Пренос података на удаљености до 20 км преко конвенционалних жица? Лако је ако је СХДСЛ...

Упркос широкој употреби Етхернет мрежа, комуникационе технологије засноване на ДСЛ-у остају релевантне до данас. До сада се ДСЛ могао наћи у мрежама последње миље за повезивање претплатничке опреме на мреже интернет провајдера, а у последње време ова технологија се све више користи у изградњи локалних мрежа, на пример, у индустријским апликацијама, где ДСЛ делује као допуна Етернету. или теренске мреже засноване на РС-232/422/485. Слична индустријска решења се активно користе у развијеним европским и азијским земљама.

ДСЛ је породица стандарда који су првобитно замишљени за пренос дигиталних података преко телефонских линија. Историјски гледано, то је постала прва технологија широкопојасног приступа Интернету, која је заменила ДИАЛ УП и ИСДН. Широка лепеза ДСЛ стандарда који тренутно постоје је последица чињенице да су многе компаније, почевши од 80-их, покушале да развију и пласирају сопствену технологију.

Сви ови развоји се могу поделити у две велике категорије – асиметричне (АДСЛ) и симетричне (СДСЛ) технологије. Асиметрична се односи на оне у којима се брзина долазне везе разликује од брзине одлазног саобраћаја. Под симетричним подразумевамо да су брзине пријема и преноса једнаке.

Најпознатији и најраширенији асиметрични стандарди су, у ствари, АДСЛ (у најновијем издању – АДСЛ2+) и ВДСЛ (ВДСЛ2), симетрични – ХДСЛ (застарели профил) и СХДСЛ. Сви се међусобно разликују по томе што раде на различитим фреквенцијама и користе различите методе кодирања и модулације на физичкој линији комуникације. Методе исправљања грешака се такође разликују, што резултира различитим нивоима отпорности на буку. Као резултат, свака технологија има своја ограничења у брзини и удаљености преноса података, укључујући у зависности од врсте и квалитета проводника.

Ограничења различитих ДСЛ стандарда

У било којој ДСЛ технологији, брзина преноса података опада како се дужина кабла повећава. На екстремним удаљеностима могуће је постићи брзину од неколико стотина килобита, али при преносу података преко 200-300 м доступна је максимална могућа брзина.

Међу свим технологијама, СХДСЛ има озбиљну предност која омогућава да се користи у индустријским апликацијама - висока отпорност на буку и могућност коришћења било које врсте проводника за пренос података. Ово није случај са асиметричним стандардима, а квалитет комуникације у великој мери зависи од квалитета линије која се користи за пренос података. Посебно се препоручује употреба упреденог телефонског кабла. У овом случају, поузданије решење је коришћење оптичког кабла уместо АДСЛ и ВДСЛ.

За СХДСЛ је погодан било који пар проводника изолован један од другог - бакар, алуминијум, челик итд. Преносни медијум могу бити старе електричне инсталације, старе телефонске линије, ограде од бодљикаве жице итд.

Зависност брзине преноса података СХДСЛ од удаљености и врсте проводника

Из графикона брзине преноса података у зависности од удаљености и типа проводника датог за СХДСЛ, можете видети да проводници са великим попречним пресеком омогућавају пренос информација на веће удаљености. Захваљујући технологији, могуће је организовати комуникацију на удаљености до 20 км при максималној могућој брзини од 15.3 Мб/с за 2-жични кабл или 30 Мб за 4-жични кабл. У стварним применама, брзина преноса се може подесити ручно, што је неопходно у условима јаких електромагнетних сметњи или лошег квалитета линије. У овом случају, за повећање удаљености преноса, потребно је смањити брзину СХДСЛ уређаја. Да бисте прецизно израчунали брзину у зависности од удаљености и врсте проводника, можете користити бесплатни софтвер као нпр СХДСЛ калкулатор компаније Пхоеник Цонтацт.

Зашто СХДСЛ има високу отпорност на буку?

Принцип рада СХДСЛ примопредајника може се представити у облику блок дијаграма, у коме се издваја специфичан и независан (инваријантни) део са становишта примене. Независни део се састоји од функционалних блокова ПМД (Пхисицал Медиум Депендент) и ПМС-ТЦ (Пхисицал Медиум-Специфиц ТЦ Лаиер), док специфични део обухвата слој ТПС-ТЦ (Трансмиссион Протоцол-Специфиц ТЦ Лаиер) и интерфејсе корисничких података.

Физичка веза између примопредајника (СТУ) може постојати као један пар или више појединачних каблова. У случају више парова каблова, СТУ садржи више независних ПМД-ова повезаних са једним ПМС-ТЦ.

