Az Ethernet hálózatok széles körben elterjedt használata ellenére a DSL-alapú kommunikációs technológiák a mai napig aktuálisak. A DSL eddig az utolsó mérföldes hálózatokban volt megtalálható az előfizetői berendezések internetszolgáltatói hálózatokhoz való csatlakoztatására, és az utóbbi időben a technológiát egyre gyakrabban használják helyi hálózatok építésében, például ipari alkalmazásokban, ahol a DSL az Ethernet kiegészítőjeként működik. vagy RS-232/422/485 alapú terepi hálózatok. Hasonló ipari megoldásokat aktívan alkalmaznak a fejlett európai és ázsiai országokban.
A DSL egy szabványcsalád, amelyet eredetileg a digitális adatok telefonvonalon történő továbbítására terveztek. Történelmileg ez lett az első szélessávú internet-hozzáférési technológia, amely a DIAL UP és az ISDN helyére vált. A jelenleg létező DSL-szabványok sokfélesége annak a ténynek köszönhető, hogy a 80-as évektől kezdve sok vállalat megpróbálta saját technológiáját kifejleszteni és piacra dobni.
Mindezek a fejlesztések két nagy kategóriába sorolhatók – aszimmetrikus (ADSL) és szimmetrikus (SDSL) technológiákra. Az aszimmetrikus azokra vonatkozik, amelyekben a bejövő kapcsolat sebessége eltér a kimenő forgalom sebességétől. Szimmetrikus alatt azt értjük, hogy a vételi és átviteli sebesség egyenlő.
A legismertebb és legelterjedtebb aszimmetrikus szabványok valójában az ADSL (a legújabb kiadásban - ADSL2+) és a VDSL (VDSL2), a szimmetrikus - HDSL (elavult profil) és az SHDSL. Mindegyik abban különbözik egymástól, hogy más-más frekvencián működnek, és különböző kódolási és modulációs módszereket alkalmaznak a fizikai kommunikációs vonalon. A hibajavítási módszerek is különböznek, ami eltérő szintű zajtűrést eredményez. Ennek eredményeként minden technológiának megvannak a maga korlátai az adatátvitel sebességében és távolságában, beleértve a vezető típusától és minőségétől függően.
A különböző DSL-szabványok korlátai
Bármely DSL technológia esetén az adatátviteli sebesség csökken a kábel hosszának növekedésével. Szélsőséges távolságokon több száz kilobites sebesség is elérhető, de 200-300 m feletti adatátvitelnél elérhető a maximálisan elérhető sebesség.
Az összes technológia közül az SHDSL-nek van egy komoly előnye, amely lehetővé teszi az ipari alkalmazásokban történő alkalmazását - magas zajtűrő képesség és bármilyen típusú vezeték használható adatátvitelre. Nem ez a helyzet az aszimmetrikus szabványok esetében, és a kommunikáció minősége nagymértékben függ az adatátvitelhez használt vonal minőségétől. Különösen ajánlott csavart telefonkábel használata. Ilyenkor megbízhatóbb megoldás az ADSL és VDSL helyett optikai kábel használata.
Bármely egymástól elkülönített vezetékpár alkalmas SHDSL-re - réz, alumínium, acél stb. Az átviteli közeg lehet régi elektromos vezetékek, régi telefonvonalak, szögesdrót kerítések stb.
Az SHDSL adatátviteli sebesség függése a távolságtól és a vezeték típusától
Az SHDSL-hez megadott adatátviteli sebesség függvényében a távolság és a vezető típusa grafikonjából látható, hogy a nagy keresztmetszetű vezetékek lehetővé teszik az információ nagyobb távolságra történő továbbítását. A technológiának köszönhetően akár 20 km távolságra is meg lehet szervezni a kommunikációt 15.3 eres kábel esetén 2 Mb/s, 30 eres kábel esetén 4 Mb sebességgel. Valós alkalmazásokban az átviteli sebesség manuálisan állítható be, ami erős elektromágneses interferencia vagy rossz vonalminőség esetén szükséges. Ebben az esetben az átviteli távolság növeléséhez csökkenteni kell az SHDSL-eszközök sebességét. A sebesség pontos kiszámításához a vezető távolságától és típusától függően ingyenes szoftvereket használhat, mint pl .
