Ondanks het wijdverbreide gebruik van Ethernet-netwerken blijven op DSL gebaseerde communicatietechnologieën tot op de dag van vandaag relevant. Tot nu toe is DSL te vinden in last-mile-netwerken voor het verbinden van abonneeapparatuur met netwerken van internetproviders, en recentelijk wordt de technologie steeds vaker gebruikt bij de aanleg van lokale netwerken, bijvoorbeeld in industriële toepassingen, waar DSL fungeert als aanvulling op Ethernet of veldnetwerken gebaseerd op RS-232/422/485. Soortgelijke industriële oplossingen worden actief gebruikt in ontwikkelde Europese en Aziatische landen.
DSL is een familie van standaarden die oorspronkelijk zijn ontworpen voor het verzenden van digitale gegevens via telefoonlijnen. Historisch gezien werd het de eerste technologie voor breedbandinternettoegang, ter vervanging van DIAL UP en ISDN. De grote verscheidenheid aan DSL-standaarden die momenteel bestaan, is te danken aan het feit dat veel bedrijven vanaf de jaren 80 probeerden hun eigen technologie te ontwikkelen en op de markt te brengen.
Al deze ontwikkelingen kunnen worden onderverdeeld in twee grote categorieën: asymmetrische (ADSL) en symmetrische (SDSL) technologieën. Asymmetrisch verwijst naar verbindingen waarbij de snelheid van de inkomende verbinding verschilt van de snelheid van uitgaand verkeer. Met symmetrisch bedoelen we dat de ontvangst- en transmissiesnelheden gelijk zijn.
De meest bekende en wijdverspreide asymmetrische standaarden zijn in feite ADSL (in de nieuwste editie - ADSL2+) en VDSL (VDSL2), symmetrisch - HDSL (verouderd profiel) en SHDSL. Ze verschillen allemaal van elkaar doordat ze op verschillende frequenties werken en verschillende coderings- en modulatiemethoden gebruiken op de fysieke communicatielijn. De foutcorrectiemethoden verschillen ook, wat resulteert in verschillende niveaus van ruisimmuniteit. Als gevolg hiervan heeft elke technologie zijn eigen limieten in de snelheid en afstand van datatransmissie, onder meer afhankelijk van het type en de kwaliteit van de geleider.
Limieten van verschillende DSL-standaarden
Bij elke DSL-technologie neemt de gegevensoverdrachtsnelheid af naarmate de kabellengte toeneemt. Op extreme afstanden is het mogelijk om snelheden van enkele honderden kilobits te behalen, maar bij het verzenden van gegevens over 200-300 m is de maximaal mogelijke snelheid beschikbaar.
Van alle technologieën heeft SHDSL een serieus voordeel dat het mogelijk maakt om het in industriële toepassingen te gebruiken: hoge ruisimmuniteit en de mogelijkheid om elk type geleider te gebruiken voor datatransmissie. Bij asymmetrische standaarden is dit niet het geval, en de kwaliteit van de communicatie is sterk afhankelijk van de kwaliteit van de lijn die voor datatransmissie wordt gebruikt. In het bijzonder wordt het gebruik van een gedraaide telefoonkabel aanbevolen. In dit geval is een betrouwbaardere oplossing het gebruik van een optische kabel in plaats van ADSL en VDSL.
Elk paar van elkaar geïsoleerde geleiders is geschikt voor SHDSL - koper, aluminium, staal, enz. Het transmissiemedium kan oude elektrische bedrading, oude telefoonlijnen, prikkeldraadhekken, enz. zijn.
Afhankelijkheid van de SHDSL-datatransmissiesnelheid van de afstand en het type geleider
Uit de grafiek van gegevensoverdrachtsnelheid versus afstand en type geleider voor SHDSL kunt u zien dat geleiders met een grote doorsnede u in staat stellen informatie over een grotere afstand te verzenden. Dankzij de technologie is het mogelijk om communicatie te organiseren over een afstand van maximaal 20 km met een maximaal mogelijke snelheid van 15.3 Mb/s voor een 2-draads kabel of 30 Mb voor een 4-draads kabel. In echte toepassingen kan de transmissiesnelheid handmatig worden ingesteld, wat nodig is bij sterke elektromagnetische interferentie of slechte lijnkwaliteit. In dit geval is het, om de transmissieafstand te vergroten, noodzakelijk om de snelheid van SHDSL-apparaten te verlagen. Om de snelheid afhankelijk van de afstand en het type geleider nauwkeurig te berekenen, kunt u gratis software gebruiken zoals .
