Napriek širokému využívaniu ethernetových sietí zostávajú komunikačné technológie založené na DSL dodnes relevantné. Doteraz sa DSL nachádza v sieťach poslednej míle na pripojenie účastníckych zariadení k sieťam poskytovateľov internetu a v poslednej dobe sa táto technológia čoraz viac využíva pri budovaní lokálnych sietí, napríklad v priemyselných aplikáciách, kde DSL funguje ako doplnok k Ethernetu. alebo poľné siete založené na RS-232/422/485. Podobné priemyselné riešenia sa aktívne používajú vo vyspelých európskych a ázijských krajinách.
DSL je rodina štandardov, ktoré boli pôvodne vytvorené na prenos digitálnych dát cez telefónne linky. Historicky sa stala prvou technológiou širokopásmového prístupu na internet, ktorá nahradila DIAL UP a ISDN. Široká škála štandardov DSL, ktoré v súčasnosti existujú, je spôsobená skutočnosťou, že mnohé spoločnosti sa od 80. rokov pokúšali vyvinúť a uviesť na trh vlastnú technológiu.
Celý tento vývoj možno rozdeliť do dvoch veľkých kategórií – asymetrické (ADSL) a symetrické (SDSL) technológie. Asymetrické označuje tie, v ktorých je rýchlosť prichádzajúceho pripojenia odlišná od rýchlosti odchádzajúcej prevádzky. Symetrickým rozumieme, že rýchlosť príjmu a prenosu sú rovnaké.
Najznámejšie a najrozšírenejšie asymetrické štandardy sú v skutočnosti ADSL (v najnovšom vydaní - ADSL2+) a VDSL (VDSL2), symetrické - HDSL (zastaraný profil) a SHDSL. Všetky sa od seba líšia tým, že fungujú na rôznych frekvenciách a používajú rôzne metódy kódovania a modulácie na fyzickej komunikačnej linke. Metódy korekcie chýb sa tiež líšia, čo vedie k rôznym úrovniam odolnosti voči šumu. Výsledkom je, že každá technológia má svoje vlastné limity v rýchlosti a vzdialenosti prenosu dát, a to aj v závislosti od typu a kvality vodiča.
Limity rôznych DSL štandardov
V akejkoľvek technológii DSL sa rýchlosť prenosu dát znižuje so zvyšujúcou sa dĺžkou kábla. Na extrémne vzdialenosti je možné dosiahnuť rýchlosť niekoľko stoviek kilobitov, no pri prenose dát nad 200-300 m je k dispozícii maximálna možná rýchlosť.
Spomedzi všetkých technológií má SHDSL vážnu výhodu, ktorá umožňuje jeho využitie v priemyselných aplikáciách – vysokú odolnosť voči šumu a možnosť použiť na prenos dát akýkoľvek typ vodiča. Pri asymetrických štandardoch to tak nie je a kvalita komunikácie veľmi závisí od kvality linky používanej na prenos dát. Predovšetkým sa odporúča použiť skrútený telefónny kábel. V tomto prípade je spoľahlivejším riešením použiť namiesto ADSL a VDSL optický kábel.
Pre SHDSL je vhodný akýkoľvek pár od seba izolovaných vodičov - meď, hliník, oceľ a pod.. Prenosovým médiom môžu byť staré elektrické rozvody, staré telefónne vedenia, ploty z ostnatého drôtu a pod.
Závislosť rýchlosti prenosu dát SHDSL od vzdialenosti a typu vodiča
Z grafu rýchlosti prenosu dát v závislosti od vzdialenosti a typu vodiča uvedeného pre SHDSL môžete vidieť, že vodiče s veľkým prierezom vám umožňujú prenášať informácie na väčšiu vzdialenosť. Vďaka technológii je možné organizovať komunikáciu na vzdialenosť až 20 km pri maximálnej možnej rýchlosti 15.3 Mb/s pre 2-žilový kábel alebo 30 Mb pre 4-žilový kábel. V reálnych aplikáciách je možné prenosovú rýchlosť nastaviť manuálne, čo je nevyhnutné v podmienkach silného elektromagnetického rušenia alebo nízkej kvality linky. V tomto prípade je na zvýšenie prenosovej vzdialenosti potrebné znížiť rýchlosť zariadení SHDSL. Na presný výpočet rýchlosti v závislosti od vzdialenosti a typu vodiča môžete použiť bezplatný softvér ako napr .
