Pomimo powszechnego stosowania sieci Ethernet, technologie komunikacyjne oparte na DSL pozostają aktualne do dziś. Do tej pory technologię DSL można spotkać w sieciach ostatniej mili do łączenia sprzętu abonenckiego z sieciami dostawców Internetu, a ostatnio technologia ta jest coraz częściej wykorzystywana przy budowie sieci lokalnych, np. w zastosowaniach przemysłowych, gdzie DSL stanowi uzupełnienie Ethernetu. lub sieci terenowe oparte na RS-232/422/485. Podobne rozwiązania przemysłowe są aktywnie stosowane w rozwiniętych krajach Europy i Azji.
DSL to rodzina standardów pierwotnie opracowanych do przesyłania danych cyfrowych przez linie telefoniczne. Historycznie rzecz biorąc, stała się pierwszą technologią szerokopasmowego dostępu do Internetu, zastępując DIAL UP i ISDN. Duża różnorodność obecnie istniejących standardów DSL wynika z faktu, że wiele firm, począwszy od lat 80-tych, próbowało opracować i wprowadzić na rynek własną technologię.
Wszystkie te osiągnięcia można podzielić na dwie duże kategorie - technologie asymetryczne (ADSL) i symetryczne (SDSL). Asymetryczne odnosi się do tych, w których prędkość połączenia przychodzącego różni się od prędkości ruchu wychodzącego. Przez symetryczny rozumiemy, że prędkości odbioru i transmisji są równe.
Najbardziej znanymi i rozpowszechnionymi standardami asymetrycznymi są tak naprawdę ADSL (w najnowszym wydaniu - ADSL2+) i VDSL (VDSL2), symetryczne - HDSL (nieaktualny profil) i SHDSL. Wszystkie różnią się od siebie tym, że działają na różnych częstotliwościach i wykorzystują różne metody kodowania i modulacji na fizycznej linii komunikacyjnej. Metody korekcji błędów również się różnią, co skutkuje różnymi poziomami odporności na zakłócenia. W rezultacie każda technologia ma swoje własne ograniczenia w zakresie prędkości i odległości transmisji danych, w tym zależne od rodzaju i jakości przewodnika.
Ograniczenia różnych standardów DSL
W każdej technologii DSL szybkość przesyłania danych maleje wraz ze wzrostem długości kabla. Na ekstremalnych dystansach możliwe jest uzyskanie prędkości rzędu kilkuset kilobitów, jednak przy przesyłaniu danych na odległość powyżej 200-300 m dostępna jest maksymalna możliwa prędkość.
Spośród wszystkich technologii SHDSL ma poważną zaletę, która pozwala na zastosowanie go w zastosowaniach przemysłowych - wysoką odporność na zakłócenia oraz możliwość wykorzystania dowolnego rodzaju przewodnika do transmisji danych. Inaczej jest w przypadku standardów asymetrycznych, a jakość komunikacji w dużym stopniu zależy od jakości łącza wykorzystywanego do transmisji danych. W szczególności zaleca się stosowanie skrętki telefonicznej. W takim przypadku bardziej niezawodnym rozwiązaniem jest zastosowanie kabla optycznego zamiast ADSL i VDSL.
Do SHDSL nadaje się dowolna para izolowanych od siebie przewodów - miedź, aluminium, stal itp. Medium transmisyjnym może być stara instalacja elektryczna, stare linie telefoniczne, ogrodzenia z drutu kolczastego itp.
Zależność szybkości transmisji danych SHDSL od odległości i rodzaju przewodu
Z wykresu prędkości przesyłu danych w zależności od odległości i rodzaju przewodnika podanego dla SHDSL widać, że przewodniki o dużym przekroju umożliwiają przesyłanie informacji na większą odległość. Dzięki tej technologii możliwa jest organizacja komunikacji na odległość do 20 km z maksymalną możliwą prędkością 15.3 Mb/s dla kabla 2-żyłowego lub 30 Mb dla kabla 4-żyłowego. W rzeczywistych zastosowaniach prędkość 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 przewodu, można skorzystać z darmowego oprogramowania np .
Dlaczego SHDSL ma wysoką odporność na zakłócenia?