Miért van az SHDSL-nek magas a zajvédelme?
Az SHDSL adó-vevő működési elve blokkdiagram formájában ábrázolható, melyben az alkalmazási szempontból specifikus és független (invariáns) részt különítjük el. A független rész PMD (Physical Medium Dependent) és PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer) funkcionális blokkokból áll, míg a specifikus rész a TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) réteget és a felhasználói adatfelületeket tartalmazza.
Az adó-vevők (STU-k) közötti fizikai kapcsolat létezhet egyetlen pár vagy több egypár kábelként. Több kábelpár esetén az STU több független PMD-t tartalmaz egyetlen PMS-TC-hez társítva.
Az SHDSL adó-vevő (STU) funkcionális modellje
A TPS-TC modul attól az alkalmazástól függ, amelyben az eszközt használják (Ethernet, RS-232/422/485 stb.). Feladata a felhasználói adatok SHDSL formátumba konvertálása, multiplexelés/demultiplexelés és több felhasználói adatcsatorna időbeállítása.
PMS-TC szinten az SHDSL keretek kialakítása és szinkronizálása, valamint a titkosítás és a visszakódolás történik.
A PMD modul ellátja az információ kódolás/dekódolás, moduláció/demoduláció, visszhang törlés, paraméter egyeztetés a kommunikációs vonalon és az adó-vevők közötti kapcsolatok létrehozásának funkcióit. A PMD szinten hajtják végre a fő műveleteket az SHDSL magas zajvédelmének biztosítására, beleértve a TCPAM kódolást (Trellis kódolás analóg impulzusmodulációval), egy közös kódolási és modulációs mechanizmust, amely javítja a jel spektrális hatékonyságát egy különállóhoz képest. módszer. A PMD modul működési elve funkcionális diagram formájában is ábrázolható.
PMD modul blokkdiagram
A TC-PAM egy konvolúciós kódoló használatán alapul, amely redundáns bitsorozatot generál az SHDSL adóoldalon. Minden órajel ciklusban a kódoló bemenetére érkező minden bithez dupla bit (dibit) van hozzárendelve a kimeneten. Így viszonylag kis redundancia árán megnő az átviteli zajtűrés. A Trellis moduláció használata lehetővé teszi a használt adatátviteli sávszélesség csökkentését és a hardver egyszerűsítését, miközben megőrzi ugyanazt a jel-zaj arányt.
A Trellis kódoló működési elve (TC-PAM 16)
A dupla bit egy logikai modulo-2 (kizáró-vagy) összeadás művelettel jön létre az x1(tn) bemeneti bit és az x1(tn-1), x1(tn-2) stb. bitek alapján. (összesen legfeljebb 20 db lehet), amelyek korábban a kódoló bemenetén érkeztek és a memória regiszterekben tárolva maradtak. A tn+1 kódoló következő órajelében bitek eltolódnak a memóriacellákban, hogy logikai műveletet hajtsanak végre: az x1(tn) bit a memóriába kerül, eltolva az ott tárolt teljes bitsorozatot.
Konvolúciós kódoló algoritmus
Igazságtáblázatok a modulo 2 összeadási művelethez
Az áttekinthetőség kedvéért célszerű egy konvolúciós kódoló állapotdiagramját használni, amelyből láthatja, hogy a kódoló milyen állapotban van tn, tn+1 stb. időpontokban. a bemeneti adatoktól függően. Ebben az esetben a kódoló állapota az x1(tn) bemeneti bit és az első memóriacellában lévő x1(tn-1) bit értékpárját jelenti. Diagram felépítéséhez használhatunk egy gráfot, amelynek csúcsaiban a kódoló lehetséges állapotai vannak, és az egyik állapotból a másikba való átmenetet a megfelelő x1(tn) bemeneti bitek és a $inline$y ₀y kimeneti dibitek jelzik. ₁(t ₀)$inline$.
Egy adó konvolúciós kódolójának állapotdiagramja és átmeneti grafikonja
Az adóban a kapott négy bit (a kódoló két kimeneti bitje és két adatbit) alapján egy szimbólum keletkezik, amelyek mindegyike megfelel az analóg-impulzus modulátor moduláló jelének saját amplitúdójának.
