Unatoč širokoj upotrebi Ethernet mreža, komunikacijske tehnologije temeljene na DSL-u ostaju relevantne do danas. Do sada se DSL mogao naći u mrežama zadnje milje za povezivanje pretplatničke opreme s mrežama internetskih pružatelja usluga, au posljednje vrijeme tehnologija se sve više koristi u izgradnji lokalnih mreža, primjerice u industrijskim aplikacijama, gdje DSL djeluje kao nadopuna Ethernetu ili terenske mreže temeljene na RS-232/422/485. Slična industrijska rješenja aktivno se koriste u razvijenim europskim i azijskim zemljama.
DSL je obitelj standarda koji su izvorno zamišljeni za prijenos digitalnih podataka preko telefonskih linija. Povijesno gledano, postala je prva tehnologija širokopojasnog pristupa internetu, zamijenivši DIAL UP i ISDN. Velika raznolikost DSL standarda koji trenutno postoje je posljedica činjenice da su mnoge tvrtke, počevši od 80-ih, pokušale razviti i plasirati vlastitu tehnologiju.
Svi ovi razvoji mogu se podijeliti u dvije velike kategorije - asimetrične (ADSL) i simetrične (SDSL) tehnologije. Asimetrične se odnose na one u kojima se brzina dolazne veze razlikuje od brzine odlaznog prometa. Pod simetričnim podrazumijevamo da su brzine prijema i prijenosa jednake.
Najpoznatiji i najrašireniji asimetrični standardi su zapravo ADSL (u najnovijem izdanju - ADSL2+) i VDSL (VDSL2), simetrični - HDSL (zastarjeli profil) i SHDSL. Svi se razlikuju jedni od drugih po tome što rade na različitim frekvencijama i koriste različite metode kodiranja i modulacije na fizičkoj komunikacijskoj liniji. Metode ispravljanja pogrešaka također se razlikuju, što rezultira različitim razinama otpornosti na buku. Kao rezultat toga, svaka tehnologija ima vlastita ograničenja u brzini i udaljenosti prijenosa podataka, uključujući ovisno o vrsti i kvaliteti vodiča.
Ograničenja različitih DSL standarda
U bilo kojoj DSL tehnologiji brzina prijenosa podataka opada kako se duljina kabela povećava. Na ekstremnim udaljenostima moguće je postići brzine od nekoliko stotina kilobita, ali pri prijenosu podataka preko 200-300 m dostupna je najveća moguća brzina.
Među svim tehnologijama, SHDSL ima ozbiljnu prednost koja ga omogućuje korištenje u industrijskim aplikacijama - visoku otpornost na buku i mogućnost korištenja bilo koje vrste vodiča za prijenos podataka. Kod asimetričnih standarda to nije slučaj, a kvaliteta komunikacije uvelike ovisi o kvaliteti linije koja se koristi za prijenos podataka. Posebno se preporuča uporaba upletenog telefonskog kabela. U ovom slučaju, pouzdanije rješenje je korištenje optičkog kabela umjesto ADSL-a i VDSL-a.
Za SHDSL je prikladan bilo koji par vodiča međusobno izoliranih - bakar, aluminij, čelik itd. Prijenosni medij može biti stara električna žica, stare telefonske linije, ograde od bodljikave žice itd.
Ovisnost brzine prijenosa SHDSL podataka o udaljenosti i vrsti vodiča
Iz grafikona brzine prijenosa podataka u odnosu na udaljenost i vrstu vodiča danog za SHDSL, možete vidjeti da vodiči velikog presjeka omogućuju prijenos informacija na veću udaljenost. Zahvaljujući tehnologiji, moguće je organizirati komunikaciju na udaljenosti do 20 km uz najveću moguću brzinu od 15.3 Mb/s za 2-žilni kabel ili 30 Mb za 4-žilni kabel. U stvarnim aplikacijama brzina prijenosa može se podesiti ručno, što je neophodno u uvjetima jakih elektromagnetskih smetnji ili loše kvalitete linije. U ovom slučaju, za povećanje udaljenosti prijenosa, potrebno je smanjiti brzinu SHDSL uređaja. Za točan izračun brzine ovisno o udaljenosti i vrsti vodiča, možete koristiti besplatni softver kao npr .
