Huolimatta Ethernet-verkkojen laajasta käytöstä, DSL-pohjaiset viestintätekniikat ovat edelleen tärkeitä tähän päivään asti. Tähän asti DSL on löytynyt viime mailin verkoista tilaajalaitteiden liittämiseksi Internet-palveluntarjoajien verkkoihin, ja viime aikoina tekniikkaa käytetään yhä enemmän paikallisten verkkojen rakentamisessa esimerkiksi teollisissa sovelluksissa, joissa DSL toimii Ethernetin täydentäjänä. tai RS-232/422/485-pohjaisiin kenttäverkkoihin. Vastaavia teollisia ratkaisuja käytetään aktiivisesti kehittyneissä Euroopan ja Aasian maissa.
DSL on standardiperhe, joka alun perin kehitettiin digitaalisen tiedon siirtämiseen puhelinlinjojen kautta. Historiallisesti siitä tuli ensimmäinen laajakaistainen Internet-yhteystekniikka, joka korvasi DIAL UP- ja ISDN-yhteyden. Tällä hetkellä olemassa olevien DSL-standardien laaja kirjo johtuu siitä, että monet yritykset 80-luvulta lähtien yrittivät kehittää ja markkinoida omaa teknologiaansa.
Kaikki nämä kehitystyöt voidaan jakaa kahteen suureen luokkaan - epäsymmetrisiin (ADSL) ja symmetrisiin (SDSL) teknologioihin. Epäsymmetrisellä tarkoitetaan niitä, joissa saapuvan yhteyden nopeus eroaa lähtevän liikenteen nopeudesta. Symmetrisellä tarkoitamme, että vastaanotto- ja lähetysnopeudet ovat samat.
Tunnetuimmat ja yleisimmät epäsymmetriset standardit ovat itse asiassa ADSL (uusimmassa painoksessa - ADSL2+) ja VDSL (VDSL2), symmetriset - HDSL (vanhentunut profiili) ja SHDSL. Ne kaikki eroavat toisistaan siinä, että ne toimivat eri taajuuksilla ja käyttävät erilaisia koodaus- ja modulaatiomenetelmiä fyysisellä tietoliikennelinjalla. Myös virheenkorjausmenetelmät eroavat toisistaan, mikä johtaa eritasoisiin kohinansietokykyyn. Tämän seurauksena jokaisella tekniikalla on omat rajansa tiedonsiirron nopeuteen ja etäisyyteen, mukaan lukien johtimen tyypistä ja laadusta riippuen.
Erilaisten DSL-standardien rajoitukset
Kaikissa DSL-tekniikoissa tiedonsiirtonopeus pienenee kaapelin pituuden kasvaessa. Äärimmäisillä etäisyyksillä on mahdollista saada useiden satojen kilobittien nopeuksia, mutta siirrettäessä dataa yli 200-300 m on käytettävissä suurin mahdollinen nopeus.
Kaikista teknologioista SHDSL:llä on vakava etu, joka mahdollistaa sen käytön teollisissa sovelluksissa - korkea melunsieto ja kyky käyttää kaikentyyppisiä johtimia tiedonsiirtoon. Näin ei ole epäsymmetristen standardien tapauksessa, ja viestinnän laatu riippuu suuresti tiedonsiirtoon käytetyn linjan laadusta. Erityisesti on suositeltavaa käyttää kierrettyä puhelinkaapelia. Tässä tapauksessa luotettavampi ratkaisu on käyttää optista kaapelia ADSL:n ja VDSL:n sijaan.
SHDSL:lle sopii mikä tahansa toisistaan eristetty johdinpari - kupari, alumiini, teräs jne. Siirtovälineenä voi olla vanhat sähköjohdot, vanhat puhelinlinjat, piikkilanka-aidat jne.
