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

이더넷 네트워크가 널리 사용됨에도 불구하고, DSL 기반 통신 기술은 오늘날에도 여전히 중요한 역할을 하고 있습니다. DSL은 가입자 장비를 인터넷 사업자 네트워크에 연결하는 라스트 마일 네트워크에서 여전히 사용되고 있으며, 최근에는 산업용 애플리케이션 등에서 로컬 네트워크 구축에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. DSL은 이더넷이나 RS-232/422/485 기반 현장 네트워크에 추가적으로 사용됩니다. 이러한 산업용 솔루션은 선진국(유럽 및 아시아)에서 활발하게 사용되고 있습니다.

DSL은 원래 전화선을 통해 디지털 데이터를 전송하기 위해 고안된 표준 체계입니다. 역사적으로 DSL은 DIAL UP과 ISDN을 대체하며 최초의 광대역 인터넷 접속 기술이었습니다. 현재 다양한 DSL 표준이 존재하는 것은 80년대부터 많은 기업들이 자체 기술을 개발하고 시장에 홍보해 온 데 기인합니다.

이러한 모든 발전은 크게 비대칭(ADSL)과 대칭(SDSL) 기술, 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 비대칭은 수신 연결 속도가 발신 트래픽 속도와 다른 것을 의미합니다. 대칭은 수신 속도와 전송 속도가 동일한 것을 의미합니다.

가장 유명하고 널리 사용되는 비대칭 표준은 ADSL(최신 버전 - ADSL2+)과 VDSL(VDSL2), 대칭형 - HDSL(구형 프로파일)과 SHDSL입니다. 이러한 표준은 모두 서로 다른 주파수에서 작동하고, 물리적 통신 회선에서 서로 다른 코딩 및 변조 방식을 사용한다는 점에서 서로 다릅니다. 오류 정정 방식 또한 서로 다르기 때문에 제공되는 잡음 내성 수준도 다릅니다. 따라서 각 기술은 도체의 종류와 품질에 따라 데이터 전송 속도와 거리에 있어 고유한 한계를 갖습니다.

다양한 DSL 표준의 한계

모든 DSL 기술에서 데이터 전송 속도는 도체 길이가 길어질수록 감소합니다. 최대 거리에서는 수백 킬로비트의 속도를 얻을 수 있지만, 200~300m 거리에서는 최대 속도를 낼 수 있습니다.

모든 기술 중에서 SHDSL은 산업 분야에서 활용될 수 있는 중요한 장점을 가지고 있습니다. 바로 높은 잡음 내성과 모든 유형의 도체를 데이터 전송에 사용할 수 있다는 점입니다. 비대칭 표준은 이러한 장점을 제공하지 않으며, 통신 품질은 데이터 전송에 사용되는 회선의 품질에 크게 좌우됩니다. 특히 꼬인 전화선을 사용하는 것이 권장됩니다. 이 경우 ADSL이나 VDSL 대신 광케이블을 사용하는 것이 더 안정적인 솔루션입니다.

구리, 알루미늄, 강철 등 서로 절연된 모든 도체 쌍은 SHDSL에 적합합니다. 오래된 전기 배선, 오래된 전화선, 철조망 등을 전송 매체로 사용할 수 있습니다.

SHDSL 데이터 전송 속도는 거리 및 도체 유형에 따라 달라집니다.

SHDSL에 대해 거리 및 도체 유형에 따른 데이터 전송 속도 의존성 그래프를 보면, 단면적이 큰 도체가 더 먼 거리에 걸쳐 정보를 전송할 수 있음을 알 수 있습니다. 이 기술 덕분에 최대 20km 거리에서 15.3선 케이블의 경우 최대 2Mbps, 30선 케이블의 경우 최대 4Mbps의 속도로 통신을 구성할 수 있습니다. 실제 적용에서는 전송 속도를 수동으로 설정할 수 있는데, 이는 강한 전자파 간섭이나 불량한 회선 품질 조건에서 필수적입니다. 이 경우 전송 거리를 늘리려면 SHDSL 장치의 속도를 낮춰야 합니다. 거리와 도체 유형에 따른 속도를 정확하게 계산하려면 다음과 같은 무료 소프트웨어 도구를 사용할 수 있습니다. Phoenix Contact의 SHDSL 계산기.

SHDSL이 높은 소음 저항성을 갖는 이유는 무엇입니까?

