일반 전선을 통해 최대 20km 거리에 걸쳐 데이터를 전송합니까? SHDSL이라면 쉽습니다...

이더넷 네트워크의 광범위한 사용에도 불구하고 DSL 기반 통신 기술은 오늘날에도 여전히 유효합니다. 지금까지 DSL은 가입자 장비를 인터넷 공급자 네트워크에 연결하기 위한 라스트 마일 네트워크에서 찾아볼 수 있으며, 최근에는 DSL이 이더넷을 보완하는 산업 애플리케이션과 같은 로컬 네트워크 구축에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 또는 RS-232/422/485 기반의 필드 네트워크. 유사한 산업 솔루션이 유럽 및 아시아 선진국에서도 활발히 사용되고 있습니다.

DSL은 원래 전화선을 통해 디지털 데이터를 전송하기 위해 고안된 표준 제품군입니다. 역사적으로 이는 DIAL UP과 ISDN을 대체하는 최초의 광대역 인터넷 액세스 기술이 되었습니다. 현재 존재하는 다양한 DSL 표준은 80년대부터 많은 회사가 자체 기술을 개발하고 마케팅하려고 노력했기 때문입니다.

이러한 모든 개발은 비대칭(ADSL) 기술과 대칭(SDSL) 기술이라는 두 가지 큰 범주로 나눌 수 있습니다. 비대칭이란 들어오는 연결의 속도가 나가는 트래픽의 속도와 다른 것을 의미합니다. 대칭이란 수신 속도와 전송 속도가 동일하다는 것을 의미합니다.

실제로 가장 잘 알려져 있고 널리 퍼진 비대칭 표준은 ADSL(최신 버전 - ADSL2+) 및 VDSL(VDSL2), 대칭형 - HDSL(오래된 프로필) 및 SHDSL입니다. 이들은 서로 다른 주파수에서 작동하고 물리적 통신 회선에서 서로 다른 코딩 및 변조 방법을 사용한다는 점에서 서로 다릅니다. 오류 수정 방법도 다르므로 노이즈 내성 수준도 다릅니다. 결과적으로 각 기술에는 도체의 유형과 품질에 따라 데이터 전송 속도와 거리에 고유한 제한이 있습니다.

다양한 DSL 표준의 한계

모든 DSL 기술에서는 케이블 길이가 길어질수록 데이터 전송 속도가 감소합니다. 극한의 거리에서는 수백 킬로비트의 속도를 얻을 수 있지만 200-300m 이상의 데이터를 전송할 때는 가능한 최대 속도를 사용할 수 있습니다.

모든 기술 중에서 SHDSL은 높은 잡음 내성과 데이터 전송을 위해 모든 유형의 도체를 사용할 수 있는 능력 등 산업 응용 분야에서 사용할 수 있는 심각한 이점을 가지고 있습니다. 이는 비대칭 표준의 경우에는 해당되지 않으며 통신 품질은 데이터 전송에 사용되는 회선의 품질에 크게 좌우됩니다. 특히, 꼬인 전화선을 사용하는 것이 좋습니다. 이 경우 ADSL 및 VDSL 대신 광케이블을 사용하는 것이 보다 안정적인 솔루션입니다.

서로 격리된 도체 쌍(구리, 알루미늄, 강철 등)은 SHDSL에 적합합니다. 전송 매체는 오래된 전기 배선, 오래된 전화선, 철조망 울타리 등이 될 수 있습니다.

거리 및 도체 유형에 따른 SHDSL 데이터 전송 속도의 의존성

SHDSL에 대해 제공된 데이터 전송 속도 대 거리 및 도체 유형의 그래프에서 단면적이 큰 도체를 사용하면 더 먼 거리에 걸쳐 정보를 전송할 수 있음을 알 수 있습니다. 이 기술 덕분에 20선 케이블의 경우 최대 15.3Mb/s, 2선 케이블의 경우 30Mb의 속도로 최대 4km 거리에 걸쳐 통신을 구성할 수 있습니다. 실제 애플리케이션에서는 전송 속도를 수동으로 설정할 수 있는데, 이는 전자기 간섭이 강하거나 회선 품질이 좋지 않은 조건에서 필요합니다. 이 경우 전송 거리를 늘리기 위해서는 SHDSL 장치의 속도를 줄여야 합니다. 거리와 도체 유형에 따라 속도를 정확하게 계산하려면 다음과 같은 무료 소프트웨어를 사용할 수 있습니다. Phoenix Contact의 SHDSL 계산기.

SHDSL의 잡음 내성이 높은 이유는 무엇입니까?

