למרות השימוש הנרחב ברשתות Ethernet, טכנולוגיות תקשורת מבוססות DSL נותרו רלוונטיות עד היום. עד כה ניתן למצוא DSL ברשתות של מייל אחרון לחיבור ציוד מנויים לרשתות של ספקי אינטרנט, ולאחרונה נעשה שימוש הולך וגובר בטכנולוגיה בבניית רשתות מקומיות, למשל ביישומים תעשייתיים, שבהם פועל DSL כהשלמה ל-Ethernet. או רשתות שטח המבוססות על RS-232/422/485. פתרונות תעשייתיים דומים נמצאים בשימוש פעיל במדינות מפותחות באירופה ובאסיה.
DSL היא משפחה של תקנים אשר נוצרו במקור להעברת נתונים דיגיטליים על גבי קווי טלפון. היסטורית, היא הפכה לטכנולוגיית הגישה לאינטרנט בפס רחב הראשונה, והחליפה את DIAL UP ו-ISDN. המגוון הרחב של תקני DSL הקיימים כיום נובע מכך שחברות רבות, החל משנות ה-80, ניסו לפתח ולשווק טכנולוגיה משלהן.
ניתן לחלק את כל הפיתוחים הללו לשתי קטגוריות גדולות - טכנולוגיות אסימטריות (ADSL) וטכנולוגיות סימטריות (SDSL). אסימטריה מתייחסת לאלו שבהם מהירות החיבור הנכנס שונה ממהירות התנועה היוצאת. בסימטריה אנו מתכוונים לכך שמהירויות הקליטה והשידור שוות.
התקנים הא-סימטריים המוכרים והנפוצים ביותר הם, למעשה, ADSL (במהדורה האחרונה - ADSL2+) ו-VDSL (VDSL2), סימטרי - HDSL (פרופיל מיושן) ו-SHDSL. כולם נבדלים זה מזה בכך שהם פועלים בתדרים שונים ומשתמשים בשיטות קידוד ואפנון שונות בקו התקשורת הפיזי. גם שיטות תיקון השגיאות שונות, וכתוצאה מכך רמות שונות של חסינות נגד רעש. כתוצאה מכך, לכל טכנולוגיה יש מגבלות משלה במהירות ובמרחק העברת הנתונים, לרבות בהתאם לסוג ואיכות המוליך.
מגבלות של תקני DSL שונים
בכל טכנולוגיית DSL, קצב העברת הנתונים יורד ככל שאורך הכבל גדל. במרחקים קיצוניים ניתן להשיג מהירויות של כמה מאות קילובייט, אך כאשר מעבירים נתונים מעל 200-300 מ', המהירות המרבית האפשרית זמינה.
בין כל הטכנולוגיות, ל-SHDSL יתרון רציני המאפשר להשתמש בו ביישומים תעשייתיים - חסינות גבוהה לרעש ויכולת להשתמש בכל סוג של מוליך להעברת נתונים. זה לא המקרה עם תקנים אסימטריים, ואיכות התקשורת תלויה מאוד באיכות הקו המשמש להעברת נתונים. בפרט, מומלץ להשתמש בכבל טלפון מעוות. במקרה זה, פתרון אמין יותר הוא להשתמש בכבל אופטי במקום ADSL ו-VDSL.
כל זוג מוליכים מבודד אחד מהשני מתאים ל-SHDSL - נחושת, אלומיניום, פלדה וכו'. אמצעי השידור יכול להיות חיווט חשמלי ישן, קווי טלפון ישנים, גדרות תיל וכו'.
תלות של מהירות העברת נתונים SHDSL במרחק ובסוג המוליך
מהגרף של מהירות העברת הנתונים לעומת המרחק וסוג המוליך שניתן עבור SHDSL, ניתן לראות שמוליכים בעלי חתך רוחב גדול מאפשרים להעביר מידע למרחק גדול יותר. הודות לטכנולוגיה, ניתן לארגן תקשורת למרחק של עד 20 ק"מ במהירות מרבית אפשרית של 15.3 Mb/s לכבל 2 חוטים או 30 Mb לכבל 4 חוטים. ביישומים אמיתיים, ניתן להגדיר את מהירות השידור באופן ידני, דבר הכרחי בתנאים של הפרעות אלקטרומגנטיות חזקות או איכות קו ירודה. במקרה זה, כדי להגדיל את מרחק השידור, יש צורך להפחית את המהירות של התקני SHDSL. לחישוב מדויק של מהירות בהתאם למרחק וסוג המוליך, ניתן להשתמש בתוכנה חינמית כגון .
