{"id":85741,"date":"2020-06-19T01:42:40","date_gmt":"2020-06-18T23:42:40","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/administrirovanie\/peredacha-dannyh-na-rasstoyanie-do-20-km-po-obychnym-provodam-legko-esli-eto-shdsl"},"modified":"2020-06-19T01:42:40","modified_gmt":"2020-06-18T23:42:40","slug":"peredacha-dannyh-na-rasstoyanie-do-20-km-po-obychnym-provodam-legko-esli-eto-shdsl","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/administrirovanie\/peredacha-dannyh-na-rasstoyanie-do-20-km-po-obychnym-provodam-legko-esli-eto-shdsl","title":{"rendered":"Daten\u00fcbertragung \u00fcber Entfernungen von bis zu 20 km mit gew\u00f6hnlichen Kabeln? Kein Problem, wenn es sich um SHDSL handelt\u2026","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

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 Erg\u00e4nzung zu Ethernet oder zu Feldnetzwerken auf Basis von RS-232\/422\/485 dient. Solche industriellen L\u00f6sungen werden aktiv in entwickelten europ\u00e4ischen und asiatischen L\u00e4ndern eingesetzt.<\/a><\/noindex><\/p>\n

DSL stellt eine Familie von Standards dar, die urspr\u00fcnglich f\u00fcr die \u00dcbertragung digitaler Daten \u00fcber Telefonleitungen konzipiert wurden. Historisch gesehen war dies die erste Technologie f\u00fcr den Breitbandzugang zum Internet, die die DIAL UP- und ISDN-Technologien abl\u00f6ste. Die gro\u00dfe Vielfalt der derzeit vorhandenen DSL-Standards ist darauf zur\u00fcckzuf\u00fchren, dass viele Unternehmen seit den 80er Jahren versucht haben, eigene Technologien zu entwickeln und auf dem Markt zu f\u00f6rdern.<\/p>\n

All diese Entwicklungen lassen sich in zwei gro\u00dfe Kategorien einteilen \u2013 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 f\u00fcr Empfang und \u00dcbertragung gleich.<\/p>\n

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 \u00fcber die physikalische Verbindung verwenden. Auch die Methoden zur Fehlerkorrektur sind unterschiedlich, was unterschiedliche Stufen der St\u00f6rfestigkeit gew\u00e4hrleistet. Infolgedessen hat jede Technologie ihre eigenen Grenzen in Bezug auf Geschwindigkeit und \u00dcbertragungsdistanz, einschlie\u00dflich der Abh\u00e4ngigkeit vom Typ und der Qualit\u00e4t des Leiters.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nGrenzparameter verschiedener DSL-Standards <\/i><\/p>\n

Bei jeder DSL-Technologie sinkt die Daten\u00fcbertragungsrate mit zunehmender L\u00e4nge des Leiters. \u00dcber extreme Distanzen l\u00e4sst sich eine Geschwindigkeit von mehreren hundert Kilobit erreichen; aber bei \u00dcbertragungen \u00fcber 200-300 m steht die maximal m\u00f6gliche Geschwindigkeit zur Verf\u00fcgung. <\/p>\n

Unter allen Technologien hat SHDSL einen entscheidenden Vorteil, der ihre Anwendung in industriellen Anwendungen m\u00f6glich macht \u2013 hohe St\u00f6rfestigkeit und die M\u00f6glichkeit, Daten jeglichen Typs \u00fcber beliebige Leitungen zu \u00fcbertragen. In asymmetrischen Standards gibt es das nicht, und die Verbindungsqualit\u00e4t h\u00e4ngt stark von der Qualit\u00e4t der f\u00fcr die Daten\u00fcbertragung verwendeten Leitung ab. Es wird insbesondere empfohlen, ein verdrilltes Telefonkabel zu verwenden. In diesem Fall erweist es sich als zuverl\u00e4ssigere L\u00f6sung, anstelle von ADSL und VDSL Glasfaserkabel zu verwenden.<\/p>\n