Функционални модел СХДСЛ примопредајника (СТУ)

ТПС-ТЦ модул зависи од апликације у којој се уређај користи (Етхернет, РС-232/422/485, итд.). Његов задатак је да конвертује корисничке податке у СХДСЛ формат, врши мултиплексирање/демултиплексирање и временско подешавање неколико канала корисничких података.

На нивоу ПМС-ТЦ формирају се и синхронизују СХДСЛ оквири, као и кодирање и декодирање.

ПМД модул обавља функције кодирања/декодирања информација, модулације/демодулације, поништавања еха, преговарања параметара на комуникацијској линији и успостављања веза између примопредајника. На нивоу ПМД се изводе главне операције како би се осигурала висока отпорност на буку СХДСЛ-а, укључујући ТЦПАМ кодирање (Треллис кодирање са аналогном импулсном модулацијом), заједнички механизам кодирања и модулације који побољшава спектралну ефикасност сигнала у поређењу са одвојеним методом. Принцип рада ПМД модула се такође може представити у облику функционалног дијаграма.

Блок дијаграм ПМД модула

ТЦ-ПАМ се заснива на употреби конволуционог енкодера који генерише редундантну секвенцу битова на страни СХДСЛ предајника. У сваком циклусу такта, сваком биту који стиже на улаз енкодера се додељује дупли бит (дибит) на излазу. Дакле, по цену релативно малог редундантности, повећава се отпорност на буку преноса. Употреба Треллис модулације вам омогућава да смањите коришћени пропусни опсег за пренос података и поједноставите хардвер уз одржавање истог односа сигнал-шум.

Принцип рада Треллис енкодера (ТЦ-ПАМ 16)

Двоструки бит се формира логичком модуло-2 (ексклузивном-или) операцијом сабирања на основу улазног бита к1(тн) и битова к1(тн-1), к1(тн-2) итд. (укупно их може бити до 20), који су раније примљени на улаз енкодера и остали сачувани у меморијским регистрима. У следећем циклусу такта енкодера тн+1, битови ће се померити у меморијским ћелијама да би се извршила логичка операција: бит к1(тн) ће се преселити у меморију, померајући читав низ битова који су тамо ускладиштени.

Алгоритам конволуционог кодера

Табеле истинитости за операцију сабирања по модулу 2

Ради јасноће, згодно је користити дијаграм стања конволуционог енкодера, из којег можете видети у ком је стању енкодер у временима тн, тн+1 итд. у зависности од улазних података. У овом случају, стање енкодера означава пар вредности улазног бита к1(тн) и бита у првој меморијској ћелији к1(тн-1). Да бисте конструисали дијаграм, можете користити граф на чијим врховима постоје могућа стања енкодера, а прелази из једног стања у друго су означени одговарајућим улазним битовима к1(тн) и излазним дибитима $инлине$и ₀и ₁(т ​​₀)$инлине$.

Дијаграм стања и граф прелаза конволуционог енкодера предајника

У предајнику се на основу четири примљена бита (два излазна бита енкодера и два бита података) формира симбол, од којих сваки одговара сопственој амплитуди модулационог сигнала аналогно-пулсног модулатора.

Стање 16-битног АИМ-а у зависности од вредности четворобитног карактера

На страни пријемника сигнала дешава се обрнути процес – демодулација и избор из редундантног кода (двоструки битова и0и1(тн)) потребне секвенце улазних битова енкодера к1(тн). Ову операцију изводи Витерби декодер.

Алгоритам декодера се заснива на израчунавању метрике грешке за сва могућа очекивана стања кодера. метрика грешке се односи на разлику између примљених битова и очекиваних битова за сваку могућу путању. Ако нема грешака у пријему, онда ће метрика грешке праве путање бити 0 јер нема дивергенције битова. За лажне путање, метрика ће се разликовати од нуле, стално се повећавати, а након неког времена декодер ће престати да израчунава погрешну путању, остављајући само праву.

Дијаграм стања енкодера израчунат Витерби декодером пријемника

Али како овај алгоритам обезбеђује отпорност на буку? Под претпоставком да је пријемник грешком примио податке, декодер ће наставити да израчунава две путање са метриком грешке 1. Путања са метриком грешке 0 више неће постојати. Али алгоритам ће касније донети закључак о томе која је путања истинита на основу следећих примљених дуплих битова.

Када дође до друге грешке, постојаће више путања са метриком 2, али тачна путања ће бити идентификована касније на основу методе максималне вероватноће (тј. минималне метрике).

Дијаграм стања енкодера израчунат Витерби декодером приликом пријема података са грешкама

У горе описаном случају, као пример, размотрили смо алгоритам 16-битног система (ТЦ-ПАМ16), који обезбеђује пренос три бита корисних информација и додатног бита за заштиту од грешке у једном симболу. ТЦ-ПАМ16 постиже брзине преноса података од 192 до 3840 кбпс. Повећањем дубине бита на 128 (савремени системи раде са ТЦ-ПАМ128), шест битова корисних информација се преноси у сваком симболу, а максимална достижна брзина се креће од 5696 кбпс до 15,3 Мбпс.