SHDSL 트랜시버의 작동 원리는 블록 다이어그램으로 표현할 수 있으며, 응용 관점에서 특정 부분과 독립(불변) 부분으로 구분됩니다. 독립 부분은 PMD(물리적 매체 의존) 및 PMS-TC(물리적 매체 특정 TC 계층) 기능 블록으로 구성되고, 특정 부분은 TPS-TC(전송 프로토콜 특정 TC 계층) 레벨 및 사용자 데이터 인터페이스를 포함합니다.

트랜시버(STU) 간의 물리적 연결은 단일 쌍 또는 여러 개의 단일 쌍 케이블로 구성될 수 있습니다. 여러 케이블 쌍이 있는 경우, STU는 단일 PMS-TC와 연결된 여러 개의 독립적인 PMD 장치를 포함합니다.

SHDSL 트랜시버 장치(STU)의 기능 모델

TPS-TC 모듈은 장치가 사용되는 애플리케이션(이더넷, RS-232/422/485 등)에 따라 달라집니다. 이 모듈의 역할은 사용자 데이터를 SHDSL 형식으로 변환하고, 여러 사용자 데이터 채널의 다중화/역다중화 및 시간 조정을 수행하는 것입니다.

PMS-TC 수준에서는 SHDSL 프레임이 형성되고 동기화되며, 스크램블링과 디스크램블링이 수행됩니다.

PMD 모듈은 정보 인코딩/디코딩, 변복조, 에코 제거, 통신 회선 파라미터 매칭, 그리고 송수신기 간 연결 설정 기능을 수행합니다. SHDSL의 높은 잡음 내성을 보장하기 위해 주요 동작은 PMD 레벨에서 수행됩니다. 여기에는 TCPAM 인코딩(아날로그 펄스 변조를 이용한 트렐리스 인코딩)이 포함됩니다. TCPAM 인코딩은 인코딩과 변조를 결합하는 메커니즘으로, 개별 방식보다 신호의 스펙트럼 효율을 향상시킵니다. PMD 모듈의 작동 원리는 기능 다이어그램으로도 표현할 수 있습니다.

PMD 모듈의 블록 다이어그램

TC-PAM은 SHDSL 송신기 측에서 중복 비트 시퀀스를 형성하는 컨볼루션 코더를 기반으로 합니다. 각 연산 사이클에서 코더 입력으로 들어오는 각 비트는 출력에서 ​​이중 비트(dibit)로 할당됩니다. 따라서 상대적으로 적은 중복성을 희생하면서 전송의 잡음 내성이 향상됩니다. 트렐리스 변조를 사용하면 사용 데이터 전송 주파수 대역을 줄이고 신호 대 잡음비를 그대로 유지하면서 하드웨어를 간소화할 수 있습니다.

트렐리스 인코더(TC-PAM 16)의 작동 원리

이중 비트는 입력 비트 x2(tn)과 이전에 인코더에 입력되어 메모리 레지스터에 저장된 비트 x1(tn-1), x1(tn-1) 등(총 2개까지 가능)을 기반으로 하는 모듈로 20 덧셈 논리 연산(배타적 "or")의 결과로 생성됩니다. 인코더 연산 tn+1의 다음 사이클에서 논리 연산을 수행하기 위해 메모리 셀의 비트 이동이 발생합니다. 비트 x1(tn)이 메모리로 이동하면서 메모리에 저장된 전체 비트 시퀀스가 ​​이동합니다.

합성곱 인코더 알고리즘

모듈로 2의 덧셈 연산에 대한 진리표

명확성을 위해, 입력 데이터에 따라 tn, tn+1 등의 시간에서 인코더의 상태를 보여주는 합성곱 인코더의 상태 다이어그램을 사용하는 것이 편리합니다. 이 경우, 인코더의 상태는 입력 비트 x1(tn)과 첫 번째 메모리 셀 x1(tn-1)의 비트 값 쌍입니다. 이 다이어그램을 구성하려면 정점에 인코더의 가능한 상태가 포함되어 있고, 한 상태에서 다른 상태로의 전환은 해당 입력 비트 x1(tn)과 출력 쌍비트 $inline$y₀y₁(t₀)$inline$으로 표시되는 그래프를 사용할 수 있습니다.

합성곱 인코더 송신기의 상태 다이어그램 및 전이 그래프

송신기에서는 수신된 4비트(인코더의 출력 비트 2개와 데이터 비트 2개)를 기반으로 심볼이 형성되며, 각 심볼은 아날로그 펄스 변조기의 변조 신호의 진폭에 해당합니다.

