Ondanks de wijdverspreide adoptie van Ethernet-netwerken, blijven DSL-technologieƫn tegenwoordig relevant. DSL wordt nog steeds gebruikt in de zogenaamde 'last mile'-netwerken voor de verbinding van klantapparatuur met netwerken van internetproviders, en recentelijk wordt de technologie steeds vaker toegepast bij de opbouw van lokale netwerken, bijvoorbeeld in industriƫle toepassingen, waar DSL functioneert als aanvulling op Ethernet of veldnetwerken op basis van RS-232/422/485. Dergelijke industriƫle oplossingen worden actief gebruikt in ontwikkelde Europese en Aziatische landen.
DSL is een familie van standaarden die oorspronkelijk zijn ontworpen voor de verzending van digitale gegevens over telefoonlijnen. Historisch gezien was dit de eerste technologie voor breedbandtoegang tot internet, die de DIAL UP en ISDN opvolgde. De grote verscheidenheid aan bestaande DSL-standaarden is te wijten aan het feit dat veel bedrijven, sinds de jaren '80, hebben geprobeerd hun eigen technologie te ontwikkelen en op de markt te brengen.
Al deze ontwikkelingen kunnen worden onderverdeeld in twee grote categorieƫn: asymmetrische (ADSL) en symmetrische (SDSL) technologieƫn. Bij asymmetrische technologieƫn verschilt de snelheid van het inkomende dataverkeer van die van het uitgaande dataverkeer. Bij symmetrische technologieƫn zijn de snelheden voor ontvangst en verzending gelijk.
De meest bekende en wijdverspreide asymmetrische standaarden zijn ADSL (in de laatste versie - ADSL2+) en VDSL (VDSL2), terwijl de symmetrische standaarden HDSL (verouderd profiel) en SHDSL zijn. Ze verschillen van elkaar doordat ze op verschillende frequenties werken, verschillende codering en modulatie op de fysieke verbindingslijn gebruiken. Ook de methoden voor foutcorrectie verschillen, wat zorgt voor een variƫrend niveau van storingstolerantie. Hierdoor heeft elke technologie zijn eigen grenzen wat betreft datasnelheid en transmissiedistantie, afhankelijk van het type en de kwaliteit van de geleider.
Grenzen van verschillende DSL-standaarden
Bij elke DSL-technologie neemt de datasnelheid af naarmate de lengte van de geleider toeneemt. Op de maximale afstanden kan een snelheid van enkele honderden kilobits worden bereikt, maar bij gegevensoverdracht op 200-300 m is de maximale snelheid beschikbaar.
SHDSL heeft een belangrijk voordeel ten opzichte van andere technologieƫn, dat het gebruik ervan in industriƫle toepassingen mogelijk maakt: uitstekende storingsbestendigheid en de mogelijkheid om gegevens van elk type via verschillende soorten geleiders te verzenden. In asymmetrische standaarden ontbreekt dit, en de kwaliteit van de verbinding is sterk afhankelijk van de kwaliteit van de lijn die voor gegevensoverdracht wordt gebruikt. Het wordt bijvoorbeeld aanbevolen om een twisted pair telefoonlijn te gebruiken. In dit geval blijkt een optische kabel een betrouwbaarder alternatief voor ADSL en VDSL te zijn.
Elke paar geĆÆsoleerde geleiders kan voor SHDSL worden gebruikt - koper, aluminium, staal, enz. Oude elektrische bedrading, oude telefoonkabels, en zelfs prikkeldraad van hekken kunnen als transmissiemedia dienen.
De afhankelijkheid van de gegevensoverdrachtsnelheid van SHDSL ten opzichte van afstand en type geleider.
Uit de grafiek die de afhankelijkheid van de gegevensoverdrachtsnelheid van afstand en type geleider voor SHDSL weergeeft, blijkt dat geleiders met een grotere doorsnede het mogelijk maken om informatie over grotere afstanden te verzenden. Dankzij deze technologie kan communicatie tot 20 km georganiseerd worden met een maximaal mogelijke snelheid van 15,3 Mb/s voor een 2-geleider kabel of 30 Mb voor een 4-geleider kabel. In praktische toepassingen kan de overdrachtssnelheid handmatig worden ingesteld, wat nodig kan zijn in omstandigheden met sterke elektromagnetische interferentie of slechte lijnkwaliteit. In dat geval moet de snelheid van de SHDSL-apparaten worden verlaagd om de overdrachtafstand te vergroten. Voor een nauwkeurige berekening van de snelheid op basis van afstand en type geleider kunnen gratis softwaretools worden gebruikt, zoals .
