Napriek rozšíreniu sietí Ethernet si technológie na báze DSL udržujú svoju relevantnosť aj dnes. DSL sa stále používa v sieťach poslednej míle na pripojenie koncových zariadení k sieťam poskytovateľov internetových služieb, a v poslednej dobe sa táto technológia čoraz častejšie využíva na budovanie lokálnych sietí, napríklad v priemyselných aplikáciách, kde DSL dopĺňa Ethernet alebo polové siete na báze RS-232/422/485. Tieto priemyselné riešenia sa aktívne uplatňujú v rozvinutých európskych a ázijských krajinách.
DSL predstavuje rodinu štandardov, ktoré boli pôvodne navrhnuté na prenos digitálnych dát po telefónnych liniek. Historicky sa stala prvou technológiou širokopásmového prístupu na internet, nahradiac DIAL UP a ISDN. Veľké množstvo existujúcich DSL štandardov je výsledkom snáh mnohých spoločností od 80. rokov vyvinúť a uviesť na trh svoju vlastnú technológiu.
Všetky tieto vývojové snahy možno rozdeliť do dvoch hlavných kategórií – asymetrické (ADSL) a symetrické (SDSL) technológie. Asemétrica sa chápe ako tá, kde sa rýchlosť prichádzajúceho pripojenia líši od rýchlosti odchádzajúceho prenosu. Symetrická znamená, že rýchlosti prijímania a odosielania sú rovnaké.
Najznámejšími a najrozšírenejšími asymetrickými štandardmi sú ADSL (v poslednej verzii – ADSL2+) a VDSL (VDSL2), symetrickými sú HDSL (zastaralý profil) a SHDSL. Navzájom sa líšia tým, že pracujú na rôznych frekvenciách, používajú rôzne metódy kódovania a modulácie na fyzickej linke. Rovnako sa líšia aj metódy korekcie chýb, vďaka čomu sa dosahuje rôzna úroveň odolnosti voči rušeniu. V dôsledku toho má každá technológia svoje vlastné limity v rýchlosti a vzdialenosti prenosu dát, vrátane závislosti od typu a kvality vodiča.
Krajné parametre rôznych DSL štandardov
V každej DSL technológii sa rýchlosť prenosu dát znižuje so zvyšovaním dĺžky vodiča. Na krajnej vzdialenosti je možné dosiahnuť rýchlosť niekoľko sto kilobit, ale pri prenose dát na 200-300 m je k dispozícii maximálna možná rýchlosť.
Medzi všetkými technológiami má SHDSL vážnu výhodu, ktorá umožňuje jej použitie v priemyselných aplikáciách — vysokú odolnosť voči rušeniu a možnosť používať akýkoľvek typ vodiča na prenos dát. V asymetrických štandardoch to nie je prítomné a kvalita spojenia závisí silne od kvality linky, ktorá sa používa na prenos dát. V tomto prípade sa odporúča používať krútený telefónny kábel. V takomto prípade je spoľahlivejším riešením namiesto ADSL a VDSL používať optický kábel.
Pre SHDSL je vhodný akýkoľvek pár izolovaných vodičov – medi, hliníka, ocele a podobne. Ako prenosové médium môže slúžiť stará elektrická kabeláž, staré telefónne linky, ostnatý drôt plotov a iné.
Závislosť rýchlosti prenosu dát SHDSL od vzdialenosti a typu vodiča
Z grafu závislosti rýchlosti prenosu dát od vzdialenosti a typu vodiča, ktorý je uvedený pre SHDSL, je možné vidieť, že vodiče s väčším prierezom umožňujú prenášať informácie na väčšie vzdialenosti. Vďaka technológii je možné organizovať spojenie na vzdialenosť až 20 km pri maximálnej možnej rýchlosti 15.3 Mb/s pre 2-vodičový kábel alebo 30 Mb pre 4-vodičový. V reálnych aplikáciách môže byť rýchlosť prenosu nastavená manuálne, čo je potrebné v podmienkach silných elektromagnetických rušení alebo zlej kvality linky. V takom prípade je potrebné znížiť rýchlosť funkcie SHDSL zariadení, aby sa zvýšila vzdialenosť prenosu. Pre presný výpočet rýchlosti v závislosti od vzdialenosti a typu vodiča je možné použiť bezplatné softvérové nástroje, ako sú .
