Kljub široki uporabi ethernetnih omrežij so komunikacijske tehnologije, ki temeljijo na DSL, še danes pomembne. Doslej je DSL mogoče najti v omrežjih zadnjega kilometra za povezovanje naročniške opreme 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 terenska omrežja, ki temeljijo na RS-232/422/485. Podobne industrijske rešitve se aktivno uporabljajo v razvitih evropskih in azijskih državah.
DSL je družina standardov, ki so bili prvotno zasnovani za prenos digitalnih podatkov po telefonskih linijah. V zgodovini je postala prva tehnologija širokopasovnega dostopa do interneta, ki je nadomestila DIAL UP in ISDN. Velika raznolikost standardov DSL, ki trenutno obstajajo, je posledica dejstva, da so mnoga podjetja, začenši v 80-ih, poskušala razviti in tržiti svojo tehnologijo.
Ves ta razvoj lahko razdelimo v dve veliki kategoriji - asimetrične (ADSL) in simetrične (SDSL) tehnologije. Asimetrične se nanašajo na tiste, pri katerih se hitrost dohodne povezave razlikuje od hitrosti odhodnega prometa. S simetričnim mislimo, da sta hitrost sprejema in prenosa enaki.
Najbolj znani in razširjeni asimetrični standardi so pravzaprav ADSL (v zadnji izdaji - ADSL2+) in VDSL (VDSL2), simetrični - HDSL (zastarel profil) in SHDSL. Vsi se med seboj razlikujejo po tem, da delujejo na različnih frekvencah in uporabljajo različne metode kodiranja in modulacije na fizični komunikacijski liniji. Metode odpravljanja napak se prav tako razlikujejo, kar ima za posledico različne stopnje odpornosti proti hrupu. Posledično ima vsaka tehnologija svoje omejitve v hitrosti in razdalji prenosa podatkov, tudi glede na vrsto in kakovost prevodnika.
Omejitve različnih standardov DSL
V kateri koli tehnologiji DSL se hitrost prenosa podatkov zmanjšuje z večanjem dolžine kabla. Na ekstremnih razdaljah je mogoče doseči hitrosti nekaj sto kilobitov, pri prenosu podatkov nad 200-300 m pa je na voljo največja možna hitrost.
Med vsemi tehnologijami ima SHDSL resno prednost, ki omogoča njegovo uporabo v industrijskih aplikacijah - visoko odpornost proti hrupu in možnost uporabe katere koli vrste prevodnika za prenos podatkov. To ne velja za asimetrične standarde in je kakovost komunikacije zelo odvisna od kakovosti linije, ki se uporablja za prenos podatkov. Predvsem je priporočljiva uporaba zvitega telefonskega kabla. V tem primeru je bolj zanesljiva rešitev uporaba optičnega kabla namesto ADSL in VDSL.
Za SHDSL je primeren vsak par vodnikov, ki so med seboj izolirani - bakreni, aluminijasti, jekleni itd. Prenosni medij je lahko stara električna napeljava, stari telefonski vodi, ograje iz bodeče žice itd.
Odvisnost hitrosti prenosa podatkov SHDSL od razdalje in vrste vodnika
Iz grafa hitrosti prenosa podatkov glede na razdaljo in vrsto vodnika, podanega za SHDSL, lahko vidite, da vodniki z velikim presekom omogočajo prenos informacij na večjo razdaljo. Zahvaljujoč tehnologiji je mogoče organizirati komunikacijo na razdalji do 20 km z največjo možno hitrostjo 15.3 Mb/s za 2-žilni kabel ali 30 Mb za 4-žilni kabel. 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 naprav SHDSL. Za natančen izračun hitrosti glede na razdaljo in vrsto vodnika lahko uporabite brezplačno programsko opremo, kot je npr .
Zakaj ima SHDSL visoko odpornost proti hrupu?