Употреба аналогне импулсне модулације (ПАМ) чини СХДСЛ сличним бројним популарним Етхернет стандардима, као што су гигабитни 1000БАСЕ-Т (ПАМ-5), 10-гигабитни 10ГБАСЕ-Т (ПАМ-16) или индустријски једнопарни Етхернет 2020БАСЕ -Т10Л, који обећава за 1. годину (ПАМ-3).

СХДСЛ преко Етхернет мрежа

Постоје управљани и неуправљани СХДСЛ модеми, али ова класификација нема много заједничког са уобичајеном поделом на управљане и неуправљане уређаје која постоји, на пример, за Етхернет комутаторе. Разлика је у конфигурацији и алатима за праћење. Управљани модеми се конфигуришу преко веб интерфејса и могу се дијагностиковати преко СНМП-а, док се неуправљани модеми могу дијагностиковати помоћу додатног софтвера преко конзолног порта (за Пхоеник Цонтацт ово је бесплатан ПСИ-ЦОНФ програм и мини-УСБ интерфејс). За разлику од свичева, неуправљани модеми могу да раде у мрежи са прстенастом топологијом.

Иначе, управљани и неуправљани модеми су апсолутно идентични, укључујући функционалност и могућност рада на Плуг&Плаи принципу, односно без икакве прелиминарне конфигурације.

Додатно, модеми могу бити опремљени функцијама заштите од пренапона са могућношћу њихове дијагнозе. СХДСЛ мреже могу да формирају веома дугачке сегменте, а проводници могу да пролазе на местима где се могу појавити пренапони (индуковане разлике потенцијала узроковане пражњењем грома или кратким спојем у оближњим кабловским линијама). Индуковани напон може проузроковати проток струје пражњења килоампера. Стога, да би заштитили опрему од таквих појава, СПД су уграђени у модеме у облику уклоњиве плоче, која се може заменити ако је потребно. СХДСЛ линија је повезана на терминални блок ове плоче.

Топологије

Користећи СХДСЛ преко Етхернета, могуће је изградити мреже са било којом топологијом: тачка-тачка, линија, звезда и прстен. Истовремено, у зависности од типа модема, за повезивање можете користити и 2-жичне и 4-жичне комуникационе линије.

Топологије Етхернет мреже засноване на СХДСЛ-у

Такође је могуће градити дистрибуиране системе са комбинованом топологијом. Сваки сегмент СХДСЛ мреже може имати до 50 модема и, узимајући у обзир физичке могућности технологије (раздаљина између модема је 20 км), дужина сегмента може достићи 1000 км.

Ако је управљани модем инсталиран на челу сваког таквог сегмента, онда се интегритет сегмента може дијагностиковати помоћу СНМП-а. Поред тога, управљани и неуправљани модеми подржавају ВЛАН технологију, односно омогућавају вам да поделите мрежу на логичке подмреже. Уређаји су такође способни да раде са протоколима за пренос података који се користе у савременим системима аутоматизације (Профинет, Етхернет/ИП, Модбус ТЦП, итд.).

Резервација комуникационих канала коришћењем СХДСЛ-а

СХДСЛ се користи за креирање редундантних комуникационих канала у Етхернет мрежи, најчешће оптичких.

СХДСЛ и серијски интерфејс

СХДСЛ модеми са серијским интерфејсом превазилазе ограничења у удаљености, топологији и квалитету проводника која постоје за традиционалне жичане системе засноване на асинхроним примопредајницима (УАРТ): РС-232 - 15 м, РС-422 и РС-485 - 1200 м.

Постоје модеми са серијским интерфејсом (РС-232/422/485) како за универзалне апликације, тако и за специјализоване (на пример, за Профибус). Сви такви уређаји спадају у категорију „неуправљаних“, стога се конфигуришу и дијагностикују помоћу посебног софтвера.

Топологије

У мрежама са серијским интерфејсом, коришћењем СХДСЛ-а могуће је градити мреже са топологијама тачка-тачка, линија и звезда. У оквиру линеарне топологије могуће је комбиновати до 255 чворова у једну мрежу (за Профибус - 30).

У системима изграђеним само помоћу РС-485 уређаја, не постоје ограничења у вези са протоколом преноса података који се користи, али топологије линија и звезда су нетипичне за РС-232 и РС-422, тако да рад крајњих уређаја на СХДСЛ мрежи са сличним топологијама могуће је само у полудуплексном режиму. Истовремено, у системима са РС-232 и РС-422 адресирање уређаја мора бити обезбеђено на нивоу протокола, што није типично за интерфејсе који се најчешће користе у мрежама тачка-тачка.