F\u00fcr SHDSL eignet sich jedes isolierte Kabelpaar \u2013 Kupfer-, Aluminium-, Stahlkabel usw. Als \u00dcbertragungsmedium k\u00f6nnen alte elektrische Leitungen, alte Telefonleitungen, Stacheldrahtz\u00e4une usw. dienen.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nDie Abh\u00e4ngigkeit der Daten\u00fcbertragungsgeschwindigkeit von SHDSL von der Entfernung und dem Kabeltyp<\/i><\/p>\n

Aus dem Diagramm, das die Abh\u00e4ngigkeit der Daten\u00fcbertragungsgeschwindigkeit von der Entfernung und dem Kabeltyp f\u00fcr SHDSL zeigt, ist zu erkennen, dass Leitungen mit gr\u00f6\u00dferem Querschnitt Informationen \u00fcber gr\u00f6\u00dfere Entfernungen \u00fcbertragen k\u00f6nnen. Dank der Technologie kann eine Verbindung auf einer Strecke von bis zu 20 km bei maximal m\u00f6glichen Geschwindigkeiten von 15,3 Mbit\/s f\u00fcr ein 2-Draht-Kabel oder 30 Mbit\/s f\u00fcr ein 4-Draht-Kabel eingerichtet werden. In realen Anwendungen kann die \u00dcbertragungsgeschwindigkeit manuell eingestellt werden, was in F\u00e4llen starker elektromagnetischer St\u00f6rungen oder schlechter Leitungsqualit\u00e4t erforderlich ist. In diesem Fall muss die Geschwindigkeit der SHDSL-Ger\u00e4te verringert werden, um die \u00dcbertragungsdistanz zu erh\u00f6hen. F\u00fcr die genaue Berechnung der Geschwindigkeit in Abh\u00e4ngigkeit von Entfernung und Kabeltyp k\u00f6nnen kostenlose Programmiertools wie SHDSL-Rechner von Phoenix Contact<\/a><\/noindex>. <\/p>\n

Warum hat SHDSL eine hohe St\u00f6rfestigkeit?<\/h3>\n

\nDer Arbeitsprinzip des SHDSL-Transceivers kann als Blockdiagramm dargestellt werden, bei dem ein spezifischer und ein unabh\u00e4ngiger (invarianten) Teil aus Sicht der Anwendung unterschieden werden. Der unabh\u00e4ngige Teil besteht aus funktionalen Bl\u00f6cken PMD (Physical Medium Dependent) und PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), w\u00e4hrend der spezifische Teil die Ebene TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) und die Schnittstellen der Benutzerdaten umfasst. <\/p>\n

Die physische Verbindungslinie zwischen den Transceivern (STU) kann in Form eines Einzelpaars oder mehrerer Einzelpaare von Kabeln existieren. Bei mehreren Paaren von Kabeln enth\u00e4lt der STU mehrere unabh\u00e4ngige PMD-Module, die mit einer einzigen PMS-TC verbunden sind.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nFunktionales Modell des SHDSL-Transceivers (STU)<\/i><\/p>\n

Das TPS-TC-Modul h\u00e4ngt von der Anwendung ab, in der das Ger\u00e4t eingesetzt wird (Ethernet, RS-232\/422\/485 usw.). Es ist daf\u00fcr verantwortlich, Benutzerdaten in das SHDSL-Format umzuwandeln, Multiplexing\/Demultiplexing durchzuf\u00fchren und die Zeitsynchronisation mehrerer Kan\u00e4le von Benutzerdaten zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n

Auf Ebene des PMS-TC erfolgt die Bildung und Synchronisation der SHDSL-Frames sowie deren Scrambling und Descrambling.<\/p>\n

Das PMD-Modul f\u00fchrt Funktionen wie Codierung\/Dekodierung von Informationen, Modulation\/Demodulation, Echounterdr\u00fcckung, Anpassung der Parameter auf der Verbindungslinie und Herstellung einer Verbindung zwischen den Transceivern aus. Genau auf der PMD-Ebene werden die grundlegenden Operationen durchgef\u00fchrt, die die hohe St\u00f6rsicherheit des SHDSL gew\u00e4hrleisten, einschlie\u00dflich TCPAM-Codierung (Trellis-Codierung mit analoger Impulsmodulation), einem Mechanismus f\u00fcr 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.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nBlockdiagramm des PMD-Moduls<\/i><\/p>\n

