Kljub splošni uporabi Ethernet omrežij, tehnologije povezovanja na osnovi DSL še danes ohranjajo svojo aktualnost. Do danes lahko DSL najdemo v omrežjih zadnje mile za povezovanje uporabniških naprav z omrežji internetnih ponudnikov, v zadnjem času pa se tehnologija vse pogosteje uporablja pri gradnji lokalnih omrežij, na primer v industrijskih aplikacijah, kjer DSL deluje kot dopolnilo Ethernetu ali terenskim omrežjem na osnovi RS-232/422/485. Takšne industrijske rešitve se aktivno uporabljajo v razvitih evropskih in azijskih državah.
DSL predstavlja družino standardov, ki so sprva bili zasnovani za prenos digitalnih podatkov po telefonih. Zgodovinsko je to postala prva tehnologija širokopasovne povezave z internetom, ki je nadomestila DIAL UP in ISDN. Veliko raznolikost trenutnih standardov DSL je povezano s tem, da so se mnoge družbe, od 80. let naprej, trudile razviti in promovirati svojo tehnologijo.
Vse te razvojne smernice lahko razdelimo v dve veliki kategoriji – asimetrične (ADSL) in simetrične (SDSL) tehnologije. Pri asimetričnih tehnologijah se hitrost prihajajoče povezave razlikuje od hitrosti odhajajočega prometa. Pri simetričnih pa sta hitrosti za sprejem in prenos enaki.
Najbolj znani in razširjeni asimetrični standardi so ADSL (v zadnji različici – ADSL2+) in VDSL (VDSL2), simetrični pa so HDSL (zastarela profil) in SHDSL. Drug od drugega se razlikujejo po tem, da delujejo na različnih frekvencah, uporabljajo različne metode kodiranja in modulatorjev na fizični povezavi. Prav tako se razlikujejo po metodah korekcije napak, kar zagotavlja različno stopnjo odpornosti na motnje. Kot rezultat, ima vsaka tehnologija svoje meje v hitrosti in razdalji prenosa podatkov, vključno s tipom in kakovostjo prevodnika.
Mejni parametri različnih standardov DSL
V vsaki DSL tehnologiji se hitrost prenosa podatkov zmanjšuje s povečevanjem dolžine prevodnika. Na mejnih razdaljah je mogoče doseči hitrost nekaj sto kilobit, vendar je pri prenosu podatkov na 200-300 m dosegljiva maksimalno možna hitrost.
Med vsemi tehnologijami ima SHDSL resno prednost, ki omogoča njeno uporabo v industrijskih aplikacijah — visoko odpornost na motnje in možnost uporabe za prenos podatkov preko katerega koli tipa vodnika. Pri asimetričnih standardih tega ni, kakovost povezave pa je močno odvisna od kakovosti linije, ki se uporablja za prenos podatkov. Zlasti je priporočljivo uporabljati zasukan telefonski kabel. V tem primeru je bolj zanesljiva rešitev namesto ADSL in VDSL uporaba optičnega kabla.
Za SHDSL ustreza vsaka para izoliranih vodnikov - bakrenih, aluminijastih, jeklenih itd. Kot prenosno sredstvo se lahko uporablja stara električna napeljava, stare telefonske linije, žičnati ograji itd.
Odvisnost hitrosti prenosa podatkov SHDSL od razdalje in tipa vodnika
Iz grafikona odvisnosti hitrosti prenosa podatkov od razdalje in tipa vodnika, ki je prikazan za SHDSL, je razvidno, da močnejši vodniki omogočajo prenos informacij na večje razdalje. Zaradi tehnologije je mogoče organizirati povezavo na razdalji do 20 km pri maksimalni možni hitrosti 15,3 Mb/s za 2-povodnega kabla ali 30 Mb za 4-povodnega. V realnih aplikacijah je hitrost prenosa mogoče nastaviti ročno, kar je potrebno v pogojih močnih elektromagnetnih motenj ali slabe kakovosti linije. V tem primeru je za povečanje razdalje prenosa potrebno zmanjšati hitrost delovanja SHDSL naprav. Za natančno izračunavanje hitrosti glede na razdaljo in tip vodnika se lahko uporabijo brezplačna programska orodja, kot so .
