Mimo powszechnego rozpowszechnienia sieci Ethernet, technologie komunikacyjne oparte na DSL nie tracą swojej aktualności do dziś. Wciąż można spotkać DSL w sieciach ostatniej mili do łączenia sprzętu abonentów z sieciami dostawców internetowych, a ostatnio technologia ta coraz częściej wykorzystywana jest przy budowie lokalnych sieci, na przykład w aplikacjach przemysłowych, gdzie DSL pełni rolę uzupełnienia dla Ethernetu lub dla sieci polowych opartych na RS-232/422/485. Takie rozwiązania przemysłowe są aktywnie stosowane w rozwiniętych krajach europejskich i azjatyckich.
DSL to rodzina standardów, które pierwotnie zaprojektowane zostały do przesyłania danych cyfrowych przez linie telefoniczne. Historycznie była to pierwsza technologia szerokopasmowego dostępu do internetu, pojawiająca się w miejsce DIAL UP i ISDN. Duża różnorodność istniejących obecnie standardów DSL jest związana z tym, że wiele firm, począwszy od lat 80-tych, starało się opracować i wprowadzić na rynek własną technologię.
Wszystkie te opracowania można podzielić na dwie duże kategorie – technologii asymetrycznych (ADSL) i symetrycznych (SDSL). Technologia asymetryczna to taka, w której prędkość połączenia przychodzącego różni się od prędkości wychodzącego ruchu. W technologii symetrycznej prędkości odbioru i nadawania są równe.
Najbardziej znanymi i rozpowszechnionymi standardami asymetrycznymi są ADSL (w najnowszej wersji – ADSL2+) oraz VDSL (VDSL2), natomiast symetrycznymi – HDSL (przestarzały profil) i SHDSL. Różnią się one tym, że działają na różnych częstotliwościach, stosują różne metody kodowania i modulacji na fizycznej linii komunikacyjnej. Różne są również metody korekcji błędów, dzięki czemu zapewniają różny poziom odporności na zakłócenia. W rezultacie każda technologia ma swoje ograniczenia w prędkości i zasięgu transmisji danych, w tym w zależności od rodzaju i jakości przewodnika.
Ograniczenia różnych standardów DSL
W każdej technologii DSL prędkość przesyłania danych maleje wraz ze wzrostem długości przewodu. Na maksymalnych dystansach można uzyskać prędkość na poziomie kilku setek kilobitów, ale przy przesyłaniu danych na odległość 200-300 m dostępna jest maksymalna możliwa prędkość.
Wśród wszystkich technologii, SHDSL ma poważną przewagę, która umożliwia jej zastosowanie w aplikacjach przemysłowych — wysoką odporność na zakłócenia oraz możliwość użycia różnych typów przewodników do transmisji danych. W standardach asymetrycznych brakuje tego, a jakość połączenia w dużej mierze zależy od jakości linii używanej do transmisji danych. W szczególności zaleca się stosowanie skręconego przewodu telefonicznego. W tym przypadku bardziej niezawodnym rozwiązaniem zamiast ADSL i VDSL staje się zastosowanie kabla światłowodowego.
Do SHDSL nadaje się każda para odizolowanych od siebie przewodników — miedzianych, aluminiowych, stalowych itd. Jako medium transmisyjne mogą być wykorzystane stare instalacje elektryczne, starsze linie telefoniczne, druty kolczaste ogrodzeń itd.
Zależność prędkości transmisji danych SHDSL od odległości i typu przewodnika
Z wykresu przedstawiającego zależność prędkości transmisji danych od odległości i typu przewodnika dla SHDSL można zobaczyć, że przewodniki o większym przekroju pozwalają na przesyłanie informacji na większe odległości. Dzięki technologii możliwe jest zorganizowanie połączenia na odległość do 20 km przy maksymalnej możliwej prędkości 15.3 Mb/s dla kabla dwużyłowego lub 30 Mb/s dla kabla czterożyłowego. W rzeczywistych zastosowaniach prędkość transmisji może być ustawiana ręcznie, co jest konieczne w warunkach silnych zakłóceń elektromagnetycznych lub słabej jakości linii. W takim przypadku, aby zwiększyć odległość transmisji, należy zmniejszyć prędkość pracy urządzeń SHDSL. Do dokładnego obliczenia prędkości w zależności od odległości i typu przewodnika można wykorzystać bezpłatne narzędzia programowe, takie jak .
