通常の有線で最大 20 km の距離までデータを送信しますか? SHDSLなら簡単ですが…

イーサネット ネットワークが広く使用されているにもかかわらず、DSL ベースの通信テクノロジは今日でも重要な意味を持っています。これまで、DSL は、加入者機器をインターネット プロバイダー ネットワークに接続するためのラストマイル ネットワークで使用されてきましたが、最近では、DSL がイーサネットを補完するものとして機能する産業用途など、ローカル ネットワークの構築にこの技術が使用されることが増えています。またはRS-232/422/485に基づくフィールドネットワーク。同様の産業ソリューションは、ヨーロッパやアジアの先進国でも積極的に使用されています。

DSL は、もともと電話回線を介してデジタル データを送信するために考案された規格ファミリーです。歴史的には、これはダイヤルアップや ISDN に代わる最初のブロードバンド インターネット アクセス テクノロジとなりました。現在、多種多様な DSL 標準が存在しているのは、80 年代から多くの企業が独自のテクノロジーを開発して販売しようとしたためです。

これらすべての開発は、非対称 (ADSL) テクノロジーと対称 (SDSL) テクノロジーという XNUMX つの大きなカテゴリに分類できます。 非対称とは、受信接続の速度が送信トラフィックの速度と異なる接続を指します。 対称とは、受信速度と送信速度が等しいことを意味します。

実際、最もよく知られ広く普及している非対称規格は、ADSL (最新版では ADSL2+) と VDSL (VDSL2)、対称規格は HDSL (古いプロファイル) と SHDSL です。 それらはすべて、異なる周波数で動作し、物理通信回線で異なる符号化および変調方法を使用するという点で互いに異なります。 エラー訂正方法も異なるため、ノイズ耐性のレベルも異なります。 その結果、各テクノロジーには、導体の種類や品質に依存するなど、データ伝送の速度と距離に独自の制限があります。

さまざまな DSL 規格の制限

どの DSL テクノロジーでも、ケーブルの長さが増加するとデータ転送速度が低下します。極端な距離では数百キロビットの速度を得ることができますが、200 ～ 300 m でデータを送信する場合は最大速度が利用可能です。

すべての技術の中でも、SHDSL には、産業用途での使用を可能にする重大な利点があります。つまり、高いノイズ耐性と、データ伝送にあらゆる種類の導体を使用できるという点です。 非対称規格の場合はこの限りではなく、通信の品質はデータ伝送に使用される回線の品質に大きく依存します。 特に、ツイスト電話ケーブルを使用することをお勧めします。 この場合、より信頼性の高い解決策は、ADSL や VDSL の代わりに光ケーブルを使用することです。

互いに絶縁された導体のペア（銅、アルミニウム、鋼など）は、SHDSL に適しています。伝送媒体には、古い電気配線、古い電話線、有刺鉄線フェンスなどが考えられます。

SHDSL データ伝送速度の距離と導体の種類への依存性

SHDSL のデータ転送速度と距離および導体の種類のグラフから、断面積の大きな導体を使用すると、より長い距離にわたって情報を送信できることがわかります。 このテクノロジーのおかげで、20 線ケーブルの場合は 15.3 Mb/s、2 線ケーブルの場合は 30 Mb の最大可能速度で、最大 4 km の距離にわたる通信を組織することができます。 実際のアプリケーションでは、伝送速度を手動で設定できます。これは、強い電磁干渉や回線品質が悪い状況で必要になります。 この場合、伝送距離を伸ばすためにはSHDSL機器の速度を下げる必要があります。 距離と導体の種類に応じて速度を正確に計算するには、次のようなフリー ソフトウェアを使用できます。 フエニックス・コンタクトのSHDSL計算機.

SHDSL はなぜ耐ノイズ性が高いのでしょうか?

SHDSL トランシーバーの動作原理は、アプリケーションの観点から特定の独立した (不変の) 部分が区別されるブロック図の形式で表すことができます。 独立部分は PMD (物理媒体依存) 機能ブロックと PMS-TC (物理媒体固有 TC 層) 機能ブロックで構成され、特定部分には TPS-TC (伝送プロトコル固有 TC 層) 層とユーザー データ インターフェイスが含まれます。

トランシーバー (STU) 間の物理リンクは、単一ペアまたは複数のシングル ペア ケーブルとして存在できます。 複数のケーブル ペアの場合、STU には、単一の PMS-TC に関連付けられた複数の独立した PMD が含まれます。

SHDSLトランシーバー(STU)の機能モデル

TPS-TC モジュールは、デバイスが使用されるアプリケーション (イーサネット、RS-232/422/485 など) によって異なります。 そのタスクは、ユーザー データを SHDSL 形式に変換し、ユーザー データの複数のチャネルの多重化/逆多重化と時間調整を実行することです。

