Unatoč širokoj primjeni Ethernet mreža, tehnologije povezivanja temeljene na DSL-u i dalje su relevantne. DSL je još uvijek prisutan u mrežama posljednje milje za povezivanje korisničke opreme s mrežom internetskog pružatelja, a u posljednje vrijeme se tehnologija sve više koristi za izgradnju lokalnih mreža, primjerice, u industrijskim aplikacijama, gdje DSL djeluje kao dodatak Ethernetu ili terenskim mrežama temeljenim na RS-232/422/485. Takva industrijska rješenja aktivno se primjenjuju u razvijenim europskim i azijskim zemljama.
DSL predstavlja obitelj standarda koji su izvorno zamišljeni za prijenos digitalnih podataka putem telefonskih linija. Povijesno gledano, to je bila prva tehnologija širokopojasnog pristupa internetu, zamijenivši DIAL UP i ISDN. Velika raznolikost postojećih DSL standarda povezana je s tim što su mnoge tvrtke, još od 80-ih godina, pokušavale razviti i uvesti na tržište vlastitu tehnologiju.
Sve ove inovacije mogu se podijeliti u dvije velike kategorije – asimetrične (ADSL) i simetrične (SDSL) tehnologije. Aimetrične tehnologije su one kod kojih se brzina dolaznog povezivanja razlikuje od brzine odlaznog prometa. Simetrične tehnologije podrazumijevaju jednake brzine prijema i prijenosa.
Najpoznatiji i najrašireniji asimetrični standardi su ADSL (u najnovijem izdanju – ADSL2+) i VDSL (VDSL2), dok su simetrični standardi HDSL (zastarjeli profil) i SHDSL. Oni se razlikuju po tome što rade na različitim frekvencijama, koriste različite metode kodiranja i modulacije na fizičkoj liniji. Također se razlikuju i načini ispravljanja grešaka, što osigurava različite razine otpornosti na smetnje. Kao rezultat, svaka tehnologija ima svoje limite u brzini i udaljenosti prijenosa podataka, ovisno o tipu i kvaliteti provodnika.
Krajnji parametri različitih DSL standarda
U svakoj DSL tehnologiji brzina prijenosa podataka opada s povećanjem duljine provodnika. Na krajnjim udaljenostima moguće je postići brzinu od nekoliko stotina kilobita, ali pri prijenosu podataka na udaljenosti od 200-300 m dostupna je maksimalna moguća brzina.
Među svim tehnologijama, SHDSL ima značajnu prednost koja omogućuje njezinu primjenu u industrijskim aplikacijama — visoku otpornost na smetnje i mogućnost korištenja za prijenos podataka bilo kojeg tipa vodiča. U asimetričnim standardima to nije slučaj, a kvaliteta veze uvelike ovisi o kvaliteti linije koja se koristi za prijenos podataka. Konkretno, preporučuje se korištenje parnog telefonskog kabela. U tom slučaju, pouzdanije rješenje umjesto ADSL-a i VDSL-a je korištenje optičkog kabela.
Za SHDSL je prikladna svaka dva izolirana vodiča – bakreni, aluminijski, čelični itd. Kao medij za prijenos može poslužiti stara električna instalacija, stare telefonske linije, bodljikava žica ograde itd.
Ovisnost brzine prijenosa podataka SHDSL-a o udaljenosti i vrsti vodiča
Iz grafikona ovisnosti brzine prijenosa podataka o udaljenosti i vrsti vodiča, prikazanog za SHDSL, može se vidjeti da vodiči većeg presjeka omogućuju prijenos informacija na veću udaljenost. Zahvaljujući tehnologiji moguće je organizirati vezu na udaljenosti do 20 km uz maksimalno moguću brzinu od 15.3 Mb/s za 2-vodni kabel ili 30 Mb za 4-vodni. U stvarnim aplikacijama brzina prijenosa može se postaviti ručno, što je potrebno u uvjetima jakih elektromagnetskih smetnji ili loše kvalitete linije. U tom slučaju, za povećanje udaljenosti prijenosa potrebno je smanjiti brzinu rada SHDSL uređaja. Za precizno izračunavanje brzine ovisno o udaljenosti i vrsti vodiča mogu se koristiti besplatni softverski alati, kao što je .
