Bár az Ethernet-hálózatok széles körben elterjedtek, a DSL-alapú kommunikációs technológiák továbbra is relevánsak a mai napig. A DSL-t még mindig találkozhatunk az utolsó mérföld hálózataiban az előfizetői berendezések internet-szolgáltatói hálózatokhoz való csatlakoztatásához, és az utóbbi időben a technológia egyre inkább alkalmazásra kerül helyi hálózatok építésénél, például ipari alkalmazásokban, ahol a DSL az Ethernet vagy az RS-232/422/485 alapú mezőhálózatok kiegészítőjeként működik. Az ilyen ipari megoldásokat fejlett európai és ázsiai országokban aktívan használják.
A DSL egy olyan szabványcsalád, amelyet eredetileg digitális adatok telefonvonalakon történő továbbítására terveztek. Történelmileg ez volt az első szélessávú internet-hozzáférési technológia, amely felváltotta a DIAL UP-ot és az ISDN-t. A jelenleg elérhető DSL szabványok széles választéka azzal magyarázható, hogy sok vállalat az 1980-as évektől kezdve arra törekedett, hogy fejlesszen és piacra dobjon egyedi technológiát.
Mindezek a fejlesztések két nagy kategóriába sorolhatók – aszimmetrikus (ADSL) és szimmetrikus (SDSL) technológiák. Az aszimmetrikus technológiák esetében a bejövő kapcsolat sebessége eltér a kimenő forgalom sebességétől. A szimmetrikus technológiák esetében a fogadási és küldési sebesség megegyezik.
A legismertebb és legelterjedtebb aszimmetrikus szabványok közé tartozik az ADSL (a legújabb változatban – ADSL2+) és a VDSL (VDSL2), míg a szimmetrikus technológiák közé az HDSL (elavult profil) és az SHDSL tartozik. Ezek egymástól abban különböznek, hogy különböző frekvenciákon működnek, különböző kódolási és modulációs módszereket alkalmaznak a fizikai kommunikációs vonalon. A hibakorrekciós módszerek is eltérnek, így különböző szintű zajtoleranciát biztosítanak. Ennek eredményeként minden technológiának megvannak a saját sebesség- és távolságkorlátai, a vezeték típusa és minősége szerint is.
A különböző DSL szabványok határparaméterei
Bármely DSL-technológiában az adatátviteli sebesség csökken a vezeték hosszának növekedésével. A maximális távolságokon több száz kilobites sebesség érhető el, de 200-300 méteres adatátvitel esetén a maximálisan elérhető sebesség biztosítható.
A SHDSL technológiák közül a legfontosabb előny, amely lehetővé teszi a hivatali alkalmazásokban való használatát, a magas zajtűrés és bármilyen típusú adatátvitelre alkalmas vezetékek használata. Az aszimmetrikus szabványok nem rendelkeznek ezzel, és a kapcsolat minősége erősen függ a használt vonal minőségétől. Különösen javasolt a csavart telefonkábelt használni. Ebből a szempontból a legmegbízhatóbb megoldás az ADSL és VDSL helyett az optikai kábel használata.
A SHDSL-hez bármilyen izolált vezetékpár illik – rézből, alumíniumból, acélból stb. Az átviteli közeg lehet régi elektromos vezeték, régi telefonvonalak, kerítésekhez használt barbed wire stb.
A SHDSL adatátviteli sebessége a távolságtól és a vezeték típusától függ
A SHDSL adatátviteli sebességének távolságtól és a vezeték típusától való függését ábrázoló grafikonból látható, hogy a nagyobb keresztmetszetű vezetékek lehetővé teszik az adatok hosszabb távolságra történő továbbítását. A technológia lehetővé teszi a kapcsolat létrehozását akár 20 km távolságra, a maximálisan elérhető 15.3 Mbit/s sebességgel 2 vezetékes kábel esetén, vagy 30 Mbit/s sebességgel 4 vezetékes kábel esetén. Reális alkalmazásokban az adatátviteli sebesség manuálisan beállítható, ami szükséges nagy elektromágneses zavarok vagy a vonal rossz minősége esetén. Ebben az esetben a SHDSL eszközök működési sebességének csökkentésével lehet növelni az átviteli távolságot. A távolság és a vezeték típusa szerinti sebesség pontos kiszámítására ingyenes szoftveres eszközök, mint például .