PMS-TC レベルでは、SHDSL フレームが形成および同期されるだけでなく、スクランブルおよびデスクランブルも行われます。

PMD モジュールは、情報のエンコード/デコード、変調/復調、エコー キャンセル、通信回線上のパラメータ ネゴシエーション、およびトランシーバ間の接続の確立の機能を実行します。 SHDSL の高いノイズ耐性を確保するために主な操作が実行されるのは PMD レベルです。これには、TCPAM コーディング (アナログ パルス変調を使用したトレリス コーディング) が含まれます。これは、個別のコーディングと比較して信号のスペクトル効率を向上させる共同コーディングおよび変調メカニズムです。方法。 PMD モジュールの動作原理は、機能図の形で表すこともできます。

PMDモジュールのブロック図

TC-PAM は、SHDSL 送信機側でビットの冗長シーケンスを生成する畳み込みエンコーダーの使用に基づいています。 各クロック サイクルで、エンコーダ入力に到着する各ビットは、出力でダブル ビット (ダイビット) に割り当てられます。 したがって、比較的わずかな冗長性を犠牲にして、伝送ノイズ耐性が向上します。 トレリス変調を使用すると、同じ信号対雑音比を維持しながら、使用されるデータ送信帯域幅を削減し、ハードウェアを簡素化できます。

トレリスエンコーダ（TC-PAM 16）の動作原理

ダブルビットは、入力ビット x2(tn) とビット x1(tn-1)、x1(tn-1) などに基づく論理モジュロ 2 (排他的論理和) 加算演算によって形成されます。 (合計で最大 20 個あります)。これらは以前にエンコーダー入力で受信され、メモリー レジスターに保存されたままでした。 エンコーダ tn+1 の次のクロック サイクルで、論理演算を実行するためにメモリ セル内のビットがシフトされます。ビット x1(tn) がメモリに移動し、そこに格納されているビット シーケンス全体がシフトされます。

畳み込みエンコーダのアルゴリズム

加算演算モジュロ 2 の真理値表

わかりやすくするために、畳み込みエンコーダーの状態図を使用すると便利です。これにより、時間 tn、tn+1 などでエンコーダーがどのような状態にあるかを確認できます。 入力データに応じて。 この場合、エンコーダ状態とは、入力ビットx1(tn)と最初のメモリセル内のビットx1(tn-1)の値のペアを意味します。 図を構築するには、エンコーダの可能な状態が頂点にあるグラフを使用できます。ある状態から別の状態への遷移は、対応する入力ビット x1(tn) と出力双ビット $inline$y ₀y によって示されます。 ₁(t ₀)$インライン$。

送信機畳み込みエンコーダの状態図と遷移グラフ

送信機では、受信した XNUMX ビット (エンコーダの XNUMX 出力ビットと XNUMX データ ビット) に基づいてシンボルが形成され、それぞれがアナログ パルス変調器の変調信号の独自の振幅に対応します。

16 ビット文字の値に応じた XNUMX ビット AIM の状態

信号受信側では、逆のプロセスが発生します。復調と、エンコーダ x0(tn) の必要な入力ビット シーケンスの冗長コード (ダブル ビット y1y1(tn)) からの選択です。この演算はビタビ復号器によって実行されます。

デコーダ アルゴリズムは、予想されるすべてのエンコーダ状態のエラー メトリックの計算に基づいています。 エラー メトリックは、考えられる各パスの受信ビットと期待ビットの差を指します。 受信エラーがない場合、ビット発散がないため、真のパス エラー メトリックは 0 になります。 偽のパスの場合、メトリックはゼロとは異なり、常に増加し、しばらくするとデコーダは誤ったパスの計算を停止し、真のパスのみが残ります。

受信機のビタビ デコーダによって計算されたエンコーダの状態図

しかし、このアルゴリズムはどのようにしてノイズ耐性を確保するのでしょうか?受信機がデータを誤って受信したと仮定すると、デコーダはエラー メトリックが 1 の 0 つのパスの計算を続けます。エラー メトリックが XNUMX のパスは存在しなくなります。ただし、アルゴリズムは、次に受信したダブル ビットに基づいて、どのパスが真であるかについて結論を出します。

2 番目のエラーが発生すると、メトリック XNUMX のパスが複数存在しますが、正しいパスは後で最尤法 (つまり、最小メトリック) に基づいて特定されます。

エラーのあるデータを受信したときにビタビ デコーダによって計算されるエンコーダの状態図

上記の場合、一例として、16 つのシンボルで 16 ビットの有用な情報とエラー保護のための追加ビットの送信を保証する 16 ビット システム (TC-PAM192) のアルゴリズムを検討しました。 TC-PAM3840 は、128 ～ 128 kbps のデータ レートを実現します。 ビット深度を 5696 に増やすことで (最新のシステムは TC-PAM15,3 で動作します)、XNUMX ビットの有用な情報が各シンボルで送信され、達成可能な最大速度の範囲は XNUMX kbps ～ XNUMX Mbps になります。