Co sprawia, że SHDSL ma wysoką odporność na zakłócenia?
Zasada działania nadajnika i odbiornika SHDSL może być przedstawiona w formie diagramu blokowego, w którym wyróżnia się część specyficzną i niezależną (inwariantną) z punktu widzenia aplikacji. Część niezależna składa się z funkcjonalnych bloków PMD (Physical Medium Dependent) i PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), natomiast część specyficzna obejmuje poziom TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) oraz interfejsy danych użytkownika.
Fizyczna linia komunikacyjna między nadajnikami i odbiornikami (STU) może istnieć jako pojedynczy kabel lub kilka pojedynczych kabli. W przypadku wielu par kabli, STU zawiera kilka niezależnych bloków PMD powiązanych z jednym PMS-TC.
Model funkcjonalny nadajnika/odbiornika SHDSL (STU)
Moduł TPS-TC zależy od zastosowania, w którym używane jest urządzenie (Ethernet, RS-232/422/485 itp.). Jego zadaniem jest konwersja danych użytkownika do formatu SHDSL, realizacja multipleksacji/demultipleksacji oraz synchronizacja kilku kanałów danych użytkownika.
Na poziomie PMS-TC następuje formowanie ramek SHDSL oraz ich synchronizacja, a także skramblowanie i deskramblowanie.
Moduł PMD wykonuje funkcje kodowania/dekodowania informacji, modulacji/demodulacji, tłumienia echa, dostosowywania parametrów na linii komunikacyjnej oraz nawiązywania połączenia między nadajnikami i odbiornikami. To na poziomie PMD wykonywane są główne operacje, zapewniające wysoką odporność na zakłócenia SHDSL, w tym kodowanie TCPAM (kodowanie Trellis z modulacją analogowo-impulsową), mechanizm współnego kodowania i modulacji, który poprawia efektywność spektralną sygnału w porównaniu z podejściem rozdzielonym. Zasady działania modułu PMD można również przedstawić w formie diagramu funkcjonalnego.
Schemat blokowy modułu PMD
Podstawą TC-PAM jest wykorzystanie kodera konwolucyjnego, który tworzy nadmiarową sekwencję bitów po stronie nadajnika SHDSL. Przy każdym cyklu pracy, każdemu bitowi wchodzącemu do kodera przyporządkowywany jest podwójny bit (dibit) na wyjściu. W ten sposób, przy stosunkowo małej nadmiarowości, zwiększa się odporność na zakłócenia transmisji. Użycie modulacji Trellis pozwala zmniejszyć pasmo używane do transmisji danych oraz uprościć część sprzętową przy niezmiennym stosunku sygnał/szumy.
Zasada działania kodera Trellis (TC-PAM 16)
Podwójny bit powstaje w wyniku operacji logicznej dodawania w modularnej arytmetyce 2 (wykluczające «lub»), na podstawie bitu wejściowego x1(tn) oraz bitów x1(tn-1), x1(tn-2) itd. (może ich być do 20), które były wcześniej przesyłane do kodera i pozostały w rejestrach pamięci. W następnym takcie działania kodera tn+1 nastąpi przesunięcie bitów w komórkach pamięci w celu wykonania operacji logicznej: bit x1(tn) zostanie przeniesiony do pamięci, przesuwając całą przechowywaną tam sekwencję bitów.
Algorytm kodera konwolucyjnego
Tablice prawdy operacji dodawania w modularnej arytmetyce 2
W celu zobrazowania warto korzystać z diagramu stanu kodera konwolucyjnego, na którym można zobaczyć, w jakim stanie znajduje się koder w momentach czasu tn, tn+1 itd. w zależności od danych wejściowych. Pod stanem kodera rozumie się w tym przypadku parę wartości bitu wejściowego x1(tn) oraz bitu w pierwszej komórce pamięci x1(tn-1). Aby zbudować diagram, można użyć grafu, w którego wierzchołkach znajdują się możliwe stany kodera, a przejścia z jednego stanu do drugiego oznaczone są odpowiednimi bitami wejściowymi x1(tn) i bitami wyjściowymi dublowanych bitów $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagram stanów i graf przejść kodera konwolucyjnego nadajnika
W nadajniku na podstawie otrzymanych czterech bitów (dwóch wyjściowych bitów kodera i dwóch bitów danych) formowany jest symbol, któremu odpowiada określona amplituda sygnału modulującego w analogowym modulacie impulsowym.