SHDSL-tiedonsiirtonopeuden riippuvuus etäisyydestä ja johtimen tyypistä
SHDSL:lle annetun tiedonsiirtonopeuden etäisyyden ja johtimen tyypin kaaviosta voit nähdä, että suuren poikkileikkauksen omaavat johtimet mahdollistavat tiedon siirtämisen pidemmälle. Tekniikan ansiosta on mahdollista järjestää viestintä jopa 20 km:n etäisyydelle maksiminopeudella 15.3 Mb/s 2-johtimisella kaapelilla tai 30 Mb 4-johtimisella kaapelilla. Todellisissa sovelluksissa siirtonopeus voidaan asettaa manuaalisesti, mikä on välttämätöntä voimakkaiden sähkömagneettisten häiriöiden tai huonon linjan laadun olosuhteissa. Tässä tapauksessa lähetysetäisyyden lisäämiseksi on tarpeen vähentää SHDSL-laitteiden nopeutta. Voit laskea nopeuden tarkasti etäisyyden ja johtimen tyypin mukaan käyttämällä ilmaisia ohjelmistoja, kuten .
Miksi SHDSL:llä on korkea melunsieto?
SHDSL-lähetin-vastaanottimen toimintaperiaate voidaan esittää lohkokaaviona, jossa erotetaan sovelluksen kannalta erityinen ja itsenäinen (invariantti) osa. Itsenäinen osa koostuu PMD (Physical Medium Dependent) ja PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer) toiminnallisista lohkoista, kun taas erityinen osa sisältää TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) kerroksen ja käyttäjätietoliitännät.
Fyysinen yhteys lähetin-vastaanottimien (STU) välillä voi olla yksi pari tai useita yksittäisiä kaapeleita. Useiden kaapeliparien tapauksessa STU sisältää useita riippumattomia PMD:itä, jotka on liitetty yhteen PMS-TC:hen.
SHDSL-lähetin-vastaanottimen (STU) toiminnallinen malli
TPS-TC-moduuli riippuu sovelluksesta, jossa laitetta käytetään (Ethernet, RS-232/422/485 jne.). Sen tehtävänä on muuntaa käyttäjätiedot SHDSL-muotoon, suorittaa useiden käyttäjätietojen kanavien multipleksointi/demultipleksointi ja aikasäätö.
PMS-TC-tasolla muodostetaan ja synkronoidaan SHDSL-kehyksiä sekä sekoitusta ja salauksen purkamista.
PMD-moduuli suorittaa tiedon koodaus/dekoodaus, modulointi/demodulointi, kaiunpoisto, parametrien neuvottelu tietoliikennelinjalla ja yhteyksien muodostaminen lähetin-vastaanottimien välillä. Juuri PMD-tasolla suoritetaan päätoiminnot SHDSL:n korkean kohinansietokyvyn varmistamiseksi, mukaan lukien TCPAM-koodaus (Trellis-koodaus analogisella pulssimodulaatiolla), yhteinen koodaus- ja modulaatiomekanismi, joka parantaa signaalin spektritehokkuutta verrattuna erilliseen signaaliin. menetelmä. PMD-moduulin toimintaperiaate voidaan esittää myös toimintakaavion muodossa.
PMD-moduulin lohkokaavio
TC-PAM perustuu konvoluutiokooderin käyttöön, joka luo redundantin bittisekvenssin SHDSL-lähetinpuolella. Jokaisella kellojaksolla kullekin kooderin sisäänmenoon saapuvalle bitille osoitetaan kaksoisbitti (dibit) lähdössä. Siten suhteellisen pienen redundanssin kustannuksella lähetyshäiriönsieto paranee. Trellis-modulaation käyttö mahdollistaa käytetyn tiedonsiirron kaistanleveyden pienentämisen ja laitteiston yksinkertaistamisen säilyttäen samalla signaali-kohinasuhteen.