Zašto SHDSL ima visoku otpornost na buku?
Princip rada SHDSL primopredajnika može se prikazati u obliku blok dijagrama, u kojem se izdvaja specifičan i neovisan (invarijantan) dio sa stajališta primjene. Neovisni dio sastoji se od funkcionalnih blokova PMD (Physical Medium Dependent) i PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), dok specifični dio uključuje TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) sloj i sučelja korisničkih podataka.
Fizička veza između primopredajnika (STU) može postojati kao jedan par ili više pojedinačnih parica kabela. U slučaju više parova kabela, STU sadrži više neovisnih PMD-ova povezanih s jednim PMS-TC-om.
Funkcionalni model SHDSL primopredajnika (STU)
TPS-TC modul ovisi o aplikaciji u kojoj se uređaj koristi (Ethernet, RS-232/422/485, itd.). Njegova zadaća je konvertirati korisničke podatke u SHDSL format, izvršiti multipleksiranje/demultipleksiranje i vremensko podešavanje nekoliko kanala korisničkih podataka.
Na razini PMS-TC formiraju se i sinkroniziraju SHDSL okviri, kao i kodiranje i dekodiranje.
PMD modul obavlja funkcije kodiranja/dekodiranja informacija, modulacije/demodulacije, poništavanja odjeka, pregovaranja parametara na komunikacijskoj liniji i uspostavljanja veza između primopredajnika. Na PMD razini izvode se glavne operacije kako bi se osigurala visoka otpornost na šum SHDSL-a, uključujući TCPAM kodiranje (Trellis kodiranje s analognom pulsnom modulacijom), zajednički mehanizam kodiranja i modulacije koji poboljšava spektralnu učinkovitost signala u usporedbi s zasebnim metoda. Princip rada PMD modula također se može prikazati u obliku funkcionalnog dijagrama.
Blok dijagram PMD modula
TC-PAM se temelji na korištenju konvolucijskog kodera koji generira redundantni niz bitova na strani SHDSL odašiljača. U svakom ciklusu takta, svakom bitu koji stigne na ulaz enkodera dodjeljuje se dvostruki bit (dibit) na izlazu. Stoga, uz cijenu relativno male redundancije, povećana je otpornost na šum prijenosa. Korištenje Trellis modulacije omogućuje smanjenje korištene propusnosti prijenosa podataka i pojednostavljenje hardvera uz zadržavanje istog omjera signala i šuma.
Princip rada Trellis kodera (TC-PAM 16)
Dvostruki bit formira se logičkom operacijom zbrajanja modulo-2 (isključivo ili) na temelju ulaznog bita x1(tn) i bitova x1(tn-1), x1(tn-2), itd. (ukupno ih može biti do 20), koji su prethodno primljeni na ulaz enkodera i ostali pohranjeni u memorijskim registrima. U sljedećem ciklusu takta kodera tn+1, bitovi će se pomaknuti u memorijskim ćelijama kako bi se izvršila logička operacija: bit x1(tn) će se pomaknuti u memoriju, pomičući cijeli niz bitova koji su tamo pohranjeni.
Algoritam konvolucijskog kodera
Tablice istinitosti za zbrajanje po modulu 2
Radi jasnoće, zgodno je koristiti dijagram stanja konvolucijskog enkodera, iz kojeg možete vidjeti u kakvom je stanju enkoder u trenucima tn, tn+1, itd. ovisno o ulaznim podacima. U ovom slučaju stanje enkodera označava par vrijednosti ulaznog bita x1(tn) i bita u prvoj memorijskoj ćeliji x1(tn-1). Za konstruiranje dijagrama možete koristiti graf na čijim se vrhovima nalaze moguća stanja enkodera, a prijelazi iz jednog stanja u drugo označeni su odgovarajućim ulaznim bitovima x1(tn) i izlaznim bitovima $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Dijagram stanja i prijelazni graf odašiljačkog konvolucijskog kodera
U predajniku se na temelju četiri primljena bita (dva izlazna bita enkodera i dva podatkovna bita) formira simbol od kojih svaki odgovara svojoj amplitudi modulirajućeg signala analogno-impulsnog modulatora.