Čím disponuje SHDSL vysokou odolnosťou proti rušeniu?
Princíp fungovania prijímača-vysielača SHDSL môžeme predstaviť vo forme blokovej schémy, v ktorej sa vyčleňuje špecifická a nezávislá (invariantná) časť z hľadiska aplikácie. Nezávislá časť pozostáva z funkčných blokov PMD (Physical Medium Dependent) a PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), pričom špecifická časť zahŕňa úroveň TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) a rozhrania používateľských dát.
Fyzická komunikačná linka medzi prijímačmi a vysielačmi (STU) môže existovať v podobe jedného alebo niekoľkých jednopárových káblov. V prípade viacerých párov káblov STU obsahuje niekoľko nezávislých blokov PMD, spojených s jediným PMS-TC.
Funkčný model SHDSL prijímača a vysielača (STU)
Modul TPS-TC závisí od aplikácie, v ktorej sa zariadenie používa (Ethernet, RS-232/422/485 atď.). Jeho úlohou je prevádzať používateľské dáta do formátu SHDSL, vykonávať multiplexovanie/demultiplexovanie a časovú korekciu viacerých kanálov používateľských dát.
Na úrovni PMS-TC sa vytvárajú rámce SHDSL a ich synchronizácia, ako aj skrémblovanie a de-skrémblovanie.
Modul PMD vykonáva funkcie kódovania/dekódovania informácií, modulácie/demodulácie, potlačenia ozveny, zladenia parametrov na komunikačnej linke a nadväzovania spojení medzi prijímačmi a vysielačmi. Na úrovni PMD sa vykonávajú hlavné operácie zabezpečujúce vysokú odolnosť SHDSL voči rušeniu, vrátane TCPAM kódovania (Trelis kódovanie s analógovo-impulznou moduláciou), mechanizmu spoločného kódovania a modulácie, pri ktorom sa zlepšuje spektrálna efektívnosť signálu v porovnaní s oddeleným spôsobom. Princíp činnosti modulu PMD je tiež možné predstaviť v podobe funkčnej diagramu.
Bloková schéma modulu PMD
Na základe TC-PAM leží využitie konvolučného kódovača, ktorý vytvára nadbytočnú sekvenciu bitov na strane SHDSL vysielača. Na každom takte práce sa každému bitu, ktorý sa dostane na vstup kódovača, priradí dvojitý bit (dibit) na výstupe. Týmto sa za dosiahnutie relatívne malej nadbytočnosti zvyšuje odolnosť prenosu voči rušeniu. Použitie Trelis modulácie umožňuje zmenšiť používané pásmo frekvencií na prenos dát a zjednodušiť hardvérovú časť pri zachovaní pomeru signál/šum.
Princíp činnosti Trelis kódovača (TC-PAM 16)
Dvojitý bit sa vytvára výsledkom logickej operácie sčítania modulo 2 (exkluzívne 'alebo') na základe vstupného bitu x1(tn) a bitov x1(tn-1), x1(tn-2) a pod. (celkovo ich môže byť až 20), ktoré boli zadávané do kódovača predtým a zostali uložené v pamäťových registroch. Na nasledujúcom takte práce kódovača tn+1 dôjde k posunu bitov v pamäťových bunkách na vykonanie logickej operácie: bit x1(tn) sa presunie do pamäte, posúvajúc celú tam uloženú sekvenciu bitov.
Algoritmus konvolučného kódovača
Tabuľky pravdivosti operácie sčítania modulo 2
Pre zrozumiteľnosť je výhodné použiť stavovú diagramu konvolučného kódovača, pomocou ktorej môžete vidieť, v akom stave sa nachádza kódovač v momentoch času tn, tn+1 atď. v závislosti od vstupných údajov. Pod stavom kódovača sa v tomto prípade rozumie pár hodnôt vstupného bitu x1(tn) a bitu v prvej pamäťovej bunke x1(tn-1). Na zostavenie diagramu môže byť použitý graf, v ktorého vrcholkoch sú možné stavy kódovača a prechody z jedného stavu do druhého sú označené zodpovedajúcimi vstupnými bitmi x1(tn) a výstupnými dvojbity $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Stavová diagram a graf prechodov konvolučného kódovača vysielača
V vysielači na základe prijatých štyroch bitov (dvoch výstupných bitov kódovača a dvoch bitov dát) sa vytvára symbol, ktorému zodpovedá jeho amplitúda modulujúceho signálu analógovo-impulzného modulátora.