Zasadę działania transceivera SHDSL można przedstawić w formie schematu blokowego, na którym wyodrębniona jest konkretna i niezależna (niezmienna) część z punktu widzenia aplikacji. Część niezależna składa się z bloków funkcjonalnych PMD (Physical Medium-Specific TC Layer) i PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), natomiast część szczegółowa obejmuje warstwę TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) oraz interfejsy danych użytkownika.
Fizyczne łącze pomiędzy urządzeniami nadawczo-odbiorczymi (STU) może mieć postać pojedynczej pary lub wielu kabli jednoparowych. W przypadku wielu par kabli, STU zawiera wiele niezależnych PMD powiązanych z pojedynczym PMS-TC.
Model funkcjonalny 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, wykonanie multipleksowania/demultipleksowania oraz korekta czasowa kilku kanałów danych użytkownika.
Na poziomie PMS-TC tworzone i synchronizowane są ramki SHDSL, a także szyfrowanie i deszyfrowanie.
Moduł PMD realizuje funkcje kodowania/dekodowania informacji, modulacji/demodulacji, eliminacji echa, negocjacji parametrów na linii komunikacyjnej oraz nawiązywania połączeń pomiędzy transiwerami. To na poziomie PMD wykonywane są główne operacje zapewniające wysoką odporność SHDSL na zakłócenia, w tym kodowanie TCPAM (kodowanie kratowe z analogową modulacją impulsów), wspólny mechanizm kodowania i modulacji, który poprawia wydajność widmową sygnału w porównaniu z oddzielnym metoda. Zasadę działania modułu PMD można również przedstawić w formie schematu funkcjonalnego.
Schemat blokowy modułu PMD
TC-PAM opiera się na wykorzystaniu enkodera splotowego, który generuje redundantną sekwencję bitów po stronie nadajnika SHDSL. W każdym cyklu zegara każdemu bitowi docierającemu do wejścia enkodera przypisywany jest podwójny bit (dibit) na wyjściu. Zatem kosztem stosunkowo małej redundancji zwiększa się odporność na zakłócenia transmisji. Zastosowanie modulacji Trellis pozwala na zmniejszenie wykorzystywanej przepustowości transmisji danych oraz uproszczenie sprzętu przy zachowaniu tego samego stosunku sygnału do szumu.
Zasada działania enkodera Trellis (TC-PAM 16)
Podwójny bit jest tworzony przez logiczną operację dodawania modulo-2 (wyłączającą lub) w oparciu o bit wejściowy x1(tn) i bity x1(tn-1), x1(tn-2) itd. (w sumie może ich być aż 20), które trafiły wcześniej na wejście kodera i pozostały zapisane w rejestrach pamięci. W następnym takcie zegara enkodera tn+1 bity w komórkach pamięci zostaną przesunięte w celu wykonania operacji logicznej: bit x1(tn) zostanie przesunięty do pamięci, przesuwając całą sekwencję tam przechowywanych bitów.
Algorytm kodera splotowego
Tablice prawdy dla operacji dodawania modulo 2
Dla przejrzystości wygodnie jest użyć diagramu stanu enkodera splotowego, z którego można zobaczyć, w jakim stanie znajduje się koder czasami tn, tn+1 itd. w zależności od danych wejściowych. W tym przypadku stan kodera oznacza parę wartości bitu wejściowego x1(tn) i bitu w pierwszej komórce pamięci x1(tn-1). Do skonstruowania diagramu można posłużyć się grafem, na którego wierzchołkach znajdują się możliwe stany enkodera, a przejścia z jednego stanu do drugiego sygnalizowane są odpowiednimi bitami wejściowymi x1(tn) i dibitami wyjściowymi $inline$y ₀y ₁(t ₀)$w linii$.
Diagram stanu i wykres przejść kodera splotowego nadajnika
W nadajniku na podstawie czterech odebranych bitów (dwa bity wyjściowe kodera i dwa bity danych) tworzony jest symbol, z którego każdy odpowiada własnej amplitudzie sygnału modulującego analogowo-impulsowego modulatora.