Приликом повезивања уређаја са различитим типовима интерфејса преко СХДСЛ-а, потребно је узети у обзир чињеницу да не постоји јединствен механизам за успостављање везе (руковања) између уређаја. Међутим, и даље је могуће организовати размену у овом случају, за то морају бити испуњени следећи услови:

• координација комуникације и контрола преноса података морају се вршити на нивоу јединственог протокола за пренос информација;
• сви крајњи уређаји морају да раде у полудуплексном режиму, што такође мора бити подржано информационим протоколом.

Модбус РТУ протокол, најчешћи протокол за асинхроне интерфејсе, омогућава вам да избегнете сва описана ограничења и изградите јединствен систем са различитим типовима интерфејса.

Топологије серијске мреже засноване на СХДСЛ-у

Када користите двожични РС-485 на опреми Пхоеник Цонтацт Можете изградити сложеније структуре комбиновањем модема кроз једну магистралу на ДИН шину. На истој магистрали се може инсталирати напајање (у овом случају сви уређаји се напајају преко магистрале) и оптички претварачи серије ПСИ-МОС за стварање комбиноване мреже. Важан услов за рад оваквог система је иста брзина свих примопредајника.

Додатне карактеристике СХДСЛ-а на РС-485 мрежи

Примери примене

СХДСЛ технологија се активно користи у општинским комуналним предузећима у Немачкој. Више од 50 предузећа која опслужују градске комуналне системе користе старе бакарне жице за повезивање објеката распоређених по граду у једну мрежу. Управљачки и рачуноводствени системи за снабдевање водом, гасом и енергијом првенствено су изграђени на СХДСЛ. Међу таквим градовима су Улм, Магдебург, Инголштат, Билефелд, Франкфурт на Одри и многи други.

Највећи систем заснован на СХДСЛ-у створен је у граду Либеку. Систем има комбиновану структуру засновану на оптичком Етхернет-у и СХДСЛ-у, повезује 120 објеката удаљених један од другог и користи више од 50 модема Пхоеник Цонтацт. Цела мрежа се дијагностикује помоћу СНМП-а. Најдужи сегмент од Калхорста до аеродрома Либек дугачак је 39 км. Разлог зашто је компанија клијент изабрала СХДСЛ је тај што није било економски исплативо реализовати пројекат у потпуности на оптици, с обзиром на доступност старих бакарних каблова.

Пренос података преко клизног прстена

Интересантан пример је пренос података између покретних објеката, као што се ради у ветрогенераторима или великим индустријским машинама за увијање. Сличан систем се користи за размену информација између контролера који се налазе на ротору и статору постројења. У овом случају, клизни контакт кроз клизни прстен се користи за пренос података. Примери попут овог показују да није неопходно имати статички контакт за пренос података преко СХДСЛ-а.

Поређење са другим технологијама

СХДСЛ вс ГСМ

Ако СХДСЛ упоредимо са системима за пренос података базираним на ГСМ (3Г/4Г), онда у прилог ДСЛ-у говори одсуство оперативних трошкова повезаних са редовним плаћањем оператеру за приступ мобилној мрежи. Са СХДСЛ-ом смо независни од подручја покривености, квалитета и поузданости мобилних комуникација у индустријском објекту, укључујући отпорност на електромагнетне сметње. Са СХДСЛ-ом нема потребе за конфигурисањем опреме, што убрзава пуштање објекта у рад. Бежичне мреже карактеришу велика кашњења у преносу података и тешкоће у преносу података коришћењем мултицаст саобраћаја (Профинет, Етхернет ИП).

Информациона безбедност говори у прилог СХДСЛ-у због одсуства потребе за преносом података преко Интернета и потребе да се за то конфигуришу ВПН везе.

СХДСЛ у односу на Ви-Фи

Много од онога што је речено за ГСМ може се применити и на индустријски Ви-Фи. Ниска отпорност на буку, ограничена удаљеност преноса података, зависност од топологије подручја и кашњења у преносу података говоре против Ви-Фи мреже. Најважнији недостатак је информациона безбедност Ви-Фи мрежа, јер свако има приступ медијуму за пренос података. Са Ви-Фи већ је могуће преносити Профинет или Етхернет ИП податке, што би било тешко за ГСМ.

СХДСЛ против оптике

У великој већини случајева, оптика има велику предност у односу на СХДСЛ, али у низу примена СХДСЛ вам омогућава да уштедите време и новац на полагању и заваривању оптичких каблова, смањујући време потребно за пуштање објекта у рад. СХДСЛ не захтева посебне конекторе, јер се комуникациони кабл једноставно повезује на модемски терминал. Због механичких својстава оптичких каблова, њихова употреба је ограничена у апликацијама које укључују пренос информација између покретних објеката, где су бакарни проводници чешћи.

Извор: ввв.хабр.цом