מדוע ל-SHDSL חסינות רעש גבוהה?
ניתן לייצג את עקרון הפעולה של מקלט המשדר SHDSL בצורה של דיאגרמת בלוק, שבה מובחן חלק ספציפי ובלתי תלוי (בלתי תלוי) מנקודת מבט היישום. החלק הבלתי תלוי מורכב מבלוקים פונקציונליים PMD (Physical Medium Dependent) ו-PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), בעוד שהחלק הספציפי כולל את שכבת TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) וממשקי נתוני משתמש.
הקישור הפיזי בין מקלטי משדר (STUs) יכול להתקיים כזוג בודד או ככבלים של זוג בודד. במקרה של זוגות כבלים מרובים, ה-STU מכיל מספר PMDs עצמאיים המשויכים ל-PMS-TC יחיד.
דגם פונקציונלי של מקלט משדר SHDSL (STU)
מודול TPS-TC תלוי באפליקציה שבה נעשה שימוש במכשיר (Ethernet, RS-232/422/485 וכו'). המשימה שלו היא להמיר נתוני משתמש לפורמט SHDSL, לבצע ריבוי/דה-מולטיפלקס והתאמת זמן של מספר ערוצים של נתוני משתמש.
ברמת PMS-TC, מסגרות SHDSL נוצרות ומסונכרנות, כמו גם ערבול וביטול.
מודול PMD מבצע את הפונקציות של קידוד/פענוח מידע, אפנון/דמודולציה, ביטול הד, משא ומתן על פרמטרים בקו התקשורת ויצירת קשרים בין מקלטי משדר. ברמת ה-PMD הפעולות העיקריות מבוצעות על מנת להבטיח חסינות רעש גבוהה של SHDSL, לרבות קידוד TCPAM (קידוד טרליס עם אפנון פולס אנלוגי), מנגנון קידוד ואפנון משותף המשפר את היעילות הספקטרלית של האות בהשוואה למכשיר נפרד. שיטה. עקרון הפעולה של מודול PMD יכול להיות מיוצג גם בצורה של דיאגרמה פונקציונלית.
תרשים בלוקים של מודול PMD
TC-PAM מבוסס על שימוש במקודד קונבולוציוני שיוצר רצף מיותר של ביטים בצד משדר SHDSL. בכל מחזור שעון, כל סיבית שמגיעה לכניסת המקודד מוקצה ביט כפול (דיביט) במוצא. לפיכך, במחיר של יתירות קטנה יחסית, חסינות רעשי השידור מוגברת. השימוש באפנון Trellis מאפשר לך להפחית את רוחב הפס של העברת הנתונים בשימוש ולפשט את החומרה תוך שמירה על אותו יחס אות לרעש.
עקרון הפעולה של מקודד Trellis (TC-PAM 16)
הסיבית הכפולה נוצרת על ידי פעולת חיבור מודולו-2 (אקסקלוסיבית-או) לוגית המבוססת על סיבית הקלט x1(tn) והסיביות x1(tn-1), x1(tn-2) וכו'. (יכולים להיות עד 20 מהם בסך הכל), אשר התקבלו בכניסת המקודד לפני כן ונותרו מאוחסנים באוגרי זיכרון. במחזור השעון הבא של המקודד tn+1, סיביות יוזזו בתאי זיכרון לביצוע פעולה לוגית: סיבית x1(tn) תעבור לזיכרון, ותזיז את כל רצף הביטים המאוחסנים שם.
אלגוריתם מקודד קונבולוציוני
טבלאות אמת לפעולת הוספה מודולו 2
לצורך הבהירות, נוח להשתמש בתרשים מצב של מקודד קונבולוציוני, ממנו ניתן לראות באיזה מצב נמצא המקודד בזמנים tn, tn+1 וכו'. בהתאם לנתוני הקלט. במקרה זה, מצב המקודד פירושו זוג ערכים של סיבית הקלט x1(tn) והסיבית בתא הזיכרון הראשון x1(tn-1). כדי לבנות דיאגרמה, ניתן להשתמש בגרף, שבקודקודיו ישנם מצבים אפשריים של המקודד, ומעברים ממצב אחד למשנהו מסומנים על ידי סיביות הקלט המתאימות x1(tn) ודיביט הפלט $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
דיאגרמת מצב וגרף מעבר של מקודד קונבולוציוני משדר
במשדר, בהתבסס על ארבעת הסיביות שהתקבלו (שני סיביות פלט של המקודד ושתי סיביות נתונים), נוצר סמל, שכל אחד מהם מתאים למשרעת משלו של האות המאפנן של אפנן הפולס האנלוגי.