Kako SHDSL dosega visoko odpornost na motnje?
Načelo delovanja sprejemnika in oddajnika SHDSL lahko predstavimo v obliki blok-diagrama, v katerem izpostavimo specifičen in neodvisen (invariantni) del z vidika aplikacije. Neodvisen del obsega funkcionalne bloke PMD (Physical Medium Dependent) in PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), medtem ko specifični del vključuje plast TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) in vmesnike uporabniških podatkov.
Fizikalna komunikacijska linija između prijemnika i odašiljača (STU) može postojati kao jedna ili više parova kabela. U slučaju više parova kabela, STU sadrži više neovisnih blokova PMD povezanih s jednim PMS-TC.
Funkcionalni model SHDSL prijemnika i odašiljača (STU)
Modul TPS-TC ovisi o aplikaciji u kojoj se uređaj koristi (Ethernet, RS-232/422/485 itd.). Njegova je funkcija pretvorba korisničkih podataka u SHDSL format, izvršavanje multipleksiranja/demultipleksiranja i vremensko usklađivanje više kanala korisničkih podataka.
Na razini PMS-TC formiraju se SHDSL okviri i njihova sinhronizacija, kao i sčrepavanje i dešifriranje.
Modul PMD izvršava funkcije kodiranja/dekodiranja informacija, modulacije/demodulacije, suzbijanja eha, usklađivanja parametara na komunikacijskoj liniji i uspostavljanja veze između prijemnika i odašiljača. Upravo na razini PMD izvršavaju se osnovne operacije koje osiguravaju visoku otpornost na smetnje SHDSL-a, uključujući TCPAM kodiranje (Trelis kodiranje s analognom impulsnom modulacijom), mehanizam zajedničkog kodiranja i modulacije, pri čemu se poboljšava spektralna efikasnost signala u odnosu na odvojeni način. Načelo rada modula PMD također se može predstaviti u obliku funkcionalne dijagrama.
Blok-diagram modula PMD
Osnova TC-PAM-a leži u korištenju konvolucijskog kodera koji stvara suvišnu sekvencu bitova na strani SHDSL odašiljača. Na svakom taktu rada, svakom bitu koji ulazi u koder, odgovara se dvostruki bit (dibit) na izlazu. Tako se, uz relativno malu suvišnost, povećava otpornost na smetnje u prijenosu. Korištenje Trelis modulacije omogućuje smanjenje iskorištenog frekvencijskog pojasa za prijenos podataka i pojednostavljuje hardverski dio pri nepromijenjenom omjeru signala i šuma.
Načelo rada Trelis kodera (TC-PAM 16)
Dvojni bit se oblikuje kot rezultat logične operacije seštevanja po modulu 2 (izključujoče „ali“) na podlagi vhodnega bita x1(tn) in bitov x1(tn-1), x1(tn-2) itd. (skupaj jih je lahko do 20), ki so bili vneseni v kodirnik pred tem in so ostali shranjeni v pomnilniških registrih. Ob naslednjem taktu delovanja kodirnika tn+1 bo prišlo do premika bitov v pomnilniških celicah za izvajanje logične operacije: bit x1(tn) se bo premaknil v pomnilnik, preusmeril pa bo celotno shranjeno zaporedje bitov.
Algoritem konvolucijskega kodirnika
Tabele resničnosti operacije seštevanja po modulu 2
Za jasnost je primerno uporabiti stanje diagram konvolucijskega kodirnika, s katerim lahko vidimo, v katerem stanju se kodirnik nahaja v trenutkih tn, tn+1 itd., odvisno od vhodnih podatkov. Pod stanjem kodirnika v tem primeru razumemo par vrednosti vhodnega bita x1(tn) in bita v prvi pomnilniški celici x1(tn-1). Za izgradnjo diagrama lahko uporabimo graf, v katerih so vrhovi možna stanja kodirnika, prehodi iz enega stanja v drugo pa so označeni z ustreznimi vhodnimi bitimi x1(tn) in izhodnimi dibiti $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagram stanj in graf prehodov konvolucijskega kodirnika oddajnika
V oddajniku se na podlagi prejetih štirih bitov (dveh izhodnih bitov kodirnika in dveh bitov podatkov) oblikuje simbol, kateremu ustreza določena amplituda modulacijskega signala analognо-impulsnega modulatorskega sistema.