SHDSL 트랜시버의 작동 원리는 애플리케이션 관점에서 특정하고 독립적인(불변) 부분이 구별되는 블록 다이어그램의 형태로 표현될 수 있습니다. 독립 부분은 PMD(Physical Medium-Specific TC Layer) 기능 블록과 PMS-TC(Physical Medium-Specific TC Layer) 기능 블록으로 구성되며, 특정 부분은 TPS-TC(Transmission Protocol-Specific TC Layer) 레이어와 사용자 데이터 인터페이스로 구성됩니다.

트랜시버(STU) 간의 물리적 링크는 단일 쌍 또는 다중 단일 쌍 케이블로 존재할 수 있습니다. 여러 케이블 쌍의 경우 STU에는 단일 PMS-TC와 연결된 여러 개의 독립적인 PMD가 포함됩니다.

SHDSL 트랜시버(STU)의 기능 모델

TPS-TC 모듈은 장치가 사용되는 애플리케이션(이더넷, RS-232/422/485 등)에 따라 다릅니다. 그 임무는 사용자 데이터를 SHDSL 형식으로 변환하고, 사용자 데이터의 여러 채널에 대한 다중화/역다중화 및 시간 조정을 수행하는 것입니다.

PMS-TC 수준에서는 SHDSL 프레임이 형성되고 동기화될 뿐만 아니라 스크램블링 및 디스크램블링도 수행됩니다.

PMD 모듈은 정보 인코딩/디코딩, 변조/복조, 에코 제거, 통신 회선의 매개변수 협상 및 트랜시버 간의 연결 설정 기능을 수행합니다. 별도의 신호에 비해 신호의 스펙트럼 효율성을 향상시키는 공동 코딩 및 변조 메커니즘인 TCPAM 코딩(아날로그 펄스 변조를 사용한 격자 코딩)을 포함하여 SHDSL의 높은 잡음 내성을 보장하기 위한 주요 작업이 PMD 수준에서 수행됩니다. 방법. PMD 모듈의 작동 원리는 기능 다이어그램의 형태로 표현될 수도 있습니다.

PMD 모듈 블록 선도

TC-PAM은 SHDSL 송신기 측에서 중복 비트 시퀀스를 생성하는 컨벌루션 인코더 사용을 기반으로 합니다. 각 클록 사이클에서 인코더 입력에 도달하는 각 비트는 출력에 이중 비트(dibit)가 할당됩니다. 따라서 상대적으로 중복성이 적은 대신 전송 잡음 내성이 증가합니다. Trellis 변조를 사용하면 동일한 신호 대 잡음비를 유지하면서 사용되는 데이터 전송 대역폭을 줄이고 하드웨어를 단순화할 수 있습니다.

Trellis 인코더(TC-PAM 16)의 작동 원리

더블 비트는 입력 비트 x2(tn)과 비트 x1(tn-1), x1(tn-1) 등에 기초한 논리적 모듈로 2(배타적 논리합) 추가 연산에 의해 형성됩니다. (총 20개까지 가능) 이는 이전에 인코더 입력에서 수신되어 메모리 레지스터에 저장된 상태로 유지됩니다. 인코더 tn+1의 다음 클록 주기에서 비트는 논리 연산을 수행하기 위해 메모리 셀에서 이동됩니다. 비트 x1(tn)은 메모리로 이동하여 메모리에 저장된 전체 비트 시퀀스를 이동합니다.

컨벌루션 인코더 알고리즘

덧셈 연산 모듈로 2의 진리표

명확성을 위해 컨벌루션 인코더의 상태 다이어그램을 사용하는 것이 편리합니다. 이 다이어그램에서 인코더가 시간 tn, tn+1 등의 상태에 있는지 확인할 수 있습니다. 입력 데이터에 따라. 이 경우의 인코더 상태는 입력 비트 x1(tn)과 첫 번째 메모리 셀의 비트 x1(tn-1)의 값 쌍을 의미한다. 다이어그램을 구성하려면 인코더의 가능한 상태가 있는 정점에 그래프를 사용할 수 있으며 한 상태에서 다른 상태로의 전환은 해당 입력 비트 x1(tn) 및 출력 이중 비트 $inline$y ₀y로 표시됩니다. ₁(t ₀)$인라인$.

송신기 컨벌루션 인코더의 상태 다이어그램 및 전이 그래프

송신기에서는 수신된 XNUMX비트(인코더의 출력 비트 XNUMX개와 데이터 비트 XNUMX개)를 기반으로 기호가 형성되며, 각 기호는 아날로그 펄스 변조기의 변조 신호의 자체 진폭에 해당합니다.