Što omogućava visoku otpornost na smetnje SHDSL-u?
Načelo rada prijemnika i odašiljača SHDSL može se predstaviti u obliku blok dijagrama, u kojem se ističe specifični i neovisni (invarijantni) dio s obzirom na aplikaciju. Neovisni dio sastoji se od funkcionalnih blokova PMD (Physical Medium Dependent) i PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), dok specifični dio uključuje razinu TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) i sučelja korisničkih podataka.
Fizička komunikacijska linija između prijemnika i odašiljača (STU) može postojati u obliku jednog ili više parnih kabela. U slučaju više parova kabela, STU sadrži nekoliko neovisnih blokova PMD povezanih s jedinstvenim PMS-TC.
Funkcionalni model SHDSL prijemnika i odašiljača (STU)
Modul TPS-TC ovisi o aplikaciji u kojoj se uređaj koristi (Ethernet, RS-232/422/485 itd.). Njegova je funkcija pretvaranje korisničkih podataka u SHDSL format, obavljanje multipleksiranja/demultipleksiranja i vremensko usklađivanje više kanala korisničkih podataka.
Na razini PMS-TC formiraju se SHDSL okviri i njihova sinkronizacija, kao i skrambleranje i deskrambleranje.
Modul PMD obavlja funkcije kodiranja/dekodiranja informacija, modulacije/demodulacije, suzbijanja eha, usklađivanja parametara na komunikacijskoj liniji i uspostavljanja veze između prijemnika i odašiljača. Upravo na razini PMD provode se osnovne operacije koje osiguravaju visoku otpornost na smetnje SHDSL-a, uključujući TCPAM kodiranje (Trellis kodiranje s analognom impulsnom modulacijom), mehanizam zajedničkog kodiranja i modulacije, koja poboljšava spektralnu učinkovitost signala u odnosu na razdvojeni način. Način rada modula PMD također se može prikazati u obliku funkcionalne dijagrame.
Blok dijagram modula PMD
Osnova TC-PAM predstavlja korištenje konvolucijskog kodera koji formira višak bita na strani SHDSL odašiljača. Na svakom taktu rada, svakom bitu koji ulazi u koder, odgovara dvostruki bit (dibit) na izlazu. Tako se, uz relativno mali višak, povećava otpornost prijenosa na smetnje. Korištenje Trellis modulacije omogućava smanjenje korištene širine opsega za prijenos podataka i pojednostavljuje hardver bez promjene omjera signal/šum.
Način rada Trellis kodera (TC-PAM 16)
Dvojni bit se formira kao rezultat logičke operacije zbrajanja po modu 2 (isključivo „ili“) na temelju ulaznog bita x1(tn) i bitova x1(tn-1), x1(tn-2) itd. (njih može biti do 20), koji su došli na ulaz kodera do sada i ostali pohranjeni u registrima memorije. Na sljedećem taktu rada kodera tn+1 doći će do pomaka bitova u memorijskim ćelijama kako bi se izvršila logička operacija: bit x1(tn) će se premjestiti u memoriju, pomičući cijeli pohranjeni niz bitova.
Algoritam konvolucijskog kodera
Tablice istinitosti operacije zbrajanja po modu 2
Radi preglednosti, praktično je koristiti dijagram stanja konvolucijskog kodera, prema kojem se može vidjeti u kojem se stanju koder nalazi u trenucima tn, tn+1 itd. ovisno o ulaznim podacima. Pod stanjem kodera u ovom slučaju podrazumijeva se par vrijednosti ulaznog bita x1(tn) i bita u prvoj memorijskoj ćeliji x1(tn-1). Za izradu dijagrama može se koristiti graf, u čvorovima kojeg se nalaze moguća stanja kodera, a prijelazi iz jednog stanja u drugo su označeni odgovarajućim ulaznim bitovima x1(tn) i izlaznim dibilama $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Dijagram stanja i graf prijelaza konvolucijskog kodera odašiljača
U odašiljaču se na temelju dobivenih četiri bita (dva izlazna bita kodera i dva bita podataka) formira simbol, kojemu odgovara određena amplituda modulujućeg signala analogo-impulsnog modulatora.