Trellis-kooderin (TC-PAM 16) toimintaperiaate
Kaksoisbitti muodostetaan loogisella modulo-2 (poissulkeva-tai) summausoperaatiolla, joka perustuu tulobittiin x1(tn) ja biteihin x1(tn-1), x1(tn-2) jne. (niitä voi olla yhteensä enintään 20), jotka vastaanotettiin kooderin sisääntulossa aiemmin ja säilyivät muistirekistereissä. Seuraavalla kooderin tn+1 kellojaksolla bittejä siirretään muistisoluissa loogisen toimenpiteen suorittamiseksi: bitti x1(tn) siirtyy muistiin siirtäen koko sinne tallennettua bittisarjaa.
Konvoluutiokooderin algoritmi
Totuustaulukot summausoperaatiolle modulo 2
Selvyyden vuoksi on kätevää käyttää konvoluutioenkooderin tilakaaviota, josta näet, missä tilassa kooderi on välillä tn, tn+1 jne. syötetyistä tiedoista riippuen. Tässä tapauksessa kooderin tila tarkoittaa tulobitin x1(tn) ja ensimmäisen muistisolun x1(tn-1) bitin arvoparia. Kaavion rakentamiseen voidaan käyttää graafia, jonka kärjessä on mahdollisia kooderin tiloja, ja siirtymät tilasta toiseen ilmaistaan vastaavilla tulobiteillä x1(tn) ja ulostulon dibiteillä $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Lähettimen konvoluutiokooderin tilakaavio ja siirtymäkaavio
Lähettimeen muodostetaan neljän vastaanotetun bitin (kooderin kaksi lähtöbittiä ja kaksi databittiä) perusteella symboli, joista kukin vastaa omaa analogiapulssimodulaattorin moduloivan signaalin amplitudia.
16-bittisen AIM:n tila nelibittisen merkin arvon mukaan
Signaalivastaanottimen puolella tapahtuu käänteinen prosessi - demodulointi ja valinta redundantista koodista (kaksoisbitit y0y1(tn)) kooderin x1(tn) tulobittien vaadittu sekvenssi. Tämän toiminnon suorittaa Viterbi-dekooderi.
Dekooderin algoritmi perustuu virhemetriikan laskemiseen kaikille mahdollisille odotettavissa oleville kooderin tiloille. Virhemetriikka viittaa vastaanotettujen bittien ja odotettujen bittien väliseen eroon kullekin mahdolliselle polulle. Jos vastaanottovirheitä ei ole, todellinen polkuvirhemetriikka on 0, koska bittieroja ei ole. Väärillä poluilla metriikka eroaa nollasta, kasvaa jatkuvasti, ja jonkin ajan kuluttua dekooderi lopettaa virheellisen polun laskemisen jättäen vain oikean polun.
Vastaanottimen Viterbi-dekooderin laskema kooderin tilakaavio
Mutta kuinka tämä algoritmi varmistaa melunsietokyvyn? Olettaen, että vastaanotin vastaanotti tiedot virheellisesti, dekooderi jatkaa kahden polun laskemista virhemetriikalla 1. Polkua, jonka virhemetriikka on 0, ei enää ole. Mutta algoritmi tekee myöhemmin johtopäätöksen siitä, mikä polku on tosi, seuraavien vastaanotettujen kaksoisbittien perusteella.
Kun toinen virhe tapahtuu, metriikalla 2 on useita polkuja, mutta oikea polku tunnistetaan myöhemmin maksimitodennäköisyyden menetelmän (eli minimimittarin) perusteella.
Viterbi-dekooderin laskema kooderin tilakaavio vastaanotettaessa virheellistä dataa
Yllä kuvatussa tapauksessa esimerkkinä tarkasteltiin 16-bittisen järjestelmän (TC-PAM16) algoritmia, joka varmistaa kolmen bitin hyödyllisen tiedon ja yhden lisäbitin virhesuojauksen lähettämisen yhdessä symbolissa. TC-PAM16 saavuttaa tiedonsiirtonopeudet 192 - 3840 kbps. Lisäämällä bittisyvyyttä 128:aan (nykyaikaiset järjestelmät toimivat TC-PAM128:n kanssa), kussakin symbolissa siirretään kuusi bittiä hyödyllistä tietoa, ja suurin saavutettava nopeus vaihtelee välillä 5696 kbps - 15,3 Mbps.