Stan 16-bitowego AIM w zależności od wartości znaku czterobitowego
Po stronie odbiornika sygnału następuje proces odwrotny - demodulacja i wybór z kodu redundantnego (bity podwójne y0y1(tn)) wymaganej sekwencji bitów wejściowych enkodera x1(tn). Operację tę wykonuje dekoder Viterbiego.
Algorytm dekodera opiera się na obliczeniu metryki błędu dla wszystkich możliwych oczekiwanych stanów kodera. Metryka błędu odnosi się do różnicy pomiędzy bitami odebranymi a bitami oczekiwanymi dla każdej możliwej ścieżki. Jeśli nie ma błędów odbioru, wówczas rzeczywista metryka błędu ścieżki będzie wynosić 0, ponieważ nie ma rozbieżności bitowej. Dla fałszywych ścieżek metryka będzie się różnić od zera, stale rosnąć, a po pewnym czasie dekoder przestanie obliczać błędną ścieżkę, pozostawiając tylko prawdziwą.
Diagram stanu kodera obliczony przez dekoder Viterbiego odbiornika
Ale w jaki sposób ten algorytm zapewnia odporność na zakłócenia? Zakładając, że odbiornik odebrał dane z błędem, dekoder będzie kontynuował obliczanie dwóch ścieżek z metryką błędu 1. Ścieżka z metryką błędu 0 nie będzie już istnieć. Ale algorytm wyciągnie później wniosek o tym, która ścieżka jest prawdziwa, na podstawie kolejnych otrzymanych podwójnych bitów.
Kiedy wystąpi drugi błąd, będzie wiele ścieżek z metryką 2, ale prawidłowa ścieżka zostanie zidentyfikowana później w oparciu o metodę największej wiarygodności (tj. metrykę minimalną).
Diagram stanu kodera obliczony przez dekoder Viterbiego przy odbiorze danych z błędami
W opisanym powyżej przypadku jako przykład rozpatrzyliśmy algorytm systemu 16-bitowego (TC-PAM16), który zapewnia transmisję w jednym symbolu trzech bitów informacji użytecznej i dodatkowego bitu zabezpieczenia przed błędami. TC-PAM16 osiąga szybkość transmisji danych od 192 do 3840 kbps. Zwiększając głębię bitową do 128 (nowoczesne systemy współpracują z TC-PAM128), w każdym symbolu przesyłanych jest sześć bitów przydatnych informacji, a maksymalna osiągalna prędkość waha się od 5696 kbps do 15,3 Mbps.
Zastosowanie analogowej modulacji impulsów (PAM) upodabnia SHDSL do wielu popularnych standardów Ethernet, takich jak gigabitowy 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitowy 10GBASE-T (PAM-16) czy przemysłowy jednoparowy Ethernet 2020BASE -T10L, który jest obiecujący na rok 1 (PAM-3).
SHDSL w sieciach Ethernet
Istnieją modemy zarządzane i niezarządzane SHDSL, jednak klasyfikacja ta ma niewiele wspólnego ze zwykłym podziałem na urządzenia zarządzane i niezarządzane, jaki istnieje na przykład w przypadku przełączników Ethernet. Różnica polega na narzędziach konfiguracyjnych i monitorujących. Modemy zarządzane konfiguruje się poprzez interfejs WWW i można je diagnozować poprzez SNMP, natomiast modemy niezarządzane można diagnozować za pomocą dodatkowego oprogramowania poprzez port konsoli (w przypadku Phoenix Contact jest to darmowy program PSI-CONF i interfejs mini-USB). W przeciwieństwie do przełączników, modemy niezarządzane mogą pracować w sieci o topologii pierścienia.
Poza tym modemy zarządzane i niezarządzane są absolutnie identyczne, jeśli chodzi o funkcjonalność i możliwość pracy na zasadzie Plug&Play, czyli bez jakiejkolwiek wstępnej konfiguracji.
Dodatkowo modemy mogą być wyposażone w funkcje ochrony przeciwprzepięciowej z możliwością ich diagnozowania. Sieci SHDSL mogą tworzyć bardzo długie odcinki, a przewody mogą przebiegać w miejscach, w których mogą wystąpić napięcia udarowe (indukowane różnice potencjałów spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub zwarciami w pobliskich liniach kablowych). Indukowane napięcie może powodować przepływ prądów wyładowczych o wartości kiloamperów. Dlatego, aby chronić sprzęt przed takimi zjawiskami, SPD są wbudowane w modemy w postaci wyjmowanej płytki, którą w razie potrzeby można wymienić. To właśnie do listwy zaciskowej tej płytki podłączona jest linia SHDSL.