Prečo má SHDSL vysokú odolnosť proti šumu?
Princíp činnosti SHDSL transceivera je možné znázorniť vo forme blokovej schémy, v ktorej je rozlíšená špecifická a z aplikačného hľadiska nezávislá (invariantná) časť. Samostatnú časť tvoria funkčné bloky PMD (Physical Medium Dependent) a PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), zatiaľ čo špecifická časť obsahuje vrstvu TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) a používateľské dátové rozhrania.
Fyzické spojenie medzi vysielačmi a prijímačmi (STU) môže existovať ako jeden pár alebo viacero jednopárových káblov. V prípade viacerých párov káblov obsahuje STU viacero nezávislých PMD spojených s jedným PMS-TC.
Funkčný model SHDSL transceivera (STU)
Modul TPS-TC závisí od aplikácie, v ktorej sa zariadenie používa (Ethernet, RS-232/422/485 atď.). Jeho úlohou je konvertovať užívateľské dáta do formátu SHDSL, vykonávať multiplexovanie/demultiplexovanie a časové nastavenie viacerých kanálov užívateľských dát.
Na úrovni PMS-TC sa tvoria a synchronizujú rámce SHDSL, ako aj skramblovanie a dekódovanie.
Modul PMD vykonáva funkcie kódovania/dekódovania informácií, modulácie/demodulácie, rušenia ozveny, vyjednávania parametrov na komunikačnej linke a vytvárania spojení medzi transceiverom. Práve na úrovni PMD sa vykonávajú hlavné operácie na zabezpečenie vysokej odolnosti SHDSL voči šumu, vrátane kódovania TCPAM (kódovanie Trellis s analógovou pulznou moduláciou), spoločného kódovacieho a modulačného mechanizmu, ktorý zlepšuje spektrálnu účinnosť signálu v porovnaní so samostatným metóda. Princíp činnosti modulu PMD je možné znázorniť aj vo forme funkčnej schémy.
Bloková schéma modulu PMD
TC-PAM je založený na použití konvolučného kódovača, ktorý generuje redundantnú sekvenciu bitov na strane vysielača SHDSL. Pri každom cykle hodín je každému bitu prichádzajúcemu na vstup kódovača priradený dvojitý bit (dibit) na výstupe. Za cenu relatívne malej redundancie sa teda zvyšuje odolnosť voči prenosovému šumu. Použitie modulácie Trellis umožňuje znížiť použitú šírku pásma prenosu dát a zjednodušiť hardvér pri zachovaní rovnakého odstupu signálu od šumu.
Princíp fungovania kódovača Trellis (TC-PAM 16)
Dvojitý bit je tvorený logickou operáciou modulo-2 (exclusive-alebo) sčítaním na základe vstupného bitu x1(tn) a bitov x1(tn-1), x1(tn-2) atď. (celkovo ich môže byť až 20), ktoré boli predtým prijaté na vstupe kódovača a zostali uložené v pamäťových registroch. V ďalšom taktovom cykle kodéra tn+1 sa bity v pamäťových bunkách posunú, aby sa vykonala logická operácia: bit x1(tn) sa presunie do pamäte, čím sa posunie celá sekvencia bitov, ktoré sú tam uložené.
Algoritmus konvolučného kódovača
Pravdivé tabuľky pre operáciu sčítania modulo 2
Pre prehľadnosť je vhodné použiť stavový diagram konvolučného enkodéra, z ktorého vidíte, v akom stave sa enkodér nachádza v časoch tn, tn+1 atď. v závislosti od vstupných údajov. V tomto prípade stav kódovača znamená pár hodnôt vstupného bitu x1(tn) a bitu v prvej pamäťovej bunke x1(tn-1). Na zostavenie diagramu môžete použiť graf, na vrcholoch ktorého sú možné stavy kodéra a prechody z jedného stavu do druhého sú označené zodpovedajúcimi vstupnými bitmi x1(tn) a výstupnými dibitmi $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Stavový diagram a graf prechodu konvolučného kódovača vysielača
Vo vysielači sa na základe štyroch prijatých bitov (dva výstupné bity kódovača a dva dátové bity) vytvorí symbol, z ktorých každý zodpovedá svojej vlastnej amplitúde modulačného signálu analógovo-impulzného modulátora.