Stanje 16-bitnog AIM-a ovisno o vrijednosti četverobitnog simbola
Na strani prijemnika signala odvija se obrnuti proces – demodulacija i izdvajanje potrebne sekvence ulaznih bitova kodera x1(tn) iz suvišnog koda (dvojnih bitova y0y1(tn)). Ovu operaciju izvršava Viterbijev dekoder.
Algoritam dekodera temelji se na izračunu metrike grešaka za sve moguće pretpostavljene state kodera. Pod metriko grešaka podrazumijeva se razlika između primljenih bitova i pretpostavljenih bitova za svaki mogući put. Ako grešaka na prijemu nema, metriko grešaka pravog puta će biti 0, jer nema odstupanja po bitovima. Za lažne puteve metrika će se razlikovati od nule, stalno rasti i nakon nekog vremena dekoder će prestati izračunavati grešni put, ostavljajući samo pravi.
Stanje dijagrama kodera, izračunato Viterbijevim dekoderom prijemnika
Ali kako ovaj algoritam osigurava otpornost na smetnje? Ako pretpostavimo da je prijemnik primio podatke s greškom, dekoder će nastaviti izračunavati dva puta s metrikom greške 1. Put s metrikom 0 više neće postojati. No, zaključak o tome koji je put ispravan algoritam će donijeti kasnije na temelju sljedećih primljenih dvostrukih bitova.
Kada se pojavi druga greška, bit će nekoliko puteva s metrikom 2, ali ispravni put će biti otkriven kasnije na temelju metode najveće vjerojatnosti (odnosno minimalne metrike).
Stanje dijagrama kodera, izračunato Viterbijevim dekoderom, prilikom prijema podataka s greškama
U ranije opisanom slučaju, za primjer je razmatran algoritam 16-bitnog sustava (TC-PAM16), koji osigurava prijenos tri bita korisnih informacija i dodatnog bita za zaštitu od grešaka u jednom simbolu. U TC-PAM16 postignuta brzina prijenosa podataka je od 192 do 3840 kbit/s. Povećanjem bitnosti na 128 (moderni sustavi rade s TC-PAM128) u svakom simbolu se prenosi šest bita korisnih informacija, a maksimalno dostižna brzina kreće se od 5696 kbit/s do 15,3 Mbit/s.
Upotreba analogne impulsne modulacije (PAM) povezuje SHDSL s nizom popularnih Ethernet standarda, kao što su gigabitni 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitni 10GBASE-T (PAM-16) ili perspektivni industrijski jednogarni Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3) za 2020. godinu.
SHDSL u Ethernet mrežama
Postoje upravljivi i neupravljivi SHDSL modemi, ali u takvoj klasifikaciji malo je zajedničkog s uobičajenom podjelom na upravljive i neupravljive uređaje, koja postoji, na primjer, za Ethernet prekidače. Razlika se odnosi na sredstva konfiguracije i nadzora. Upravljivi modemi se konfiguriraju putem web sučelja i mogu se dijagnosticirati putem SNMP-a, dok se neupravljivi konfigurišu putem dodatnog softvera preko konzolnog porta (za Phoenix Contact to je besplatni program PSI-CONF i mini-USB sučelje). Za razliku od prekidača, neupravljivi modemi mogu raditi u mreži s prstenastom topologijom.
U ostalom, upravljivi i neupravljivi modemi su apsolutno identični, uključujući funkcionalnost i mogućnost rada po principu Plug & Play, odnosno bez ikakvog prethodnog konfiguriranja.
Dodatno, modemima se mogu dodati funkcije zaštite od prenapona s mogućnošću dijagnostike. SHDSL mreže mogu formirati vrlo dugačke segmente, a vodiči mogu prolaziti na mjestima gdje je moguće stvaranje prenapona (inducirani potencijal, uzrokovan munjevitim pražnjenjima ili kratkociruitima u obližnjim kabelskim linijama). Inducirano napajanje može izazvati protok struja od nekoliko kiloeampèra. Stoga se za zaštitu opreme od sličnih pojava u modemima ugrađuju UZIP u obliku zamjenjive ploče koja se po potrebi može zamijeniti. Upravo se na terminal ove ploče spaja SHDSL linija.