A 16 bites AIM állapota a négybites karakter értékétől függően
A jelvevő oldalán a fordított folyamat megy végbe - demoduláció és kiválasztás a redundáns kódból (dupla bit y0y1(tn)) az x1(tn) kódoló bemeneti bitjeinek kívánt sorozatából. Ezt a műveletet egy Viterbi dekóder végzi.
A dekódoló algoritmus a kódoló összes lehetséges várható állapotára vonatkozó hibametrika kiszámításán alapul. A hibametrika a kapott bitek és a várt bitek közötti különbségre vonatkozik az egyes lehetséges útvonalakon. Ha nincs vételi hiba, akkor a valódi útvonalhiba-metrika 0 lesz, mivel nincs bitdivergencia. Hamis útvonalak esetén a metrika eltér a nullától, folyamatosan növekszik, és egy idő után a dekóder leállítja a hibás útvonal kiszámítását, és csak az igazat hagyja meg.
A vevő Viterbi dekódere által kiszámított kódoló állapotdiagram
De hogyan biztosítja ez az algoritmus a zajmentességet? Feltételezve, hogy a vevő hibásan kapta az adatokat, a dekódoló továbbra is két, 1-es hibamutatójú útvonalat számít ki. A 0-s hibamutatójú útvonal többé nem létezik. De az algoritmus a következő kapott kettős bitek alapján később von le következtetést arról, hogy melyik útvonal igaz.
Amikor a második hiba bekövetkezik, több útvonal lesz a 2. metrikával, de a helyes útvonalat később azonosítjuk a maximális valószínűség módszere (azaz a minimális metrika) alapján.
A Viterbi dekóder által kiszámított kódoló állapotdiagram hibás adatok fogadásakor
A fent leírt esetben példaként egy 16 bites rendszer (TC-PAM16) algoritmusát vettük figyelembe, amely három bit hasznos információ és egy további bit hibavédelmet biztosít egy szimbólumban. A TC-PAM16 192 és 3840 kbps közötti adatsebességet ér el. A bitmélység 128-ra növelésével (a modern rendszerek TC-PAM128-cal működnek) minden szimbólumban hat bit hasznos információ kerül átvitelre, a maximális elérhető sebesség pedig 5696 kbps és 15,3 Mbps között mozog.
Az analóg impulzusmoduláció (PAM) az SHDSL-t számos népszerű Ethernet-szabványhoz hasonlóvá teszi, mint például a gigabit 1000BASE-T (PAM-5), a 10 gigabites 10GBASE-T (PAM-16) vagy az ipari egypáros Ethernet 2020BASE -T10L, ami 1-ra ígéretes (PAM-3).
SHDSL Ethernet hálózatokon keresztül
Vannak felügyelt és nem menedzselt SHDSL-modemek, de ez a besorolás kevéssé hasonlít a felügyelt és nem menedzselt eszközökre való szokásos felosztáshoz, amely például az Ethernet-kapcsolók esetében létezik. A különbség a konfigurációs és felügyeleti eszközökben rejlik. A felügyelt modemek webes felületen keresztül konfigurálhatók, és SNMP-n keresztül diagnosztizálhatók, míg a nem menedzselt modemek további szoftverekkel diagnosztizálhatók a konzolporton keresztül (a Phoenix Contact számára ez egy ingyenes PSI-CONF program és egy mini-USB interfész). A kapcsolókkal ellentétben a nem felügyelt modemek gyűrűs topológiájú hálózatban működhetnek.
Ellenkező esetben a felügyelt és a nem menedzselt modemek teljesen azonosak, beleértve a funkcionalitást és a Plug&Play elven, azaz minden előzetes konfiguráció nélkül való működést.
Ezenkívül a modemek felszerelhetők túlfeszültség-védelmi funkciókkal, amelyek képesek diagnosztizálni őket. Az SHDSL-hálózatok nagyon hosszú szegmenseket alkothatnak, és a vezetékek olyan helyeken futhatnak, ahol túlfeszültségek (villámkisülések vagy a közeli kábelvonalak rövidzárlatai által okozott potenciálkülönbségek) léphetnek fel. Az indukált feszültség kiloamperes kisülési áramot okozhat. Ezért a berendezések ilyen jelenségekkel szembeni védelme érdekében az SPD-ket a modemekbe építik be eltávolítható kártya formájában, amely szükség esetén cserélhető. Ennek a kártyának a sorkapcsához csatlakozik az SHDSL vonal.