Waarom heeft SHDSL een hoge ruisimmuniteit?
Het werkingsprincipe van de SHDSL-transceiver kan worden weergegeven in de vorm van een blokdiagram, waarin een specifiek en onafhankelijk (invariant) deel vanuit het oogpunt van de toepassing wordt onderscheiden. Het onafhankelijke deel bestaat uit functionele blokken PMD (Physical Medium Dependent) en PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), terwijl het specifieke deel de TPS-TC-laag (Transmission Protocol-Specific TC Layer) en gebruikersgegevensinterfaces omvat.
De fysieke verbinding tussen transceivers (STU's) kan bestaan uit één paar of meerdere kabels met één paar. Bij meerdere kabelparen bevat de STU meerdere onafhankelijke PMD's behorend bij één PMS-TC.
Functioneel model van SHDSL-transceiver (STU)
De TPS-TC-module is afhankelijk van de toepassing waarin het apparaat wordt gebruikt (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Zijn taak is het omzetten van gebruikersgegevens naar het SHDSL-formaat, het uitvoeren van multiplexing/demultiplexing en tijdaanpassing van verschillende kanalen met gebruikersgegevens.
Op PMS-TC-niveau worden SHDSL-frames gevormd en gesynchroniseerd, evenals scrambling en descrambling.
De PMD-module voert de functies uit van het coderen/decoderen van informatie, modulatie/demodulatie, echo-onderdrukking, parameteronderhandeling op de communicatielijn en het tot stand brengen van verbindingen tussen zendontvangers. Het is op PMD-niveau dat de belangrijkste handelingen worden uitgevoerd om een hoge ruisimmuniteit van SHDSL te garanderen, waaronder TCPAM-codering (Trellis-codering met analoge pulsmodulatie), een gezamenlijk coderings- en modulatiemechanisme dat de spectrale efficiëntie van het signaal verbetert in vergelijking met een afzonderlijk methode. Het werkingsprincipe van de PMD-module kan ook in de vorm van een functioneel diagram worden weergegeven.
PMD-moduleblokdiagram
TC-PAM is gebaseerd op het gebruik van een convolutionele encoder die een redundante reeks bits genereert aan de SHDSL-zenderzijde. Bij elke klokcyclus wordt aan elke bit die bij de encoderingang aankomt, een dubbele bit (dibit) aan de uitgang toegewezen. Aldus wordt, ten koste van relatief weinig redundantie, de immuniteit voor transmissieruis vergroot. Door het gebruik van Trellis-modulatie kunt u de gebruikte bandbreedte voor gegevensoverdracht verminderen en de hardware vereenvoudigen, terwijl dezelfde signaal-ruisverhouding behouden blijft.
Werkingsprincipe van de Trellis-encoder (TC-PAM 16)
De dubbele bit wordt gevormd door een logische modulo-2 (exclusieve-of) optelling op basis van het invoerbit x1(tn) en de bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (er kunnen er in totaal maximaal 20 zijn), die eerder op de encoderingang werden ontvangen en in geheugenregisters bleven opgeslagen. Bij de volgende klokcyclus van de codeerder tn+1 zullen bits in de geheugencellen worden verschoven om een logische bewerking uit te voeren: bit x1(tn) zal naar het geheugen worden verplaatst, waardoor de hele reeks bits die daar zijn opgeslagen, wordt verschoven.
Convolutioneel encoderalgoritme
Waarheidstabellen voor opteloperatie modulo 2
Voor de duidelijkheid is het handig om een toestandsdiagram van een convolutionele encoder te gebruiken, waaruit je kunt zien in welke toestand de encoder zich bevindt op de tijdstippen tn, tn+1, enz. afhankelijk van de invoergegevens. De encoderstatus betekent in dit geval een paar waarden van het invoerbit x1(tn) en het bit in de eerste geheugencel x1(tn-1). Om een diagram te construeren, kun je een grafiek gebruiken, op de hoekpunten waarvan er mogelijke toestanden van de encoder zijn, en overgangen van de ene toestand naar de andere worden aangegeven door de overeenkomstige invoerbits x1(tn) en uitvoerdibits $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Toestandsdiagram en overgangsgrafiek van een convolutionele encoder van een zender
In de zender wordt op basis van de vier ontvangen bits (twee uitgangsbits van de encoder en twee databits) een symbool gevormd, dat elk overeenkomt met zijn eigen amplitude van het modulerende signaal van de analoge pulsmodulator.