16비트 심볼의 값에 따른 XNUMX비트 AIM의 상태

신호의 수신 측에서는 역과정이 발생합니다. 즉, 인코더 x0(tn)의 필요한 입력 비트 시퀀스를 중복 코드(이중 비트 y1y1(tn))에서 복조하고 추출하는 과정이 진행됩니다. 이 동작은 비터비 디코더에 의해 수행됩니다.

디코더 알고리즘은 가능한 모든 가정된 인코더 상태에 대한 오류 메트릭을 계산하는 데 기반합니다. 오류 메트릭은 각 경로에 대해 수신된 비트와 가정된 비트의 차이입니다. 수신 시 오류가 없으면 비트에 차이가 없으므로 실제 경로의 오류 메트릭은 0이 됩니다. 잘못된 경로의 경우, 메트릭은 XNUMX에서 벗어나 지속적으로 증가하며, 일정 시간이 지나면 디코더는 오류 경로 계산을 중단하고 실제 경로만 남깁니다.

수신기의 Viterbi 디코더가 계산한 인코더 상태 다이어그램

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

두 번째 오류가 발생하면 메트릭 2를 갖는 경로가 여러 개 발생하지만, 올바른 경로는 나중에 최대 우도법(즉, 최소 메트릭)을 기반으로 드러납니다.

오류가 있는 데이터를 수신할 때 Viterbi 디코더가 계산한 인코더 상태 다이어그램

위에서 설명한 사례에서, 16비트 시스템(TC-PAM16) 알고리즘을 예로 들어, 한 심볼에 16비트의 유용한 정보와 오류 방지를 위한 추가 비트를 전송하도록 했습니다. TC-PAM192에서는 데이터 전송 속도가 3840kbps에서 128kbps까지 가능합니다. 비트 심도가 128(최신 시스템은 TC-PAM5696을 사용)로 증가하면, 각 심볼에 15,3비트의 유용한 정보가 전송되며, 최대 전송 속도는 XNUMXkbps에서 XNUMXMbps입니다.

펄스파 변조(PAM)를 사용하므로 SHDSL은 기가비트 1000BASE-T(PAM-5), 10기가비트 10GBASE-T(PAM-16) 또는 2020년의 유망한 산업용 싱글 페어 이더넷 10BASE-T1L(PAM-3)과 같은 여러 인기 있는 이더넷 표준과 유사합니다.

이더넷 네트워크의 SHDSL

관리형 SHDSL 모뎀과 비관리형 SHDSL 모뎀이 있지만, 이러한 분류는 이더넷 스위치와 같은 일반적인 관리형 및 비관리형 장치 구분과는 거의 공통점이 없습니다. 차이점은 구성 및 모니터링 도구에 있습니다. 관리형 모뎀은 웹 인터페이스를 통해 구성되고 SNMP를 통해 진단할 수 있으며, 비관리형 모뎀은 콘솔 포트를 통해 추가 소프트웨어를 사용합니다(Phoenix Contact의 경우 무료 PSI-CONF 프로그램과 미니 USB 인터페이스). 스위치와 달리 비관리형 모뎀은 링 토폴로지 네트워크에서 작동할 수 있습니다.

그 외에는 관리형 모뎀과 비관리형 모뎀은 기능과 플러그 앤 플레이 원칙에 따라 작동할 수 있는 능력, 즉 사전 구성 없이 작동할 수 있는 능력 등에서 완전히 동일합니다.

또한, 모뎀에는 진단 기능을 갖춘 임펄스 과전압 보호 기능이 할당될 수 있습니다. SHDSL 네트워크는 매우 긴 구간을 형성할 수 있으며, 도체는 임펄스 과전압(낙뢰 방전이나 인근 케이블 회선의 단락으로 인해 발생하는 유도 전위차)이 발생할 수 있는 지점을 통과할 수 있습니다. 유도 전압은 킬로암페어(kA)의 방전 전류를 유발할 수 있습니다. 따라서 이러한 현상으로부터 장비를 보호하기 위해 모뎀에 착탈식 기판 형태의 SPD가 내장되어 있으며, 필요에 따라 교체할 수 있습니다. SHDSL 회선은 이 기판의 단자대에 연결됩니다.