מצב ה-AIM של 16 סיביות בהתאם לערך של תו ארבעת הסיביות
בצדו של מקלט האותות מתרחש התהליך ההפוך - דמודולציה ובחירה מהקוד המיותר (סיביות כפולות y0y1(tn)) של רצף סיביות הכניסה הנדרשות של המקודד x1(tn). פעולה זו מתבצעת על ידי מפענח Viterbi.
אלגוריתם המפענח מבוסס על חישוב מדד שגיאה עבור כל מצבי המקודד האפשריים הצפויים. מדד השגיאה מתייחס להבדל בין הסיביות שהתקבלו לסיביות הצפויות עבור כל נתיב אפשרי. אם אין שגיאות קבלה, אזי מדד שגיאת הנתיב האמיתי יהיה 0 מכיוון שאין סטיית סיביות. עבור נתיבים כוזבים, המדד יהיה שונה מאפס, יגדל כל הזמן, ולאחר זמן מה המפענח יפסיק לחשב את הנתיב השגוי, וישאיר רק את הנתיב האמיתי.
דיאגרמת מצב המקודד מחושבת על ידי מפענח Viterbi של המקלט
אבל איך האלגוריתם הזה מבטיח חסינות לרעש? בהנחה שהמקלט קיבל את הנתונים בטעות, המפענח ימשיך לחשב שני נתיבים עם מדד שגיאה של 1. הנתיב עם מדד שגיאה 0 לא יהיה קיים יותר. אבל האלגוריתם יגיע למסקנה לגבי הנתיב הנכון מאוחר יותר בהתבסס על הסיביות הכפולות הבאות שהתקבלו.
כאשר השגיאה השנייה מתרחשת, יהיו מספר נתיבים עם מדד 2, אך הנתיב הנכון יזוהה מאוחר יותר בהתבסס על שיטת הסבירות המקסימלית (כלומר, המדד המינימלי).
דיאגרמת מצב המקודד מחושבת על ידי מפענח Viterbi בעת קבלת נתונים עם שגיאות
במקרה שתואר לעיל, כדוגמה, שקלנו את האלגוריתם של מערכת 16 סיביות (TC-PAM16), המבטיח שידור של שלוש ביטים של מידע שימושי וביט נוסף להגנה על שגיאות בסמל אחד. ה-TC-PAM16 משיג קצבי נתונים מ-192 עד 3840 kbps. על ידי הגדלת עומק הסיביות ל-128 (מערכות מודרניות עובדות עם TC-PAM128), שש סיביות של מידע שימושי משודרות בכל סמל, והמהירות המרבית הניתנת להשגה נעה בין 5696 kbps ל-15,3 Mbps.
השימוש באפנון דופק אנלוגי (PAM) הופך את ה-SHDSL לדומה למספר תקני Ethernet פופולריים, כגון gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) או Ethernet זוג יחיד תעשייתי 2020BASE -T10L, המבטיח לשנת 1 (PAM-3).
SHDSL על רשתות Ethernet
ישנם מודמי SHDSL מנוהלים ולא מנוהלים, אך לסיווג זה יש מעט מן המשותף לחלוקה הרגילה להתקנים מנוהלים ולא מנוהלים שקיימת, למשל, עבור מתגי Ethernet. ההבדל טמון בכלי התצורה והניטור. מודמים מנוהלים מוגדרים באמצעות ממשק אינטרנט וניתנים לאבחון באמצעות SNMP, בעוד שניתן לאבחן מודמים לא מנוהלים באמצעות תוכנה נוספת דרך יציאת המסוף (עבור Phoenix Contact זוהי תוכנית PSI-CONF חינמית וממשק מיני-USB). בניגוד למתגים, מודמים לא מנוהלים יכולים לפעול ברשת עם טופולוגיית טבעת.
אחרת, מודמים מנוהלים ולא מנוהלים זהים לחלוטין, כולל פונקציונליות ויכולת לעבוד על עיקרון Plug&Play, כלומר ללא כל תצורה מקדימה.
בנוסף, מודמים יכולים להיות מצוידים בפונקציות הגנה מפני נחשולי מתח עם היכולת לאבחן אותם. רשתות SHDSL יכולות ליצור מקטעים ארוכים מאוד, ומוליכים יכולים לפעול במקומות שבהם עלולים להתרחש מתחי נחשולים (הפרשי פוטנציאל שנגרמו כתוצאה מפריקות ברק או קצרים בקווי כבלים סמוכים). המתח המושרה יכול לגרום לזרמי פריקה של קילואמפר לזרום. לכן, כדי להגן על הציוד מפני תופעות כאלה, SPDs מובנים במודמים בצורה של לוח נשלף, אותו ניתן להחליף במידת הצורך. קו SHDSL מחובר לגוש המסוף של לוח זה.