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 St\u00f6rsicherheit der \u00dcbertragung erh\u00f6ht. Der Einsatz von Trellis-Modulation erm\u00f6glicht es, die ben\u00f6tigte Bandbreite f\u00fcr die Daten\u00fcbertragung zu reduzieren und die Hardware-Komponenten bei gleichbleibendem Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis zu vereinfachen.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nFunktionsprinzip des Trellis-Coders (TC-PAM 16)<\/i><\/p>\n

Ein doppeltes Bit wird durch eine logische Modul-2-Addition (exklusives \u201eoder\u201c) erzeugt, basierend auf dem Eingangsbit x1(tn) und den Bits x1(tn-1), x1(tn-2) usw. (insgesamt k\u00f6nnen es bis zu 20 sein), die zuvor in den Encoder eingegeben wurden und im Speicherregistern gespeichert sind. Im n\u00e4chsten Takt der Encoderoperation tn+1 erfolgt eine Verschiebung der Bits in den Speichereinheiten, um die logische Operation auszuf\u00fchren: Das Bit x1(tn) wird in den Speicher verschoben, wodurch die gesamte dort gespeicherte Bitsequenz verschoben wird.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nAlgorithmus des Faltungscoders<\/i><\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nWahrheitstabellen der Modul-2-Addition<\/i><\/p>\n

Um die Funktionsweise des konvolutionalen Codierers zu veranschaulichen, ist es praktisch, ein Zustandsdiagramm zu verwenden, das zeigt, in welchem Zustand sich der Codierer zu den Zeitpunkten tn, tn+1 usw. befindet, abh\u00e4ngig von den Eingabewerten. Unter dem Zustand des Codierers versteht man in diesem Fall das Paar von Werten des Eingabebits x1(tn) und des Bits in der ersten Speichereinheit x1(tn-1). Zum Erstellen des Diagramms kann ein Graph verwendet werden, dessen Knoten m\u00f6gliche Zust\u00e4nde des Codierers darstellen, w\u00e4hrend die \u00dcberg\u00e4nge von einem Zustand zum anderen durch die entsprechenden Eingabebits x1(tn) und die Ausgabedibit $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$ gekennzeichnet sind.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung \"Daten\u00fcbertragung
\nZustandsdiagramm und \u00dcbergangsgraph des Faltungscoders im Sender<\/i><\/p>\n

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. <\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nZustand des 16-Bit-AIM in Abh\u00e4ngigkeit vom Wert des vierbit-Symbols<\/i><\/p>\n

Auf der Empf\u00e4ngerseite des Signals erfolgt der umgekehrte Prozess \u2013 Demodulation und Extraktion der ben\u00f6tigten Sequenz der Eingangsbits des Encoders x1(tn) aus dem redundanten Code (doppelten Bits y0y1(tn)). Diese Operation wird vom Viterbi-Decodierer ausgef\u00fchrt.<\/p>\n

Der Algorithmus des Decodierers basiert auf der Berechnung der Fehlerkennzahlen f\u00fcr alle m\u00f6glichen angenommenen Zust\u00e4nde des Encoders. Unter der Fehlerkennzahl versteht man die Abweichung zwischen den empfangenen Bits und den angenommenen Bits f\u00fcr jeden m\u00f6glichen Pfad. Wenn beim Empfang keine Fehler auftreten, betr\u00e4gt die Fehlerkennzahl des wahren Pfades 0, da keine Abweichung bei den Bits vorliegt. F\u00fcr falsche Pfade wird die Kennzahl von null abweichen, kontinuierlich ansteigen und nach einer gewissen Zeit wird der Dekoder aufh\u00f6ren, den fehlerhaften Pfad zu berechnen, und nur den wahren Pfad beibehalten.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung \"Daten\u00fcbertragung
\nZustandsdiagramm des Codierers, berechnet vom Viterbi-Dekoder des Empf\u00e4ngers<\/i><\/p>\n

Aber wie gew\u00e4hrleistet dieser Algorithmus die Fehlertoleranz? Angenommen, der Empf\u00e4nger 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 sp\u00e4ter basierend auf den n\u00e4chsten empfangenen Paar-Bits entscheiden, welcher Pfad der richtige ist.<\/p>\n