Stav 16-bitového AIM v závislosti od hodnoty štvorbitového znaku
Na strane prijímača signálu nastáva opačný proces - demodulácia a výber z redundantného kódu (dvojité bity y0y1(tn)) požadovanej sekvencie vstupných bitov kodéra x1(tn). Túto operáciu vykonáva dekodér Viterbi.
Algoritmus dekodéra je založený na výpočte chybovej metriky pre všetky možné očakávané stavy kodéra. Metrika chýb sa týka rozdielu medzi prijatými bitmi a očakávanými bitmi pre každú možnú cestu. Ak neexistujú žiadne chyby príjmu, potom bude skutočná metrika chyby cesty 0, pretože neexistuje žiadna bitová divergencia. V prípade falošných ciest sa metrika bude líšiť od nuly, bude sa neustále zvyšovať a po určitom čase dekodér prestane počítať chybnú cestu a zostane len tá pravá.
Stavový diagram kodéra vypočítaný Viterbiho dekodérom prijímača
Ako však tento algoritmus zabezpečuje odolnosť proti hluku? Za predpokladu, že prijímač prijal dáta omylom, dekodér bude pokračovať vo výpočte dvoch ciest s chybovou metrikou 1. Cesta s chybovou metrikou 0 už nebude existovať. Algoritmus však urobí záver o tom, ktorá cesta je pravdivá, neskôr na základe ďalších prijatých dvojitých bitov.
Keď sa vyskytne druhá chyba, bude existovať viacero ciest s metrikou 2, ale správna cesta bude identifikovaná neskôr na základe metódy maximálnej pravdepodobnosti (t. j. minimálnej metriky).
Stavový diagram kódovača vypočítaný dekodérom Viterbi pri prijímaní údajov s chybami
Vo vyššie opísanom prípade sme ako príklad uvažovali algoritmus 16-bitového systému (TC-PAM16), ktorý zabezpečuje prenos troch bitov užitočnej informácie a dodatočného bitu na ochranu pred chybami v jednom symbole. TC-PAM16 dosahuje dátové rýchlosti od 192 do 3840 kbps. Zvýšením bitovej hĺbky na 128 (moderné systémy pracujú s TC-PAM128) sa v každom symbole prenesie šesť bitov užitočných informácií a maximálna dosiahnuteľná rýchlosť sa pohybuje od 5696 kbps do 15,3 Mbps.
Použitie analógovej pulznej modulácie (PAM) robí SHDSL podobným mnohým populárnym ethernetovým štandardom, ako je gigabitový 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitový 10GBASE-T (PAM-16) alebo priemyselný jednopárový Ethernet 2020BASE -T10L, čo je sľubné pre rok 1 (PAM-3).
SHDSL cez ethernetové siete
Existujú spravované a nespravované SHDSL modemy, ale táto klasifikácia má len málo spoločného s bežným delením na riadené a nespravované zariadenia, ktoré existuje napríklad pre ethernetové prepínače. Rozdiel spočíva v konfiguračných a monitorovacích nástrojoch. Spravované modemy sa konfigurujú cez webové rozhranie a dajú sa diagnostikovať cez SNMP, zatiaľ čo nespravované modemy je možné diagnostikovať pomocou dodatočného softvéru cez konzolový port (pre Phoenix Contact je to bezplatný program PSI-CONF a rozhranie mini-USB). Na rozdiel od prepínačov môžu nespravované modemy fungovať v sieti s kruhovou topológiou.
Inak sú spravované a nespravované modemy absolútne totožné, vrátane funkčnosti a schopnosti pracovať na princípe Plug&Play, teda bez akejkoľvek predbežnej konfigurácie.