Stan 16-bitowego AIM w zależności od wartości czterobitowego symbolu
Po stronie odbiornika sygnału zachodzi proces odwrotny – demodulacja i wydobywanie z nadmiarowego kodu (podwójnych bitów y0y1(tn)) odpowiedniej sekwencji bitów wejściowych kodera x1(tn). Operację tę realizuje dekoder Viterbiego.
Algorytm dekodera oparty jest na obliczaniu metryki błędów dla wszystkich możliwych przewidywanych stanów kodera. Pod metryką błędów rozumie się różnicę między odbieranymi bitami a przewidywanymi bitami dla każdej możliwej ścieżki. Jeśli w odbiorze nie ma błędów, metryka błędów rzeczywistej ścieżki wyniesie 0, ponieważ nie występują rozbieżności po bitach. Dla fałszywych ścieżek metryka będzie różna od zera, stale narastać, a po pewnym czasie dekoder przestanie obliczać błędną ścieżkę, pozostawiając tylko rzeczywistą.
Diagram stanów kodera obliczanego przez dekoder Viterbie odbiornika
Ale jak ten algorytm zapewnia odporność na zakłócenia? Zakładając, że odbiornik odebrał dane z błędem, dekoder będzie kontynuował obliczanie dwóch ścieżek z metryką błędów 1. Ścieżka z metryką 0 już nie będzie istnieć. Jednak algorytm podejmie decyzję, która ścieżka jest prawdziwa, później na podstawie kolejnych przyjmowanych podwójnych bitów.
W przypadku pojawienia się drugiego błędu będzie kilka ścieżek z metryką 2, ale prawidłowa ścieżka zostanie zidentyfikowana później na podstawie metody największego prawdopodobieństwa (czyli minimalnej metryki).
Diagram stanów kodera obliczanego przez dekoder Viterbie, podczas odbioru danych z błędami
W opisanym powyżej przypadku jako przykład rozważany był algorytm 16-bitowego systemu (TC-PAM16), który zapewnia przesył trzech bitów użytecznych informacji oraz dodatkowego bitu do ochrony przed błędami w jednym symbolu. W TC-PAM16 można osiągnąć prędkość przesyłu danych od 192 do 3840 kbit/s. Przy zwiększeniu rozdzielczości do 128 (nowoczesne systemy działają z TC-PAM128) w każdym symbolu przesyłanych jest sześć bitów użytecznych informacji, a maksymalnie osiągalna prędkość wynosi od 5696 kbit/s do 15,3 Mb/s.
Zastosowanie modulacji analogowo-impulsowej (PAM) łączy SHDSL z szeregiem popularnych standardów Ethernet, takich jak gigabitowy 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitowy 10GBASE-T (PAM-16) czy obiecujący przemysłowy jednożyłowy Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3) na rok 2020.
SHDSL w sieciach Ethernet
Rozróżnia się zarządzane i niezarządzane modemy SHDSL, ale w tej klasyfikacji niewiele ma to wspólnego z tradycyjnym podziałem na urządzenia zarządzane i niezarządzane, który istnieje na przykład w przypadku przełączników Ethernet. Różnica polega na środkach konfiguracji i monitorowania. Modemy zarządzane są konfigurowane poprzez interfejs webowy i mogą być diagnozowane za pomocą SNMP, natomiast niezarządzane – przy pomocy dodatkowego oprogramowania poprzez port konsolowy (dla Phoenix Contact to darmowy program PSI-CONF i interfejs mini-USB). W przeciwieństwie do przełączników, niezarządzane modemy mogą pracować w sieci z topologią pierścieniową.
Poza tym zarządzane i niezarządzane modemy są absolutnie identyczne, łącznie z funkcjonalnością i możliwością pracy w trybie Plug & Play, czyli bez jakiejkolwiek wcześniejszej konfiguracji.
Dodatkowo na modemach mogą być zaimplementowane funkcje ochrony przed impulsami z możliwością ich diagnostyki. Sieci SHDSL mogą tworzyć bardzo długie segmenty, a przewody mogą przebiegać w miejscach, gdzie może wystąpić powstawanie impulsów (indukowane różnice potencjałów, spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub zwarciami w pobliskich liniach kablowych). Indukowane napięcie może powodować przepływ prądów wyładowczych o wartości w kiloamperach. Dlatego, aby chronić sprzęt przed takimi zjawiskami, modemy są wyposażone w urządzenia ochrony przed przepięciami w postaci wymiennej płyty, która w razie potrzeby może być wymieniona. Właśnie do zacisku tej płyty podłączana jest linia SHDSL.