Topologie
Wykorzystując SHDSL over Ethernet możliwe jest budowanie sieci o dowolnej topologii: punkt-punkt, liniowa, gwiazda i pierścień. Jednocześnie, w zależności od rodzaju modemu, do połączenia można wykorzystać zarówno 2-przewodowe, jak i 4-przewodowe linie komunikacyjne.
Topologie sieci Ethernet oparte na SHDSL
Możliwe jest także budowanie systemów rozproszonych o topologii łączonej. W każdym segmencie sieci SHDSL może znajdować się maksymalnie 50 modemów, a biorąc pod uwagę fizyczne możliwości technologii (odległość pomiędzy modemami wynosi 20 km), długość segmentu może sięgać 1000 km.
Jeśli na czele każdego takiego segmentu zainstalowany jest modem zarządzany, integralność segmentu można zdiagnozować za pomocą protokołu SNMP. Dodatkowo modemy zarządzane i niezarządzane obsługują technologię VLAN, czyli pozwalają na podział sieci na logiczne podsieci. Urządzenia mogą także współpracować z protokołami transmisji danych stosowanymi w nowoczesnych systemach automatyki (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP itp.).
Rezerwacja kanałów komunikacyjnych z wykorzystaniem protokołu SHDSL
SHDSL służy do tworzenia redundantnych kanałów komunikacyjnych w sieci Ethernet, najczęściej optycznej.
SHDSL i interfejs szeregowy
Modemy SHDSL z interfejsem szeregowym pokonują ograniczenia w zakresie odległości, topologii i jakości przewodów, które istnieją w tradycyjnych systemach przewodowych opartych na asynchronicznych transceiverach (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 tego typu urządzenia należą do kategorii „niezarządzanych”, dlatego konfiguruje się je i diagnozuje za pomocą specjalnego oprogramowania.
Topologie
W sieciach posiadających złącze szeregowe przy wykorzystaniu SHDSL możliwe jest budowanie sieci o topologii punkt-punkt, liniowej i gwiazdy. W topologii liniowej możliwe jest połączenie w jedną sieć do 255 węzłów (dla Profibus - 30).
W systemach zbudowanych wyłącznie z urządzeń RS-485 nie ma ograniczeń co do stosowanego protokołu transmisji danych, jednak topologie liniowe i gwiazdowe są nietypowe dla RS-232 i RS-422, zatem praca urządzeń końcowych w sieci SHDSL o podobnych topologiach jest możliwe tylko w trybie półdupleksowym. 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 punkt-punkt.
Łącząc urządzenia z różnymi typami interfejsów poprzez SHDSL należy wziąć pod uwagę fakt, że nie ma jednego mechanizmu nawiązywania połączenia (uzgadniania) pomiędzy urządzeniami. Jednak w tym przypadku nadal istnieje możliwość zorganizowania wymiany, w tym celu muszą zostać spełnione następujące warunki:
- koordynacja komunikacji i kontrola przesyłania danych muszą odbywać się na poziomie ujednoliconego protokołu przesyłania danych informacyjnych;
- wszystkie urządzenia końcowe muszą pracować w trybie half-duplex, który także musi być obsługiwany przez protokół informacyjny.
Protokół Modbus RTU, najpopularniejszy protokół dla interfejsów asynchronicznych, pozwala ominąć wszystkie opisane ograniczenia i zbudować jeden system z różnymi typami interfejsów.
Topologie sieci szeregowych oparte na SHDSL
W przypadku używania dwuprzewodowego RS-485 na sprzęcie Można budować bardziej złożone konstrukcje łącząc modemy poprzez jedną magistralę na szynie DIN. Na tej samej magistrali można zainstalować zasilacz (w tym przypadku wszystkie urządzenia zasilane są przez magistralę) oraz konwertery optyczne serii PSI-MOS, tworząc kombinowaną sieć. Ważnym warunkiem działania takiego systemu jest jednakowa prędkość wszystkich transceiverów.