Modemy môžu byť navyše vybavené funkciami prepäťovej ochrany s možnosťou ich diagnostiky. Siete SHDSL môžu tvoriť veľmi dlhé segmenty a vodiče môžu viesť v miestach, kde sa môžu vyskytnúť prepätia (indukované potenciálne rozdiely spôsobené výbojmi blesku alebo skratmi v blízkych káblových vedeniach). Indukované napätie môže spôsobiť tok výbojových prúdov v kiloampéroch. Preto na ochranu zariadenia pred takýmito javmi sú SPD zabudované do modemov vo forme odnímateľnej dosky, ktorú je možné v prípade potreby vymeniť. Práve na svorkovnicu tejto dosky je pripojená linka SHDSL.
Topológie
Pomocou SHDSL cez Ethernet je možné budovať siete s akoukoľvek topológiou: point-to-point, line, hviezda a kruh. Zároveň, v závislosti od typu modemu, môžete na pripojenie použiť 2-drôtové aj 4-vodičové komunikačné linky.
Topológie siete Ethernet založené na SHDSL
Je tiež možné stavať distribuované systémy s kombinovanou topológiou. Každý segment siete SHDSL môže mať až 50 modemov a pri zohľadnení fyzických možností technológie (vzdialenosť medzi modemami je 20 km) môže dĺžka segmentu dosiahnuť 1000 km.
Ak je na čele každého takéhoto segmentu nainštalovaný riadený modem, integritu segmentu možno diagnostikovať pomocou SNMP. Spravované a nespravované modemy navyše podporujú technológiu VLAN, to znamená, že umožňujú rozdeliť sieť na logické podsiete. Zariadenia sú tiež schopné pracovať s protokolmi prenosu dát používanými v moderných automatizačných systémoch (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP atď.).
Rezervácia komunikačných kanálov pomocou SHDSL
SHDSL sa používa na vytváranie redundantných komunikačných kanálov v sieti Ethernet, najčastejšie optických.
SHDSL a sériové rozhranie
SHDSL modemy so sériovým rozhraním prekonávajú obmedzenia vo vzdialenosti, topológii a kvalite vodičov, ktoré existujú pre tradičné káblové systémy založené na asynchrónnych transceiveroch (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 a RS-485 - 1200 m.
Existujú modemy so sériovým rozhraním (RS-232/422/485) pre univerzálne aplikácie aj špecializované aplikácie (napríklad pre Profibus). Všetky takéto zariadenia patria do kategórie „nespravované“, preto sa konfigurujú a diagnostikujú pomocou špeciálneho softvéru.
Topológie
V sieťach so sériovým rozhraním je pomocou SHDSL možné budovať siete s topológiou point-to-point, line a star. V rámci lineárnej topológie je možné spojiť až 255 uzlov do jednej siete (pre Profibus - 30).
V systémoch postavených iba s použitím zariadení RS-485 neexistujú žiadne obmedzenia na použitý protokol prenosu dát, ale linkové a hviezdicové topológie sú atypické pre RS-232 a RS-422, takže prevádzka koncových zariadení v sieti SHDSL s podobnými topológiami je možné len v poloduplexnom režime. Zároveň v systémoch s RS-232 a RS-422 musí byť adresovanie zariadení zabezpečené na úrovni protokolu, čo nie je typické pre rozhrania najčastejšie používané v sieťach typu point-to-point.
Pri pripájaní zariadení s rôznymi typmi rozhraní cez SHDSL je potrebné vziať do úvahy skutočnosť, že neexistuje jednotný mechanizmus na nadviazanie spojenia (handshake) medzi zariadeniami. V tomto prípade je však stále možné zorganizovať výmenu, na to musia byť splnené tieto podmienky:
- koordinácia komunikácie a kontrola prenosu údajov sa musí vykonávať na úrovni jednotného protokolu prenosu údajov informácií;
- všetky koncové zariadenia musia pracovať v polovičnom duplexnom režime, ktorý musí podporovať aj informačný protokol.
Protokol Modbus RTU, najbežnejší protokol pre asynchrónne rozhrania, umožňuje vyhnúť sa všetkým popísaným obmedzeniam a vybudovať jeden systém s rôznymi typmi rozhraní.
Sériové sieťové topológie založené na SHDSL
Pri použití dvojvodičového RS-485 na zariadení Kombináciou modemov cez jednu zbernicu na DIN lištu môžete postaviť zložitejšie štruktúry. Na rovnakú zbernicu je možné nainštalovať napájací zdroj (v tomto prípade sú všetky zariadenia napájané cez zbernicu) a optické prevodníky radu PSI-MOS na vytvorenie kombinovanej siete. Dôležitou podmienkou fungovania takéhoto systému je rovnaká rýchlosť všetkých transceiverov.