Topologije
Pomoću SHDSL-a u Ethernetu moguće je graditi mreže s bilo kakvom topologijom: točka-točka, linija, zvijezda i prsten. Ovisno o vrsti modema, za povezivanje mogu se koristiti i 2-žične i 4-žične veze.
Topologije ethernet mreže temeljen na SHDSL-u
Također je moguće graditi distribuirane sustave s kombiniranom topologijom. Svaki segment SHDSL mreže može sadržavati do 50 modema, a s obzirom na fizičke mogućnosti tehnologije (udaljenost između modema do 20 km), duljina segmenta može doseći 1000 km.
Ako se na početku svakog takvog segmenta postavi upravljivi modem, cjelovitost segmenta može se dijagnosticirati putem SNMP-a. Osim toga, upravljivi i ne-upravljivi modemi podržavaju VLAN tehnologiju, što znači da omogućuju razdvajanje mreže na logičke podmreže. Također, uređaji mogu raditi s protokolima prijenosa podataka koji se koriste u modernim automatizacijskim sustavima (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP itd.).
Rezerviranje komunikacijskih kanala putem SHDSL-a
SHDSL se koristi za stvaranje rezervnih komunikacijskih kanala u Ethernet mreži, najčešće optičkih.
SHDSL i serijski sučelje
SHDSL modemi sa serijskim sučeljem omogućuju savladavanje ograničenja u brzini, topologiji i kvaliteti vodiča koji postoje za tradicionalne žične sustave temeljen na asinkronim odašiljačima (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 i RS-485 — 1200 m.
Postoje modemi sa serijskim sučeljima (RS-232/422/485) kako za univerzalne aplikacije, tako i za specijalizirane (na primjer, za Profibus). Sva takva uređaja pripadaju kategoriji "nepreuzetih", stoga se konfiguriraju i dijagnosticiraju pomoću posebnog softvera.
Topologije
U mrežama sa serijskim sučeljem putem SHDSL moguće je graditi mreže s topologijom točka-točka, linija i zvijezda. U okviru linearne topologije moguće je spojiti u jednu mrežu do 255 čvorova (za Profibus — 30).
U sustavima koji su izgrađeni isključivo pomoću uređaja na sučelju RS-485 ne postoje ograničenja u primjenjivanju protokola prijenosa podataka, no topologije tipa linija i zvijezda su netipične za RS-232 i RS-422, stoga rad krajnjih uređaja u SHDSL mreži s takvim topologijama moguć je samo u polu-dupleksnom režimu. Istodobno, u sustavima s RS-232 i RS-422 na razini protokola mora se osigurati adresiranje uređaja, što nije karakteristično za sučelja koja se najčešće koriste u mrežama točka-točka.
Pri spajanju putem SHDSL uređaja s različitim tipovima sučelja potrebno je uzeti u obzir činjenicu da ne postoji jedinstveni mehanizam za uspostavljanje veze (rukovanje) između uređaja. Međutim, organizacija razmjene u ovom slučaju ipak je moguća — za to je potrebno ispunjenje sljedećih uvjeta:
- usklađivanje veze i upravljanje prijenosom podataka mora se provoditi na razini jedinstvenog informatičkog protokola prijenosa podataka;
- svi krajnji uređaji moraju funkcionirati u polu-dupleksnom režimu, što također treba podržavati informatički protokol.
Najčešće korišteni protokol za asinkrona sučelja Modbus RTU omogućuje izbjegavanje svih opisanih ograničenja i izgradnju jedinstvenog sustava s različitim tipovima sučelja.
Topologije mreže sa serijskim sučeljem na bazi SHDSL
Pri korištenju dvodijelnog RS-485 na opremi Moguće je graditi složenije strukture povezivanjem modema putem jedne magistrale na DIN-rail. Na istoj magistrali može biti postavljen izvor napajanja (u tom slučaju, napajanje svih uređaja se vrši putem magistrale) i optički pretvarači serije PSI-MOS za stvaranje kombinirane mreže. Važan uvjet za rad takvog sustava je jedinstvena brzina svih prijamnika i odašiljača.