Princip delovanja sprejemno-sprejemne enote SHDSL lahko predstavimo v obliki blokovnega diagrama, v katerem je ločen in z aplikativnega vidika neodvisen (invarianten) del. Samostojni del sestavljata funkcijska bloka PMD (Physical Medium Dependent) in PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), specifični del pa obsega sloj TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) in uporabniške podatkovne vmesnike.
Fizična povezava med oddajniki-sprejemniki (STU-ji) lahko obstaja kot en par ali več kablov z enim parom. V primeru več parov kablov STU vsebuje več neodvisnih PMD-jev, povezanih z enim PMS-TC.
Funkcionalni model oddajnika SHDSL (STU)
Modul TPS-TC je odvisen od aplikacije, v kateri se naprava uporablja (Ethernet, RS-232/422/485 itd.). Njegova naloga je pretvorba uporabniških podatkov v format SHDSL, izvajanje multipleksiranja/demultipleksiranja in časovna prilagoditev več kanalov uporabniških podatkov.
Na ravni PMS-TC se oblikujejo in sinhronizirajo okvirji SHDSL ter kodiranje in dekodiranje.
Modul PMD opravlja funkcije kodiranja/dekodiranja informacij, modulacije/demodulacije, odpravljanja odmeva, pogajanja parametrov na komunikacijski liniji in vzpostavljanja povezav med oddajniki-sprejemniki. Na ravni PMD se izvajajo glavne operacije za zagotovitev visoke odpornosti SHDSL proti hrupu, vključno s kodiranjem TCPAM (Trellis kodiranje z analogno pulzno modulacijo), skupnim mehanizmom kodiranja in modulacije, ki izboljša spektralno učinkovitost signala v primerjavi z ločenim signalom. metoda. Princip delovanja modula PMD lahko predstavimo tudi v obliki funkcionalnega diagrama.
Blokovni diagram modula PMD
TC-PAM temelji na uporabi konvolucijskega kodirnika, ki generira redundantno zaporedje bitov na strani oddajnika SHDSL. Pri vsakem taktu se vsakemu bitu, ki prispe na vhod kodirnika, na izhodu dodeli dvojni bit (dibit). Tako se za ceno razmeroma majhne redundance poveča odpornost na hrup pri prenosu. Uporaba modulacije Trellis vam omogoča zmanjšanje uporabljene pasovne širine prenosa podatkov in poenostavitev strojne opreme ob ohranjanju enakega razmerja med signalom in šumom.
Princip delovanja dajalnika Trellis (TC-PAM 16)
Dvojni bit se oblikuje z logično seštevalno operacijo modulo-2 (izključno 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 prej sprejeti na vhod kodirnika in so ostali shranjeni v pomnilniških registrih. V naslednjem taktu kodirnika tn+1 bodo biti premaknjeni v pomnilniških celicah za izvedbo logične operacije: bit x1(tn) se bo premaknil v pomnilnik in premaknil celotno zaporedje bitov, ki so tam shranjeni.
Algoritem konvolucijskega kodirnika
Resnične tabele za operacijo seštevanja po modulu 2
Zaradi jasnosti je priročno uporabiti diagram stanja konvolucijskega kodirnika, iz katerega lahko vidite, v kakšnem stanju je kodirnik v trenutkih tn, tn+1 itd. odvisno od vhodnih podatkov. Stanje kodirnika v tem primeru pomeni par vrednosti vhodnega bita x1(tn) in bita v prvi pomnilniški celici x1(tn-1). Za sestavo diagrama lahko uporabite graf, v točkah katerega so možna stanja kodirnika, prehodi iz enega stanja v drugega pa so označeni z ustreznimi vhodnimi biti x1(tn) in izhodnimi dibiti $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagram stanja in prehodni graf konvolucijskega kodirnika oddajnika
V oddajniku se na podlagi prejetih štirih bitov (dva izhodna bita kodirnika in dva podatkovna bita) oblikuje simbol, ki ustreza vsak svoji amplitudi modulacijskega signala analogno-impulznega modulatorja.