Bei Auftreten des zweiten Fehlers wird es mehrere Pfade mit einer Metrik von 2 geben, aber der richtige Pfad wird sp\u00e4ter anhand der Maximum-Likelihood-Methode (d. h. der minimalen Metrik) ermittelt.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nZustandsdiagramm des Codierers, berechnet vom Viterbi-Dekoder, beim Empfang fehlerhafter Daten <\/i><\/p>\n

Im oben beschriebenen Beispiel wurde der Algorithmus des 16-Bit-Systems (TC-PAM16) betrachtet, das die \u00dcbertragung von drei Bits n\u00fctzlicher Informationen und einem zus\u00e4tzlichen Bit zur Fehlerkorrektur in einem Symbol erm\u00f6glicht. Bei TC-PAM16 sind \u00dcbertragungsraten von 192 bis 3840 kbit\/s erreichbar. Bei Erh\u00f6hung der Bitbreite auf 128 (moderne Systeme arbeiten mit TC-PAM128) werden in jedem Symbol sechs Bits n\u00fctzlicher Informationen \u00fcbertragen, und die maximal erreichbare Geschwindigkeit liegt zwischen 5696 kbit\/s und 15,3 Mb\/s.<\/p>\n

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) f\u00fcr das Jahr 2020.<\/p>\n

SHDSL in Ethernet-Netzwerken<\/h3>\n

\nEs werden verwaltete und nicht verwaltete SHDSL-Modems unterschieden, aber diese Klassifizierung hat wenig mit der \u00fcblichen Unterscheidung zwischen verwalteten und nicht verwalteten Ger\u00e4ten zu tun, die beispielsweise f\u00fcr Ethernet-Switches existiert. Der Unterschied liegt in den Konfigurations- und \u00dcberwachungsm\u00f6glichkeiten. Verwaltete Modems werden \u00fcber ein Web-Interface konfiguriert und k\u00f6nnen \u00fcber SNMP diagnostiziert werden, w\u00e4hrend nicht verwaltete \u00fcber zus\u00e4tzliche Software \u00fcber den seriellen Port eingerichtet werden k\u00f6nnen (bei Phoenix Contact handelt es sich um die kostenlose Software PSI-CONF und eine mini-USB-Schnittstelle). Im Gegensatz zu Switches k\u00f6nnen nicht verwaltete Modems in einem Netzwerk mit Ringtopologie funktionieren.<\/p>\n

Ansonsten sind verwaltete und nicht verwaltete Modems absolut identisch, einschlie\u00dflich der Funktionalit\u00e4t und der M\u00f6glichkeit, nach dem Plug&Play-Prinzip zu arbeiten, also ohne jegliche vorherige Konfiguration.<\/p>\n

Zus\u00e4tzlich k\u00f6nnen Modems Funktionen zum Schutz gegen impulsartige Spannungsspitzen mit der M\u00f6glichkeit ihrer Diagnose \u00fcbernehmen. SHDSL-Netze k\u00f6nnen sehr lange Segmente bilden, und die Leitungen k\u00f6nnen an Orten verlegt werden, an denen impulsartige Spannungsspitzen auftreten k\u00f6nnen (induzierte Spannungsunterschiede, die durch Blitzeinschl\u00e4ge oder Kurzschl\u00fcsse in nahegelegenen Kabelverbindungen verursacht werden). Induzierte Spannungen k\u00f6nnen Stromst\u00e4rken in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von Kiloampere verursachen. Daher werden zur Sicherung der Ger\u00e4te gegen solche Ph\u00e4nomene in Modems \u00dcberspannungsschutzger\u00e4te in Form einer abnehmbaren Platine integriert, die bei Bedarf ersetzt werden kann. Genau an den Anschluss dieser Platine wird die SHDSL-Leitung angeschlossen.<\/p>\n

Topologien<\/h3>\n

\nMit SHDSL ist es m\u00f6glich, in Ethernet-Netzwerken jede Topologie zu erstellen: Punkt-zu-Punkt, Linie, Stern und Ring. Dabei k\u00f6nnen je nach Modemtyp sowohl 2-adrige als auch 4-adrige Kommunikationsleitungen verwendet werden.<\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nEthernet-Netzwerk-Topologien basierend auf SHDSL<\/i><\/p>\n