Wat zorgt ervoor dat SHDSL uitstekende storingsbestendigheid heeft?
Het werkingsprincipe van de SHDSL-ontvangerzender kan worden weergegeven in een blokdiagram, waarin een specifieke en onafhankelijke (invariant) sectie vanuit een toepassingsperspectief wordt onderscheiden. De onafhankelijke sectie bestaat uit functionele blokken PMD (Physical Medium Dependent) en PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), terwijl de specifieke sectie de TPS-TC laag (Transmission Protocol-Specific TC Layer) en de interfaces voor gebruikersdata omvat.
De fysieke communicatielijn tussen de zenders en ontvangers (STU) kan bestaan uit een enkel paar of meerdere enkele paren kabels. In het geval van meerdere paren kabels bevat de STU verschillende onafhankelijke PMD-blokken, die zijn verbonden met een enkele PMS-TC.
Functioneel model van de SHDSL-zender/ontvanger (STU)
De TPS-TC-module is afhankelijk van de toepassing waarin het apparaat wordt gebruikt (Ethernet, RS-232/422/485, enz.). Het is verantwoordelijk voor het omzetten van gebruikersgegevens naar SHDSL-formaat, het uitvoeren van multiplexing/demultiplexing en het tijdsynchroniseren van verschillende kanalen voor gebruikersgegevens.
Op het PMS-TC-niveau worden SHDSL-frames gevormd en gesynchroniseerd, evenals scramblen en descramblen.
De PMD-module voert functies uit zoals coderen/decoderen van informatie, modulatie/demodulatie, echo-onderdrukking, afstemming van parameters op de communicatielijn en het tot stand brengen van verbindingen tussen zenders en ontvangers. Juist op het PMD-niveau worden de belangrijkste operaties uitgevoerd die zorgen voor een hoge immunity tegen interferentie van SHDSL, inclusief TCPAM-codering (Trellis-codering met analoge pulserende modulatie), een mechanisme voor gezamenlijke codering en modulatie, waarmee de spectrale efficiƫntie van het signaal verbetert in vergelijking met afzonderlijke methoden. Het werkprincipe van de PMD-module kan ook worden weergegeven in de vorm van een functioneel diagram.
Blokdiagram van de PMD-module
De basis van TC-PAM is het gebruik van een convolutieve coder, die een redundante bitsequentie genereert aan de kant van de SHDSL-zender. Bij elke klokcyclus wordt aan elke bit die in de coder binnenkomt een dubbele bit (dibit) aan de uitgang toegewezen. Op deze manier wordt, tegen een relatief kleine overschot aan bits, de interferentiebestendigheid van de transmissie verhoogd. Het gebruik van Trellis-modulatie maakt het mogelijk om de benodigde bandbreedte voor gegevensoverdracht te verminderen en de hardwarecomponenten te vereenvoudigen, terwijl de verhouding signaal/ruis hetzelfde blijft.
Werking van de Trellis-coder (TC-PAM 16)
Een dubbele bit wordt gevormd als gevolg van een logische operatie van optelling modulo 2 (exclusief 'of') op basis van de invoerbit x1(tn) en de bits x1(tn-1), x1(tn-2), enzovoort (tot 20), die eerder zijn binnengekomen bij de encoder en in de geheugensregisters zijn opgeslagen. Bij de volgende stap van de encoder tn+1 vindt er een verschuiving van de bits in de geheugenlocaties plaats om de logische operatie uit te voeren: bit x1(tn) wordt naar het geheugen verplaatst, waarbij de gehele opgeslagen bitreeks wordt verschoven.
Het algoritme van de convolutionele encoder
Waarheidswaarden tabellen van de optelling modulo 2 operatie
Voor de duidelijkheid is het handig om een toestandsdiagram van de convolutionele encoder te gebruiken, waarmee je kunt zien in welke staat de encoder zich bevindt op de tijdstippen tn, tn+1, enzovoorts, afhankelijk van de invoergegevens. Onder de toestand van de encoder wordt in dit geval een paar waarden van de invoerbit x1(tn) en de bit in de eerste geheugencel x1(tn-1) verstaan. Voor het opstellen van de diagram kan een graaf worden gebruikt, waarvan de knooppunten mogelijke toestanden van de encoder zijn, en de overgangen van de ene toestand naar de andere zijn aangeduid met de overeenkomstige invoerbits x1(tn) en uitvoer dibits $inline$y āy ā(t ā)$inline$.
