Til tross for den utbredte bruken av Ethernet-nettverk, er DSL-basert kommunikasjonsteknologi fortsatt relevant den dag i dag. Til nå kan DSL finnes i siste-mile-nettverk for å koble abonnentutstyr til Internett-leverandørnettverk, og nylig har teknologien i økende grad blitt brukt i bygging av lokale nettverk, for eksempel i industrielle applikasjoner, der DSL fungerer som et komplement til Ethernet eller feltnettverk basert på RS-232/422/485. Lignende industrielle løsninger brukes aktivt i utviklede europeiske og asiatiske land.
DSL er en familie av standarder som opprinnelig ble utviklet for overføring av digitale data over telefonlinjer. Historisk sett ble det den første bredbåndsteknologien for Internett-tilgang, og erstattet DIAL UP og ISDN. Det store utvalget av DSL-standarder som eksisterer i dag skyldes det faktum at mange selskaper, som startet på 80-tallet, prøvde å utvikle og markedsføre sin egen teknologi.
Alle disse utviklingene kan deles inn i to store kategorier - asymmetriske (ADSL) og symmetriske (SDSL) teknologier. Asymmetrisk refererer til de der hastigheten på den innkommende tilkoblingen er forskjellig fra hastigheten til utgående trafikk. Med symmetrisk mener vi at mottaks- og overføringshastighetene er like.
De mest kjente og utbredte asymmetriske standardene er faktisk ADSL (i siste utgave - ADSL2+) og VDSL (VDSL2), symmetrisk - HDSL (utdatert profil) og SHDSL. De skiller seg alle fra hverandre ved at de opererer på forskjellige frekvenser og bruker forskjellige koding- og modulasjonsmetoder på den fysiske kommunikasjonslinjen. Feilrettingsmetodene er også forskjellige, noe som resulterer i forskjellige nivåer av støyimmunitet. Som et resultat har hver teknologi sine egne grenser for hastighet og avstand for dataoverføring, inkludert avhengig av lederens type og kvalitet.
Begrensninger for ulike DSL-standarder
I enhver DSL-teknologi reduseres dataoverføringshastigheten ettersom kabellengden øker. På ekstreme avstander er det mulig å oppnå hastigheter på flere hundre kilobit, men ved overføring av data over 200-300 m er maksimalt mulig hastighet tilgjengelig.
Blant alle teknologier har SHDSL en alvorlig fordel som gjør det mulig å bruke den i industrielle applikasjoner - høy støyimmunitet og muligheten til å bruke alle typer ledere for dataoverføring. Dette er ikke tilfellet med asymmetriske standarder, og kvaliteten på kommunikasjonen er svært avhengig av kvaliteten på linjen som brukes til dataoverføring. Spesielt anbefales det å bruke en vridd telefonkabel. I dette tilfellet er en mer pålitelig løsning å bruke en optisk kabel i stedet for ADSL og VDSL.
Ethvert lederpar isolert fra hverandre er egnet for SHDSL - kobber, aluminium, stål osv. Overføringsmediet kan være gamle elektriske ledninger, gamle telefonlinjer, piggtrådgjerder, etc.
Avhengighet av SHDSL-dataoverføringshastighet på avstand og ledertype
Fra grafen over dataoverføringshastighet kontra avstand og ledertype gitt for SHDSL, kan du se at ledere med stort tverrsnitt lar deg overføre informasjon over en større avstand. Takket være teknologien er det mulig å organisere kommunikasjon over en avstand på opptil 20 km med en maksimal mulig hastighet på 15.3 Mb/s for en 2-leder kabel eller 30 Mb for en 4-leder kabel. I virkelige applikasjoner kan overføringshastigheten stilles inn manuelt, noe som er nødvendig under forhold med sterk elektromagnetisk interferens eller dårlig linjekvalitet. I dette tilfellet, for å øke overføringsavstanden, er det nødvendig å redusere hastigheten til SHDSL-enheter. For nøyaktig å beregne hastighet avhengig av avstand og type leder kan du bruke gratis programvare som f.eks .