Mi biztosítja a SHDSL magas zajtűrő képességét?
A SHDSL vevő-adó elvét egy blokkdigram formájában lehet bemutatni, amelyben kiemelik a specifikus és az alkalmazás szempontjából független (invariáns) részt. A független rész a 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) szintet és a felhasználói adatok interfészeit tartalmazza.
A fizikai kapcsolat az adóvevők (STU) között egy pár vagy több egy pár kábel formájában létezhet. Több pár kábel esetén az STU több független PMD blokkot tartalmaz, amelyek egyetlen PMS-TC-hez kapcsolódnak.
Az SHDSL-adóvevő (STU) funkcionális modellje
A TPS-TC modul az alkalmazástól függ, amelyben a készülék használatban van (Ethernet, RS-232/422/485 stb.). Feladata a felhasználói adatok SHDSL formátumba való konvertálása, valamint a több felhasználói adatcsatorna multiplexelése/demultiplexelése és időbeli korrekciója.
A PMS-TC szinten történik a SHDSL keretek létrehozása és szinkronizálása, valamint a scrambling és descrambling.
A PMD modul végzi az információk kódolását/dekódolását, modulációt/demodulációt, echo-elnyomást, a kapcsolat paramétereinek összehangolását és a kapcsolat létrehozását az adóvevők között. A PMD szinten hajtják végre a fő műveleteket, amelyek a SHDSL magas zajállóságát biztosítják, beleértve a TCPAM kódolást (Treillis kódolás analóg-impulzus modulációval), valamint a közös kódolás és moduláció mechanizmusát, amely javítja a jel spektrális hatékonyságát a különálló módszerhez képest. A PMD modul működési elvét funkcionális diagram formájában is bemutathatjuk.
A PMD modul blokkdiagramja
A TC-PAM alapja a konvolúciós kódoló használata, amely redundáns bit-sorozatokat képez a SHDSL-adó oldalán. Minden óraütemnél az encoder bemenetére érkező bithez egy dupla bit (dibit) állítanak elő kimenetként. Így viszonylag csekély redundancia árán javul a továbbítás zajállósága. A Trellis-moduláció használata lehetővé teszi az adatátvitelhez szükséges sávszélesség csökkentését és a hardver egyszerűsítését a jel/zaj arány megváltoztatása nélkül.
A Trellis-kódoló (TC-PAM 16) működési elve
A dupla bit keletkezik a 2-es moduló szerinti logikai összegzés (exkluzív „vagy”) következtében, az x1(tn) bemeneti bit és az x1(tn-1), x1(tn-2) stb. (összesen akár 20) olyan bitek alapján, amelyek korábban a kódoló bemenetére érkeztek és a memóriában maradtak. A kódoló következő tn+1 órajel pillanatában a bitek elmozdulása történik a memóriacellákban a logikai művelet végrehajtásához: az x1(tn) bit elmozdul a memóriába, eltolva az ott tárolt bitek sorozatát.
A konvolúciós kódoló algoritmus
A 2-es moduló összegzés igazságtáblái
A konvolúciós kódoló állapotdiagramját célszerű használni, amely megmutatja, hogy a kódoló milyen állapotban van az tn, tn+1 időpontokban a bemeneti adatok függvényében. A kódoló állapota ebben az esetben az x1(tn) bemeneti bit és az első memória cella x1(tn-1) bitjei által alkotott értékpár. Az állapotdiagram megrajzolásához grafikus ábrát használhatunk, amelynek csúcsain a kódoló lehetséges állapotai találhatók, míg az egyik állapotból a másikba való átmeneteket a megfelelő bemeneti bitek (x1(tn)) és a kibemeneti dibitek ($inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$) jelölik.