Es ist auch m\u00f6glich, verteilte Systeme mit kombinierter Topologie zu erstellen. Jedes Segment eines SHDSL-Netzes kann bis zu 50 Modems z\u00e4hlen, und unter Ber\u00fccksichtigung der physischen M\u00f6glichkeiten der Technologie (Abstand zwischen Modems von 20 km) kann die L\u00e4nge eines Segments bis zu 1000 km betragen. <\/p>\n

Wenn am Kopf jedes solchen Segments ein verwaltetes Modem installiert wird, kann die Integrit\u00e4t des Segments \u00fcber SNMP diagnostiziert werden. Dar\u00fcber hinaus unterst\u00fctzen verwaltete und nicht verwaltete Modems die VLAN-Technologie, was bedeutet, dass es m\u00f6glich ist, das Netzwerk in logische Subnetze zu unterteilen. Au\u00dferdem sind die Ger\u00e4te in der Lage, mit Daten\u00fcbertragungsprotokollen zu arbeiten, die in modernen Automatisierungssystemen verwendet werden (Profinet, Ethernet\/IP, Modbus TCP usw.). <\/p>\n

\"Daten\u00fcbertragung
\nRedundanz der Kommunikationskan\u00e4le mit SHDSL<\/i><\/p>\n

SHDSL wird zur Erstellung redundanter Kommunikationskan\u00e4le im Ethernet-Netzwerk verwendet, h\u00e4ufig in optischen Netzwerken.<\/p>\n

SHDSL und serielle Schnittstelle<\/h3>\n

\nSHDSL-Modems mit serieller Schnittstelle erm\u00f6glichen es, die Begrenzungen in Bezug auf Distanz, Topologie und Qualit\u00e4t des Leitungsf\u00fchrers zu \u00fcberwinden, die f\u00fcr traditionelle verdrahtete Systeme auf Basis asynchroner Sender und Empf\u00e4nger (UART) bestehen: RS-232 \u2013 15 m, RS-422 und RS-485 \u2013 1200 m.<\/p>\n

Es gibt Modems mit seriellen Schnittstellen (RS-232\/422\/485) sowohl f\u00fcr universelle Anwendungen als auch f\u00fcr spezialisierte (zum Beispiel f\u00fcr Profibus). Alle derartigen Ger\u00e4te geh\u00f6ren zur Kategorie der \"unmanaged\" Ger\u00e4te, daher werden sie mit spezieller Software konfiguriert und diagnostiziert. <\/p>\n

Topologien<\/h3>\n

\nIn Netzwerken mit serieller Schnittstelle ist es mit SHDSL m\u00f6glich, Netzwerke mit Punkt-zu-Punkt-, Linien- und Stern-Topologien aufzubauen. Im Rahmen der Line Topologie k\u00f6nnen bis zu 255 Knoten in einem Netzwerk verbunden werden (f\u00fcr Profibus \u2013 30). <\/p>\n

In Systemen, die nur Ger\u00e4te mit der Schnittstelle RS-485 verwenden, gibt es keine Einschr\u00e4nkungen f\u00fcr das verwendete Daten\u00fcbertragungsprotokoll. Allerdings sind Linien- und Stern-Topologien f\u00fcr RS-232 und RS-422 untypisch, weshalb der Betrieb von Endger\u00e4ten in einem SHDSL-Netzwerk mit solchen Topologien nur im Halbdublexmodus m\u00f6glich ist. Zeitgleich muss in Systemen mit RS-232 und RS-422 auf Protokollebene die Adressierung der Ger\u00e4te sichergestellt werden, was f\u00fcr die am h\u00e4ufigsten in Punkt-zu-Punkt-Netzen verwendeten Schnittstellen untypisch ist.<\/p>\n

Bei der Verbindung von Ger\u00e4ten mit unterschiedlichen Schnittstellentypen \u00fcber SHDSL muss ber\u00fccksichtigt werden, dass es keinen einheitlichen Mechanismus zur Herstellung der Verbindung (Handshake) zwischen den Ger\u00e4ten gibt. Dennoch kann der Austausch in diesem Fall organisiert werden \u2013 dazu m\u00fcssen folgende Bedingungen erf\u00fcllt sein:<\/p>\n