Hvorfor har SHDSL høy støyimmunitet?
Driftsprinsippet til SHDSL-transceiveren kan representeres i form av et blokkdiagram, der en spesifikk og uavhengig (invariant) del fra applikasjonssynspunktet skilles. Den uavhengige delen består av funksjonsblokker PMD (Physical Medium Dependent) og PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), mens den spesifikke delen inkluderer TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) lag og brukerdatagrensesnitt.
Den fysiske koblingen mellom transceivere (STU-er) kan eksistere som et enkelt par eller flere enkeltparkabler. Når det gjelder flere kabelpar, inneholder STU-en flere uavhengige PMD-er knyttet til en enkelt PMS-TC.
Funksjonell modell av SHDSL transceiver (STU)
TPS-TC-modulen avhenger av applikasjonen som enheten brukes i (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Dens oppgave er å konvertere brukerdata til SHDSL-formatet, utføre multipleksing/demultipleksing og tidsjustering av flere kanaler med brukerdata.
På PMS-TC-nivå dannes og synkroniseres SHDSL-rammer, samt kryptering og dekryptering.
PMD-modulen utfører funksjonene informasjonskoding/dekoding, modulering/demodulering, ekkokansellering, parameterforhandling på kommunikasjonslinjen og etablering av forbindelser mellom transceivere. Det er på PMD-nivå hovedoperasjonene utføres for å sikre høy støyimmunitet for SHDSL, inkludert TCPAM-koding (Trellis-koding med analog pulsmodulasjon), en felles kodings- og modulasjonsmekanisme som forbedrer den spektrale effektiviteten til signalet sammenlignet med en separat metode. Driftsprinsippet til PMD-modulen kan også representeres i form av et funksjonsdiagram.
PMD-modulblokkdiagram
TC-PAM er basert på bruk av en konvolusjonskoder som genererer en redundant sekvens av biter på SHDSL-sendersiden. Ved hver klokkesyklus blir hver bit som kommer til koderinngangen tildelt en dobbelbit (dibit) ved utgangen. På bekostning av relativt liten redundans økes således overføringsstøyimmuniteten. Bruken av Trellis-modulasjon lar deg redusere den brukte dataoverføringsbåndbredden og forenkle maskinvaren samtidig som du opprettholder samme signal-til-støy-forhold.
Driftsprinsippet til Trellis-koderen (TC-PAM 16)
Dobbeltbiten er dannet av en logisk modulo-2 (eksklusiv-eller) addisjonsoperasjon basert på inngangsbiten x1(tn) og bitene x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (det kan være opptil 20 av dem totalt), som ble mottatt ved koderinngangen før og forble lagret i minneregistre. Ved neste klokkesyklus til koderen tn+1 vil biter bli forskjøvet i minneceller for å utføre en logisk operasjon: bit x1(tn) vil flytte inn i minnet, og forskyve hele sekvensen av biter som er lagret der.
Konvolusjonskoderalgoritme
Sannhetstabeller for addisjonsoperasjon modulo 2
For klarhetens skyld er det praktisk å bruke et tilstandsdiagram av en konvolusjonskoder, hvorfra du kan se hvilken tilstand koderen er i til tider tn, tn+1, etc. avhengig av inndata. I dette tilfellet betyr kodertilstanden et par verdier av inngangsbiten x1(tn) og biten i den første minnecellen x1(tn-1). For å konstruere et diagram kan du bruke en graf der det er mulige tilstander for koderen, og overganger fra en tilstand til en annen er indikert med de tilsvarende inngangsbitene x1(tn) og utgangsdibitene $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Tilstandsdiagram og overgangsgraf for en senderkonvolusjonskoder
I senderen, basert på de fire mottatte bitene (to utgangsbiter fra koderen og to databiter), dannes et symbol, som hver tilsvarer sin egen amplitude til det modulerende signalet til analog-pulsmodulatoren.