טופולוגיות
באמצעות SHDSL על Ethernet, ניתן לבנות רשתות בכל טופולוגיה: נקודה לנקודה, קו, כוכב וטבעת. יחד עם זאת, בהתאם לסוג המודם, ניתן להשתמש גם בקווי תקשורת דו-חוטי וגם בקווי תקשורת עם 2 חוטים לחיבור.
טופולוגיות רשת Ethernet המבוססות על SHDSL
אפשר גם לבנות מערכות מבוזרות עם טופולוגיה משולבת. כל מקטע רשת SHDSL יכול להכיל עד 50 מודמים, ובהתחשב ביכולות הפיזיות של הטכנולוגיה (המרחק בין מודמים הוא 20 ק"מ), אורך המקטע יכול להגיע ל-1000 ק"מ.
אם מותקן מודם מנוהל בראש כל מקטע כזה, ניתן לאבחן את תקינות המקטע באמצעות SNMP. בנוסף, מודמים מנוהלים ולא מנוהלים תומכים בטכנולוגיית VLAN, כלומר מאפשרים לחלק את הרשת לרשתות משנה לוגיות. המכשירים מסוגלים לעבוד גם עם פרוטוקולי העברת נתונים המשמשים במערכות אוטומציה מודרניות (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP וכו').
שמירת ערוצי תקשורת באמצעות SHDSL
SHDSL משמש ליצירת ערוצי תקשורת מיותרים ברשת Ethernet, לרוב אופטיים.
SHDSL וממשק טורי
מודמי SHDSL בעלי ממשק טורי מתגברים על מגבלות המרחק, הטופולוגיה ואיכות המוליכים הקיימות עבור מערכות קוויות מסורתיות המבוססות על מקלטי משדר אסינכרוניים (UART): RS-232 - 15 מ', RS-422 ו-RS-485 - 1200 מ'.
ישנם מודמים עם ממשקים טוריים (RS-232/422/485) הן עבור יישומים אוניברסליים והן עבור יישומים מיוחדים (לדוגמה, עבור Profibus). כל המכשירים הללו שייכים לקטגוריית "לא מנוהלים", ולכן הם מוגדרים ומאובחנים באמצעות תוכנה מיוחדת.
טופולוגיות
ברשתות עם ממשק טורי, באמצעות SHDSL ניתן לבנות רשתות עם טופולוגיות נקודה לנקודה, קו וכוכב. בתוך הטופולוגיה הליניארית, ניתן לשלב עד 255 צמתים לרשת אחת (עבור Profibus - 30).
במערכות הבנויות באמצעות התקני RS-485 בלבד, אין הגבלות על פרוטוקול העברת הנתונים בשימוש, אך טופולוגיות קו וכוכבים אינן אופייניות עבור RS-232 ו-RS-422, ולכן הפעולה של התקני קצה ברשת SHDSL עם טופולוגיות דומות אפשרי רק במצב חצי דופלקס. יחד עם זאת, במערכות עם RS-232 ו-RS-422, יש לספק כתובת למכשיר ברמת הפרוטוקול, דבר שאינו אופייני לממשקים המשמשים לרוב ברשתות נקודה לנקודה.
כאשר מחברים מכשירים בעלי סוגים שונים של ממשקים באמצעות SHDSL, יש צורך לקחת בחשבון את העובדה שאין מנגנון אחד ליצירת חיבור (לחיצת יד) בין מכשירים. עם זאת, עדיין ניתן לארגן חילופי דברים במקרה זה; לשם כך יש לעמוד בתנאים הבאים:
- תיאום תקשורת ובקרת העברת נתונים חייבים להתבצע ברמה של פרוטוקול העברת נתונים מאוחד של מידע;
- כל התקני הקצה חייבים לפעול במצב חצי דופלקס, אשר חייב להיות נתמך גם על ידי פרוטוקול המידע.
פרוטוקול Modbus RTU, הפרוטוקול הנפוץ ביותר עבור ממשקים אסינכרוניים, מאפשר להימנע מכל המגבלות המתוארות ולבנות מערכת אחת עם סוגים שונים של ממשקים.