A konvolúciós kódoló állapotdiagramja és átmeneti gráfja
A feladó oldalán a négy megkapott bit (a kódoló két kimeneti bitje és a két adatbit) alapján szimbólum keletkezik, amelyhez az analóg impulzusmodulátor modulsávja tartozik.
A 16-bites AIM állapota a négybites szimbólum értéke függvényében
A jel vevő oldalon a fordított folyamat zajlik – a demoduláció és a felesleges kódból (a y0y1(tn) dupla bitekből) a kódoló x1(tn) bemeneti biteinek szükséges sorozatának kiemelése. Ezt a műveletet a Viterbi dekóder hajtja végre.
A dekóder algoritmus alapja a hiba metrika kiszámítása valamennyi lehetséges, feltételezett kódoló állapot számára. A hiba metrikán azokat az eltéréseket értjük, amelyek a fogadott bitek és a feltételezett bitek között állnak fenn minden lehetséges útvonal esetén. Ha a vételnél nincsenek hibák, akkor az igazi út hiba metrikája 0 lesz, mert nem lesz eltérés a bitek között. A hamis utak esetében a metrika eltér a nullától, folyamatosan nő, és egy idő után a dekóder abbahagyja a hibás út kiszámítását, csak az igazi utat hagyva meg.
A kódoló állapotdiagramja, amelyet a Viterbi dekóder számít ki a vevőben
De hogyan biztosítja ez az algoritmus a zajállóságot? Tegyük fel, hogy a vevő hibás adatokat kapott, a dekóder két olyan utat fog kiszámítani, amelynek hibametrikája 1. Az 0-ás metrikájú út már nem létezik. De az algoritmus később, a következő elfogadott dupla bitek alapján dönt a helyes útról.
A második hiba megjelenésekor több út is lesz, amelyek hibametrikája 2, de a helyes út később derül ki a legnagyobb valószínűség módszere alapján (azaz a minimum metrikájú út).
A kódoló állapotdiagramja, amelyet a Viterbi dekóder számít ki, adat-hibákkal történő vétel során
A fent ismertetett esetben egy 16 bites rendszer algoritmusát (TC-PAM16) vizsgáltuk, amely egy szimbólumban három bit hasznos információt és egy további bitet közvetít a hibák védelme érdekében. A TC-PAM16 elérhető adatátviteli sebessége 192-től 3840 kbit/s-ig terjed. 128 bites rendszerre való áttéréskor (a modern rendszerek TC-PAM128-mal működnek), minden szimbólumban hat bit hasznos információt lehet közvetíteni, a maximálisan elérhető sebesség pedig 5696 kbit/s-tól 15,3 Mbit/s-ig terjed.
Az analóg-impulzus moduláció (PAM) hasonlóvá teszi az SHDSL-t számos népszerű Ethernet szabványhoz, például a gigabit 1000BASE-T (PAM-5), a 10 gigabites 10GBASE-T (PAM-16) vagy a 2020-ra tervezett ipari egypáros Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3).
SHDSL az Ethernet hálózatokban
Megkülönböztetjük a menedzselt és nem menedzselt SHDSL modemeket, de ez a fajta klasszifikáció nem sokban hasonlít a hagyományos menedzselt és nem menedzselt eszközök megkülönböztetésére, amely például az Ethernet switcheknél létezik. A különbség a konfigurálási és figyelési eszközökben rejlik. A menedzselt modellek webes felületen állíthatók be és SNMP-n keresztül diagnosztizálhatók, míg a nem menedzselt modellek egy további szoftver segítségével, konzolporton keresztül (a Phoenix Contact esetében ez egy ingyenes PSI-CONF program és mini-USB interfész). A switchektől eltérően a nem menedzselt modellek körkörös topológiájú hálózatban is működhetnek.
Egyéb tekintetben a menedzselt és nem menedzselt modellek teljesen azonosak, beleértve a funkciókat és az Plug&Play elv alapján történő működés lehetőségét, tehát előzetes konfigurálás nélkül.