Toestandsdiagram en overgangsgrafiek van de transmitter convolutionele encoder
In de zender wordt op basis van de ontvangen vier bits (twee uitvoerbits van de encoder en twee databits) een symbool gevormd, waarvoor elke bijbehorende amplitude van het gemoduleerde signaal van de analoog-impulsmodulator is.
De toestand van de 16-bits AIMG in afhankelijkheid van de waarde van het vierbits symbool
Aan de ontvangkant van het signaal vindt het omgekeerde proces plaats ā demodulatie en extractie van de benodigde volgorde van invoerbits van de encoder x1(tn) uit de overbodige code (dubbele bits y0y1(tn)). Deze operatie wordt uitgevoerd door de Viterbi-decoder.
Het algoritme van de decoder is gebaseerd op het berekenen van de foutmetrieken voor alle mogelijke veronderstelde toestanden van de encoder. De foutmetrieken zijn het verschil tussen de ontvangen bits en de veronderstelde bits voor elk mogelijk pad. Als er geen fouten bij de ontvangst zijn, is de foutmetrie van het ware pad 0, omdat er geen discrepantie is in de bits. Voor valse paden zal de meting verschillen van nul, voortdurend toenemen en na verloop van tijd zal de decoder de foutieve weg niet meer berekenen, waardoor alleen het ware pad overblijft.
Toestandsdiagram van de coder, berekend door de Viterbi-decoder van de ontvanger
Maar hoe zorgt dit algoritme voor fouttolerantie? Als we aannemen dat de ontvanger gegevens met een fout heeft ontvangen, blijft de decoder twee paden berekenen met een foutmetriek van 1. Paden met een metriek van 0 bestaan niet meer. De conclusie over welk pad de juiste is, wordt later door het algoritme getrokken op basis van de volgende ontvangen dubbele bits.
Bij de tweede fout zullen er verschillende paden zijn met een metriek van 2, maar het juiste pad zal later worden vastgesteld op basis van de maximum-likelihood-methode (dat wil zeggen de minimale metriek).
Toestandsdiagram van de coder, berekend door de Viterbi-decoder, bij ontvangst van foutieve gegevens
In het bovenstaande voorbeeld werd gebruik gemaakt van het 16-bits algoritme (TC-PAM16), waarmee in Ć©Ć©n symbool drie bits nuttige informatie en een extra bit voor foutbescherming worden verzonden. In TC-PAM16 is een datasnelheid van 192 tot 3840 kbit/s haalbaar. Bij het verhogen van de bitbreedte naar 128 (moderne systemen werken met TC-PAM128) wordt er in elk symbool zes bits nuttige informatie verzonden, met een maximaal haalbare snelheid van 5696 kbit/s tot 15,3 Mb/s.
Het gebruik van puls-amplitudemodulatie (PAM) verbindt SHDSL met verschillende populaire Ethernet-standaarden, zoals gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) of de veelbelovende industriƫle enkelvoudige Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3) die in 2020 op de markt komt.
SHDSL in Ethernet-netwerken
Er zijn beheerde en niet-beheerde SHDSL-modems, maar in deze classificatie is er weinig overeenkomst met de gebruikelijke indeling in beheerde en niet-beheerde apparaten, zoals bijvoorbeeld voor Ethernet-switches. Het verschil ligt in de configuratie- en monitoringsmethoden. Beheerde modems worden ingesteld via een webinterface en kunnen worden gediagnosticeerd via SNMP, terwijl niet-beheerde modems moeten worden geconfigureerd met behulp van aanvullende software via een consolepoort (voor Phoenix Contact is dit het gratis programma PSI-CONF en mini-USB-interface). In tegenstelling tot switches kunnen niet-beheerde modems werken in een ringtopologie netwerk.
Verder zijn beheerde en niet-beheerde modems volledig identiek, inclusief functionaliteit en de mogelijkheid om op basis van Plug & Play te functioneren, dus zonder enige voorafgaande configuratie.
Modems can also be equipped with surge protection features with diagnostic capabilities. SHDSL networks can form very long segments, and conductors may run in areas where surges can occur (induced potential differences caused by lightning strikes or short circuits in nearby cable lines). Induced voltage can cause discharge currents in the kiloampere range. Therefore, to protect equipment from such phenomena, modems incorporate surge protectors in the form of a removable board that can be replaced if necessary. The SHDSL line is connected to the terminal block of this board.