Stanje 16-bitnega AIM v odvisnosti od vrednosti štiribitnega znaka
Na strani sprejemnika signala se zgodi obraten proces - demodulacija in izbiranje iz redundantne kode (dvojni biti y0y1(tn)) zahtevanega zaporedja vhodnih bitov kodirnika x1(tn). To operacijo izvaja dekoder Viterbi.
Algoritem dekodirnika temelji na izračunu metrike napake za vsa možna pričakovana stanja kodirnika. Metrika napake se nanaša na razliko med prejetimi in pričakovanimi biti za vsako možno pot. Če ni nobenih napak pri sprejemu, bo metrika napake dejanske poti 0, ker ni odstopanja bitov. Za lažne poti se bo metrika razlikovala od nič, nenehno naraščala in čez nekaj časa bo dekoder prenehal izračunavati napačno pot in pustil samo pravo.
Diagram stanja kodirnika, izračunan s sprejemnikovim dekoderjem Viterbi
Toda kako ta algoritem zagotavlja odpornost proti hrupu? Ob predpostavki, da je sprejemnik prejel podatke po pomoti, bo dekoder nadaljeval z izračunom dveh poti z metriko napake 1. Pot z metriko napake 0 ne bo več obstajala. Toda algoritem bo pozneje na podlagi naslednjih prejetih dvojnih bitov sklepal, katera pot je prava.
Ko pride do druge napake, bo na voljo več poti z metriko 2, vendar bo pravilna pot identificirana pozneje na podlagi metode največje verjetnosti (tj. minimalne metrike).
Diagram stanja kodirnika, izračunan z dekoderjem Viterbi, ko prejme podatke z napakami
V zgoraj opisanem primeru smo kot primer obravnavali algoritem 16-bitnega sistema (TC-PAM16), ki zagotavlja prenos treh bitov uporabnih informacij in dodatnega bita za zaščito pred napakami v enem simbolu. TC-PAM16 dosega podatkovne hitrosti od 192 do 3840 kbps. S povečanjem bitne globine na 128 (sodobni sistemi delujejo s TC-PAM128) se v vsakem simbolu prenese šest bitov koristnih informacij, največja dosegljiva hitrost pa je od 5696 kbps do 15,3 Mbps.
Zaradi uporabe analogne impulzne modulacije (PAM) je SHDSL podoben številnim priljubljenim standardom Ethernet, kot je gigabitni 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabitni 10GBASE-T (PAM-16) ali industrijski enoparni Ethernet 2020BASE -T10L, ki se obeta za leto 1 (PAM-3).
SHDSL prek omrežij Ethernet
Obstajajo upravljani in neupravljani modemi SHDSL, vendar ta klasifikacija nima veliko skupnega z običajno delitvijo na upravljane in neupravljane naprave, ki obstaja na primer za stikala Ethernet. Razlika je v orodjih za konfiguracijo in nadzor. Upravljane modeme konfiguriramo prek spletnega vmesnika in jih lahko diagnosticiramo preko SNMP, medtem ko lahko neupravljane modeme diagnosticiramo z dodatno programsko opremo prek konzolnih vrat (za Phoenix Contact je to brezplačen program PSI-CONF in mini-USB vmesnik). Za razliko od stikal lahko neupravljani modemi delujejo v omrežju s topologijo obroča.
V nasprotnem primeru so upravljani in neupravljani modemi popolnoma enaki, vključno s funkcionalnostjo in možnostjo delovanja po principu Plug&Play, torej brez predhodne konfiguracije.
Poleg tega so lahko modemi opremljeni s funkcijami prenapetostne zaščite z možnostjo njihovega diagnosticiranja. Omrežja SHDSL lahko tvorijo zelo dolge segmente, vodniki pa lahko potekajo na mestih, kjer lahko pride do prenapetosti (induciranih potencialnih razlik, ki jih povzročijo razelektritve strele ali kratki stiki v bližnjih kabelskih vodih). Inducirana napetost lahko povzroči razelektritvene tokove kiloamperov. Zato so za zaščito opreme pred takšnimi pojavi SPD-ji vgrajeni v modeme v obliki odstranljive plošče, ki jo je mogoče po potrebi zamenjati. Linija SHDSL je priključena na priključni blok te plošče.