Ďalšie funkcie SHDSL v sieti RS-485
Príklady aplikácií
Technológia SHDSL sa aktívne používa v komunálnych službách v Nemecku. Viac ako 50 spoločností obsluhujúcich mestské inžinierske siete používa staré medené drôty na prepojenie objektov rozmiestnených po celom meste jednou sieťou. Riadiace a účtovné systémy pre zásobovanie vodou, plynom a energiou sú primárne postavené na SHDSL. Medzi takéto mestá patria Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt nad Odrou a mnohé ďalšie.
Najväčší systém na báze SHDSL bol vytvorený v meste Lübeck. Systém má kombinovanú štruktúru založenú na optickom Ethernete a SHDSL, spája 120 objektov vzdialených od seba a využíva viac ako 50 modemov . Celá sieť je diagnostikovaná pomocou SNMP. Najdlhší úsek z Kalkhorstu na letisko Lübeck je dlhý 39 km. Dôvodom, prečo si klientska spoločnosť vybrala SHDSL, bolo, že vzhľadom na dostupnosť starých medených káblov nebolo ekonomicky rentabilné realizovať projekt výlučne na optike.
Prenos dát cez zberací krúžok
Zaujímavým príkladom je prenos dát medzi pohybujúcimi sa objektmi, ako sa to deje vo veterných turbínach alebo veľkých priemyselných skrúcacích strojoch. Podobný systém sa používa na výmenu informácií medzi regulátormi umiestnenými na rotore a statore elektrární. V tomto prípade sa na prenos údajov používa posuvný kontakt cez zberací krúžok. Príklady ako tento ukazujú, že na prenos údajov cez SHDSL nie je potrebné mať statický kontakt.
Porovnanie s inými technológiami
SHDSL vs GSM
Ak porovnáme SHDSL so systémami prenosu dát na báze GSM (3G/4G), tak v prospech DSL hovorí absencia prevádzkových nákladov spojených s pravidelnými platbami operátorovi za prístup do mobilnej siete. S SHDSL sme nezávislí od oblasti pokrytia, kvality a spoľahlivosti mobilnej komunikácie v priemyselnom zariadení, vrátane odolnosti voči elektromagnetickému rušeniu. S SHDSL nie je potrebné konfigurovať zariadenie, čo urýchľuje uvedenie zariadenia do prevádzky. Bezdrôtové siete sa vyznačujú veľkými oneskoreniami v prenose dát a ťažkosťami pri prenose dát pomocou multicastovej prevádzky (Profinet, Ethernet IP).
Informačná bezpečnosť hovorí v prospech SHDSL kvôli absencii potreby prenosu dát cez internet a nutnosti konfigurácie VPN spojení.
SHDSL vs Wi-Fi
Veľa z toho, čo bolo povedané o GSM, sa dá aplikovať aj na priemyselné Wi-Fi. V neprospech Wi-Fi hovorí nízka odolnosť voči šumu, obmedzená vzdialenosť prenosu dát, závislosť od topológie oblasti a oneskorenia pri prenose dát. Najdôležitejším nedostatkom je informačná bezpečnosť Wi-Fi sietí, pretože k médiu na prenos dát má prístup ktokoľvek. S Wi-Fi je už možné prenášať Profinet alebo Ethernet IP dáta, čo by bolo pre GSM náročné.
SHDSL vs optika
Vo veľkej väčšine prípadov má optika oproti SHDSL veľkú výhodu, ale v mnohých aplikáciách vám SHDSL umožňuje ušetriť čas a peniaze na kladenie a zváranie optických káblov, čím sa skracuje čas potrebný na uvedenie zariadenia do prevádzky. SHDSL nevyžaduje špeciálne konektory, pretože komunikačný kábel sa jednoducho pripojí k terminálu modemu. Vzhľadom na mechanické vlastnosti optických káblov je ich použitie obmedzené v aplikáciách zahŕňajúcich prenos informácií medzi pohybujúcimi sa objektmi, kde sú bežnejšie medené vodiče.
Zdroj: hab.com