Stanje 16-bitnog AIM-a ovisno o vrijednosti četvero-bitnog znaka
Na strani prijemnika signala događa se obrnuti proces - demodulacija i odabir iz redundantnog koda (dupli bitovi y0y1(tn)) potrebnog niza ulaznih bitova enkodera x1(tn). Ovu operaciju izvodi Viterbi dekoder.
Algoritam dekodera temelji se na izračunavanju metrike pogreške za sva moguća očekivana stanja kodera. Mjerilo pogreške odnosi se na razliku između primljenih i očekivanih bitova za svaki mogući put. Ako nema pogrešaka primanja, tada će metrika pogreške prave staze biti 0 jer nema odstupanja bitova. Za lažne putanje, metrika će se razlikovati od nule, stalno će se povećavati, a nakon nekog vremena dekoder će prestati izračunavati pogrešnu stazu, ostavljajući samo pravu.
Dijagram stanja kodera izračunat Viterbi dekoderom prijemnika
Ali kako ovaj algoritam osigurava otpornost na buku? Pod pretpostavkom da je prijemnik primio podatke pogreškom, dekoder će nastaviti izračunavati dvije staze s metrikom pogreške 1. Staza s metrikom pogreške 0 više neće postojati. Ali algoritam će kasnije donijeti zaključak o tome koja je staza istinita na temelju sljedećih primljenih duplih bitova.
Kada se dogodi druga pogreška, postojat će više putanja s metrikom 2, ali točna će se putanja identificirati kasnije na temelju metode maksimalne vjerojatnosti (tj. minimalne metrike).
Dijagram stanja kodera izračunat Viterbi dekoderom prilikom primanja podataka s greškama
U gore opisanom slučaju, kao primjer, razmatrali smo algoritam 16-bitnog sustava (TC-PAM16), koji osigurava prijenos tri bita korisne informacije i dodatnog bita za zaštitu od pogreške u jednom simbolu. TC-PAM16 postiže brzine prijenosa podataka od 192 do 3840 kbps. Povećanjem dubine bita na 128 (moderni sustavi rade s TC-PAM128) prenosi se šest bitova korisnih informacija u svakom simbolu, a najveća moguća brzina kreće se od 5696 kbps do 15,3 Mbps.
Korištenje analogne pulsne modulacije (PAM) čini SHDSL sličnim brojnim popularnim Ethernet standardima, kao što su gigabitni 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitni 10GBASE-T (PAM-16) ili industrijski jednoparni Ethernet 2020BASE -T10L, koji obećava za 1. (PAM-3).
SHDSL preko Ethernet mreža
Postoje upravljani i neupravljani SHDSL modemi, ali ova klasifikacija ima malo zajedničkog s uobičajenom podjelom na upravljane i neupravljane uređaje koja postoji, na primjer, za Ethernet preklopnike. Razlika je u konfiguraciji i alatima za nadzor. Upravljani modemi se konfiguriraju putem web sučelja i mogu se dijagnosticirati putem SNMP-a, dok se neupravljani modemi mogu dijagnosticirati pomoću dodatnog softvera putem konzolnog priključka (za Phoenix Contact ovo je besplatni program PSI-CONF i mini-USB sučelje). Za razliku od preklopnika, neupravljani modemi mogu raditi u mreži s topologijom prstena.
Inače, upravljani i neupravljani modemi su potpuno identični, uključujući funkcionalnost i mogućnost rada na principu Plug&Play, odnosno bez ikakve prethodne konfiguracije.
Dodatno, modemi mogu biti opremljeni funkcijama zaštite od prenapona s mogućnošću dijagnosticiranja. SHDSL mreže mogu formirati vrlo dugačke segmente, a vodiči mogu prolaziti na mjestima gdje se mogu pojaviti prenaponi (inducirane razlike potencijala uzrokovane pražnjenjem groma ili kratkim spojevima u obližnjim kabelskim vodovima). Inducirani napon može uzrokovati protok struje pražnjenja od kiloampera. Stoga, za zaštitu opreme od takvih pojava, SPD-ovi su ugrađeni u modeme u obliku uklonjive ploče, koja se po potrebi može zamijeniti. SHDSL linija je spojena na terminalni blok ove ploče.