Topologieƫn
Met SHDSL in Ethernet is het mogelijk om netwerken op te bouwen met elke topologie: punt-tot-punt, lijn, ster en ring. Afhankelijk van het type modem kunnen zowel 2-draad als 4-draad communicatielijnen voor de aansluiting worden gebruikt.
Ethernet-netwerk Topologieƫn op basis van SHDSL
Het is ook mogelijk om gedistribueerde systemen met een gecombineerde topologie te bouwen. Elk segment van het SHDSL-netwerk kan maximaal 50 modems bevatten en, rekening houdend met de fysieke mogelijkheden van de technologie (afstand tussen modems van 20 km), kan de lengte van het segment tot 1000 km bedragen.
Als in het hoofd van elk segment een beheerd modem wordt geĆÆnstalleerd, kan de integriteit van het segment worden gediagnosticeerd via SNMP. Bovendien ondersteunen zowel beheerde als niet-beheerde modems de VLAN-technologie, wat betekent dat ze het mogelijk maken om een netwerk in logische subnetten te splitsen. De apparaten kunnen ook werken met gegevensoverdrachtsprotocollen die worden toegepast in moderne automatiseringssystemen (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, enz.).
Het reserveren van communicatiewegen met behulp van SHDSL
SHDSL wordt gebruikt voor het creƫren van reserve communicatiewegen in Ethernet-netwerken, meestal optisch.
SHDSL en seriƫle interfaces
SHDSL-modems met seriƫle interfaces maken het mogelijk om beperkingen qua afstand, topologie en leidingkwaliteit te overwinnen die bestaan voor traditionele draadloze systemen op basis van asynchrone transceivers (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 en RS-485 - 1200 m.
Er zijn modems met seriƫle interfaces (RS-232/422/485) voor zowel algemene als gespecialiseerde toepassingen (bijvoorbeeld voor Profibus). Al deze apparaten vallen onder de categorie 'niet-beheerd', waardoor ze worden ingesteld en gediagnosticeerd met speciale software.
Topologieƫn
In netwerken met een seriĆ«le interface maakt SHDSL het mogelijk netwerken op te bouwen met een punt-tot-punt, lijn- en stertopologie. Binnen de liniaire topologie kunnen tot 255 knooppunten in Ć©Ć©n netwerk worden samengevoegd (voor Profibus ā 30).
In systemen die alleen gebruikmaken van apparaten met de interface RS-485 zijn er geen beperkingen voor het gebruikte gegevensprotocol, maar de topologieƫn lijn en ster zijn ongebruikelijk voor RS-232 en RS-422. Daarom is het gebruik van eindapparaten in een SHDSL-netwerk met dergelijke topologieƫn alleen mogelijk in halfduplexmodus. Tegelijkertijd moet in systemen met RS-232 en RS-422 op protocolniveau de adressering van apparaten worden gegarandeerd, wat ongebruikelijk is voor interfaces die vaak worden gebruikt in punt-tot-puntnetwerken.
Bij het samenvoegen van apparaten met verschillende types interfaces via SHDSL moet rekening worden gehouden met het feit dat er geen uniforme mechanisme is voor het tot stand brengen van een verbinding (handdruk) tussen apparaten. Het is echter nog steeds mogelijk om gegevensuitwisseling te organiseren ā daarvoor moeten de volgende voorwaarden worden vervuld:
- de afstemming van de verbinding en het beheer van de gegevensoverdracht moeten plaatsvinden op het niveau van een uniform informatief gegevensoverdrachtprotocol;
- alle eindapparaten moeten functioneren in halfduplexmodus, wat ook door het informatieve protocol moet worden ondersteund.
Het meest voorkomende protocol voor asynchrone interfaces, Modbus RTU, maakt het mogelijk om alle bovengenoemde beperkingen te omzeilen en een enkel systeem op te bouwen met verschillende types interfaces.
Netwerktopologieƫn met seriƫle interfaces op basis van SHDSL
Bij gebruik van twee-draad RS-485 op apparatuur Met SHDSL kunnen complexere structuren worden gebouwd door modems via Ć©Ć©n bus op een DIN-rail te combineren. Op dezelfde bus kan een voedingseenheid worden geĆÆnstalleerd (in dat geval wordt de voeding van alle apparaten via de bus geleverd) en optische converters van de PSI-MOS-serie voor het creĆ«ren van een gecombineerd netwerk. Een belangrijke voorwaarde voor de werking van zo'n systeem is dat alle zender-ontvangers dezelfde snelheid hebben.