A modem can also be equipped with surge protection functions, capable of diagnostics. SHDSL networks can form very long segments, and the conductors can pass through areas where impulse overvoltages may occur (induced potential differences caused by lightning strikes or short circuits in nearby cable lines). Induced voltage can lead to discharge currents of kiloamps. Therefore, to protect equipment from such phenomena, surge protection devices (SPDs) are integrated into the modems in the form of a removable board, which can be replaced if necessary. The SHDSL line is connected to the terminal block of this board.
Topológiák
With SHDSL, it is possible to build networks in Ethernet with any topology: point-to-point, line, star, and ring. Depending on the type of modem, both 2-wire and 4-wire communication lines can be used for connection.
Ethernet hálózatok SHDSL alapú topológiái
Distributed systems with a combined topology can also be constructed. Each segment of the SHDSL network can have up to 50 modems, and considering the physical capabilities of the technology (distance between modems is 20 km), the segment length can reach 1000 km.
If a managed modem is installed at the head of each segment, the integrity of the segment can be diagnosed via SNMP. Additionally, both managed and unmanaged modems support VLAN technology, allowing the network to be segmented into logical subnets. These devices can also work with data transmission protocols used in modern automation systems (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Kapcsolati csatornák redundanciája SHDSL segítségével
SHDSL is used to create backup communication channels in Ethernet networks, most often optical.
SHDSL és soros interfész
SHDSL modems with serial interfaces allow overcoming limitations on distance, topology, and conductor quality that exist for traditional wired systems based on asynchronous transceivers (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 and RS-485 — 1200 m.
Vannak modemek soros interfészekkel (RS-232/422/485), amelyek általános alkalmazásokra és speciális célokra (például Profibus) is alkalmasak. Mindezek az eszközök a "nem kezelt" kategóriába tartoznak, így egy speciális szoftver segítségével konfigurálhatók és diagnosztizálhatók.
Topológiák
Soros interfészes hálózatokban SHDSL segítségével pont-pont, vonal és csillag topológiájú hálózatok építhetők. A lineáris topológia keretében akár 255 csomópont is összekapcsolható (Profibus esetén 30-ig).
Az RS-485 interfész használatával épített rendszerekben nincs korlátozás az alkalmazott adatátviteli protokollra, de az RS-232 és RS-422 számára a vonal és csillag topológiák nem jellemzők, ezért az SHDSL hálózatban az ilyen topológiájú végberendezések csak fél duplex módban működhetnek. Az RS-232 és RS-422 rendszerek esetében a protokoll szintjén biztosítva kell lennie az eszközök címzésének, ami nem jellemző a leggyakrabban pont-pont hálózatokban használt interfészekre.
SHDSL-en keresztül különböző interfészekkel rendelkező eszközök összekapcsolásakor figyelembe kell venni, hogy nincs egységes mechanizmus a kapcsolat létrehozására (kézfogás) az eszközök között. Azonban az adatcsere még így is lehetséges - ehhez a következő feltételek teljesítése szükséges:
- a kapcsolat létrehozása és az adatátvitel irányítása az egységes adatátviteli protokoll szintjén kell, hogy történjen;
- minden végberendezésnek fél duplex módban kell működnie, amit az adatprotokollnak is támogatnia kell.
A leggyakrabban előforduló aszinkron interfészekhez használt Modbus RTU protokoll segít elkerülni az összes fent említett korlátozást, és lehetővé teszi egy egységes rendszer kialakítását különböző interfészekkel.
Soros interfészen alapuló SHDSL hálózati topológiák
Kétvezetékes RS-485 használata esetén az eszközökön Bonyolultabb struktúrák is építhetők, a modemek DIN-sínre szerelt közös buszon keresztül történő összekapcsolásával. Ugyanazon a buszon erőforrást is telepíthetünk (ebben az esetben az összes eszköz tápellátását a buszon keresztül biztosítják) és PSI-MOS sorozatú optikai átalakítókat a kombinált hálózat létrehozásához. Egy ilyen rendszer működésének fontos feltétele, hogy az összes adó-vevő egyforma sebességgel működjön.