Topologie
Za pomocą SHDSL w Ethernet możliwe jest budowanie sieci o dowolnej topologii: punkt-punkt, linia, gwiazda i pierścień. W zależności od typu modemu do połączenia można używać zarówno linii 2- jak i 4-przewodowych.
Topologie sieci Ethernet w oparciu o SHDSL
Można również budować rozproszone systemy o kombinowanej topologii. Każdy segment sieci SHDSL może liczyć do 50 modemów, a biorąc pod uwagę fizyczne możliwości technologii (odległość między modemami wynosząca 20 km), długość segmentu może osiągnąć 1000 km.
Jeśli w głowie każdego takiego segmentu zainstalowany zostanie modem zarządzany, to integralność segmentu można diagnostykować za pomocą SNMP. Ponadto, modemy zarządzane i niezależne obsługują technologię VLAN, co oznacza, że pozwalają na podział sieci na logiczne podsieci. Urządzenia te są również w stanie pracować z protokołami transmisji danych stosowanymi w nowoczesnych systemach automatyzacji (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP itp.).
Rezerwowanie kanałów komunikacyjnych za pomocą SHDSL
SHDSL jest wykorzystywane do tworzenia rezerwowych kanałów komunikacyjnych w sieci Ethernet, najczęściej optycznych.
SHDSL i interfejs szeregowy
Modemy SHDSL z interfejsem szeregowym pozwalają przezwyciężyć ograniczenia dotyczące odległości, topologii i jakości przewodnika, które występują w tradycyjnych systemach przewodowych opartych na asynchronicznych nadajnikach odbiorczych (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 i RS-485 — 1200 m.
Istnieją modemy z interfejsami szeregowymi (RS-232/422/485) zarówno dla uniwersalnych aplikacji, jak i dla specjalistycznych (na przykład dla Profibus). Wszystkie tego rodzaju urządzenia należą do kategorii „niezarządzanych”, dlatego są konfigurowane i diagnozowane za pomocą specjalnego oprogramowania.
Topologie
W sieciach z interfejsem szeregowym za pomocą SHDSL możliwe jest budowanie sieci w topologii punkt-punkt, liniowej i gwiazdy. W ramach topologii liniowej można połączyć w jedną sieć do 255 węzłów (dla Profibus – 30).
W systemach opartych wyłącznie na urządzeniach z interfejsem RS-485 nie ma żadnych ograniczeń co do stosowanego protokołu transmisji danych, jednak topologie typu linia i gwiazda są nietypowe dla RS-232 i RS-422, dlatego działanie urządzeń końcowych w sieci SHDSL w takich topologiach jest możliwe tylko w trybie półdupleksowym. Jednocześnie w systemach z RS-232 i RS-422 na poziomie protokołu musi być zapewniona adresacja urządzeń, co jest nietypowe dla interfejsów najczęściej stosowanych w sieciach punkt-punkt.
Przy łączeniu przez SHDSL urządzeń z różnymi typami interfejsów należy uwzględnić fakt braku jednolitego mechanizmu do ustalania połączenia (uścisku dłoni) pomiędzy urządzeniami. Niemniej jednak, zorganizowanie wymiany w tym przypadku jest nadal możliwe – do tego wymagane jest spełnienie następujących warunków:
- ustalenie połączenia i zarządzanie transmisją danych musi odbywać się na poziomie jednolitego informacyjnego protokołu transmisji danych;
- wszystkie urządzenia końcowe muszą działać w trybie półdupleksowym, co również musi być wspierane przez protokół informacyjny.
Najczęściej spotykanym protokołem dla interfejsów asynchronicznych jest Modbus RTU, który pozwala uniknąć wszystkich opisanych ograniczeń i budować jedną system z różnymi typami interfejsów.
Topologie sieci z interfejsem szeregowym opartym na SHDSL
Przy korzystaniu z dwodrutowego RS-485 na sprzęcie Można budować bardziej złożone struktury, łącząc modemy za pomocą jednej szyny na szynie DIN. Na tej samej szynie może być zainstalowany zasilacz (w takim przypadku zasilanie wszystkich urządzeń odbywa się przez szynę) oraz optyczne konwertery serii PSI-MOS do tworzenia sieci kombi. Ważnym warunkiem pracy takiego systemu jest ta sama prędkość wszystkich nadajników i odbiorników.