טופולוגיות רשת טוריות המבוססות על SHDSL
בעת שימוש ב-RS-485 דו-חוטי על ציוד אתה יכול לבנות מבנים מורכבים יותר על ידי שילוב מודמים דרך אוטובוס אחד על מסילת DIN. ניתן להתקין ספק כוח על אותו אוטובוס (במקרה זה, כל המכשירים מופעלים באמצעות האוטובוס) וממירים אופטיים מסדרת PSI-MOS ליצירת רשת משולבת. תנאי חשוב לפעולה של מערכת כזו הוא אותה מהירות של כל מקלטי המשדר.
תכונות נוספות של SHDSL ברשת RS-485
דוגמאות ליישום
טכנולוגיית SHDSL נמצאת בשימוש פעיל בשירותים עירוניים בגרמניה. יותר מ-50 חברות המשרתות מערכות שירות עירוניות משתמשות בחוטי נחושת ישנים כדי לחבר חפצים המופצים ברחבי העיר באמצעות רשת אחת. מערכות בקרה וחשבונאות לאספקת מים, גז ואנרגיה בנויות בעיקר על SHDSL. בין ערים כאלה ניתן למנות את Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder ועוד רבות אחרות.
המערכת הגדולה ביותר מבוססת SHDSL נוצרה בעיר ליבק. למערכת מבנה משולב המבוסס על Ethernet אופטי ו-SHDSL, מחברת 120 עצמים מרוחקים זה מזה ומשתמשת ביותר מ-50 מודמים . כל הרשת מאובחנת באמצעות SNMP. הקטע הארוך ביותר מקלחורסט לנמל התעופה של ליבק הוא באורך 39 ק"מ. הסיבה לכך שחברת הלקוח בחרה ב-SHDSL הייתה שלא כדאי כלכלית ליישם את הפרויקט כולו על אופטיקה, לאור הזמינות של כבלי נחושת ישנים.
העברת נתונים באמצעות טבעת החלקה
דוגמה מעניינת היא העברת נתונים בין עצמים נעים, כמו שנעשה בטורבינות רוח או במכונות פיתול תעשייתיות גדולות. מערכת דומה משמשת לחילופי מידע בין בקרים הממוקמים על הרוטור והסטטור של המפעלים. במקרה זה, מגע הזזה דרך טבעת החלקה משמש להעברת נתונים. דוגמאות כאלה מראות שאין צורך באיש קשר סטטי כדי להעביר נתונים באמצעות SHDSL.
השוואה לטכנולוגיות אחרות
SHDSL לעומת GSM
אם נשווה SHDSL למערכות העברת נתונים המבוססות על GSM (3G/4G), הרי שהיעדר עלויות תפעול הקשורות לתשלומים רגילים למפעיל עבור גישה לרשת הסלולרית מדבר בעד DSL. עם SHDSL, אנו בלתי תלויים באזור הכיסוי, האיכות והאמינות של תקשורת סלולרית במתקן תעשייתי, כולל עמידות בפני הפרעות אלקטרומגנטיות. עם SHDSL אין צורך להגדיר ציוד, מה שמאיץ את הפעלת המתקן. רשתות אלחוטיות מאופיינות בעיכובים גדולים בהעברת נתונים וקושי בהעברת נתונים באמצעות תעבורת רב-שידור (Profinet, Ethernet IP).
אבטחת מידע מדברת בעד SHDSL בשל היעדר הצורך בהעברת נתונים דרך האינטרנט והצורך להגדיר חיבורי VPN לכך.
SHDSL לעומת Wi-Fi
ניתן ליישם הרבה ממה שנאמר עבור GSM גם על Wi-Fi תעשייתי. חסינות נמוכה לרעש, מרחק העברת נתונים מוגבל, תלות בטופולוגיה של האזור ועיכובים בהעברת נתונים מדברים נגד Wi-Fi. החיסרון החשוב ביותר הוא אבטחת המידע של רשתות Wi-Fi, מכיוון שלכל אחד יש גישה לאמצעי העברת הנתונים. עם Wi-Fi כבר אפשר להעביר נתוני IP של Profinet או Ethernet, מה שיהיה קשה עם GSM.
SHDSL לעומת אופטיקה
ברוב המוחלט של המקרים, לאופטיקה יתרון גדול על פני SHDSL, אך במספר יישומים SHDSL מאפשרת לחסוך זמן וכסף בהנחת וריתוך כבלים אופטיים, תוך צמצום הזמן שלוקח להפעיל מתקן. SHDSL אינו דורש מחברים מיוחדים, מכיוון שכבל התקשורת פשוט מחובר למסוף המודם. בשל התכונות המכניות של כבלים אופטיים, השימוש בהם מוגבל ביישומים הכוללים העברת מידע בין עצמים נעים, שבהם מוליכים נחושת נפוצים יותר.
מקור: www.habr.com