Topologije
Z uporabo SHDSL prek Etherneta je mogoče zgraditi omrežja s poljubno topologijo: točka-točka, linija, zvezda in obroč. Hkrati lahko glede na vrsto modema za povezavo uporabite tako 2-žične kot 4-žilne komunikacijske linije.
Omrežne topologije Ethernet, ki temeljijo na SHDSL
Možna je tudi izgradnja porazdeljenih sistemov s kombinirano topologijo. Vsak segment omrežja SHDSL ima lahko do 50 modemov, ob upoštevanju fizičnih zmogljivosti tehnologije (razdalja med modemi je 20 km) pa lahko dolžina segmenta doseže 1000 km.
Če je na čelu vsakega takega segmenta nameščen upravljani modem, je mogoče celovitost segmenta diagnosticirati s pomočjo SNMP. Poleg tega upravljani in neupravljani modemi podpirajo tehnologijo VLAN, kar pomeni, da vam omogočajo razdelitev omrežja na logična podomrežja. Naprave so sposobne delati tudi s protokoli za prenos podatkov, ki se uporabljajo v sodobnih sistemih avtomatizacije (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP itd.).
Rezervacija komunikacijskih kanalov s pomočjo SHDSL
SHDSL se uporablja za ustvarjanje rezervnih komunikacijskih kanalov v Ethernet omrežju, najpogosteje optičnih.
SHDSL in serijski vmesnik
Modemi SHDSL s serijskim vmesnikom presegajo omejitve v razdalji, topologiji in kakovosti prevodnika, ki obstajajo za tradicionalne žične sisteme, ki temeljijo na asinhronih sprejemnikih in sprejemnikih (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 in RS-485 - 1200 m.
Obstajajo modemi s serijskimi vmesniki (RS-232/422/485) tako za univerzalne aplikacije kot za specializirane (na primer za Profibus). Vse takšne naprave spadajo v kategorijo "neupravljanih", zato so konfigurirane in diagnosticirane s posebno programsko opremo.
Topologije
V omrežjih s serijskim vmesnikom je z uporabo SHDSL mogoče graditi omrežja s topologijo točka-točka, linija in zvezda. Znotraj linearne topologije je možno združiti do 255 vozlišč v eno omrežje (za Profibus - 30).
V sistemih, zgrajenih samo z napravami RS-485, ni omejitev glede uporabljenega protokola za prenos podatkov, vendar sta topologiji linije in zvezde netipični za RS-232 in RS-422, zato delovanje končnih naprav v omrežju SHDSL s podobnimi topologijami je mogoč le v poldupleksnem načinu. Hkrati mora biti v sistemih z RS-232 in RS-422 naslavljanje naprav zagotovljeno na nivoju protokola, 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 (handshake) med napravami. Vendar pa je v tem primeru še vedno možno organizirati menjavo, za to pa morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji:
- komunikacijska koordinacija in nadzor prenosa podatkov morata potekati na ravni enotnega informacijskega protokola za prenos podatkov;
- vse končne naprave morajo delovati v poldupleksnem načinu, kar mora podpirati tudi informacijski protokol.
Protokol Modbus RTU, najpogostejši protokol za asinhrone vmesnike, vam omogoča, da se izognete vsem opisanim omejitvam in zgradite enoten sistem z različnimi vrstami vmesnikov.
Serijske omrežne topologije, ki temeljijo na SHDSL
Pri uporabi dvožilnega RS-485 na opremi Z združevanjem modemov prek enega vodila na tračnici DIN lahko zgradite bolj zapletene strukture. Na isto vodilo je mogoče namestiti napajalnik (v tem primeru se vse naprave napajajo preko vodila) in optične pretvornike serije PSI-MOS za ustvarjanje kombiniranega omrežja. Pomemben pogoj za delovanje takega sistema je enaka hitrost vseh sprejemnikov.