Analogisen pulssimodulaation (PAM) käyttö tekee SHDSL:stä samanlaisen kuin monet suositut Ethernet-standardit, kuten gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10 gigabit 10GBASE-T (PAM-16) tai teollinen yksipari Ethernet 2020BASE -T10L, joka on lupaava vuodelle 1 (PAM-3).
SHDSL Ethernet-verkoissa
On olemassa hallittuja ja hallitsemattomia SHDSL-modeemeja, mutta tällä luokittelulla ei ole juurikaan yhteistä tavanomaisen, esimerkiksi Ethernet-kytkimien hallittujen ja hallitsemattomien laitteiden jaon kanssa. Ero on konfigurointi- ja valvontatyökaluissa. Hallitut modeemit konfiguroidaan verkkoliittymän kautta ja ne voidaan diagnosoida SNMP:n kautta, kun taas hallitsemattomat modeemit voidaan diagnosoida lisäohjelmistolla konsoliportin kautta (Phoenix Contactille tämä on ilmainen PSI-CONF-ohjelma ja mini-USB-liitäntä). Toisin kuin kytkimet, hallitsemattomat modeemit voivat toimia verkossa, jossa on soittotopologia.
Muuten hallitut ja hallitsemattomat modeemit ovat täysin identtisiä, mukaan lukien toiminnallisuus ja kyky toimia Plug&Play-periaatteella eli ilman esikonfigurointia.
Lisäksi modeemit voidaan varustaa ylijännitesuojatoiminnoilla, joiden avulla ne voidaan diagnosoida. SHDSL-verkot voivat muodostaa erittäin pitkiä segmenttejä ja johtimet voivat kulkea paikoissa, joissa voi esiintyä ylijännitejännitteitä (salamapurkausten aiheuttamia potentiaalieroja tai oikosulkuja lähellä olevissa kaapelilinjoissa). Indusoitunut jännite voi aiheuttaa kiloampeerien suuruisia purkausvirtoja. Siksi laitteiden suojaamiseksi tällaisilta ilmiöiltä SPD:t on sisäänrakennettu modeemeihin irrotettavan levyn muodossa, joka voidaan tarvittaessa vaihtaa. SHDSL-linja on kytketty tämän kortin riviliittimeen.
Topologiat
Käyttämällä SHDSL over Ethernet -verkkoa on mahdollista rakentaa verkkoja millä tahansa topologialla: point-to-point, line, star ja ring. Samanaikaisesti modeemin tyypistä riippuen voit käyttää sekä 2- että 4-johtimista tietoliikennelinjoja liitäntään.
SHDSL-pohjaiset Ethernet-verkkotopologiat
On myös mahdollista rakentaa hajautettuja järjestelmiä yhdistetyllä topologialla. Kussakin SHDSL-verkkosegmentissä voi olla jopa 50 modeemia ja tekniikan fyysiset ominaisuudet (modeemien välinen etäisyys on 20 km) huomioiden segmentin pituus voi olla jopa 1000 km.
Jos hallittu modeemi on asennettu kunkin tällaisen segmentin päähän, segmentin eheys voidaan diagnosoida SNMP:n avulla. Lisäksi hallitut ja hallitsemattomat modeemit tukevat VLAN-tekniikkaa, eli niiden avulla voit jakaa verkon loogisiin aliverkkoihin. Laitteet pystyvät toimimaan myös nykyaikaisissa automaatiojärjestelmissä käytettävien tiedonsiirtoprotokollien kanssa (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP jne.).
Viestintäkanavien varaus SHDSL:llä
SHDSL:ää käytetään luomaan redundantteja viestintäkanavia Ethernet-verkkoon, useimmiten optiseen.