Stanje 16-bitnega AIM glede na vrednost štiribitega simbola
Na strani sprejemnika signala poteka obratni postopek – demodulacija in pridobivanje potrebne zaporednosti vhodnih bitov kodirnika x1(tn) iz odvečne kode (dvojnih bitov y0y1(tn)). To operacijo izvaja Viterbijev dekoder.
Algoritem dekoderja temelji na izračunu meril napak za vse možne predpostavljene države kodirnika. Pod metriko napak razumemo razliko med sprejetimi bitimi in predpostavljenimi bitimi za vsak možen pot. Če napak pri sprejemu ni, je metrika napak resničnega pota 0, saj ni odstopanja po bitih. Za lažne poti bo metrika odstopala od ničle, nenehno naraščala in čez nekaj časa dekoder ne bo več izračunaval napačne poti, ampak bo obdržal le resnično.
Stanja kodera, ki jih izračuna dekoder Viterbijevega sprejemnika
Kako ta algoritem zagotavlja odpornost proti motnjam? Če predvidevamo, da je sprejemnik prejel podatke z napako, bo dekoder nadaljeval z izračunom dveh poti z metrijo napak 1. Pot z metrijo 0 ne bo več obstajala. Vendar pa bo algoritem kasneje na podlagi naslednjih sprejetih dvojnic odločil, katera pot je pravilna.
Ob pojavu druge napake bo več poti z metrijo 2, pravilna pot pa se bo pojavila kasneje na podlagi metode največje verjetnosti (tj. najmanjše metrije).
Stanja kodera, ki jih izračuna dekoder Viterbijevega sprejemnika, ob sprejemu podatkov z napakami
V zgoraj opisanem primeru smo obravnavali algoritem 16-bitnega sistema (TC-PAM16), ki omogoča prenos treh bitov uporabnih informacij in dodatnega bita za zaščito pred napakami v enem simbolu. Pri TC-PAM16 je dosegljiva hitrost prenosa podatkov od 192 do 3840 kbit/s. S povečanjem razbitosti na 128 (sodobni sistemi delujejo s TC-PAM128) se v vsakem simbolu prenese šest bitov uporabnih informacij, največja dosegljiva hitrost pa znaša od 5696 kbit/s do 15,3 Mb/s.
Uporaba analogno-impulzne modulacije (PAM) povezuje SHDSL z več priljubljenimi standardi Ethernet, kot so gigabitni 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitni 10GBASE-T (PAM-16) ali obetavni industrijski enoparina Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3) za leto 2020.
SHDSL v omrežjih Ethernet
Obstajajo upravljeni in ne-upravljeni SHDSL modemi, vendar ta razvrstitev nima veliko skupnega z običajno delitvijo na upravljene in ne-upravljene naprave, kot obstaja, na primer, za Ethernet stikala. Razlika je v sredstvih za konfiguracijo in spremljanje. Upravljeni modemi se nastavljajo preko spletnega vmesnika in jih je mogoče diagnosticirati preko SNMP, ne-upravljeni pa s pomočjo dodatne programske opreme preko konzolskega priključka (za Phoenix Contact gre za brezplačni program PSI-CONF in mini-USB vmesnik). Za razliko od stikal lahko ne-upravljeni modemi delujejo v omrežju s obročno topologijo.
Ostalo sta upravljeni in ne-upravljeni modem popolnoma identična, vključno s funkcionalnostjo in zmožnostjo delovanja po principu Plug&Play, torej brez kakršne koli predhodne konfiguracije.
Dodatno se modemima mogu dodati funkcije zaštite od prenapona s mogućnošću dijagnostike. SHDSL mreže mogu formirati vrlo duge segmente, a vodiči mogu prolaziti na mjestima gdje može doći do prenapona (inducirane razlike potencijala uzrokovane munjevitim ispadima ili kratkocirajima u obližnjim kabelskim linijama). Inducirani napon može izazvati protok ispušnih struja u kiloamperima. Stoga se za zaštitu opreme od takvih fenomena u modeme ugrađuju UZIP-ovi u obliku izmjenjive ploče koja se po potrebi može zamijeniti. Na terminal ove ploče povezuje se SHDSL linija.