Toestand van de 16-bits AIM, afhankelijk van de waarde van het vier-bits teken
Aan de kant van de signaalontvanger vindt het omgekeerde proces plaats: demodulatie en selectie uit de redundante code (dubbele bits yOy0(tn)) van de vereiste reeks ingangsbits van de encoder x1(tn). Deze handeling wordt uitgevoerd door een Viterbi-decoder.
Het decoderalgoritme is gebaseerd op het berekenen van een foutmetriek voor alle mogelijke verwachte encoderstatussen. De foutmetriek verwijst naar het verschil tussen de ontvangen bits en de verwachte bits voor elk mogelijk pad. Als er geen ontvangstfouten zijn, is de ware padfoutmetriek 0 omdat er geen bitdivergentie is. Voor valse paden zal de metriek van nul verschillen, voortdurend toenemen, en na enige tijd zal de decoder stoppen met het berekenen van het foutieve pad, waardoor alleen het ware pad overblijft.
Encoderstatusdiagram berekend door de Viterbi-decoder van de ontvanger
Maar hoe zorgt dit algoritme voor ruisimmuniteit? Ervan uitgaande dat de ontvanger de gegevens ten onrechte heeft ontvangen, zal de decoder doorgaan met het berekenen van twee paden met een foutmetriek van 1. Het pad met een foutmetriek van 0 zal niet langer bestaan. Maar het algoritme zal later een conclusie trekken over welk pad waar is, op basis van de volgende ontvangen dubbele bits.
Wanneer de tweede fout optreedt, zullen er meerdere paden zijn met metriek 2, maar het juiste pad zal later worden geïdentificeerd op basis van de maximale waarschijnlijkheidsmethode (d.w.z. de minimale metriek).
Encoderstatusdiagram berekend door Viterbi-decoder bij ontvangst van gegevens met fouten
In het hierboven beschreven geval hebben we als voorbeeld het algoritme van een 16-bits systeem (TC-PAM16) beschouwd, dat zorgt voor de overdracht van drie bits nuttige informatie en een extra bit voor foutbeveiliging in één symbool. De TC-PAM16 bereikt datasnelheden van 192 tot 3840 kbps. Door de bitdiepte te vergroten tot 128 (moderne systemen werken met TC-PAM128), worden in elk symbool zes bits aan nuttige informatie verzonden, en de maximaal haalbare snelheid varieert van 5696 kbps tot 15,3 Mbps.
Door het gebruik van analoge pulsmodulatie (PAM) is SHDSL vergelijkbaar met een aantal populaire Ethernet-standaarden, zoals gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) of industrieel single-pair Ethernet 2020BASE -T10L, dat veelbelovend is voor 1 (PAM-3).
SHDSL via Ethernet-netwerken
Er zijn beheerde en onbeheerde SHDSL-modems, maar deze indeling heeft weinig gemeen met de gebruikelijke indeling in beheerde en onbeheerde apparaten die bijvoorbeeld bij Ethernet-switches bestaat. Het verschil zit hem in de configuratie- en monitoringtools. Beheerde modems worden via een webinterface geconfigureerd en kunnen via SNMP worden gediagnosticeerd, terwijl onbeheerde modems met extra software via de consolepoort kunnen worden gediagnosticeerd (voor Phoenix Contact is dit een gratis PSI-CONF-programma en een mini-USB-interface). In tegenstelling tot switches kunnen onbeheerde modems functioneren in een netwerk met een ringtopologie.
Voor het overige zijn beheerde en onbeheerde modems absoluut identiek, inclusief functionaliteit en de mogelijkheid om volgens het Plug&Play-principe te werken, dat wil zeggen zonder enige voorafgaande configuratie.
Bovendien kunnen modems worden uitgerust met overspanningsbeveiligingsfuncties met de mogelijkheid om deze te diagnosticeren. SHDSL-netwerken kunnen zeer lange segmenten vormen en geleiders kunnen lopen op plaatsen waar overspanningen (geïnduceerde potentiaalverschillen veroorzaakt door bliksemontladingen of kortsluitingen in nabijgelegen kabellijnen) kunnen optreden. De geïnduceerde spanning kan ontladingsstromen van kiloampère veroorzaken. Om apparatuur tegen dergelijke verschijnselen te beschermen, worden SPD's daarom in modems ingebouwd in de vorm van een verwijderbaar bord, dat indien nodig kan worden vervangen. Op het klemmenblok van dit bord is de SHDSL-lijn aangesloten.