16비트 문자의 값에 따른 XNUMX비트 AIM의 상태

신호 수신기 측에서는 역방향 프로세스가 발생합니다. 즉, 인코더 x0(tn)의 필수 입력 비트 시퀀스의 중복 코드(이중 비트 y1y1(tn))에서 복조 및 선택이 발생합니다. 이 작업은 Viterbi 디코더에 의해 수행됩니다.

디코더 알고리즘은 가능한 모든 예상 인코더 상태에 대한 오류 메트릭 계산을 기반으로 합니다. 오류 메트릭은 수신된 비트와 가능한 각 경로에 대한 예상 비트 간의 차이를 나타냅니다. 수신 오류가 없으면 비트 발산이 없기 때문에 실제 경로 오류 메트릭은 0이 됩니다. 잘못된 경로의 경우 메트릭은 XNUMX과 다르며 지속적으로 증가하며, 일정 시간이 지나면 디코더가 잘못된 경로 계산을 중단하고 실제 경로만 남깁니다.

수신기의 Viterbi 디코더에 의해 계산된 인코더 상태 다이어그램

하지만 이 알고리즘은 어떻게 잡음 내성을 보장합니까? 수신기가 오류가 있는 데이터를 수신했다고 가정하면 디코더는 오류 메트릭이 1인 두 경로를 계속 계산합니다. 오류 메트릭이 0인 경로는 더 이상 존재하지 않습니다. 그러나 알고리즘은 수신된 다음 이중 비트를 기반으로 나중에 어떤 경로가 참인지 결론을 내립니다.

두 번째 오류가 발생하면 메트릭 2의 경로가 여러 개 있게 되지만 나중에 최대 가능성 방법(즉, 최소 메트릭)을 기반으로 올바른 경로가 식별됩니다.

오류가 있는 데이터 수신 시 Viterbi 디코더가 계산한 인코더 상태 다이어그램

위에서 설명한 경우에는 유용한 정보 16비트와 오류 방지를 위한 추가 비트를 하나의 심볼에 전송하는 16비트 시스템(TC-PAM16)의 알고리즘을 예로 들어 살펴보았습니다. TC-PAM192은 3840~128kbps의 데이터 속도를 달성합니다. 비트 깊이를 128(최신 시스템은 TC-PAM5696과 함께 작동)로 늘리면 15,3비트의 유용한 정보가 각 기호에 전송되며 달성 가능한 최대 속도 범위는 XNUMXkbps에서 XNUMXMbps입니다.

아날로그 펄스 변조(PAM)를 사용하면 SHDSL이 기가비트 1000BASE-T(PAM-5), 10기가비트 10GBASE-T(PAM-16) 또는 산업용 단일 쌍 이더넷 2020BASE와 같은 널리 사용되는 여러 이더넷 표준과 유사해집니다. -10년 유망한 T1L(PAM-3).

이더넷 네트워크를 통한 SHDSL

관리형 SHDSL 모뎀과 비관리형 SHDSL 모뎀이 있지만 이 분류는 예를 들어 이더넷 스위치와 같이 존재하는 관리형 장치와 비관리형 장치로의 일반적인 구분과 공통점이 거의 없습니다. 차이점은 구성 및 모니터링 도구에 있습니다. 관리형 모뎀은 웹 인터페이스를 통해 구성되고 SNMP를 통해 진단할 수 있는 반면, 관리되지 않는 모뎀은 콘솔 포트를 통해 추가 소프트웨어를 사용하여 진단할 수 있습니다. Phoenix Contact의 경우 이는 무료 PSI-CONF 프로그램 및 미니 USB 인터페이스입니다. 스위치와 달리 관리되지 않는 모뎀은 링 토폴로지를 사용하는 네트워크에서 작동할 수 있습니다.

그 외에는 관리형 모뎀과 비관리형 모뎀은 사전 구성 없이 플러그 앤 플레이 원칙에 따라 작동하는 기능과 능력을 포함하여 완전히 동일합니다.

또한 모뎀에는 이를 진단할 수 있는 서지 보호 기능이 장착될 수 있습니다. SHDSL 네트워크는 매우 긴 세그먼트를 형성할 수 있으며 도체는 서지 전압(인근 케이블 라인의 낙뢰 방전 또는 단락으로 인해 유발된 전위차)이 발생할 수 있는 장소에서 작동할 수 있습니다. 유도된 전압으로 인해 킬로암페어의 방전 전류가 흐를 수 있습니다. 따라서 이러한 현상으로부터 장비를 보호하기 위해 SPD는 이동식 보드 형태로 모뎀에 내장되어 있으며 필요한 경우 교체할 수 있습니다. SHDSL 라인이 연결되는 것은 이 보드의 터미널 블록입니다.

