überspannungsschutzgeräte in Form einer abnehmbaren Platine integriert, die bei Bedarf ersetzt werden kann. Genau an den Anschluss dieser Platine wird die SHDSL-Leitung angeschlossen.
Topologien
Mit SHDSL ist es möglich, in Ethernet-Netzwerken jede Topologie zu erstellen: Punkt-zu-Punkt, Linie, Stern und Ring. Dabei können je nach Modemtyp sowohl 2-adrige als auch 4-adrige Kommunikationsleitungen verwendet werden.
Ethernet-Netzwerk-Topologien basierend auf SHDSL
Es ist auch möglich, verteilte Systeme mit kombinierter Topologie zu erstellen. Jedes Segment eines SHDSL-Netzes kann bis zu 50 Modems zählen, und unter Berücksichtigung der physischen Möglichkeiten der Technologie (Abstand zwischen Modems von 20 km) kann die Länge eines Segments bis zu 1000 km betragen.
Wenn am Kopf jedes solchen Segments ein verwaltetes Modem installiert wird, kann die Integrität des Segments über SNMP diagnostiziert werden. Darüber hinaus unterstützen verwaltete und nicht verwaltete Modems die VLAN-Technologie, was bedeutet, dass es möglich ist, das Netzwerk in logische Subnetze zu unterteilen. Außerdem sind die Geräte in der Lage, mit Datenübertragungsprotokollen zu arbeiten, die in modernen Automatisierungssystemen verwendet werden (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP usw.).
Redundanz der Kommunikationskanäle mit SHDSL
SHDSL wird zur Erstellung redundanter Kommunikationskanäle im Ethernet-Netzwerk verwendet, häufig in optischen Netzwerken.
SHDSL und serielle Schnittstelle
SHDSL-Modems mit serieller Schnittstelle ermöglichen es, die Begrenzungen in Bezug auf Distanz, Topologie und Qualität des Leitungsführers zu überwinden, die für traditionelle verdrahtete Systeme auf Basis asynchroner Sender und Empfänger (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 (zum Beispiel für Profibus). Alle derartigen Geräte gehören zur Kategorie der "unmanaged" Geräte, daher werden sie 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-Topologien aufzubauen. Im Rahmen der Line Topologie können bis zu 255 Knoten in einem Netzwerk verbunden werden (für Profibus – 30).
In Systemen, die nur Geräte mit der Schnittstelle RS-485 verwenden, gibt es keine Einschränkungen für das verwendete Datenübertragungsprotokoll. Allerdings sind Linien- und Stern-Topologien für RS-232 und RS-422 untypisch, weshalb der Betrieb von Endgeräten in einem SHDSL-Netzwerk mit solchen Topologien nur im Halbdublexmodus möglich ist. Zeitgleich muss in Systemen mit RS-232 und RS-422 auf Protokollebene die Adressierung der Geräte sichergestellt werden, was für die am häufigsten in Punkt-zu-Punkt-Netzen verwendeten Schnittstellen untypisch ist.
Bei der Verbindung von Geräten mit unterschiedlichen Schnittstellentypen über SHDSL muss berücksichtigt werden, dass es keinen einheitlichen Mechanismus zur Herstellung der Verbindung (Handshake) zwischen den Geräten gibt. Dennoch kann der Austausch in diesem Fall organisiert werden – dazu müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
- Die Abstimmung der Verbindung und die Steuerung der Datenübertragung müssen auf der Ebene eines einheitlichen Informationsdatenübertragungsprotokolls erfolgen;
- Alle Endgeräte müssen im Halbdublexmodus funktionieren, was auch vom Informationsprotokoll unterstützt werden sollte.
Das am häufigsten verwendete Protokoll für asynchrone Schnittstellen, Modbus RTU, ermöglicht es, alle beschriebenen Einschränkungen zu umgehen und ein einheitliches System mit verschiedenen Schnittstellentypen zu erstellen.
