Pomimo powszechnego stosowania sieci Ethernet, technologie komunikacyjne oparte na DSL pozostają aktualne do dziś. DSL nadal można znaleźć w sieciach ostatniej mili do łączenia sprzętu abonenckiego z sieciami dostawców Internetu, a ostatnio technologia ta jest coraz częściej wykorzystywana w budowaniu sieci lokalnych, na przykład w zastosowaniach przemysłowych, gdzie DSL działa jako dodatek do Ethernetu lub do sieci polowych opartych na RS-232/422/485. Takie rozwiązania przemysłowe są aktywnie wykorzystywane w rozwiniętych krajach europejskich i azjatyckich.
DSL to rodzina standardów, które pierwotnie zostały pomyślane do przesyłania danych cyfrowych przez linie telefoniczne. Historycznie była to pierwsza technologia dostępu do szerokopasmowego Internetu, zastępująca DIAL UP i ISDN. Szeroka różnorodność standardów DSL, które obecnie istnieją, wynika z faktu, że wiele firm, począwszy od lat 80., próbowało rozwijać i promować własną technologię na rynku.
Wszystkie te osiągnięcia można podzielić na dwie duże kategorie - technologie asymetryczne (ADSL) i symetryczne (SDSL). Asymetryczne oznaczają te, w których prędkość połączenia przychodzącego różni się od prędkości ruchu wychodzącego. Symetryczne oznaczają, że prędkości odbioru i transmisji są równe.
Najbardziej znane i rozpowszechnione standardy asymetryczne to w istocie ADSL (w najnowszej edycji – ADSL2+) i VDSL (VDSL2), symetryczne – HDSL (profil przestarzały) i SHDSL. Wszystkie różnią się od siebie tym, że działają na różnych częstotliwościach, wykorzystują różne metody kodowania i modulacji na fizycznej linii komunikacyjnej. Różnią się również metody korekcji błędów, dzięki czemu zapewniane są różne poziomy odporności na zakłócenia. W rezultacie każda technologia ma swoje własne ograniczenia w szybkości i odległości transmisji danych, w tym w zależności od rodzaju i jakości przewodnika.
Ograniczenia różnych standardów DSL
W każdej technologii DSL szybkość przesyłu danych maleje wraz ze wzrostem długości przewodu. Przy maksymalnych odległościach możliwe jest uzyskanie prędkości kilkuset kilobitów, ale przy przesyłaniu danych na odległość ponad 200-300 m dostępna jest maksymalna możliwa prędkość.
Spośród wszystkich technologii SHDSL ma poważną zaletę, która umożliwia jej wykorzystanie w zastosowaniach przemysłowych - wysoką odporność na zakłócenia i możliwość wykorzystania dowolnego typu przewodnika do transmisji danych. Standardy asymetryczne tego nie mają, a jakość komunikacji w dużej mierze zależy od jakości linii użytej do transmisji danych. W szczególności zaleca się stosowanie skręconego kabla telefonicznego. W tym przypadku bardziej niezawodnym rozwiązaniem zamiast ADSL i VDSL jest użycie kabla optycznego.
Każda para przewodów izolowanych od siebie - miedź, aluminium, stal itp. - nadaje się do SHDSL. Stare okablowanie elektryczne, stare linie telefoniczne, ogrodzenia z drutu kolczastego itp. mogą być używane jako medium transmisyjne.
Zależność szybkości transmisji danych SHDSL od odległości i typu przewodnika
Z wykresu zależności szybkości transmisji danych od odległości i rodzaju przewodnika podanego dla SHDSL można zauważyć, że przewodniki o większym przekroju pozwalają na przesyłanie informacji na większą odległość. Dzięki technologii możliwe jest zorganizowanie komunikacji na odległość do 20 km przy maksymalnej możliwej prędkości 15.3 Mb/s dla kabla 2-żyłowego lub 30 Mb/s dla kabla 4-żyłowego. W rzeczywistych zastosowaniach szybkość transmisji można ustawić ręcznie, co jest konieczne w warunkach silnych zakłóceń elektromagnetycznych lub złej jakości linii. W takim przypadku, aby zwiększyć odległość transmisji, konieczne jest zmniejszenie prędkości urządzeń SHDSL. Aby dokładnie obliczyć prędkość w zależności od odległości i rodzaju przewodnika, można skorzystać z bezpłatnych narzędzi programowych, takich jak .