Aanvullende mogelijkheden van SHDSL in een RS-485-netwerk
Voorbeelden van toepassingen
De SHDSL-technologie wordt actief toegepast in de stedelijke nutsvoorzieningen in Duitsland. Meer dan 50 bedrijven die stedelijke nutsvoorzieningen verzorgen, gebruiken oude koperen kabels om verspreide objecten in de stad met elkaar te verbinden. Systemen voor beheer en meting in water-, gas- en energielevering worden voorop gebouwd op SHDSL. Onder dergelijke steden zijn Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder en vele anderen.
Het grootste SHDSL-systeem werd opgezet in de stad LĆ¼beck. Dit systeem heeft een gecombineerde structuur van optisch Ethernet en SHDSL, verbindt 120 van elkaar verwijderde objecten en gebruikt meer dan 50 modems. . Het hele netwerk wordt gediagnosticeerd via SNMP. Het langste segment, van de gemeente Kalkhorst naar de luchthaven van LĆ¼beck, heeft een lengte van 39 km. De reden waarom het opdrachtgeverbedrijf voor SHDSL koos, was dat volledige uitvoering van het project met optische kabels economisch onverstandig was, rekening houdend met de aanwezigheid van oude koperen kabels.
Gegevensoverdracht via een contactring
Een interessant voorbeeld is de gegevensoverdracht tussen bewegende objecten, zoals gedaan in windturbines of grote industriƫle draaiende machines. Een dergelijk systeem wordt gebruikt voor informatie-uitwisseling tussen de controllers die zich op de rotor en het stator van de installaties bevinden. In dit geval wordt een glijdend contact via een contactring gebruikt voor de gegevensoverdracht. Dergelijke voorbeelden tonen aan dat het niet noodzakelijk is om een statisch contact te hebben voor gegevensoverdracht via SHDSL.
Vergelijking met andere technologieƫn
SHDSL vs GSM
Als je SHDSL vergelijkt met datasystemen op basis van GSM (3G/4G), spreekt het ontbreken van operationele kosten, die gepaard gaan met een regelmatige betaling aan de provider voor toegang tot het mobiele netwerk, in het voordeel van DSL. Bij SHDSL zijn we niet afhankelijk van de dekking, kwaliteit en betrouwbaarheid van mobiele verbindingen op industriƫle locaties, inclusief de weerstand tegen elektromagnetische verstoringen. Bij SHDSL is er geen noodzaak voor het configureren van apparatuur, wat de ingebruikname van de locatie versnelt. Draadloze netwerken hebben te maken met hoge vertragingen in de gegevensoverdracht en uitdagingen bij het verzenden van gegevens waarbij multicastverkeer wordt gebruikt (Profinet, Ethernet IP).
In het voordeel van SHDSL spreekt de informatiebeveiliging omdat er geen noodzaak is om gegevens via het internet te verzenden en voor de configuratie van VPN-verbindingen.
SHDSL vs Wi-Fi
Veel van wat over GSM is gezegd, geldt ook voor industriƫle Wi-Fi. Tegen Wi-Fi spreekt de lage weerstand tegen interferentie, beperkte afstand voor gegevensoverdracht, afhankelijkheid van de topologie van het terrein, en vertragingen bij de gegevensoverdracht. Het grootste nadeel is de informatiebeveiliging van Wi-Fi-netwerken, omdat iedereen toegang heeft tot het transmissiemedium. Met Wi-Fi is het al mogelijk om Profinet- of Ethernet IP-gegevens te verzenden, wat moeilijk zou zijn voor GSM.
SHDSL vs glasvezel
Glasvezel heeft in de overweldigende meerderheid grote voordelen ten opzichte van SHDSL, maar in bepaalde toepassingen stelt SHDSL ons in staat om tijd en middelen te besparen op het leggen en lassen van glasvezelkabels, waardoor de tijd voor de ingebruikname van de locatie wordt verkort. Voor SHDSL zijn er geen speciale connectoren nodig, aangezien de communicatiekabel simpelweg op de terminal van de modem wordt aangesloten. Vanwege de mechanische eigenschappen van glasvezelkabels is hun toepassing beperkt in toepassingen met informatieoverdracht tussen bewegende objecten, waar voornamelijk koperen geleiders zijn gebruikt.
Bron: habr.com