Topológiák
Az SHDSL over Ethernet használatával bármilyen topológiájú hálózat építhető: pont-pont, vonal, csillag és gyűrű. Ugyanakkor a modem típusától függően 2 vezetékes és 4 vezetékes kommunikációs vonalakat is használhat a csatlakozáshoz.
SHDSL alapú Ethernet hálózati topológiák
Kombinált topológiájú elosztott rendszereket is lehet építeni. Minden SHDSL hálózati szegmensben legfeljebb 50 modem lehet, és a technológia fizikai adottságait figyelembe véve (a modemek távolsága 20 km) a szegmens hossza elérheti az 1000 km-t.
Ha minden ilyen szegmens élére felügyelt modemet telepítenek, akkor a szegmens integritása SNMP segítségével diagnosztizálható. Ezenkívül a felügyelt és nem menedzselt modemek támogatják a VLAN technológiát, vagyis lehetővé teszik a hálózat logikai alhálózatokra való felosztását. A készülékek a modern automatizálási rendszerekben használatos adatátviteli protokollokkal (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP stb.) is képesek dolgozni.
Kommunikációs csatornák lefoglalása SHDSL használatával
Az SHDSL redundáns kommunikációs csatornák létrehozására szolgál egy Ethernet hálózatban, leggyakrabban optikai hálózatban.
SHDSL és soros interfész
A soros interfésszel rendelkező SHDSL modemek felülmúlják a távolságra, topológiára és vezetékminőségre vonatkozó korlátozásokat, amelyek az aszinkron adó-vevőn (UART) alapuló hagyományos vezetékes rendszerekben léteznek: RS-232 - 15 m, RS-422 és RS-485 - 1200 m.
Vannak soros interfésszel rendelkező modemek (RS-232/422/485) mind univerzális, mind speciális alkalmazásokhoz (például Profibushoz). Minden ilyen eszköz a „nem menedzselt” kategóriába tartozik, ezért speciális szoftverrel konfigurálják és diagnosztizálják őket.
Topológiák
A soros interfésszel rendelkező hálózatokban az SHDSL használatával lehetőség nyílik pont-pont, vonal és csillag topológiájú hálózatok kiépítésére. A lineáris topológián belül akár 255 csomópontot is össze lehet kötni egy hálózatba (Profibus esetén - 30).
A kizárólag RS-485 eszközök felhasználásával épített rendszerekben nincs korlátozás az alkalmazott adatátviteli protokollra, de a vonal és csillag topológiák atipikusak az RS-232 és RS-422 esetében, így a végberendezések működése hasonló topológiájú SHDSL hálózaton csak félduplex módban lehetséges. Ugyanakkor az RS-232-vel és RS-422-vel ellátott rendszerekben az eszközcímzést protokoll szinten kell biztosítani, ami nem jellemző a pont-pont hálózatokban leggyakrabban használt interfészekre.
A különböző típusú interfésszel rendelkező eszközök SHDSL-en keresztüli csatlakoztatásakor figyelembe kell venni azt a tényt, hogy nincs egyetlen mechanizmus az eszközök közötti kapcsolat (kézfogás) létrehozására. Csere megszervezésére azonban ebben az esetben is van lehetőség, ehhez a következő feltételeknek kell teljesülniük:
- a kommunikáció koordinációját és az adatátvitel ellenőrzését egységes információs adatátviteli protokoll szintjén kell elvégezni;
- minden végberendezésnek félduplex üzemmódban kell működnie, amit az információs protokollnak is támogatnia kell.
A Modbus RTU protokoll, az aszinkron interfészek leggyakoribb protokollja, lehetővé teszi, hogy elkerülje az összes leírt korlátozást, és egyetlen rendszert építsen fel különböző típusú interfészekkel.
SHDSL alapú soros hálózati topológiák
Ha kétvezetékes RS-485-öt használ a berendezésen Összetettebb struktúrákat építhet fel, ha modemeket kombinál egy buszon keresztül egy DIN sínen. Ugyanarra a buszra telepíthető tápegység (ebben az esetben minden eszköz a buszon keresztül kap tápellátást) és a PSI-MOS sorozatú optikai konverterek kombinált hálózat létrehozásához. Egy ilyen rendszer működésének fontos feltétele az összes adó-vevő azonos sebessége.