SHDSL ja sarjaliitäntä
Sarjaliitännällä varustetut SHDSL-modeemit ylittävät etäisyyden, topologian ja johtimien laadun rajoitukset, jotka ovat olemassa perinteisissä langallisissa asynkronisiin lähetin-vastaanottimiin (UART) perustuvissa järjestelmissä: RS-232 - 15 m, RS-422 ja RS-485 - 1200 m.
Sarjaliitännöillä varustettuja modeemeja (RS-232/422/485) on sekä yleissovelluksiin että erikoissovelluksiin (esimerkiksi Profibusille). Kaikki tällaiset laitteet kuuluvat "unmanaged" -luokkaan, joten ne konfiguroidaan ja diagnosoidaan erityisellä ohjelmistolla.
Topologiat
Verkoissa, joissa on sarjaliitäntä, SHDSL:n avulla voidaan rakentaa verkkoja point-to-point-, linja- ja tähtitopologioilla. Lineaarisessa topologiassa on mahdollista yhdistää jopa 255 solmua yhdeksi verkkoksi (Profibus - 30).
Pelkillä RS-485-laitteilla rakennetuissa järjestelmissä ei ole rajoituksia käytettävälle tiedonsiirtoprotokollalle, mutta linja- ja tähtitopologiat ovat epätyypillisiä RS-232:lle ja RS-422:lle, joten päätelaitteiden toiminta SHDSL-verkossa, jolla on samanlaiset topologiat. on mahdollista vain half-duplex-tilassa. Samanaikaisesti RS-232- ja RS-422-järjestelmissä laiteosoitteet on annettava protokollatasolla, mikä ei ole tyypillistä point-to-point-verkoissa useimmin käytetyille liitännöille.
Kun SHDSL:n kautta yhdistetään erityyppisillä liitännöillä varustettuja laitteita, on otettava huomioon, että laitteiden välillä ei ole yhtä mekanismia yhteyden muodostamiseksi (kättely). Vaihto on kuitenkin edelleen mahdollista järjestää tässä tapauksessa; tätä varten on täytettävä seuraavat ehdot:
- viestinnän koordinointi ja tiedonsiirron ohjaus on suoritettava yhtenäisen tiedonsiirtoprotokollan tasolla;
- kaikkien päätelaitteiden on toimittava half-duplex-tilassa, jota myös informaatioprotokollan on tuettava.
Modbus RTU -protokolla, yleisin asynkronisten liitäntöjen protokolla, mahdollistaa kaikkien kuvattujen rajoitusten välttämisen ja yhden järjestelmän rakentamisen erityyppisillä liitännöillä.
SHDSL-pohjaiset sarjaverkkotopologiat
Kun laitteessa käytetään kaksijohtimista RS-485 Voit rakentaa monimutkaisempia rakenteita yhdistämällä modeemit yhden väylän kautta DIN-kiskoon. Samalle väylälle voidaan asentaa virtalähde (tässä tapauksessa kaikki laitteet saavat virran väylän kautta) ja PSI-MOS-sarjan optiset muuntimet yhdistetyn verkon luomiseksi. Tärkeä ehto tällaisen järjestelmän toiminnalle on kaikkien lähetin-vastaanottimien sama nopeus.
SHDSL:n lisäominaisuudet RS-485-verkossa
Sovellusesimerkkejä
SHDSL-teknologiaa käytetään aktiivisesti kunnallisissa laitoksissa Saksassa. Yli 50 kaupungin kunnallistekniikkaa palvelevaa yritystä yhdistää vanhoja kuparijohtoja eri puolille kaupunkia hajautetut kohteet yhteen verkkoon. Vesi-, kaasu- ja energiahuollon ohjaus- ja laskentajärjestelmät rakentuvat ensisijaisesti SHDSL:lle. Tällaisia kaupunkeja ovat Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder ja monet muut.