アナログ パルス変調 (PAM) を使用することにより、SHDSL は、ギガビット 1000BASE-T (PAM-5)、10 ギガビット 10GBASE-T (PAM-16)、または産業用シングルペア イーサネット 2020BASE などの多くの一般的なイーサネット標準と同様になります。 -10年に期待されるT1L（PAM-3）。

SHDSL over Ethernet ネットワーク

SHDSL モデムにはマネージド モデムとアンマネージド モデムがありますが、この分類は、イーサネット スイッチなどに存在するマネージド デバイスとアンマネージド デバイスへの通常の分類とほとんど共通点がありません。 違いは、構成ツールと監視ツールにあります。 管理対象モデムは Web インターフェイス経由で設定され、SNMP 経由で診断できますが、管理対象外モデムはコンソール ポート経由で追加のソフトウェアを使用して診断できます (フエニックス コンタクトの場合、これは無料の PSI-CONF プログラムとミニ USB インターフェイスです)。 スイッチとは異なり、アンマネージド モデムはリング トポロジのネットワーク内で動作できます。

それ以外の点では、マネージド モデムとアンマネージド モデムは、機能やプラグ アンド プレイ原理に基づいて動作する機能を含め、まったく同じです。つまり、事前設定は必要ありません。

さらに、モデムには、診断機能を備えたサージ保護機能を装備することもできます。 SHDSL ネットワークは非常に長いセグメントを形成する可能性があり、サージ電圧 (雷の放電や近くのケーブル線の短絡によって引き起こされる誘導電位差) が発生する可能性がある場所に導体が配線される可能性があります。 誘導電圧により、数キロアンペアの放電電流が流れる可能性があります。 したがって、このような現象から機器を保護するために、SPD は取り外し可能なボードの形でモデムに組み込まれており、必要に応じて交換できます。 SHDSL線が接続されるのはこの基板の端子台です。

トポロジ

SHDSL over Ethernet を使用すると、ポイントツーポイント、ライン、スター、リングなど、あらゆるトポロジーのネットワークを構築できます。 同時に、モデムの種類に応じて、2 線式と 4 線式の両方の通信回線を使用して接続できます。

SHDSL に基づくイーサネット ネットワーク トポロジ

トポロジを組み合わせて分散システムを構築することも可能です。各 SHDSL ネットワーク セグメントには最大 50 個のモデムを搭載でき、テクノロジーの物理的機能 (モデム間の距離は 20 km) を考慮すると、セグメントの長さは 1000 km に達する可能性があります。

管理対象モデムが各セグメントの先頭にインストールされている場合、SNMP を使用してセグメントの整合性を診断できます。 さらに、マネージド モデムとアンマネージド モデムは VLAN テクノロジーをサポートしています。つまり、ネットワークを論理サブネットに分割できます。 これらのデバイスは、最新のオートメーション システム (Profinet、Ethernet/IP、Modbus TCP など) で使用されるデータ転送プロトコルで動作することもできます。

SHDSLを利用した通信チャネルの予約

SHDSL は、イーサネット ネットワーク (ほとんどの場合は光) に冗長通信チャネルを作成するために使用されます。

SHDSLとシリアルインターフェース

シリアル インターフェイスを備えた SHDSL モデムは、非同期トランシーバ (UART) に基づく従来の有線システム (RS-232 - 15 m、RS-422 および RS-485 - 1200 m) に存在する距離、トポロジ、導体品質の制限を克服します。

汎用アプリケーションと特殊アプリケーション (Profibus など) の両方に対応するシリアル インターフェイス (RS-232/422/485) を備えたモデムがあります。 このようなデバイスはすべて「非管理」カテゴリに属する​​ため、特別なソフトウェアを使用して設定および診断されます。

トポロジ

シリアル インターフェイスを備えたネットワークでは、SHDSL を使用して、ポイントツーポイント、ライン、スター トポロジのネットワークを構築できます。 線形トポロジ内では、最大 255 個のノードを 30 つのネットワークに結合することができます (Profibus - XNUMX の場合)。

RS-485 デバイスのみを使用して構築されたシステムでは、使用するデータ転送プロトコルに制限はありませんが、ライン トポロジとスター トポロジは RS-232 および RS-422 では一般的ではないため、同様のトポロジを持つ SHDSL ネットワーク上のエンド デバイスの動作は困難になります。半二重モードでのみ可能です。 同時に、RS-232 および RS-422 を備えたシステムでは、デバイスのアドレス指定をプロトコル レベルで提供する必要がありますが、これはポイントツーポイント ネットワークで最もよく使用されるインターフェイスでは一般的ではありません。