Dodatkowe możliwości SHDSL w sieci RS-485
Przykłady zastosowania
Technologia SHDSL znajduje szerokie zastosowanie w miejskim gospodarce komunalnym w Niemczech. Ponad 50 firm obsługujących miejskie systemy komunalne korzysta ze starych miedzianych kabli, aby połączyć rozproszone po mieście obiekty w jedną sieć. Na SHDSL budowane są przede wszystkim systemy zarządzania i monitorowania w wodociągach, gazownictwie i zasilaniu energetycznym. Wśród takich miast znajdują się Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt nad Odrą i wiele innych.
Największy system oparty na SHDSL został stworzony w mieście Lübeck. System ma strukturę kombinowaną opartą na optycznym Ethernet i SHDSL, łączy 120 oddalonych od siebie obiektów i wykorzystuje ponad 50 modemów. . Cała sieć jest diagnozowana za pomocą SNMP. Najdłuższy segment od gminy Kalkhorst do lotniska w Lübeck ma długość 39 km. Powodem, dla którego firma-zamawiający wybrała SHDSL, było to, że wdrożenie projektu w całości na włóknie było ekonomicznie nieopłacalne, biorąc pod uwagę istnienie starych kabli miedzianych.
Przesył danych przez pierścień kontaktowy
Interesującym przykładem jest przesył danych pomiędzy ruchomymi obiektami, jak na przykład w wiatrowych generatorach lub w dużych maszynach przetwórczych. Tego rodzaju system jest wykorzystywany do wymiany informacji pomiędzy kontrolerami umieszczonymi na wirniku i statorze instalacji. W takim przypadku w celu przesyłania danych używa się kontaktu ślizgowego poprzez pierścień kontaktowy. Takie przykłady pokazują, że nie jest konieczne posiadanie statycznego kontaktu do przesyłania danych po SHDSL.
Porównanie z innymi technologiami
SHDSL vs GSM
Porównując SHDSL z systemami przesyłu danych opartymi na GSM (3G/4G), na korzyść DSL przemawia brak kosztów operacyjnych związanych z regularnym płaceniem operatorowi za dostęp do sieci mobilnej. W przypadku SHDSL nie zależymy od zasięgu, jakości i niezawodności połączenia mobilnego w obiekcie przemysłowym, w tym odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. W SHDSL nie ma potrzeby konfigurowania sprzętu, co przyspiesza uruchomienie obiektu. W sieciach bezprzewodowych występują duże opóźnienia w przesyłaniu danych oraz problemy z przesyłaniem danych wykorzystujących ruch multicastowy (Profinet, Ethernet IP).
Na korzyść SHDSL przemawia bezpieczeństwo informacji, ponieważ nie ma potrzeby przesyłania danych przez Internet ani konfigurowania do tego połączeń VPN.
SHDSL vs Wi-Fi
Wiele z wymienionych kwestii dotyczących GSM odnosi się także do przemysłowego Wi-Fi. Przeciwko Wi-Fi przemawia niska odporność na zakłócenia, ograniczony zasięg przesyłu danych, zależność od ukształtowania terenu oraz opóźnienia w przesyłaniu danych. Największą wadą jest bezpieczeństwo informacji w sieciach Wi-Fi, ponieważ każdy może mieć dostęp do medium przesyłowego. Przy pomocy Wi-Fi możliwe jest już przesyłanie danych Profinet lub Ethernet IP, co byłoby trudne dla GSM.
SHDSL vs światłowód
Światłowód w przytłaczającej większości ma istotną przewagę nad SHDSL, jednak w niektórych zastosowaniach SHDSL pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze na układaniu i spawaniu światłowodów, skracając czas uruchomienia obiektu. W przypadku SHDSL nie są wymagane specjalne złącza, ponieważ kabel komunikacyjny podłącza się bezpośrednio do terminala modemu. Z powodu właściwości mechanicznych kabli światłowodowych ich zastosowanie jest ograniczone w aplikacjach związanych z przesyłaniem informacji między poruszającymi się obiektami, gdzie większe znaczenie mają przewody miedziane.
Źródło: habr.com