Tilstanden til 16-biters AIM avhengig av verdien til fire-bits tegnet
På siden av signalmottakeren skjer den omvendte prosessen - demodulering og valg fra den redundante koden (doble bits y0y1(tn)) av den nødvendige sekvensen av inngangsbiter til koderen x1(tn). Denne operasjonen utføres av en Viterbi-dekoder.
Dekoderalgoritmen er basert på å beregne en feilmåling for alle mulige forventede kodertilstander. Feilmetrikken refererer til forskjellen mellom de mottatte bitene og de forventede bitene for hver mulig bane. Hvis det ikke er noen mottaksfeil, vil den sanne banefeilberegningen være 0 fordi det ikke er noen bitdivergens. For falske baner vil metrikken avvike fra null, øke konstant, og etter en tid slutter dekoderen å beregne den feilaktige banen, og etterlater bare den sanne.
Enkodertilstandsdiagram beregnet av mottakerens Viterbi-dekoder
Men hvordan sikrer denne algoritmen støyimmunitet? Forutsatt at mottakeren har mottatt dataene ved en feil, vil dekoderen fortsette å beregne to baner med en feilmåling på 1. Banen med en feilmåling på 0 vil ikke lenger eksistere. Men algoritmen vil lage en konklusjon om hvilken vei som er sann senere basert på de neste doble bitene som mottas.
Når den andre feilen oppstår, vil det være flere baner med metrikk 2, men den riktige banen vil bli identifisert senere basert på maksimum sannsynlighetsmetoden (dvs. minimumsberegningen).
Enkodertilstandsdiagram beregnet av Viterbi-dekoder ved mottak av data med feil
I tilfellet beskrevet ovenfor, som et eksempel, vurderte vi algoritmen til et 16-bitssystem (TC-PAM16), som sikrer overføring av tre biter med nyttig informasjon og en ekstra bit for feilbeskyttelse i ett symbol. TC-PAM16 oppnår datahastigheter fra 192 til 3840 kbps. Ved å øke bitdybden til 128 (moderne systemer fungerer med TC-PAM128), overføres seks biter med nyttig informasjon i hvert symbol, og den maksimalt oppnåelige hastigheten varierer fra 5696 kbps til 15,3 Mbps.
Bruken av analog pulsmodulasjon (PAM) gjør at SHDSL ligner på en rekke populære Ethernet-standarder, for eksempel gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) eller industriell enkelt-par Ethernet 2020BASE -T10L, som er lovende for 1 (PAM-3).
SHDSL over Ethernet-nettverk
Det finnes administrerte og uadministrerte SHDSL-modemer, men denne klassifiseringen har lite til felles med den vanlige inndelingen i administrerte og ikke-administrerte enheter som eksisterer for eksempel for Ethernet-svitsjer. Forskjellen ligger i konfigurasjons- og overvåkingsverktøyene. Administrerte modemer konfigureres via et webgrensesnitt og kan diagnostiseres via SNMP, mens uadministrerte modemer kan diagnostiseres ved hjelp av tilleggsprogramvare via konsollporten (for Phoenix Contact er dette et gratis PSI-CONF-program og et mini-USB-grensesnitt). I motsetning til svitsjer, kan uadministrerte modemer operere i et nettverk med en ringtopologi.
Ellers er administrerte og ikke-administrerte modemer helt identiske, inkludert funksjonalitet og muligheten til å fungere etter Plug&Play-prinsippet, det vil si uten noen foreløpig konfigurasjon.
I tillegg kan modemer utstyres med overspenningsvernfunksjoner med muligheten til å diagnostisere dem. SHDSL-nettverk kan danne svært lange segmenter, og ledere kan passere på steder der overspenninger (induserte potensialforskjeller forårsaket av lynutladninger eller kortslutninger i nærliggende kabellinjer) kan oppstå. Den induserte spenningen kan føre til at utladningsstrømmer på kiloampere flyter. Derfor, for å beskytte utstyr mot slike fenomener, er SPD-er innebygd i modemer i form av et flyttbart brett, som kan byttes ut om nødvendig. Det er til terminalblokken på dette kortet at SHDSL-linjen er koblet til.