Topologieën
Met behulp van SHDSL over Ethernet is het mogelijk om netwerken met elke topologie te bouwen: point-to-point, lijn, ster en ring. Tegelijkertijd kunt u, afhankelijk van het type modem, zowel 2-draads als 4-draads communicatielijnen gebruiken voor de verbinding.
Ethernet-netwerktopologieën gebaseerd op SHDSL
Het is ook mogelijk om gedistribueerde systemen te bouwen met een gecombineerde topologie. Elk SHDSL-netwerksegment kan maximaal 50 modems bevatten en, rekening houdend met de fysieke mogelijkheden van de technologie (de afstand tussen modems is 20 km), kan de segmentlengte 1000 km bereiken.
Als aan de kop van elk dergelijk segment een beheerd modem is geïnstalleerd, kan de integriteit van het segment worden gediagnosticeerd met behulp van SNMP. Bovendien ondersteunen beheerde en onbeheerde modems VLAN-technologie, dat wil zeggen dat u het netwerk in logische subnetten kunt verdelen. De apparaten kunnen ook werken met de protocollen voor gegevensoverdracht die in moderne automatiseringssystemen worden gebruikt (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, enz.).
Reservering van communicatiekanalen via SHDSL
SHDSL wordt gebruikt om redundante communicatiekanalen te creëren in een Ethernet-netwerk, meestal optisch.
SHDSL en seriële interface
SHDSL-modems met een seriële interface overwinnen de beperkingen in afstand, topologie en geleiderkwaliteit die bestaan voor traditionele bekabelde systemen op basis van asynchrone transceivers (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 en RS-485 - 1200 m.
Er zijn modems met seriële interfaces (RS-232/422/485) voor zowel universele toepassingen als gespecialiseerde toepassingen (bijvoorbeeld voor Profibus). Al dergelijke apparaten behoren tot de categorie ‘onbeheerd’ en worden daarom geconfigureerd en gediagnosticeerd met behulp van speciale software.
Topologieën
In netwerken met een seriële interface is het met behulp van SHDSL mogelijk om netwerken te bouwen met point-to-point-, lijn- en stertopologieën. Binnen de lineaire topologie is het mogelijk om maximaal 255 knooppunten te combineren in één netwerk (voor Profibus - 30).
In systemen die zijn gebouwd met uitsluitend RS-485-apparaten zijn er geen beperkingen op het gebruikte protocol voor gegevensoverdracht, maar lijn- en stertopologieën zijn atypisch voor RS-232 en RS-422, dus de werking van eindapparaten op een SHDSL-netwerk met vergelijkbare topologieën is alleen mogelijk in half-duplexmodus. Tegelijkertijd moet in systemen met RS-232 en RS-422 de apparaatadressering op protocolniveau worden geleverd, wat niet typisch is voor interfaces die het vaakst worden gebruikt in point-to-point-netwerken.
Bij het verbinden van apparaten met verschillende soorten interfaces via SHDSL moet er rekening mee worden gehouden dat er geen enkel mechanisme bestaat om een verbinding (handshake) tussen apparaten tot stand te brengen. Het is in dit geval echter nog steeds mogelijk om een uitwisseling te organiseren; hiervoor moet aan de volgende voorwaarden worden voldaan:
- de communicatiecoördinatie en de controle op de gegevensoverdracht moeten worden uitgevoerd op het niveau van een uniform protocol voor de overdracht van informatiegegevens;
- alle eindapparaten moeten in half-duplexmodus werken, wat ook door het informatieprotocol moet worden ondersteund.
Met het Modbus RTU-protocol, het meest gebruikelijke protocol voor asynchrone interfaces, kunt u alle beschreven beperkingen vermijden en één systeem bouwen met verschillende soorten interfaces.
Seriële netwerktopologieën gebaseerd op SHDSL
Bij gebruik van tweedraads RS-485 op apparatuur U kunt complexere structuren bouwen door modems via één bus op een DIN-rail te combineren. Op dezelfde bus kunnen een voeding worden geïnstalleerd (in dit geval worden alle apparaten via de bus van stroom voorzien) en optische converters uit de PSI-MOS-serie om een gecombineerd netwerk te creëren. Een belangrijke voorwaarde voor de werking van een dergelijk systeem is dezelfde snelheid van alle transceivers.