Stav 16-bitového AIMP v závislosti od hodnoty štyribitového symbolu
Na strane prijímača signálu prebieha opačný proces – demodulácia a extrakcia z nadbytočného kódu (dvojitých bitov y0y1(tn)) požadovanej sekvencie vstupných bitov kódovača x1(tn). Túto operáciu vykonáva Viterbiho dekodér.
Algoritmus dekodéra je založený na výpočte metriky chýb pre všetky možné predpokladané stavy kódovača. Pod metrikou chýb rozumieme rozdiel medzi prijímanými bitmi a predpokladanými bitmi pre každý možný chod. Ak na príjme nie sú chyby, metrika chýb pravého chodu bude 0, pretože nedochádza k žiadnym odchýlkam po bitoch. Pre falošné chod metrika bude odlišná od nuly, neustále narastať a po nejakom čase dekodér prestane vypočítavať chybný chod, pričom si ponechá iba pravý.
Stavová diagram kodéra, vypočítaný dekodérom Viterbiho prijímača
Ale ako tento algoritmus zaisťuje odolnosť voči rušeniu? Ak predpokladáme, že prijímač prijal dáta s chybou, dekodér bude pokračovať v počítaní dvoch ciest s chybovým metrom 1. Cesta s metrom 0 už nebude existovať. Ale algoritmus určí, ktorá cesta je pravdivá, neskôr na základe nasledujúcich prijatých dvojbitov.
Pri druhej chybe sa objaví niekoľko ciest s metrom 2, ale správna cesta sa odhalí neskôr na základe metódy maximálnej pravdepodobnosti (to znamená minimálnej metriky).
Stavová diagram kodéra, vypočítaný dekodérom Viterbiho, pri prijímaní dát s chybami
V opísanom prípade bol ako príklad použitý algoritmus 16-bitového systému (TC-PAM16), ktorý umožňuje prenos troch bitov užitočných informácií a ďalšieho bitu na ochranu proti chybám v jednom symbole. V TC-PAM16 je dosiahnuteľná rýchlosť prenosu dát od 192 do 3840 kbit/s. Pri zvýšení bitovej hĺbky na 128 (moderné systémy pracujú s TC-PAM128) sú v každom symbole prenášané šesť bitov užitočných informácií, pričom maximálna dosiahnuteľná rýchlosť sa pohybuje od 5696 kbit/s do 15,3 Mb/s.
Použitie analógovo-impulznej modulácie (PAM) spája SHDSL s radom populárnych štandardov Ethernet, ako sú gigabitný 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitný 10GBASE-T (PAM-16) alebo perspektívny priemyselný jednopárový Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3) v roku 2020.
SHDSL v ethernetových sieťach
Rozlišujeme spravované a nespravované SHDSL modemy, ale v takejto klasifikácii málo zo známeho rozdelenia na spravované a nespravované zariadenia, ktoré existuje napríklad pre Ethernet switche. Rozdiel spočíva v prostriedkoch konfigurácie a monitorovania. Spravované modemy sa nastavujú prostredníctvom webového rozhrania a môžu byť diagnostikované prostredníctvom SNMP, zatiaľ čo nespravované – pomocou dodatočného softvéru cez konzolový port (pre Phoenix Contact je to bezplatný program PSI-CONF a mini-USB rozhranie). Na rozdiel od switche môžu nespravované modemy fungovať v sieti s krúhovou topológiou.
Inak sú spravované a nespravované modemy úplne identické, vrátane funkčnosti a možnosti práce na princípe Plug&Play, teda bez predchádzajúcej konfigurácie.
Dodatočne môžu byť na modemy zverejnené funkcie ochrany pred impulzmi s možnosťou diagnostiky. Siete SHDSL môžu tvoriť veľmi dlhé segmenty a vodiče môžu prechádzať miestami, kde je možné vznik impulzných napätí (indukovaná potenciálová rozdielnosť, vyvolaná bleskovými výbojmi alebo skratmi v blízkych káblových vedeniach). Indukované napätie môže spôsobiť prietok výbojových prúdov v kilampéroch. Preto, aby sa chránilo zariadenie pred podobnými javmi, sú v modemoch integrované bleskojemy v podobe odnímateľnej dosky, ktorú je v prípade potreby možné vymeniť. Práve k svorkovnici tejto dosky je pripojená linka SHDSL.