Suurin SHDSL-pohjainen järjestelmä luotiin Lyypekin kaupunkiin. Järjestelmässä on yhdistetty rakenne, joka perustuu optiseen Ethernetiin ja SHDSL:ään, se yhdistää 120 toisistaan etäällä olevaa objektia ja käyttää yli 50 modeemia . Koko verkko diagnosoidaan SNMP:n avulla. Pisin osa Kalkhorstista Lyypekin lentokentälle on 39 km pitkä. Syynä siihen, miksi asiakasyritys valitsi SHDSL:n, oli se, että hanketta ei ollut taloudellisesti kannattavaa toteuttaa kokonaan optiikalla, kun otetaan huomioon vanhojen kuparikaapeleiden saatavuus.
Tiedonsiirto liukurenkaan kautta
Mielenkiintoinen esimerkki on tiedonsiirto liikkuvien kohteiden välillä, kuten tehdään tuuliturbiinissa tai suurissa teollisissa vääntökoneissa. Vastaavaa järjestelmää käytetään tiedonvaihtoon laitosten roottorilla ja staattorilla olevien säätimien välillä. Tässä tapauksessa tiedon siirtämiseen käytetään liukukosketinta liukurenkaan läpi. Tämänkaltaiset esimerkit osoittavat, ettei staattista kontaktia tarvita tiedon siirtämiseen SHDSL:n kautta.
Vertailu muihin teknologioihin
SHDSL vs GSM
Jos verrataan SHDSL:ää GSM-pohjaisiin tiedonsiirtojärjestelmiin (3G/4G), DSL:n puolesta puhuu se, että operaattorille matkaviestinverkkoon pääsystä maksettaviin säännöllisiin maksuihin liittyviä käyttökustannuksia ei ole. SHDSL:n avulla olemme riippumattomia teollisuuslaitoksen matkaviestinnän peittoalueesta, laadusta ja luotettavuudesta, mukaan lukien sähkömagneettisten häiriöiden kestävyydestä. SHDSL:n avulla ei tarvitse konfiguroida laitteita, mikä nopeuttaa laitoksen käyttöönottoa. Langattomille verkoille on ominaista suuret tiedonsiirron viiveet ja vaikeudet siirtää dataa monilähetysliikenteellä (Profinet, Ethernet IP).
Tietoturva puhuu SHDSL:n puolesta, koska tietoja ei tarvitse siirtää Internetin kautta ja VPN-yhteydet on määritettävä tätä varten.
SHDSL vs Wi-Fi
Suuri osa siitä, mitä on sanottu GSM:stä, voidaan soveltaa myös teolliseen Wi-Fi-verkkoon. Alhainen kohinansieto, rajoitettu tiedonsiirtoetäisyys, riippuvuus alueen topologiasta ja tiedonsiirron viiveet puhuvat Wi-Fiä vastaan. Suurin haittapuoli on Wi-Fi-verkkojen tietoturva, koska tiedonsiirtovälineeseen on pääsy kenellä tahansa. Wi-Fillä on jo mahdollista siirtää Profinet- tai Ethernet-IP-dataa, mikä olisi vaikeaa GSM:llä.
SHDSL vs optiikka
Suurimmassa osassa tapauksista optiikalla on suuri etu SHDSL:ään verrattuna, mutta useissa sovelluksissa SHDSL:n avulla voit säästää aikaa ja rahaa optisten kaapelien asennuksessa ja hitsauksessa, mikä vähentää laitoksen käyttöönottoon kuluvaa aikaa. SHDSL ei vaadi erityisiä liittimiä, koska tietoliikennekaapeli liitetään yksinkertaisesti modeemiliittimeen. Optisten kaapelien mekaanisista ominaisuuksista johtuen niiden käyttö on rajoitettua sovelluksissa, joissa siirretään tietoa liikkuvien kohteiden välillä, joissa kuparijohtimet ovat yleisempiä.
Lähde: will.com