Extra functies van SHDSL op een RS-485-netwerk
Toepassingsvoorbeelden
SHDSL-technologie wordt actief gebruikt in gemeentelijke nutsvoorzieningen in Duitsland. Meer dan 50 bedrijven die stadsvoorzieningen bedienen, gebruiken oude koperdraden om objecten verspreid over de stad met één netwerk te verbinden. Controle- en boekhoudsystemen voor de water-, gas- en energievoorziening zijn voornamelijk gebaseerd op SHDSL. Tot dergelijke steden behoren Ulm, Maagdenburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder en vele anderen.
Het grootste op SHDSL gebaseerde systeem werd gecreëerd in de stad Lübeck. Het systeem heeft een gecombineerde structuur op basis van optisch Ethernet en SHDSL, verbindt 120 objecten op afstand van elkaar en gebruikt meer dan 50 modems . Het hele netwerk wordt gediagnosticeerd met behulp van SNMP. Het langste traject van Kalkhorst naar de luchthaven van Lübeck is 39 km lang. De reden waarom het klantbedrijf voor SHDSL koos, was dat het economisch niet haalbaar was om het project volledig op optica uit te voeren, gezien de beschikbaarheid van oude koperkabels.
Gegevensoverdracht via sleepring
Een interessant voorbeeld is de overdracht van gegevens tussen bewegende objecten, zoals dat gebeurt in windturbines of grote industriële twistmachines. Een soortgelijk systeem wordt gebruikt voor informatie-uitwisseling tussen controllers op de rotor en stator van de installaties. In dit geval wordt een sleepcontact door een sleepring gebruikt om gegevens te verzenden. Voorbeelden als deze laten zien dat het niet nodig is om een statisch contact te hebben om gegevens via SHDSL te verzenden.
Vergelijking met andere technologieën
SHDSL versus GSM
Als we SHDSL vergelijken met datatransmissiesystemen op basis van GSM (3G/4G), dan spreekt de afwezigheid van exploitatiekosten die gepaard gaan met reguliere betalingen aan de operator voor toegang tot het mobiele netwerk in het voordeel van DSL. Met SHDSL zijn we onafhankelijk van het dekkingsgebied, de kwaliteit en de betrouwbaarheid van mobiele communicatie op een industriële locatie, inclusief de weerstand tegen elektromagnetische interferentie. Met SHDSL is het niet nodig om apparatuur te configureren, wat de inbedrijfstelling van de faciliteit versnelt. Draadloze netwerken worden gekenmerkt door grote vertragingen in de gegevensoverdracht en moeilijkheden bij het verzenden van gegevens via multicast-verkeer (Profinet, Ethernet IP).
Informatiebeveiliging spreekt in het voordeel van SHDSL vanwege het ontbreken van de noodzaak om data over het internet over te dragen en de noodzaak om hiervoor VPN-verbindingen te configureren.
SHDSL versus wifi
Veel van wat er over GSM is gezegd, kan ook worden toegepast op industriële Wi-Fi. Lage ruisimmuniteit, beperkte datatransmissieafstand, afhankelijkheid van de topologie van het gebied en vertragingen in datatransmissie spreken tegen Wi-Fi. Het belangrijkste nadeel is de informatiebeveiliging van Wi-Fi-netwerken, omdat iedereen toegang heeft tot het datatransmissiemedium. Met Wi-Fi is het al mogelijk om Profinet- of Ethernet IP-gegevens te verzenden, wat met GSM moeilijk zou zijn.
SHDSL versus optica
In de overgrote meerderheid van de gevallen heeft optica een groot voordeel ten opzichte van SHDSL, maar in een aantal toepassingen kunt u met SHDSL tijd en geld besparen bij het leggen en lassen van optische kabels, waardoor de tijd die nodig is om een faciliteit in gebruik te nemen wordt verkort. Voor SHDSL zijn geen speciale connectoren nodig, omdat de communicatiekabel eenvoudig op de modemterminal wordt aangesloten. Vanwege de mechanische eigenschappen van optische kabels is het gebruik ervan beperkt in toepassingen waarbij informatie wordt overgedragen tussen bewegende objecten, waar koperen geleiders vaker voorkomen.
Bron: www.habr.com