토폴로지

이더넷에서 SHDSL을 사용하면 점대점, 회선, 스타, 링 등 모든 토폴로지의 네트워크를 구축할 수 있습니다. 또한, 연결 모뎀 유형에 따라 2선식 및 4선식 통신 회선을 모두 사용할 수 있습니다.

SHDSL 기반 이더넷 네트워크 토폴로지

결합된 토폴로지를 사용하여 분산 시스템을 구축하는 것도 가능합니다. SHDSL 네트워크의 각 세그먼트는 최대 50개의 모뎀을 가질 수 있으며, 기술의 물리적 성능(모뎀 간 거리가 20km)을 고려할 때 세그먼트 길이는 최대 1000km에 달할 수 있습니다.

각 세그먼트의 헤드에 관리형 모뎀이 설치된 경우, SNMP를 통해 세그먼트의 무결성을 진단할 수 있습니다. 또한, 관리형 모뎀과 비관리형 모뎀은 VLAN 기술을 지원하여 네트워크를 논리적 서브넷으로 분할할 수 있습니다. 또한, 이 장치들은 최신 자동화 시스템에 사용되는 데이터 전송 프로토콜(Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP 등)을 사용할 수 있습니다.

SHDSL을 사용한 채널 중복성

SHDSL은 이더넷 네트워크에서 백업 통신 채널을 만드는 데 사용되며, 대부분은 광통신입니다.

SHDSL 및 직렬 인터페이스

직렬 인터페이스가 있는 SHDSL 모뎀을 사용하면 비동기 수신기/송신기(UART) 기반의 기존 유선 시스템에서 발생하는 거리, 토폴로지 및 전선 품질 제한을 극복할 수 있습니다. RS-232 - 15m, RS-422 및 RS-485 - 1200m.

범용 및 특수 용도(예: Profibus) 모두에 사용할 수 있는 직렬 인터페이스(RS-232/422/485)를 갖춘 모뎀이 있습니다. 이러한 모든 장치는 "관리되지 않음"으로 분류되므로 특수 소프트웨어를 사용하여 구성 및 진단합니다.

토폴로지

직렬 인터페이스가 있는 네트워크에서 SHDSL을 사용하면 점대점, 라인, 스타 토폴로지 네트워크를 구축할 수 있습니다. 선형 토폴로지에서는 최대 255개의 노드를 하나의 네트워크로 결합할 수 있습니다(Profibus의 경우 30개).

RS-485 인터페이스 장치만 사용하여 구축된 시스템에서는 데이터 전송 프로토콜에 제한이 없지만, RS-232 및 RS-422에서는 라인 및 스타 토폴로지가 일반적이지 않으므로 이러한 토폴로지를 사용하는 SHDSL 네트워크에서 종단 장치는 반이중 모드로만 작동합니다. 동시에, RS-232 및 RS-422 시스템에서는 프로토콜 수준에서 장치 주소를 지정해야 하는데, 이는 지점 간 네트워크에서 가장 많이 사용되는 인터페이스에서는 일반적이지 않습니다.

SHDSL을 통해 서로 다른 유형의 인터페이스를 가진 장치를 결합할 때, 장치 간 연결(핸드셰이크)을 설정하는 단일 메커니즘이 없다는 점을 고려해야 합니다. 그러나 이 경우에도 교환을 구성할 수 있습니다. 이를 위해서는 다음 조건이 충족되어야 합니다.

• 통신 조정 및 데이터 전송 제어는 단일 정보 데이터 전송 프로토콜 수준에서 수행되어야 합니다.
• 모든 종단 장치는 반이중 모드로 작동해야 하며, 이는 정보 프로토콜에서도 지원되어야 합니다.

비동기 인터페이스에 가장 일반적으로 사용되는 프로토콜인 Modbus RTU를 사용하면 설명된 모든 제한을 피하고 다양한 유형의 인터페이스를 갖춘 단일 시스템을 구축할 수 있습니다.

SHDSL 기반 직렬 네트워크 토폴로지

장비에 485선식 RS-XNUMX를 사용하는 경우 Phoenix 연락처 DIN 레일의 단일 버스를 통해 모뎀을 결합하면 더욱 복잡한 구조를 구축할 수 있습니다. 전원 공급 장치를 동일한 버스(이 경우 모든 장치에 전원이 공급됨)에 설치하고 PSI-MOS 시리즈 광 변환기를 사용하여 통합 네트워크를 구축할 수 있습니다. 이러한 시스템 작동의 중요한 조건은 모든 트랜시버의 속도가 동일해야 한다는 것입니다.