Topologier
Ved å bruke SHDSL over Ethernet er det mulig å bygge nettverk med hvilken som helst topologi: punkt-til-punkt, linje, stjerne og ring. Samtidig, avhengig av type modem, kan du bruke både 2-leder og 4-leder kommunikasjonslinjer for tilkobling.
Ethernet-nettverkstopologier basert på SHDSL
Det er også mulig å bygge distribuerte systemer med en kombinert topologi. Hvert SHDSL-nettverkssegment kan ha opptil 50 modemer, og tatt i betraktning de fysiske egenskapene til teknologien (avstanden mellom modemer er 20 km), kan segmentlengden nå 1000 km.
Hvis et administrert modem er installert i toppen av hvert slikt segment, kan integriteten til segmentet diagnostiseres ved hjelp av SNMP. I tillegg støtter administrerte og uadministrerte modemer VLAN-teknologi, det vil si at de lar deg dele nettverket inn i logiske undernett. Enhetene er også i stand til å arbeide med dataoverføringsprotokoller som brukes i moderne automasjonssystemer (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Reservasjon av kommunikasjonskanaler ved bruk av SHDSL
SHDSL brukes til å lage redundante kommunikasjonskanaler i et Ethernet-nettverk, oftest optisk.
SHDSL og seriell grensesnitt
SHDSL-modemer med et serielt grensesnitt overvinner begrensningene i avstand, topologi og lederkvalitet som finnes for tradisjonelle kablede systemer basert på asynkrone transceivere (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 og RS-485 - 1200 m.
Det finnes modemer med serielle grensesnitt (RS-232/422/485) for både universelle applikasjoner og spesialiserte (for eksempel for Profibus). Alle slike enheter tilhører kategorien "uadministrert", derfor er de konfigurert og diagnostisert ved hjelp av spesiell programvare.
Topologier
I nettverk med seriell grensesnitt er det ved bruk av SHDSL mulig å bygge nettverk med punkt-til-punkt-, linje- og stjernetopologier. Innenfor den lineære topologien er det mulig å kombinere opptil 255 noder til ett nettverk (for Profibus - 30).
I systemer bygget med kun RS-485-enheter er det ingen begrensninger på dataoverføringsprotokollen som brukes, men linje- og stjernetopologier er atypiske for RS-232 og RS-422, så driften av sluttenheter på et SHDSL-nettverk med lignende topologier er kun mulig i halv-dupleks-modus. Samtidig, i systemer med RS-232 og RS-422, må enhetsadressering gis på protokollnivå, noe som ikke er typisk for grensesnitt som oftest brukes i punkt-til-punkt-nettverk.
Når du kobler til enheter med forskjellige typer grensesnitt via SHDSL, er det nødvendig å ta hensyn til det faktum at det ikke er noen enkelt mekanisme for å etablere en forbindelse (håndtrykk) mellom enheter. Imidlertid er det fortsatt mulig å organisere en utveksling i dette tilfellet, for dette må følgende betingelser være oppfylt:
- kommunikasjonskoordinering og dataoverføringskontroll må utføres på nivået av en enhetlig informasjonsdataoverføringsprotokoll;
- alle sluttenheter må fungere i halv-dupleks-modus, som også må støttes av informasjonsprotokollen.
Modbus RTU-protokollen, den vanligste protokollen for asynkrone grensesnitt, lar deg unngå alle de beskrevne begrensningene og bygge et enkelt system med forskjellige typer grensesnitt.
Serielle nettverkstopologier basert på SHDSL
Ved bruk av to-leder RS-485 på utstyr Du kan bygge mer komplekse strukturer ved å kombinere modemer gjennom én buss på en DIN-skinne. En strømforsyning kan installeres på samme buss (i dette tilfellet får alle enheter strøm via bussen) og optiske omformere i PSI-MOS-serien for å skape et kombinert nettverk. En viktig betingelse for driften av et slikt system er samme hastighet på alle sendere.