Topologije
Pomoću SHDSL možete izgraditi mreže u Ethernetu s bilo kojom topologijom: tačka-tačka, linija, zvijezda i prsten. Prilikom toga, ovisno o vrsti modema, za povezivanje se mogu koristiti i dvožične i četverovžne veze.
Topologije Ethernet mreže temeljen na SHDSL-u
Također se mogu izgraditi distribuirani sustavi s kombiniranom topologijom. Svaki segment SHDSL mreže može imati do 50 modema i, uzimajući u obzir fizičke mogućnosti tehnologije (udaljenost između modema od 20 km), duljina segmenta može dosegnuti 1000 km.
Ako se na početku svakog takvog segmenta postavi upravljivi modem, cjelovitost segmenta može se dijagnosticirati putem SNMP-a. Osim toga, upravljivi i ne upravljivi modemi podržavaju tehnologiju VLAN, što znači da omogućuju dijeljenje mreže na logičke podmreže. Također, uređaji mogu raditi s prometnim protokolima korištenim u modernim automatizacijskim sustavima (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP i dr.).
Rezervacija komunikacijskih kanala pomoću SHDSL-a
SHDSL se koristi za stvaranje rezervnih komunikacijskih kanala u Ethernet mreži, najčešće optičkih.
SHDSL i serijski sučelje
SHDSL modemi s serijskim sučeljem omogućuju prevladavanje ograničenja po udaljenosti, topologiji i kvaliteti vodiča koja postoje za tradicionalne žične sustave temeljene na asinkronim prijemnicima (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 i RS-485 — 1200 m.
Obstajajo modemi s zaporednimi vmesniki (RS-232/422/485), tako za splošne aplikacije kot tudi za specializirane (na primer, za Profibus). Vse take naprave spadajo v kategorijo "neupravljivih", zato se nastavljajo in diagnosticirajo s posebnim programsko opremo.
Topologije
V omrežjih z zaporednim vmesnikom je s pomočjo SHDSL možno zgraditi omrežja s topologijo točka-točka, linija in zvezda. V okviru linearne topologije je mogoče povezati v eno omrežje do 255 vozlišč (za Profibus – 30).
V sistemih, zgrajenih izključno z napravami na vmesniku RS-485, ni kakršnih koli omejitev glede uporabljenega protokola prenosa podatkov, toda topologije tipa linija in zvezda so netipične za RS-232 in RS-422, zato delovanje končnih naprav v SHDSL-omrežju s takšnimi topologijami možno le v poludupleksnem načinu. Hkrati morajo biti v sistemih z RS-232 in RS-422 na ravni protokola zagotavljene naslove naprav, kar ni značilno za vmesnike, ki se najpogosteje uporabljajo v omrežjih točka-točka.
Pri povezovanju naprav z različnimi tipi vmesnikov preko SHDSL je treba upoštevati dejstvo, da ni enotnega mehanizma za vzpostavitev povezave (ročno stik) med napravami. Vendar pa je v tem primeru še vedno mogoče organizirati izmenjavo — za to je treba izpolniti naslednje pogoje:
- usklajevanje povezave in upravljanje prenosa podatkov mora potekati na ravni enotnega informacijskega protokola prenosa podatkov;
- vse končne naprave morajo delovati v poludupleksnem načinu, kar mora tudi podpirati informacijski protokol.
Najpogosteje uporabljen protokol za asinhrone vmesnike Modbus RTU omogoča, da se izognemo vsem zgoraj opisanim omejitvam in zgradimo enotno sistem s različnimi tipi vmesnikov.
Topologije omrežja z zaporednim vmesnikom na osnovi SHDSL
Pri uporabi dvožičnega RS-485 na opremi Lahko gradite bolj zapletene strukture, tako da povežete modeme prek skupne vodila na DIN-rail. Na tej vodili je lahko nameščen tudi napajalnik (v tem primeru napajanje vseh naprav poteka prek vodila) in optični pretvorniki serije PSI-MOS za ustvarjanje kombinirane mreže. Pomemben pogoj za delovanje takšne sistema je enaka hitrost vseh oddajnikov in sprejemnikov.