RS-485 네트워크의 추가 SHDSL 기능

적용 사례

SHDSL 기술은 독일의 지방 공공 서비스에서 활발하게 활용되고 있습니다. 50개 이상의 지방 공공 서비스 회사가 오래된 구리선을 사용하여 도시 전역에 분산된 시설들을 단일 네트워크로 연결합니다. SHDSL은 주로 수도, 가스, 에너지 공급을 위한 제어 및 회계 시스템 구축에 사용됩니다. 울름, 마그데부르크, 잉골슈타트, 빌레펠트, 프랑크푸르트안데어오데르 등 여러 도시가 이러한 기술을 활용하고 있습니다.

최대 규모의 SHDSL 기반 시스템이 뤼베크 시에 구축되었습니다. 이 시스템은 광 이더넷과 SHDSL을 기반으로 하는 결합된 구조를 가지고 있으며, 120개의 원격 사이트를 연결하고 50개 이상의 모뎀을 사용합니다. Phoenix 연락처전체 네트워크는 SNMP를 통해 진단됩니다. 칼호르스트에서 뤼베크 공항까지 가장 긴 구간은 39km입니다. 고객이 SHDSL을 선택한 이유는 기존 구리 케이블의 존재로 인해 프로젝트를 전적으로 광섬유로 구현하는 것이 경제적으로 타당하지 않았기 때문입니다.

슬립링을 통한 데이터 전송

흥미로운 예로 풍력 터빈이나 대형 산업용 회전 기계처럼 움직이는 물체 간의 데이터 전송을 들 수 있습니다. 설비의 회전자와 고정자에 위치한 제어기 간의 정보 교환에도 유사한 시스템이 사용됩니다. 이 경우, 슬립링을 통한 슬라이딩 접점을 사용하여 데이터를 전송합니다. 이러한 예들은 SHDSL을 통해 데이터를 전송하는 데 정적 접점이 반드시 필요하지 않음을 보여줍니다.

다른 기술과의 비교

SHDSL 대 GSM

SHDSL을 GSM 기반 데이터 전송 시스템(3G/4G)과 비교할 때, 모바일 네트워크 접속을 위해 통신사에 정기적으로 요금을 지불해야 하는 운영 비용이 없다는 점이 DSL의 장점을 뒷받침합니다. SHDSL은 산업 시설의 모바일 통신 서비스 범위, 품질 및 안정성(전자파 간섭 내성 포함)에 의존하지 않습니다. SHDSL은 장비 구성이 필요하지 않아 시설 가동 속도가 빨라집니다. 무선 네트워크는 데이터 전송 지연 시간이 길고 멀티캐스트 트래픽(Profinet, 이더넷 IP)을 사용하는 데이터 전송이 어렵다는 특징이 있습니다.

정보 보안 측면에서 SHDSL은 인터넷을 통해 데이터를 전송할 필요가 없고 이를 위해 VPN 연결을 구성할 필요도 없기 때문에 SHDSL을 선호합니다.

SHDSL 대 Wi-Fi

GSM에 대해 언급된 내용의 상당 부분은 산업용 Wi-Fi에도 적용될 수 있습니다. Wi-Fi의 단점으로는 낮은 잡음 내성, 제한된 데이터 전송 거리, 지형 지형에 따른 의존성, 그리고 데이터 전송 지연 등이 있습니다. 가장 큰 단점은 Wi-Fi 네트워크의 정보 보안성인데, 이는 누구나 데이터 전송 환경에 접근할 수 있기 때문입니다. Wi-Fi를 사용하면 GSM에서는 어려울 수 있는 Profinet 또는 Ethernet IP 데이터 전송이 이미 가능합니다.

SHDSL 대 광섬유

대부분의 경우 광학은 SHDSL보다 큰 이점을 제공하지만, 일부 응용 분야에서는 SHDSL을 통해 광케이블 설치 및 용접 시간과 비용을 절감하고 시설 시운전 시간을 단축할 수 있습니다. SHDSL은 통신 케이블을 모뎀 단자에 연결하기만 하면 되므로 특수 커넥터가 필요하지 않습니다. 광케이블의 기계적 특성으로 인해, 구리 도체가 더 널리 사용되는 이동 물체 간 정보 전송과 관련된 응용 분야에서는 사용이 제한됩니다.

출처 : habr.com