Co sprawia, że SHDSL jest tak odporny na zakłócenia?
Zasada działania transceivera SHDSL może być przedstawiona jako schemat blokowy, w którym wyróżnia się część specyficzną i niezależną (niezmienną) z punktu widzenia aplikacji. Część niezależna składa się z bloków funkcjonalnych PMD (Physical Medium Dependent) i PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), podczas gdy część specyficzna obejmuje poziom TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) i interfejsy danych użytkownika.
Fizyczne łącze między transceiverami (STU) może występować jako pojedyncza para lub wiele kabli jednoparowych. W przypadku wielu par kabli STU zawiera wiele niezależnych jednostek PMD powiązanych z jednym PMS-TC.
Model funkcjonalny jednostki transceivera SHDSL (STU)
Moduł TPS-TC zależy od aplikacji, w której urządzenie jest używane (Ethernet, RS-232/422/485 itp.). Jego zadaniem jest konwersja danych użytkownika do formatu SHDSL, multipleksowanie/demultipleksowanie i regulacja czasu kilku kanałów danych użytkownika.
Na poziomie PMS-TC następuje formowanie i synchronizacja ramek SHDSL, a także szyfrowanie i deszyfrowanie.
Moduł PMD wykonuje funkcje kodowania/dekodowania informacji, modulacji/demodulacji, eliminacji echa, dopasowywania parametrów na linii komunikacyjnej i nawiązywania połączenia między transceiverami. To na poziomie PMD wykonywane są główne operacje, zapewniające wysoką odporność na zakłócenia SHDSL, w tym kodowanie TCPAM (kodowanie kratowe z modulacją analogowo-impulsową), mechanizm wspólnego kodowania i modulacji, który poprawia wydajność widmową sygnału w porównaniu z oddzielną metodą. Zasadę działania modułu PMD można również przedstawić w postaci diagramu funkcjonalnego.
Schemat blokowy modułu PMD
TC-PAM opiera się na wykorzystaniu kodera splotowego, który tworzy nadmiarową sekwencję bitów po stronie nadajnika SHDSL. W każdym cyklu operacyjnym każdemu bitowi przychodzącemu na wejście kodera przypisuje się podwójny bit (dibit) na wyjściu. W ten sposób, kosztem stosunkowo niewielkiej redundancji, zwiększa się odporność transmisji na zakłócenia. Zastosowanie modulacji kratowej pozwala na zmniejszenie pasma częstotliwości transmisji danych i uproszczenie sprzętu przy niezmienionym stosunku sygnału do szumu.
Zasada działania enkodera kratowego (TC-PAM 16)
Podwójny bit powstaje w wyniku logicznej operacji dodawania modulo 2 (wyłącznie „lub”) na podstawie bitu wejściowego x1(tn) i bitów x1(tn-1), x1(tn-2) itd. (może być ich łącznie do 20), które zostały wcześniej wprowadzone do enkodera i pozostały zapisane w rejestrach pamięci. W następnym cyklu operacji enkodera tn+1 nastąpi przesunięcie bitów w komórkach pamięci w celu wykonania operacji logicznej: bit x1(tn) zostanie przeniesiony do pamięci, przesuwając całą sekwencję bitów tam zapisanych.
Algorytm kodera splotowego
Tabele prawdy dla operacji dodawania modulo 2
Dla jasności wygodnie jest użyć diagramu stanu kodera splotowego, który pokazuje stan kodera w chwilach tn, tn+1 itd., w zależności od danych wejściowych. W tym przypadku stan kodera jest parą wartości bitu wejściowego x1(tn) i bitu w pierwszej komórce pamięci x1(tn-1). Do skonstruowania diagramu można użyć grafu, którego wierzchołki zawierają możliwe stany kodera, a przejścia z jednego stanu do drugiego są oznaczone odpowiednimi bitami wejściowymi x1(tn) i dibitami wyjściowymi $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagram stanu i wykres przejścia nadajnika enkodera splotowego
W nadajniku na podstawie czterech odebranych bitów (dwóch bitów wyjściowych enkodera i dwóch bitów danych) tworzony jest symbol, z których każdy odpowiada własnej amplitudzie sygnału modulującego modulatora analogowo-impulsowego.