Topológie
S pomocou SHDSL v Ethernet-e je možné budovať siete s akoukoľvek topológiou: bod-bod, línia, hviezda a kruh. Zároveň, v závislosti od typu modemu, môžu byť na pripojenie použité ako 2-vodičové, tak aj 4-vodičové komunikačné linky.
Topológie sietí Ethernet na báze SHDSL
Rovnako je možné budovať distribuované systémy s kombinovanou topológiou. Každý segment SHDSL siete môže mať až 50 modemov a, s ohľadom na fyzické možnosti technológie (vzdialenosť medzi modemami 20 km), môže dĺžka segmentu dosiahnuť až 1000 km.
Ak sa v hlave každého takéhoto segmentu nainštaluje riadený modem, integritu segmentu je možné diagnostikovať prostredníctvom SNMP. Okrem toho, riadené a neriadené modemy podporujú technológiu VLAN, t.j. umožňujú rozdeľovať sieť na logické podsiete. Takisto zariadenia sú schopné pracovať s protokolmi prenosu dát, ktoré sa používajú v moderných automatizačných systémoch (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP a pod.).
Zásobovanie komunikačných kanálov pomocou SHDSL
SHDSL sa používa na vytvorenie záložných komunikačných kanálov v sieti Ethernet, častejšie optických.
SHDSL a sériový rozhranie
Modemy SHDSL so sériovým rozhraním umožňujú prekonať obmedzenia týkajúce sa vzdialenosti, topológie a kvality vodiča, ktoré existujú pre tradičné drôtové systémy založené na asynchrónnych transcieveroch (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 a RS-485 — 1200 m.
Existujú modemy so sériovými rozhraním (RS-232/422/485) pre univerzálne aplikácie aj pre špecializované (napríklad pre Profibus). Všetky tieto zariadenia patrí do kategórie „neovládaných“, a preto sa nastavujú a diagnostikujú pomocou špeciálneho softvéru.
Topológie
V sieťach so sériovým rozhraním pomocou SHDSL je možné vytvárať siete s topológiou bod-bod, linka a hviezda. V rámci lineárnej topológie je možné spojiť do jednej siete až 255 uzlov (pre Profibus — 30).
V systémoch vybudovaných iba s zariadeniami na rozhraní RS-485 neexistujú žiadne obmedzenia na používaný protokol prenosu údajov, ale topológie ako linka a hviezda sú netypické pre RS-232 a RS-422, preto je prevádzka koncových zariadení v SHDSL sieti s takýmito topológiami možná len v poloduplexnom režime. Súčasne musia v systémoch s RS-232 a RS-422 na úrovni protokolu zabezpečiť adresovanie prístrojov, čo nie je charakteristické pre rozhrania, ktoré sa najčastejšie používajú v sieťach bod-bod.
Pri spájaní cez SHDSL zariadení s rôznymi typmi rozhraní je potrebné zohľadniť fakt, že neexistuje jednotný mechanizmus na nadviazanie spojenia (handshake) medzi zariadeniami. Napriek tomu je organizovanie výmeny v tomto prípade stále možné — na to je potrebné splnenie nasledujúcich podmienok:
- súhlas spojenia a riadenie prenosu údajov by malo prebiehať na úrovni jedného informačného protokolu prenosu údajov;
- všetky koncové zariadenia musia fungovať v poloduplexnom režime, čo by malo byť tiež podporované informačným protokolom.
Najčastejšie sa vyskytujúci protokol Modbus RTU pre asynchrónne rozhrania umožňuje vyhnúť sa všetkým opísaným obmedzeniam a vytvoriť jednotný systém s rôznymi typmi rozhraní.
Topológie siete so sériovým rozhraním založené na SHDSL
Pri používaní dvojvodiacich RS-485 na zariadení Môžete vytvárať zložitejšie štruktúry kombinovaním modemov cez jednu zbernicu na DIN-šírke. Na tej istej zbernici môže byť nainštalovaný zdroj napájania (v takom prípade je napájanie všetkých zariadení zabezpečené cez zbernicu) a optické previate PSI-MOS na vytvorenie kombinovanej siete. Dôležitou podmienkou fungovania takejto systému je rovnaká rýchlosť všetkých prijímačov a vysielačov.