Az SHDSL további funkciói RS-485 hálózaton
Alkalmazási példák
Az SHDSL technológiát Németországban aktívan használják az önkormányzati közművekben. Több mint 50 városi közműrendszereket kiszolgáló vállalat használ régi rézvezetékeket a városszerte elhelyezett objektumok egyetlen hálózathoz való csatlakoztatására. A víz-, gáz- és energiaellátás vezérlési és elszámolási rendszerei elsősorban az SHDSL-re épülnek. Ilyen városok közé tartozik Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder és még sokan mások.
A legnagyobb SHDSL-alapú rendszert Lübeck városában hozták létre. A rendszer optikai Etherneten és SHDSL-en alapuló kombinált felépítésű, 120 egymástól távoli objektumot köt össze, és több mint 50 modemet használ. . A teljes hálózatot az SNMP segítségével diagnosztizálják. A Kalkhorst és a Lübeck repülőtér közötti leghosszabb szakasz 39 km hosszú. A megbízó cég az SHDSL-t választotta, mert a régi rézkábelek rendelkezésre állása miatt gazdaságilag nem volt kifizetődő a projektet teljes egészében optikán megvalósítani.
Adatátvitel csúszógyűrűn keresztül
Érdekes példa a mozgó objektumok közötti adatátvitel, például szélturbinákban vagy nagy ipari csavarógépekben. Hasonló rendszert használnak az üzemek forgórészén és állórészén elhelyezett vezérlők közötti információcserére. Ebben az esetben egy csúszógyűrűn keresztül csúszó érintkezőt használnak az adatok továbbítására. Az ehhez hasonló példák azt mutatják, hogy az SHDSL-en keresztüli adatátvitelhez nem szükséges statikus érintkező.
Összehasonlítás más technológiákkal
SHDSL vs GSM
Ha az SHDSL-t a GSM (3G/4G) alapú adatátviteli rendszerekkel hasonlítjuk össze, akkor a DSL mellett szól a működési költségek hiánya, amelyek a mobilhálózathoz való hozzáférésért a szolgáltatónak fizetett rendszeres fizetésekkel járnak. Az SHDSL segítségével függetlenek vagyunk az ipari létesítmények mobilkommunikációjának lefedettségétől, minőségétől és megbízhatóságától, beleértve az elektromágneses interferenciával szembeni ellenállást is. Az SHDSL használatával nincs szükség berendezések konfigurálására, ami felgyorsítja a létesítmény üzembe helyezését. A vezeték nélküli hálózatokat nagy késések jellemzik az adatátvitelben, valamint a multicast forgalom (Profinet, Ethernet IP) használatával történő adatátvitel nehézségei.
Az információbiztonság az SHDSL mellett szól, mivel nincs szükség az interneten keresztüli adatátvitelre, és ehhez VPN-kapcsolatokat kell konfigurálni.
SHDSL vs Wi-Fi
A GSM-ről elmondottak nagy része az ipari Wi-Fi-re is alkalmazható. Az alacsony zajvédelem, a korlátozott adatátviteli távolság, a terület topológiájától való függés és az adatátviteli késések a Wi-Fi ellen szólnak. A legfontosabb hátrány a Wi-Fi hálózatok információbiztonsága, mert bárki hozzáférhet az adatátviteli közeghez. Wi-Fi-vel már lehet Profinet vagy Ethernet IP-adatokat továbbítani, ami a GSM-nél nehézkes lenne.
SHDSL vs optika
Az esetek túlnyomó többségében az optika nagy előnnyel rendelkezik az SHDSL-lel szemben, de számos alkalmazásban az SHDSL lehetővé teszi, hogy időt és pénzt takarítson meg az optikai kábelek lefektetésével és hegesztésével, csökkentve ezzel a létesítmény üzembe helyezéséhez szükséges időt. Az SHDSL-hez nincs szükség speciális csatlakozókra, mert a kommunikációs kábel egyszerűen csatlakoztatható a modem termináljához. Az optikai kábelek mechanikai tulajdonságaiból adódóan felhasználásuk korlátozott a mozgó objektumok közötti információátadást jelentő alkalmazásokban, ahol a rézvezetők gyakoribbak.
Forrás: will.com