Dodatne možnosti SHDSL v omrežju RS-485
Primeri uporabe
SHDSL tehnologija se aktivno uporablja v mestnih komunalnih storitvah v Nemčiji. Več kot 50 podjetij, ki zagotavljajo mestne komunalne sisteme, uporablja stare bakrene žice, da povežejo razpršene objekte po mestu v eno omrežje. Na SHDSL so najprej zgrajeni sistemi za upravljanje in obračunavanje v oskrbi z vodo, plinom in energijo. Med takimi mesti so Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt na Odri in mnogi drugi.
Največji sistem na osnovi SHDSL je bil ustvarjen v mestu Lübeck. Sistem ima kombinirano strukturo na osnovi optičnega Ethernet-a in SHDSL, povezuje 120 oddaljenih objektov in uporablja več kot 50 modemov. . Vsa omrežja se diagnosticira preko SNMP. Najdaljši segment od občine Kalkhorst do letališča Lübeck meri 39 km. Razlog, zakaj je naročnik izbral SHDSL, je bil, da je bila izvedba projekta v celoti na optiki ekonomično nevzdržna ob upoštevanju obstoja starih bakrenih kablov.
Prenos podatkov preko kontaktnega obroča
Zanimiv primer je prenos podatkov med premikajočimi se objekti, kot je to storjeno v vetrnih turbinah ali v velikih industrijskih vrtečih strojih. Takšna sistem se uporablja za izmenjavo informacij med krmilniki, nameščenimi na rotorju in statorju naprav. V tem primeru se za prenos podatkov uporablja drsni kontakt skozi kontaktni obroč. Takšni primeri kažejo, da ni nujno imeti statičnega stika za prenos podatkov po SHDSL.
Primerjava z drugimi tehnologijami
SHDSL vs GSM
Če primerjamo SHDSL s sistemi prenosa podatkov, temelječimi na GSM (3G/4G), je v prid DSL odsotnost obratovalnih stroškov, povezanih s rednim plačevanjem operaterju za dostop do mobilne mreže. Pri SHDSL nismo odvisni od območja pokritosti, kakovosti in zanesljivosti mobilne povezave na industrijskem objektu, vključno z odpornostjo proti elektromagnetnim motnjam. Pri SHDSL ni potrebe po konfiguriranju opreme, kar pospeši uvedbo objekta v obratovanje. Za brezžične mreže so značilne dolge zakasnitve pri prenosu podatkov ter težave pri prenosu podatkov, ki uporabljajo multicast promet (Profinet, Ethernet IP).
V prid SHDSL govori informacijska varnost, saj ni potrebe po prenosu podatkov prek interneta in potrebnega konfiguriranja za VPN povezave.
SHDSL vs Wi-Fi
Veliko tega, kar velja za GSM, lahko pripišemo tudi industrijskemu Wi-Fi-ju. Proti Wi-Fi govori nizka odpornost na motnje, omejena razdalja prenosa podatkov, odvisnost od topologije terena in zakasnitve pri prenosu podatkov. Največja pomanjkljivost so informacijska varnost omrežij Wi-Fi, saj ima kdorkoli dostop do sredstva za prenos podatkov. S pomočjo Wi-Fi je že mogoče prenašati podatke Profinet ali Ethernet IP, kar bi bilo za GSM težko.
SHDSL vs optika
Optika v večini primerov ima veliko prednost pred SHDSL, vendar v nekaterih aplikacijah SHDSL prihrani čas in sredstva za polaganje in varjenje optičnih kablov, kar skrajša čas uvedbe objekta v obratovanje. Za SHDSL niso potrebni posebni priključki, saj se komunikacijski kabel preprosto priključi na sponko modema. Zaradi mehanskih lastnosti optičnih kablov je njihova uporaba omejena v aplikacijah, povezanih s prenosom informacij med premičnimi objekti, kjer so bolj razširjeni bakreni prevodniki.
Izvor: habr.com