토폴로지

이더넷을 통해 SHDSL을 사용하면 지점 간, 라인, 스타 및 링 등 모든 토폴로지로 네트워크를 구축할 수 있습니다. 동시에 모뎀 유형에 따라 2선 및 4선 통신선을 모두 사용하여 연결할 수 있습니다.

SHDSL 기반 이더넷 네트워크 토폴로지

결합된 토폴로지로 분산 시스템을 구축하는 것도 가능합니다. 각 SHDSL 네트워크 세그먼트는 최대 50개의 모뎀을 가질 수 있으며, 기술의 물리적 기능(모뎀 간 거리는 20km)을 고려하면 세그먼트 길이는 1000km에 달할 수 있습니다.

관리되는 모뎀이 각 세그먼트의 헤드에 설치된 경우 SNMP를 사용하여 세그먼트의 무결성을 진단할 수 있습니다. 또한 관리형 모뎀과 비관리형 모뎀은 VLAN 기술을 지원합니다. 즉, 네트워크를 논리적 서브넷으로 나눌 수 있습니다. 또한 이 장치는 현대 자동화 시스템(Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP 등)에 사용되는 데이터 전송 프로토콜과 함께 작동할 수 있습니다.

SHDSL을 이용한 통신 채널 예약

SHDSL은 이더넷 네트워크에서 이중화 통신 채널(대부분 광학)을 생성하는 데 사용됩니다.

SHDSL 및 직렬 인터페이스

직렬 인터페이스가 있는 SHDSL 모뎀은 비동기 트랜시버(UART)를 기반으로 하는 기존 유선 시스템(RS-232 - 15m, RS-422 및 RS-485 - 1200m)에 존재하는 거리, 토폴로지 및 도체 품질의 한계를 극복합니다.

범용 애플리케이션과 특수 애플리케이션(예: Profibus) 모두를 위한 직렬 인터페이스(RS-232/422/485)가 있는 모뎀이 있습니다. 이러한 모든 장치는 "관리되지 않는" 범주에 속하므로 특수 소프트웨어를 사용하여 구성 및 진단됩니다.

토폴로지

직렬 인터페이스가 있는 네트워크에서는 SHDSL을 사용하여 지점 간, 라인 및 스타 토폴로지를 갖춘 네트워크를 구축할 수 있습니다. 선형 토폴로지 내에서는 최대 255개의 노드를 하나의 네트워크(Profibus의 경우 - 30)로 결합할 수 있습니다.

RS-485 장치만 사용하여 구축된 시스템에서는 사용되는 데이터 전송 프로토콜에 제한이 없지만 라인 및 스타 토폴로지는 RS-232 및 RS-422에 일반적이지 않으므로 유사한 토폴로지를 가진 SHDSL 네트워크에서 최종 장치의 작동 반이중 모드에서만 가능합니다. 동시에 RS-232 및 RS-422를 사용하는 시스템에서는 장치 주소 지정이 프로토콜 수준에서 제공되어야 하는데, 이는 지점 간 네트워크에서 가장 자주 사용되는 인터페이스에서는 일반적이지 않습니다.

SHDSL을 통해 다양한 유형의 인터페이스를 가진 장치를 연결할 때 장치 간 연결(핸드셰이크)을 설정하는 단일 메커니즘이 없다는 사실을 고려해야 합니다. 그러나 이 경우에도 교환을 조직하는 것은 가능하며 이를 위해서는 다음 조건이 충족되어야 합니다.

• 통신 조정 및 데이터 전송 제어는 통일된 정보 데이터 전송 프로토콜 수준에서 수행되어야 합니다.
• 모든 최종 장치는 반이중 모드에서 작동해야 하며, 이는 정보 프로토콜에서도 지원되어야 합니다.

비동기식 인터페이스를 위한 가장 일반적인 프로토콜인 Modbus RTU 프로토콜을 사용하면 설명된 모든 제한 사항을 피하고 다양한 유형의 인터페이스로 단일 시스템을 구축할 수 있습니다.

SHDSL 기반 직렬 네트워크 토폴로지

장비에서 485선식 RS-XNUMX를 사용하는 경우 Phoenix 연락처 DIN 레일의 하나의 버스를 통해 모뎀을 결합하여 더 복잡한 구조를 구축할 수 있습니다. 전원 공급 장치는 동일한 버스(이 경우 모든 장치는 버스를 통해 전원이 공급됨)와 PSI-MOS 시리즈의 광 변환기에 설치되어 결합된 네트워크를 만들 수 있습니다. 이러한 시스템의 작동을 위한 중요한 조건은 모든 트랜시버의 속도가 동일하다는 것입니다.