SHDSL 経由でさまざまなタイプのインターフェイスを持つデバイスを接続する場合、デバイス間の接続 (ハンドシェイク) を確立するための単一のメカニズムが存在しないという事実を考慮する必要があります。 ただし、この場合でも交換を組織することは可能であり、そのためには次の条件を満たす必要があります。

• 通信調整とデータ転送制御は、統一された情報データ転送プロトコルのレベルで実行されなければなりません。
• すべてのエンドデバイスは半二重モードで動作する必要があり、これは情報プロトコルでもサポートされている必要があります。

非同期インターフェイスの最も一般的なプロトコルである Modbus RTU プロトコルを使用すると、前述の制限をすべて回避し、さまざまな種類のインターフェイスを備えた単一システムを構築できます。

SHDSL に基づくシリアル ネットワーク トポロジ

機器で485線式RS-XNUMXを使用する場合 フェニックス・コンタクト DIN レール上の XNUMX つのバスを介してモデムを組み合わせることで、より複雑な構造を構築できます。 電源を同じバス上に設置し（この場合、すべてのデバイスにバス経由で電力が供給されます）、PSI-MOS シリーズの光コンバータを設置して、複合ネットワークを構築できます。 このようなシステムを動作させるための重要な条件は、すべてのトランシーバーの速度が同じであることです。

RS-485 ネットワーク上の SHDSL の追加機能

アプリケーション例

SHDSL テクノロジーは、ドイツの地方公共団体で積極的に使用されています。 都市公共システムにサービスを提供する 50 社以上の企業が、古い銅線を使用して、都市全体に分散しているオブジェクトを XNUMX つのネットワークに接続しています。 水道、ガス、エネルギー供給の制御および会計システムは、主に SHDSL 上に構築されています。 そのような都市には、ウルム、マクデブルク、インゴルシュタット、ビーレフェルト、フランクフルト アン デア オーデルなどが含まれます。

最大の SHDSL ベースのシステムはリューベック市に構築されました。 このシステムは、光イーサネットと SHDSL を組み合わせた構造を持ち、互いに離れた 120 のオブジェクトを接続し、50 以上のモデムを使用します。 フェニックス・コンタクト。 SNMP を使用してネットワーク全体が診断されます。 カルクホルストからリューベック空港までの最長区間は 39 km です。 クライアント企業が SHDSL を選択した理由は、古い銅線ケーブルが利用可能であることを考えると、プロジェクトを完全に光だけで実装するのは経済的に採算が合わなかったためです。

スリップリングを介したデータ伝送

興味深い例は、風力タービンや大型の工業用撚り機などで行われる、移動する物体間のデータ転送です。 同様のシステムが、プラントのローターとステーターに配置されたコントローラー間の情報交換に使用されます。 この場合、データの送信にはスリップリングを介した摺動接点が使用されます。 このような例は、SHDSL 経由でデータを送信するために静的な接触が必要ないことを示しています。

他の技術との比較

SHDSL 対 GSM

SHDSL を GSM (3G/4G) ベースのデータ伝送システムと比較すると、モバイル ネットワークへのアクセスに対する通信事業者への定期的な支払いに伴う運用コストがかからないという点で、DSL が有利になります。 SHDSL を使用すると、電磁干渉に対する耐性を含む、産業施設でのモバイル通信のサービスエリア、品質、信頼性に影響されません。 SHDSL を使用すると、機器を構成する必要がないため、施設のコミッショニングが迅速化されます。ワイヤレス ネットワークは、データ送信の大幅な遅延と、マルチキャスト トラフィック (Profinet、イーサネット IP) を使用したデータ送信の困難という特徴があります。

情報セキュリティでは、インターネット経由でデータを転送する必要がなく、そのために VPN 接続を構成する必要がないため、SHDSL が有利です。

SHDSL と Wi-Fi の比較

GSM について述べたことの多くは、産業用 Wi-Fi にも適用できます。 Wi-Fi には、低いノイズ耐性、限られたデータ伝送距離、エリアのトポロジへの依存、データ伝送の遅延などが挙げられます。 最も重要な欠点は、誰でもデータ伝送媒体にアクセスできるため、Wi-Fi ネットワークの情報セキュリティです。 Wi-Fi を使用すると、GSM では困難な Profinet または Ethernet IP データの送信がすでに可能になります。

SHDSL と光学系の比較

ほとんどの場合、光は SHDSL よりも大きな利点がありますが、多くのアプリケーションでは、SHDSL を使用すると、光ケーブルの敷設と溶接にかかる時間と費用が節約され、施設の稼働にかかる時間が短縮されます。 SHDSLは通信ケーブルをモデム端末に接続するだけなので特別なコネクタは必要ありません。光ケーブルの機械的特性により、その使用は、銅導体の方が一般的である移動物体間の情報転送を伴う用途に限定されます。

出所： habr.com