Netzwerktopologien mit seriellen Schnittstellen auf Basis von SHDSL
Bei der Verwendung von zweidrahtigem RS-485 auf der Hardware Es ist möglich, komplexere Strukturen aufzubauen, indem Modems über eine DIN-Schiene verbunden werden. An dieser Schiene kann auch eine Stromversorgung installiert werden (in diesem Fall wird die Stromversorgung aller Geräte über die Schiene bereitgestellt) 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. Mehr als 50 Unternehmen, die städtische Versorgungsnetze betreuen, nutzen alte Kupferleitungen, um die in der Stadt verteilten Objekte mit einem Netzwerk zu verbinden. SHDSL wird in erster Linie für Steuerungs- und Abrechnungssysteme in der Wasser-, Gas- und Energieversorgung eingesetzt. Zu solchen Städten gehören Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt (Oder) und viele andere.
Das umfangreichste SHDSL-System wurde in der Stadt Lübeck eingerichtet. Das System hat eine kombinierte Struktur basierend auf optischem Ethernet und SHDSL, verbindet 120 voneinander entfernte Objekte und verwendet mehr als 50 Modems. . Das gesamte Netzwerk wird über SNMP diagnostiziert. Das längste Segment von der Kommune Kalkhorst bis zum Flughafen Lübeck hat eine Länge von 39 km. Der Grund, warum das Auftrag gebende Unternehmen SHDSL gewählt hat, war, dass die Umsetzung des Projekts vollständig auf Glasfaser wirtschaftlich nicht rentabel war, unter Berücksichtigung der vorhandenen alten Kupferkabel.
Datenübertragung über einen Schleifring
Ein interessantes Beispiel ist die Datenübertragung zwischen beweglichen Objekten, wie sie beispielsweise in Windkraftanlagen oder in großen industriellen Drehmaschinen erfolgt. Ein solches System wird für den Informationsaustausch zwischen Steuerungen verwendet, die auf dem Rotor und dem Stator der Anlagen platziert sind. In diesem Fall wird die Datenübertragung über einen Gleitskontakt durch einen Schleifring realisiert. Solche Beispiele zeigen, dass für den Datenaustausch über SHDSL kein statischer Kontakt erforderlich ist.
Vergleich mit anderen Technologien
SHDSL gegen GSM
Wenn man SHDSL mit Datentransfursystemen auf Basis von GSM (3G/4G) vergleicht, spricht das Fehlen von Betriebskosten, die mit regelmäßigen Zahlungen an den Betreiber für den Zugang zum Mobilfunknetz verbunden sind, für DSL. Bei SHDSL sind wir nicht von der Abdeckung, der Qualität und der Zuverlässigkeit des Mobilfunks in Industrieanlagen abhängig, einschließlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen. Bei SHDSL entfällt die Notwendigkeit, die Ausrüstung zu konfigurieren, was die Inbetriebnahme beschleunigt. Drahtlose Netzwerke sind durch hohe Latenzzeiten bei der Datenübertragung und Schwierigkeiten bei der Übertragung von Multicast-Verkehr (Profinet, Ethernet IP) gekennzeichnet.
Für SHDSL spricht die Informationssicherheit, da keine Notwendigkeit besteht, Daten über das Internet zu übertragen und VPN-Verbindungen dafür zu konfigurieren.
SHDSL vs Wi-Fi
Vieles von dem, was über GSM gesagt wurde, gilt auch für industrielles Wi-Fi. Gegen Wi-Fi spricht die geringe Störfestigkeit, die begrenzte Übertragungsdistanz, die Abhängigkeit von der Landschaftstopologie und die Verzögerungen bei der Datenübertragung. Der größte Nachteil ist die Informationssicherheit von Wi-Fi-Netzen, da jeder Zugang zur Übertragungsumgebung hat. Mit Wi-Fi können bereits Daten von Profinet oder Ethernet IP übertragen werden, was für GSM schwierig wäre.
SHDSL vs Glasfaser
Glasfaser hat in der überwiegenden Mehrheit einen großen Vorteil gegenüber SHDSL, aber in bestimmten Anwendungen erlaubt es SHDSL, Zeit und Geld für die Verlegung und das Schweißen von Glasfaserkabeln zu sparen, wodurch die Inbetriebnahme beschleunigt wird. Für SHDSL sind keine speziellen Anschlüsse erforderlich, da das Verbindungskabel einfach an den Terminal des Modems angeschlossen wird. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften von Glasfaserkabeln ist deren Verwendung in Anwendungen, die den Informationsaustausch zwischen beweglichen Objekten betreffen, eingeschränkt, wo Kupferleiter weitaus verbreiteter sind.
Quelle: habr.com