Stan 16-bitowego AIM w zależności od wartości symbolu czterobitowego
Po stronie odbiorczej sygnału zachodzi proces odwrotny – demodulacja i ekstrakcja z nadmiarowego kodu (podwójne bity y0y1(tn)) wymaganej sekwencji bitów wejściowych enkodera x1(tn). Operację tę wykonuje dekoder Viterbiego.
Algorytm dekodera opiera się na obliczaniu metryki błędu dla wszystkich możliwych przyjętych stanów enkodera. Metryka błędu jest różnicą między odebranymi bitami a przyjętymi bitami dla każdej możliwej ścieżki. Jeśli nie ma błędów przy odbiorze, metryka błędu prawdziwej ścieżki będzie wynosić 0, ponieważ nie ma rozbieżności w bitach. W przypadku fałszywych ścieżek metryka będzie się różnić od zera, stale wzrastać, a po pewnym czasie dekoder przestanie obliczać błędną ścieżkę, pozostawiając tylko prawdziwą.
Diagram stanu enkodera obliczony przez dekoder Viterbiego odbiornika
Ale w jaki sposób ten algorytm zapewnia odporność na zakłócenia? Jeśli założymy, że odbiornik otrzymał dane z błędem, dekoder będzie kontynuował obliczanie dwóch ścieżek z metryką błędu równą 1. Ścieżka z metryką równą 0 nie będzie już istnieć. Ale algorytm później wywnioskuje, która ścieżka jest prawdziwa, na podstawie kolejnych podwójnych bitów, które otrzyma.
Gdy wystąpi drugi błąd, będzie kilka ścieżek z metryką 2, ale prawidłowa ścieżka zostanie ujawniona później w oparciu o metodę maksymalnego prawdopodobieństwa (czyli minimalną metrykę).
Diagram stanu enkodera obliczony przez dekoder Viterbiego podczas odbioru danych z błędami
W przypadku opisanym powyżej algorytm 16-bitowego systemu (TC-PAM16) został rozpatrzony jako przykład, zapewniając transmisję trzech bitów informacji użytecznej i dodatkowego bitu ochrony przed błędami w jednym symbolu. W TC-PAM16 szybkość transmisji danych jest osiągalna od 192 do 3840 kbps. Gdy głębokość bitowa zostanie zwiększona do 128 (nowoczesne systemy pracują z TC-PAM128), sześć bitów informacji użytecznej jest przesyłanych w każdym symbolu, a maksymalna osiągalna szybkość wynosi od 5696 kbps do 15,3 Mb/s.
Zastosowanie modulacji fali impulsowej (PAM) upodabnia SHDSL do wielu popularnych standardów Ethernet, takich jak gigabitowy 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitowy 10GBASE-T (PAM-16) czy obiecujący przemysłowy Ethernet jednoparowy 2020BASE-T10L (PAM-1) z 3 roku.
SHDSL w sieciach Ethernet
Istnieją zarządzane i niezarządzane modemy SHDSL, ale ta klasyfikacja ma niewiele wspólnego z powszechnym podziałem na urządzenia zarządzane i niezarządzane, który istnieje na przykład dla przełączników Ethernet. Różnica tkwi w narzędziach konfiguracyjnych i monitorujących. Modemy zarządzane są konfigurowane za pomocą interfejsu internetowego i mogą być diagnozowane za pomocą SNMP, a modemy niezarządzane - za pomocą dodatkowego oprogramowania za pośrednictwem portu konsoli (w przypadku Phoenix Contact jest to darmowy program PSI-CONF i interfejs mini-USB). W przeciwieństwie do przełączników, modemy niezarządzane mogą działać w sieci o topologii pierścieniowej.
Poza tym modemy zarządzane i niezarządzane są identyczne, łącznie z funkcjonalnością i możliwością działania na zasadzie Plug&Play, czyli bez konieczności jakiejkolwiek wstępnej konfiguracji.
Dodatkowo modemom można przypisać funkcje ochrony przed przepięciami impulsowymi z możliwością ich diagnostyki. Sieci SHDSL mogą tworzyć bardzo długie segmenty, a przewodniki mogą przechodzić w miejscach, w których mogą powstawać przepięcia impulsowe (indukowana różnica potencjałów spowodowana wyładowaniami atmosferycznymi lub zwarciami w pobliskich liniach kablowych). Indukowane napięcie może powodować prądy wyładowcze rzędu kiloamperów. Dlatego w celu ochrony sprzętu przed takimi zjawiskami w modemach zabudowane są SPD w postaci wyjmowanej płytki, którą w razie potrzeby można wymienić. Linia SHDSL jest podłączona do bloku zacisków tej płytki.