Dodatočné možnosti SHDSL v sieti RS-485
Príklady použitia
SHDSL technológia sa aktívne využíva v mestskom hospodárstve v Nemecku. Viac ako 50 spoločností, ktoré obsluhujú mestské komunikačné systémy, využíva staré medené drôty na prepojenie distribuovaných objektov v meste do jednej siete. Na SHDSL sa budujú predovšetkým systémy správy a monitorovania v oblasti vodného, plynárenského a energetického zásobovania. Medzi takými mestami sú Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt nad Odrou a mnohé ďalšie.
Najväčší systém založený na SHDSL bol vytvorený v meste Lübeck. Systém má kombinovanú štruktúru založenú na optickom Ethernet a SHDSL, spája 120 vzdialených objektov a využíva viac ako 50 modemov. . Celá sieť je diagnostikovaná pomocou SNMP. Najdlhší segment od obce Kalkhorst po letisko Lübeck má dĺžku 39 km. Dôvod, prečo objednávajúca spoločnosť zvolila SHDSL, spočíval v tom, že realizácia projektu výlučne na optike bola ekonomicky nevhodná s ohľadom na existenciu starých medených káblov.
Prenos dát cez kontaktný krúžok
Zaujímavým príkladom je prenos dát medzi pohyblivými objektmi, ako je to realizované vo veterných turbínach alebo vo veľkých priemyselných krútiliach. Takýto systém sa používa na výmenu informácií medzi regulátormi umiestnenými na rotore a statore zariadení. V tomto prípade sa na prenos dát používa sklzový kontakt cez kontaktný krúžok. Takéto príklady ukazujú, že nie je nutné mať statický kontakt na prenos dát cez SHDSL.
Porovnanie s inými technológiami
SHDSL vs GSM
Ak porovnáme SHDSL so systémami prenosu dát založenými na GSM (3G/4G), hovorí v prospech DSL absencia prevádzkových nákladov spojených s pravidelnou platbou operátorovi za prístup k mobilnej sieti. Pri SHDSL nie sme závislí od pokrytia, kvality a spoľahlivosti mobilnej siete na priemyselnom objekte, vrátane odolnosti voči elektromagnetickým interferenciám. Pri SHDSL nie je potrebná konfigurácia zariadenia, čo urýchľuje uvedenie objektu do prevádzky. Bezdrôtovým sieťam sú vlastné veľké oneskorenia pri prenose dát a problémy s prenosom dát využívajúcich multicastový prenos (Profinet, Ethernet IP).
V prospech SHDSL hovorí informačná bezpečnosť vzhľadom na absenciu potreby prenášať dáta cez Internet a potrebu konfigurovať pre to VPN pripojenia.
SHDSL vs Wi-Fi
Mnohé z toho, čo bolo povedané o GSM, sa dá aplikovať aj na priemyselný Wi-Fi. Proti Wi-Fi hovorí nízka odolnosť voči rušeniu, obmedzená vzdialenosť prenosu dát, závislosť od topológie terénu a oneskorenia pri prenose dát. Najväčšou nevýhodou sú informačné bezpečnostné siete Wi-Fi, pretože ktokoľvek má prístup k prostrediu prenosu dát. Pomocou Wi-Fi je už možné prenášať dáta Profinet alebo Ethernet IP, čo by bolo pre GSM sťažené.
SHDSL vs optika
Optika v prevažne väčšine má výhodu pred SHDSL, no v niektorých aplikáciách SHDSL umožňuje ušetriť čas a prostriedky na pokládku a zváranie optického kábla, čím sa skracuje čas na uvedenie objektu do prevádzky. Pre SHDSL nie sú potrebné špeciálne konektory, pretože komunikačný kábel sa jednoducho pripojí na svorku modemu. Z dôvodu mechanických vlastností optických káblov je ich použitie obmedzené v aplikáciách súvisiacich s prenosom informácií medzi pohybujúcimi sa objektmi, kde sa viac rozšírili medené vodiče.
Zdroj: habr.com