Topologije
Koristeći SHDSL preko Etherneta, moguće je izgraditi mreže s bilo kojom topologijom: točka-točka, linija, zvijezda i prsten. Istodobno, ovisno o vrsti modema, za povezivanje možete koristiti i 2-žilne i 4-žilne komunikacijske linije.
Ethernet mrežne topologije temeljene na SHDSL-u
Također je moguće izgraditi distribuirane sustave s kombiniranom topologijom. Svaki segment SHDSL mreže može imati do 50 modema, a uzimajući u obzir fizičke mogućnosti tehnologije (udaljenost između modema je 20 km), duljina segmenta može doseći 1000 km.
Ako je upravljani modem instaliran na čelu svakog takvog segmenta, tada se integritet segmenta može dijagnosticirati pomoću SNMP-a. Osim toga, upravljani i neupravljani modemi podržavaju VLAN tehnologiju, odnosno omogućuju vam da podijelite mrežu u logičke podmreže. Uređaji također mogu raditi s protokolima za prijenos podataka koji se koriste u modernim sustavima automatizacije (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, itd.).
Rezervacija komunikacijskih kanala korištenjem SHDSL-a
SHDSL se koristi za stvaranje redundantnih komunikacijskih kanala u Ethernet mreži, najčešće optičkih.
SHDSL i serijsko sučelje
SHDSL modemi sa serijskim sučeljem nadilaze ograničenja u udaljenosti, topologiji i kvaliteti vodiča koja postoje za tradicionalne žičane sustave temeljene na asinkronim primopredajnicima (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 i RS-485 - 1200 m.
Postoje modemi sa serijskim sučeljima (RS-232/422/485) i za univerzalne primjene i za specijalizirane (na primjer, za Profibus). Svi takvi uređaji pripadaju kategoriji "neupravljanih", stoga se konfiguriraju i dijagnosticiraju pomoću posebnog softvera.
Topologije
U mrežama sa serijskim sučeljem korištenjem SHDSL-a moguće je izgraditi mreže s topologijom točka-točka, linija i zvijezda. Unutar linearne topologije moguće je spojiti do 255 čvorova u jednu mrežu (za Profibus - 30).
U sustavima izgrađenim samo pomoću RS-485 uređaja, nema ograničenja u korištenom protokolu prijenosa podataka, ali topologije linija i zvijezda su netipične za RS-232 i RS-422, tako da rad krajnjih uređaja na SHDSL mreži sa sličnim topologijama moguće je samo u half-duplex modu. Istodobno, u sustavima s RS-232 i RS-422, adresiranje uređaja mora biti osigurano na razini protokola, što nije tipično za sučelja koja se najčešće koriste u mrežama od točke do točke.
Pri povezivanju uređaja s različitim vrstama sučelja putem SHDSL-a potrebno je voditi računa o činjenici da ne postoji jedinstven mehanizam za uspostavljanje veze (handshake) između uređaja. Međutim, u ovom slučaju je još uvijek moguće organizirati razmjenu, za to moraju biti ispunjeni sljedeći uvjeti:
- komunikacijska koordinacija i kontrola prijenosa podataka moraju se provoditi na razini jedinstvenog informacijskog protokola prijenosa podataka;
- svi krajnji uređaji moraju raditi u half-duplex modu, što također mora biti podržano informacijskim protokolom.
Modbus RTU protokol, najčešći protokol za asinkrona sučelja, omogućuje izbjegavanje svih opisanih ograničenja i izgradnju jedinstvenog sustava s različitim vrstama sučelja.
Topologije serijske mreže temeljene na SHDSL-u
Kada koristite dvožilni RS-485 na opremi Možete izgraditi složenije strukture kombiniranjem modema kroz jednu sabirnicu na DIN tračnici. Na istu sabirnicu moguće je instalirati napajanje (u ovom slučaju svi uređaji se napajaju preko sabirnice) i optičke pretvarače serije PSI-MOS za stvaranje kombinirane mreže. Važan uvjet za rad ovakvog sustava je ista brzina svih primopredajnika.