Dodatkowe funkcje SHDSL w sieci RS-485
Przykłady aplikacji
Technologia SHDSL jest aktywnie wykorzystywana w zakładach komunalnych w Niemczech. Ponad 50 firm obsługujących miejskie systemy użyteczności publicznej wykorzystuje stare przewody miedziane do łączenia w jedną sieć obiektów rozproszonych po całym mieście. Systemy sterowania i rozliczania dostaw wody, gazu i energii budowane są głównie w oparciu o technologię SHDSL. Do takich miast zalicza się Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt nad Odrą i wiele innych.
Największy system oparty na SHDSL powstał w mieście Lubeka. System ma kombinowaną strukturę opartą na optycznym Ethernecie i SHDSL, łączy 120 oddalonych od siebie obiektów i wykorzystuje ponad 50 modemów . Cała sieć jest diagnozowana przy użyciu protokołu SNMP. Najdłuższy odcinek z Kalkhorst do lotniska w Lubece ma 39 km długości. Powodem, dla którego firma-klient wybrała technologię SHDSL, było to, że realizacja projektu wyłącznie w oparciu o optykę nie była ekonomicznie opłacalna, biorąc pod uwagę dostępność starych kabli miedzianych.
Transmisja danych poprzez pierścień ślizgowy
Ciekawym przykładem jest przesyłanie danych pomiędzy poruszającymi się obiektami, np. w turbinach wiatrowych czy dużych przemysłowych skręcarkach. Podobny system stosowany jest do wymiany informacji pomiędzy sterownikami umieszczonymi na wirniku i stojanie instalacji. W tym przypadku do przesyłania danych wykorzystywany jest styk ślizgowy poprzez pierścień ślizgowy. Takie przykłady pokazują, że nie jest konieczne posiadanie styku statycznego, aby przesyłać dane przez SHDSL.
Porównanie z innymi technologiami
SHDSL kontra GSM
Jeśli porównamy SHDSL z systemami transmisji danych opartymi na GSM (3G/4G), to brak kosztów operacyjnych związanych z regularnymi opłatami na rzecz operatora za dostęp do sieci komórkowej przemawia na korzyść DSL. Dzięki SHDSL jesteśmy niezależni od zasięgu, jakości i niezawodności komunikacji mobilnej na obiekcie przemysłowym, w tym odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. Dzięki SHDSL nie ma konieczności konfiguracji sprzętu, co przyspiesza uruchomienie obiektu. Sieci bezprzewodowe charakteryzują się dużymi opóźnieniami w transmisji danych oraz trudnościami w transmisji danych w ruchu multicast (Profinet, Ethernet IP).
Bezpieczeństwo informacji przemawia na korzyść SHDSL ze względu na brak konieczności przesyłania danych przez Internet i konieczność konfigurowania w tym celu połączeń VPN.
SHDSL kontra Wi-Fi
Wiele z tego, co powiedziano o GSM, można zastosować także w przemysłowych sieciach Wi-Fi. Niska odporność na zakłócenia, ograniczona odległość transmisji danych, zależność od topologii obszaru i opóźnienia w transmisji danych przemawiają na niekorzyść Wi-Fi. Najważniejszą wadą jest bezpieczeństwo informacyjne sieci Wi-Fi, ponieważ dostęp do nośnika transmisji danych ma każdy. Dzięki Wi-Fi możliwa jest już transmisja danych IP w sieci Profinet lub Ethernet, co byłoby trudne w przypadku sieci GSM.
SHDSL kontra optyka
W zdecydowanej większości przypadków optyka ma ogromną przewagę nad SHDSL, jednak w wielu zastosowaniach SHDSL pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze na układaniu i spawaniu kabli optycznych, skracając czas potrzebny na uruchomienie obiektu. SHDSL nie wymaga specjalnych złączy, ponieważ kabel komunikacyjny wystarczy podłączyć do terminala modemu. Ze względu na właściwości mechaniczne kabli optycznych ich zastosowanie jest ograniczone w zastosowaniach związanych z przesyłaniem informacji pomiędzy poruszającymi się obiektami, gdzie powszechniejsze są przewodniki miedziane.
Źródło: www.habr.com