Topologie
Za pomocą SHDSL w Ethernecie można budować sieci o dowolnej topologii: punkt-punkt, linia, gwiazda i pierścień. Jednocześnie, w zależności od rodzaju modemu do połączenia, można używać zarówno 2-żyłowych, jak i 4-żyłowych linii komunikacyjnych.
Topologie sieci Ethernet oparte na SHDSL
Możliwe jest również budowanie rozproszonych systemów o topologii łączonej. Każdy segment sieci SHDSL może mieć do 50 modemów, a biorąc pod uwagę fizyczne możliwości technologii (odległość między modemami wynosi 20 km), długość segmentu może sięgać 1000 km.
Jeśli na czele każdego takiego segmentu zainstalowany jest zarządzany modem, integralność segmentu można zdiagnozować za pomocą SNMP. Ponadto zarządzane i niezarządzane modemy obsługują technologię VLAN, tj. umożliwiają podział sieci na logiczne podsieci. Urządzenia są również w stanie współpracować z protokołami przesyłania danych stosowanymi w nowoczesnych systemach automatyki (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP itp.).
Nadmiarowość kanału przy użyciu SHDSL
Protokół SHDSL służy do tworzenia zapasowych kanałów komunikacyjnych w sieciach Ethernet, najczęściej optycznych.
SHDSL i interfejs szeregowy
Modemy SHDSL z interfejsem szeregowym pozwalają pokonać ograniczenia związane z odległością, topologią i jakością okablowania, które występują w tradycyjnych systemach przewodowych opartych na asynchronicznym odbiorniku/nadajniku (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 i RS-485 - 1200 m.
Istnieją modemy z interfejsami szeregowymi (RS-232/422/485) zarówno do zastosowań uniwersalnych, jak i specjalistycznych (np. dla Profibus). Wszystkie takie urządzenia są klasyfikowane jako „niezarządzane”, więc są konfigurowane i diagnozowane za pomocą specjalnego oprogramowania.
Topologie
W sieciach z interfejsem szeregowym, wykorzystując SHDSL, można budować sieci o topologii punkt-punkt, linia i gwiazda. W ramach topologii liniowej możliwe jest łączenie do 255 węzłów w jedną sieć (dla Profibus - 30).
W systemach zbudowanych przy użyciu wyłącznie urządzeń na interfejsie RS-485 nie ma ograniczeń co do używanego protokołu przesyłania danych, ale topologie liniowe i gwiazdowe nie są typowe dla RS-232 i RS-422, więc praca urządzeń końcowych w sieci SHDSL o takich topologiach jest możliwa tylko w trybie half-duplex. Jednocześnie w systemach z RS-232 i RS-422 adresowanie urządzeń musi być zapewnione na poziomie protokołu, co nie jest typowe dla interfejsów najczęściej stosowanych w sieciach typu punkt-punkt.
Łącząc urządzenia z różnymi typami interfejsów za pośrednictwem SHDSL, należy wziąć pod uwagę fakt, że nie ma jednego mechanizmu nawiązywania połączenia (handshake) między urządzeniami. Niemniej jednak nadal możliwe jest zorganizowanie wymiany w tym przypadku - w tym celu muszą być spełnione następujące warunki:
- koordynacja komunikacji i kontrola transmisji danych muszą być realizowane na poziomie pojedynczego protokołu transmisji danych informacyjnych;
- Wszystkie urządzenia końcowe muszą działać w trybie półdupleksowym, który musi być również obsługiwany przez protokół informacyjny.
Najpopularniejszy protokół interfejsów asynchronicznych, Modbus RTU, pozwala ominąć wszystkie opisane ograniczenia i zbudować jeden system z różnymi typami interfejsów.