Dodatne značajke SHDSL-a na RS-485 mreži
Primjeri primjene
SHDSL tehnologija se aktivno koristi u općinskim komunalnim poduzećima u Njemačkoj. Više od 50 tvrtki koje opslužuju gradske komunalne sustave koriste stare bakrene žice za povezivanje objekata raspoređenih po cijelom gradu u jednu mrežu. Sustavi upravljanja i obračuna za opskrbu vodom, plinom i energijom prvenstveno su izgrađeni na SHDSL-u. Među takvim gradovima su Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt na Odri i mnogi drugi.
Najveći sustav temeljen na SHDSL-u stvoren je u gradu Lübecku. Sustav ima kombiniranu strukturu temeljenu na optičkom Ethernetu i SHDSL-u, povezuje 120 međusobno udaljenih objekata i koristi više od 50 modema . Cijela mreža se dijagnosticira pomoću SNMP-a. Najduža dionica od Kalkhorsta do zračne luke Lübeck duga je 39 km. Razlog zašto je tvrtka klijent odabrala SHDSL je taj što nije bilo ekonomski isplativo implementirati projekt u potpunosti na optici, s obzirom na dostupnost starih bakrenih kabela.
Prijenos podataka putem kliznog prstena
Zanimljiv primjer je prijenos podataka između pokretnih objekata, kao što se radi u vjetroturbinama ili velikim industrijskim strojevima za uvijanje. Sličan sustav koristi se za razmjenu informacija između kontrolera smještenih na rotoru i statoru postrojenja. U ovom slučaju za prijenos podataka koristi se klizni kontakt kroz klizni prsten. Primjeri poput ovog pokazuju da nije potrebno imati statički kontakt za prijenos podataka preko SHDSL-a.
Usporedba s drugim tehnologijama
SHDSL vs GSM
Uspoređujemo li SHDSL sa sustavima prijenosa podataka temeljenim na GSM-u (3G/4G), tada u prilog DSL-u govori nepostojanje operativnih troškova povezanih s redovitim plaćanjem operateru za pristup mobilnoj mreži. Sa SHDSL-om neovisni smo o području pokrivenosti, kvaliteti i pouzdanosti mobilne komunikacije u industrijskom objektu, uključujući otpornost na elektromagnetske smetnje. Kod SHDSL-a nema potrebe za konfiguriranjem opreme, što ubrzava puštanje objekta u rad. Bežične mreže karakteriziraju velika kašnjenja u prijenosu podataka i poteškoće u prijenosu podataka multicast prometom (Profinet, Ethernet IP).
Informacijska sigurnost govori u prilog SHDSL-u zbog nepostojanja potrebe za prijenosom podataka putem interneta i potrebe za konfiguriranjem VPN veza za to.
SHDSL vs Wi-Fi
Mnogo od onoga što je rečeno za GSM također se može primijeniti na industrijski Wi-Fi. Niska otpornost na buku, ograničena udaljenost prijenosa podataka, ovisnost o topologiji područja i kašnjenja u prijenosu podataka govore protiv Wi-Fi-ja. Najvažniji nedostatak je informacijska sigurnost Wi-Fi mreža, jer svatko ima pristup mediju za prijenos podataka. S Wi-Fi je već moguće prenositi Profinet ili Ethernet IP podatke, što bi bilo teško s GSM-om.
SHDSL vs optika
U velikoj većini slučajeva optika ima veliku prednost u odnosu na SHDSL, no u nizu primjena SHDSL omogućuje uštedu vremena i novca na polaganju i varenju optičkih kabela, skraćujući vrijeme potrebno za puštanje objekta u rad. SHDSL ne zahtijeva posebne konektore, jer se komunikacijski kabel jednostavno spaja na terminal modema. Zbog mehaničkih svojstava optičkih kabela, njihova je uporaba ograničena u aplikacijama koje uključuju prijenos informacija između pokretnih objekata, gdje su bakreni vodiči češći.
Izvor: www.habr.com