Ytterligere funksjoner for SHDSL på et RS-485-nettverk
Applikasjonseksempler
SHDSL-teknologi brukes aktivt i kommunale verktøy i Tyskland. Mer enn 50 selskaper som betjener bynettverk bruker gamle kobberledninger for å koble objekter fordelt over hele byen med ett nettverk. Kontroll- og regnskapssystemer for vann-, gass- og energiforsyning er primært bygget på SHDSL. Blant slike byer er Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder og mange andre.
Det største SHDSL-baserte systemet ble opprettet i byen Lübeck. Systemet har en kombinert struktur basert på optisk Ethernet og SHDSL, kobler 120 objekter fjernt fra hverandre og bruker mer enn 50 modemer . Hele nettverket diagnostiseres ved hjelp av SNMP. Det lengste segmentet fra Kalkhorst til Lübeck lufthavn er 39 km langt. Grunnen til at kundebedriften valgte SHDSL var at det ikke var økonomisk forsvarlig å gjennomføre prosjektet utelukkende på optikk, gitt tilgjengeligheten av gamle kobberkabler.
Dataoverføring via slepering
Et interessant eksempel er overføring av data mellom objekter i bevegelse, slik det gjøres i vindturbiner eller store industrielle vrimaskiner. Et lignende system brukes for informasjonsutveksling mellom kontrollere plassert på rotoren og statoren til anleggene. I dette tilfellet brukes en glidende kontakt gjennom en slepering for å overføre data. Eksempler som dette viser at det ikke er nødvendig å ha en statisk kontakt for å overføre data over SHDSL.
Sammenligning med andre teknologier
SHDSL vs GSM
Hvis vi sammenligner SHDSL med dataoverføringssystemer basert på GSM (3G/4G), så taler fraværet av driftskostnader knyttet til vanlige betalinger til operatøren for tilgang til mobilnettet for DSL. Med SHDSL er vi uavhengige av dekningsområdet, kvaliteten og påliteligheten til mobilkommunikasjon ved et industrianlegg, inkludert motstand mot elektromagnetisk interferens. Med SHDSL er det ikke nødvendig å konfigurere utstyr, noe som øker igangkjøringen av anlegget. Trådløse nettverk er preget av store forsinkelser i dataoverføring og vanskeligheter med å overføre data ved bruk av multicast-trafikk (Profinet, Ethernet IP).
Informasjonssikkerhet taler for SHDSL på grunn av fraværet av behovet for å overføre data over Internett og behovet for å konfigurere VPN-tilkoblinger for dette.
SHDSL vs Wi-Fi
Mye av det som er sagt om GSM kan også brukes på industriell Wi-Fi. Lav støyimmunitet, begrenset dataoverføringsavstand, avhengighet av områdets topologi og forsinkelser i dataoverføring taler mot Wi-Fi. Den viktigste ulempen er informasjonssikkerheten til Wi-Fi-nettverk, fordi alle har tilgang til dataoverføringsmediet. Med Wi-Fi er det allerede mulig å overføre Profinet eller Ethernet IP-data, noe som ville være vanskelig for GSM.
SHDSL vs optikk
I de aller fleste tilfeller har optikk en stor fordel fremfor SHDSL, men i en rekke applikasjoner lar SHDSL deg spare tid og penger på legging og sveising av optiske kabler, og reduserer tiden det tar å sette et anlegg i drift. SHDSL krever ikke spesielle kontakter, fordi kommunikasjonskabelen bare kobles til modemterminalen. På grunn av de mekaniske egenskapene til optiske kabler er bruken begrenset i applikasjoner som involverer overføring av informasjon mellom bevegelige objekter, hvor kobberledere er mer vanlige.
Kilde: www.habr.com