Topologie sieci szeregowych oparte na SHDSL
W przypadku korzystania z dwuprzewodowego RS-485 na sprzęcie Możliwe jest zbudowanie bardziej złożonych struktur poprzez łączenie modemów za pomocą jednej magistrali na szynie DIN. Na tej samej magistrali można zainstalować zasilacz (w tym przypadku wszystkie urządzenia są zasilane za pomocą magistrali) i konwertery optyczne serii PSI-MOS, aby utworzyć łączoną sieć. Ważnym warunkiem działania takiego systemu jest taka sama prędkość wszystkich transceiverów.
Dodatkowe możliwości SHDSL w sieci RS-485
Przykłady aplikacji
Technologia SHDSL jest aktywnie wykorzystywana w zakładach komunalnych w Niemczech. Ponad 50 firm obsługujących zakłady komunalne wykorzystuje stare przewody miedziane do łączenia obiektów rozproszonych po całym mieście jedną siecią. SHDSL jest wykorzystywany przede wszystkim do budowy systemów kontroli i rozliczania dostaw wody, gazu i energii. Do takich miast należą Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt nad Odrą i wiele innych.
Największy system oparty na SHDSL powstał w Lubece. System ma łączoną strukturę opartą na optycznym Ethernecie i SHDSL, łączy 120 zdalnych lokalizacji i wykorzystuje ponad 50 modemów . Cała sieć jest diagnozowana za pomocą SNMP. Najdłuższy odcinek od Kalkhorst do lotniska w Lubece ma długość 39 km. Powodem, dla którego klient wybrał SHDSL, było to, że wdrożenie projektu w całości na światłowodach nie było ekonomicznie wykonalne ze względu na obecność starych kabli miedzianych.
Transmisja danych poprzez pierścień ślizgowy
Ciekawym przykładem jest transmisja danych między ruchomymi obiektami, takimi jak turbiny wiatrowe lub duże przemysłowe maszyny skręcające. Podobny system jest używany do wymiany informacji między sterownikami umieszczonymi na wirniku i stojanie instalacji. W tym przypadku do transmisji danych używany jest styk ślizgowy za pośrednictwem pierścienia ślizgowego. Takie przykłady pokazują, że nie jest konieczne posiadanie styku statycznego, aby przesyłać dane za pośrednictwem SHDSL.
Porównanie z innymi technologiami
SHDSL kontra GSM
Porównując SHDSL z systemami transmisji danych opartymi na GSM (3G/4G), brak kosztów operacyjnych związanych z regularnymi płatnościami na rzecz operatora za dostęp do sieci komórkowej przemawia na korzyść DSL. W przypadku SHDSL nie jesteśmy zależni od zasięgu, jakości i niezawodności łączności mobilnej w obiekcie przemysłowym, w tym odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. SHDSL nie wymaga konfiguracji sprzętu, co przyspiesza uruchomienie obiektu. Sieci bezprzewodowe charakteryzują się dużymi opóźnieniami w transmisji danych i trudnościami w przesyłaniu danych za pomocą ruchu multicast (Profinet, Ethernet IP).
Za SHDSL przemawiają względy bezpieczeństwa informacji, ze względu na brak konieczności przesyłania danych przez Internet i konieczności konfigurowania w tym celu połączeń VPN.
SHDSL kontra Wi-Fi
Wiele z tego, co powiedziano o GSM, można również zastosować do przemysłowego Wi-Fi. Wady Wi-Fi obejmują niską odporność na zakłócenia, ograniczoną odległość transmisji danych, zależność od topologii terenu i opóźnienia transmisji danych. Główną wadą jest bezpieczeństwo informacji w sieciach Wi-Fi, ponieważ każda osoba ma dostęp do środowiska transmisji danych. Dzięki Wi-Fi można już przesyłać dane Profinet lub Ethernet IP, co byłoby trudne w przypadku GSM.
SHDSL kontra światłowody
Optyka w zdecydowanej większości przypadków ma dużą przewagę nad SHDSL, ale w niektórych zastosowaniach SHDSL pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze na układaniu i spawaniu kabla optycznego, skracając czas uruchomienia obiektu. SHDSL nie wymaga specjalnych złączy, ponieważ kabel komunikacyjny jest po prostu podłączony do terminala modemu. Ze względu na właściwości mechaniczne kabli optycznych ich zastosowanie jest ograniczone w zastosowaniach związanych z przesyłaniem informacji między ruchomymi obiektami, gdzie bardziej rozpowszechnione są przewodniki miedziane.
Źródło: www.habr.com