SHDSL további lehetőségei az RS-485 hálózatban
Alkalmazási példák
A SHDSL-technológiát aktívan alkalmazzák a német városi közszolgáltatásokban. Több mint 50 olyan vállalat, amely városi közszolgáltatásokat üzemeltet, régi rézvezetékeket használ, hogy a városban elhelyezkedő objektumokat egyetlen hálózatba összekapcsoljon. A SHDSL főként a víz-, gáz- és energiaszolgáltatás irányítási és számviteli rendszerein alapszik. Ilyen városok például Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt (Oder) és még sok más.
A legnagyobb SHDSL-alapú rendszert Lübeck városában hozták létre. A rendszer optikai Ethernet és SHDSL kombinált struktúrával rendelkezik, 120 távol lévő objektumot kapcsol össze, és több mint 50 modemet használ. . Az egész hálózat SNMP-vel diagnosztizálható. A leghosszabb szegmens a Kálkhorst község és Lübeck repülőtere között 39 km hosszú. Az ügyfél által választott SHDSL megoldás oka az volt, hogy a projekt teljes optikai megvalósítása gazdaságilag nem volt életképes, figyelembe véve a régi réz kábelek meglétét.
Adatátvitel érintkezőgyűrűn keresztül
Érdekes példa az adatok átvitele mozgó objektumok között, mint például a szélturbinákban vagy nagy ipari forgó gépekben. Ilyen rendszert használnak az információcsere lehetővé tételére a rotoron és az állórészen elhelyezett vezérlők között. Ebben az esetben az adatok átvitelére csúszó érintkezőn keresztüli érintkezőgyűrűt használnak. Az ilyen példák azt mutatják, hogy nem szükséges statikus érintkező az SHDSL-en keresztüli adatátvitelhez.
Összehasonlítás más technológiákkal
SHDSL vs GSM
A DSL előnyben van a GSM (3G/4G) alapú adatátviteli rendszerekkel szemben, mivel nem jár üzemeltetési költségekkel, amelyek a szolgáltatónak a mobilhálózathoz való hozzáférésért fizetendők. A SHDSL esetében nem függünk a lefedettségtől, a mobilhálózat minőségétől és megbízhatóságától ipari környezetben, beleértve az elektromágneses zavaraiknak való ellenállást is. A SHDSL-hez nem szükséges eszközkonfigurálás, ami felgyorsítja az üzembe helyezést. Vezeték nélküli hálózatok esetén nagyobb adatátviteli késleltetés és nehézségek merülhetnek fel a multicast forgalmat (Profinet, Ethernet IP) használó adatok átvitelében.
A SHDSL előnye az információbiztonság, mivel nem szükséges adatokat továbbítani az Interneten, és VPN-kapcsolatok konfigurálására sincs szükség.
SHDSL vs Wi-Fi
A GSM-re mondottak sok vonatkozik az ipari Wi-Fi-re is. A Wi-Fi hátránya a gyenge zajszűrés, a korlátozott adatátviteli távolság, a terület topológiájától való függőség, és az adatátviteli késleltetés. A legnagyobb hátránya a Wi-Fi hálózatok információbiztonsága, mivel bárki hozzáférhet az adatátviteli környezethez. Wi-Fi-n keresztül már lehetséges Profinet vagy Ethernet IP adatok továbbítása, ami a GSM esetében nehézkes lenne.
SHDSL vs optika
Az optika a túlnyomó többségében nagyobb előnyt jelent a SHDSL-hez képest, de bizonyos alkalmazásokban a SHDSL idő- és költségmegtakarítást tesz lehetővé az optikai kábelek lefektetése és hegesztése terén, így csökkentve az üzembe helyezési időt. A SHDSL-hez nincs szükség külön csatlakozókra, mivel a kommunikációs kábel közvetlenül a modem termináljára csatlakozik. Az optikai kábelek mechanikai tulajdonságai miatt az alkalmazásuk korlátozott azokban az alkalmazásokban, ahol mozgó objektumok közötti információátvitel történik, ahol a rézvezetékek a gyakoribbak.
Forrás: habr.com