Dodatne funkcije SHDSL v omrežju RS-485
Primeri uporabe
Tehnologija SHDSL se aktivno uporablja v komunalnih službah v Nemčiji. Več kot 50 podjetij, ki oskrbujejo mestne komunalne sisteme, uporablja stare bakrene žice za povezovanje objektov, razporejenih po mestu, v eno omrežje. Sistemi nadzora in obračuna oskrbe z vodo, plinom in energijo so v prvi vrsti zgrajeni na SHDSL. Med takimi mesti so Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt na Odri in mnoga druga.
Največji sistem, ki temelji na SHDSL, je bil ustvarjen v mestu Lübeck. Sistem ima kombinirano strukturo, ki temelji na optičnem Ethernetu in SHDSL, povezuje 120 objektov, oddaljenih drug od drugega, in uporablja več kot 50 modemov. . Celotno omrežje se diagnosticira s pomočjo SNMP. Najdaljši odsek od Kalkhorsta do letališča Lübeck je dolg 39 km. Razlog, zakaj se je naročnik odločil za SHDSL, je bil v tem, da glede na razpoložljivost starih bakrenih kablov projekt v celoti na optiki ni bil ekonomsko upravičen.
Prenos podatkov preko drsnega obroča
Zanimiv primer je prenos podatkov med premikajočimi se objekti, kot se izvaja v vetrnih turbinah ali velikih industrijskih sukalnih strojih. Podoben sistem se uporablja za izmenjavo informacij med krmilniki, ki se nahajajo na rotorju in statorju rastlin. V tem primeru se za prenos podatkov uporablja drsni kontakt skozi drsni obroč. Primeri, kot je ta, kažejo, da za prenos podatkov prek SHDSL ni potreben statični stik.
Primerjava z drugimi tehnologijami
SHDSL proti GSM
Če SHDSL primerjamo s sistemi za prenos podatkov, ki temeljijo na GSM (3G/4G), potem v prid DSL govori odsotnost obratovalnih stroškov, povezanih z rednim plačevanjem operaterju za dostop do mobilnega omrežja. S SHDSL smo neodvisni od območja pokritosti, kakovosti in zanesljivosti mobilnih komunikacij v industrijskem objektu, vključno z odpornostjo na elektromagnetne motnje. Pri SHDSL ni potrebe po konfiguraciji opreme, kar pospeši zagon objekta. Za brezžična omrežja so značilne velike zamude pri prenosu podatkov in težave pri prenosu podatkov z multicast prometom (Profinet, Ethernet IP).
Informacijska varnost govori v prid SHDSL zaradi odsotnosti potrebe po prenosu podatkov prek interneta in potrebe po konfiguraciji povezav VPN za to.
SHDSL proti Wi-Fi
Veliko tega, kar je bilo povedanega za GSM, lahko uporabimo tudi za industrijski Wi-Fi. Nizka odpornost na hrup, omejena razdalja prenosa podatkov, odvisnost od topologije območja in zamude pri prenosu podatkov govorijo proti Wi-Fi. Najpomembnejša pomanjkljivost je informacijska varnost omrežij Wi-Fi, saj ima kdorkoli dostop do medija za prenos podatkov. Z Wi-Fi je že mogoče prenašati podatke Profinet ali Ethernet IP, kar bi bilo težko z GSM.
SHDSL proti optiki
V veliki večini primerov ima optika veliko prednost pred SHDSL, vendar pa SHDSL v številnih aplikacijah omogoča prihranek časa in denarja pri polaganju in varjenju optičnih kablov ter skrajša čas, potreben za zagon objekta. SHDSL ne potrebuje posebnih konektorjev, saj se komunikacijski kabel preprosto priključi na terminal modema. Zaradi mehanskih lastnosti optičnih kablov je njihova uporaba omejena pri aplikacijah, ki vključujejo prenos informacij med premikajočimi se predmeti, kjer so bakreni vodniki pogostejši.
Vir: www.habr.com