RS-485 네트워크에서 SHDSL의 추가 기능

적용 사례

SHDSL 기술은 독일의 지방 공공 시설에서 적극적으로 사용되고 있습니다. 도시 유틸리티 시스템을 제공하는 50개 이상의 회사는 오래된 구리선을 사용하여 도시 전체에 분산된 개체를 하나의 네트워크로 연결합니다. 물, 가스 및 에너지 공급에 대한 제어 및 회계 시스템은 주로 SHDSL을 기반으로 구축됩니다. 그러한 도시 중에는 울름, 마그데부르크, 잉골슈타트, 빌레펠트, 프랑크푸르트 안 데어 오데르 등이 있습니다.

가장 큰 SHDSL 기반 시스템이 Lübeck 시에 만들어졌습니다. 광이더넷과 SHDSL 기반의 결합구조로, 원격지의 120개 사물을 연결하고, 50개 이상의 모뎀을 사용하는 시스템이다. Phoenix 연락처. 전체 네트워크는 SNMP를 사용하여 진단됩니다. Kalkhorst에서 Lübeck 공항까지의 가장 긴 구간은 39km입니다. 클라이언트 회사가 SHDSL을 선택한 이유는 오래된 구리 케이블을 사용할 수 있다는 점을 고려할 때 프로젝트 전체를 광학 장치로 구현하는 것이 경제적으로 실행 가능하지 않았기 때문입니다.

슬립 링을 통한 데이터 전송

흥미로운 예는 풍력 터빈이나 대형 산업용 비틀기 기계에서 수행되는 것과 같이 움직이는 물체 간의 데이터 전송입니다. 유사한 시스템이 플랜트의 회전자와 고정자에 위치한 컨트롤러 간의 정보 교환에 사용됩니다. 이 경우 슬립 링을 통한 슬라이딩 접점을 사용하여 데이터를 전송합니다. 이와 같은 예는 SHDSL을 통해 데이터를 전송하기 위해 정적 접촉이 필요하지 않음을 보여줍니다.

다른 기술과의 비교

SHDSL 대 GSM

SHDSL을 GSM(3G/4G) 기반 데이터 전송 시스템과 비교하면 모바일 네트워크에 액세스하기 위해 운영자에게 정기적으로 지불하는 것과 관련된 운영 비용이 없다는 점에서 DSL이 유리합니다. SHDSL을 통해 우리는 전자기 간섭에 대한 저항을 포함하여 산업 시설에서 모바일 통신의 적용 범위, 품질 및 신뢰성에 영향을 받지 않습니다. SHDSL을 사용하면 장비를 구성할 필요가 없으므로 시설 시운전 속도가 빨라집니다. 무선 네트워크는 데이터 전송이 크게 지연되고 멀티캐스트 트래픽(Profinet, 이더넷 IP)을 사용하여 데이터를 전송하기 어려운 것이 특징입니다.

정보 보안은 인터넷을 통해 데이터를 전송할 필요가 없고 이를 위해 VPN 연결을 구성해야 하기 때문에 SHDSL을 선호합니다.

SHDSL 대 Wi-Fi

GSM에 대해 언급된 내용의 대부분은 산업용 Wi-Fi에도 적용될 수 있습니다. 낮은 소음 내성, 제한된 데이터 전송 거리, 지역 토폴로지에 대한 의존성 및 데이터 전송 지연은 Wi-Fi에 반대됩니다. 가장 중요한 단점은 누구나 데이터 전송 매체에 접근할 수 있기 때문에 Wi-Fi 네트워크의 정보 보안입니다. Wi-Fi를 사용하면 이미 Profinet 또는 이더넷 IP 데이터를 전송할 수 있지만 GSM에서는 어려울 수 있습니다.

SHDSL 대 광학

대부분의 경우 광학은 SHDSL에 비해 큰 이점을 가지고 있지만, 다양한 응용 분야에서 SHDSL을 사용하면 광 케이블 설치 및 용접에 소요되는 시간과 비용을 절약하고 시설 가동에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다. SHDSL은 통신 케이블을 모뎀 단자에 연결하기만 하면 되기 때문에 특별한 커넥터가 필요하지 않습니다. 광케이블의 기계적 특성으로 인해 구리 도체가 더 일반적으로 사용되는 움직이는 물체 간의 정보 전송과 관련된 응용 분야에서는 사용이 제한됩니다.

출처 : habr.com