Dodatne mogućnosti SHDSL u mreži RS-485
Primjeri primjene
SHDSL tehnologija se aktivno koristi u gradskom komunalnom sektoru u Njemačkoj. Više od 50 tvrtki koje opslužuju gradske komunalne sisteme koriste stare bakrene žice kako bi povezale raspodijeljene objekte u gradu u jedinstvenu mrežu. Na SHDSL se prvenstveno grade sustavi upravljanja i mjerenja u vodo-, plinskom i elektroopskrbnom sektoru. Među takvim gradovima su Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt na Odri i mnogi drugi.
Najveći sustav temeljen na SHDSL stvoren je u gradu Lübecku. Sustav ima kombiniranu strukturu koja se oslanja na optički Ethernet i SHDSL, povezuje 120 udaljenih objekata i koristi više od 50 modema. . Cijela mreža se dijagnosticira putem SNMP-a. Najduži segment od općine Kalkhorst do aerodroma Lübeck ima duljinu od 39 km. Razlog zbog kojeg je naručitelj odabrao SHDSL bio je taj što bi realizacija projekta isključivo na optici bila ekonomski neisplativa s obzirom na prisutnost starih bakrenih kablova.
Prijenos podataka putem kontaktnih prstenova
Zanimljiv primjer je prijenos podataka između pokretnih objekata, kao što se to radi u vjetroturbinama ili velikim industrijskim rotacionim strojevima. Takav sustav se koristi za razmjenu informacija između kontrolera smještenih na rotoru i statoru postrojenja. U ovom slučaju, za prijenos podataka koristi se klizni kontakt putem kontaktnih prstenova. Slični primjeri pokazuju da nije nužno imati statički kontakt za prijenos podataka putem SHDSL-a.
Usporedba s drugim tehnologijama
SHDSL vs GSM
Ako usporedimo SHDSL s sustavima prijenosa podataka temeljenim na GSM-u (3G/4G), prednost DSL-a leži u nedostatku operativnih troškova povezanih s redovitim plaćanjem operateru za pristup mobilnoj mreži. S SHDSL-om nismo ovisni o pokrivenosti, kvaliteti i pouzdanosti mobilne veze u industrijskim objektima, uključujući otpornost na elektromagnetne smetnje. U SHDSL-u ne postoji potreba za konfiguracijom opreme, što ubrzava puštanje objekta u rad. Bežične mreže karakterizira veće kašnjenje u prijenosu podataka i teškoće s prijenosom podataka koji koriste multicast promet (Profinet, Ethernet IP).
Za SHDSL govori informacijska sigurnost zbog nedostatka potrebe za prijenosom podataka preko Interneta i potrebom za konfiguracijom VPN veze za to.
SHDSL naspram Wi-Fi
Mnogo toga što se može reći za GSM odnosi se i na industrijski Wi-Fi. Protiv Wi-Fi govori niska otpornost na smetnje, ograničena udaljenost prijenosa podataka, ovisnost o topologiji terena, kašnjenja u prijenosu podataka. Najveći nedostatak je informacijska sigurnost Wi-Fi mreža, jer svaki korisnik ima pristup prijenosnom mediju. Uz pomoć Wi-Fi-a već je moguće prijenositi podatke Profinet ili Ethernet IP, što bi bilo otežano za GSM.
SHDSL naspram optike
Optika, u većini slučajeva, ima veliku prednost nad SHDSL-om, no u nizu primjena SHDSL omogućava uštedu vremena i sredstava na postavljanju i spajanju optičkog kabela, smanjujući vrijeme puštanja objekta u rad. Za SHDSL nisu potrebni posebni konektori, jer se komunikacijski kabel jednostavno priključuje na terminal modema. Zbog mehaničkih svojstava optičkih kabela, njihova primjena je ograničena u aplikacijama koje se odnose na prijenos informacija između pokretnih objekata, gdje su se više koristili bakreni vodiči.
Izvor: habr.com
