Trots den utbredda användningen av Ethernet-nätverk är DSL-baserad kommunikationsteknik fortfarande relevant än i dag. Hittills har DSL hittats i sista mils nätverk för att ansluta abonnentutrustning till Internetleverantörsnätverk, och på senare tid har tekniken alltmer använts vid konstruktion av lokala nätverk, till exempel i industriella applikationer, där DSL fungerar som ett komplement till Ethernet eller fältnätverk baserade på RS-232/422/485. Liknande industriella lösningar används aktivt i utvecklade europeiska och asiatiska länder.
DSL är en familj av standarder som ursprungligen utformades för att överföra digital data över telefonlinjer. Historiskt sett blev det den första bredbandstekniken för Internetaccess, som ersatte DIAL UP och ISDN. Det stora utbudet av DSL-standarder som finns idag beror på att många företag, med början på 80-talet, försökte utveckla och marknadsföra sin egen teknik.
Alla dessa utvecklingar kan delas in i två stora kategorier - asymmetrisk (ADSL) och symmetrisk (SDSL) teknologi. Asymmetrisk hänvisar till de där hastigheten på den inkommande anslutningen skiljer sig från hastigheten för utgående trafik. Med symmetrisk menar vi att mottagnings- och överföringshastigheterna är lika.
De mest kända och utbredda asymmetriska standarderna är faktiskt ADSL (i senaste upplagan - ADSL2+) och VDSL (VDSL2), symmetriska - HDSL (föråldrad profil) och SHDSL. De skiljer sig alla från varandra genom att de arbetar vid olika frekvenser och använder olika kodnings- och moduleringsmetoder på den fysiska kommunikationslinjen. Felkorrigeringsmetoderna skiljer sig också åt, vilket resulterar i olika nivåer av brusimmunitet. Som ett resultat har varje teknik sina egna gränser för hastighet och avstånd för dataöverföring, inklusive beroende på ledarens typ och kvalitet.
Begränsningar för olika DSL-standarder
I vilken DSL-teknik som helst minskar dataöverföringshastigheten när kabellängden ökar. På extrema avstånd är det möjligt att erhålla hastigheter på flera hundra kilobit, men vid överföring av data över 200-300 m är den högsta möjliga hastigheten tillgänglig.
Bland alla tekniker har SHDSL en allvarlig fördel som gör det möjligt att använda det i industriella applikationer - hög brusimmunitet och möjligheten att använda vilken typ av ledare som helst för dataöverföring. Detta är inte fallet med asymmetriska standarder, och kvaliteten på kommunikationen är starkt beroende av kvaliteten på den linje som används för dataöverföring. I synnerhet rekommenderas att använda en tvinnad telefonkabel. I det här fallet är en mer tillförlitlig lösning att använda en optisk kabel istället för ADSL och VDSL.
Vilket par av ledare som helst som är isolerade från varandra är lämpliga för SHDSL - koppar, aluminium, stål etc. Överföringsmediet kan vara gamla elektriska ledningar, gamla telefonledningar, taggtrådsstängsel etc.
Beroende av SHDSL-dataöverföringshastighet på avstånd och typ av ledare
Från grafen över dataöverföringshastighet kontra avstånd och typ av ledare som ges för SHDSL kan du se att ledare med stort tvärsnitt gör att du kan överföra information över ett större avstånd. Tack vare tekniken är det möjligt att organisera kommunikation över ett avstånd på upp till 20 km med en maximal hastighet på 15.3 Mb/s för en 2-trådskabel eller 30 Mb för en 4-trådskabel. I verkliga applikationer kan överföringshastigheten ställas in manuellt, vilket är nödvändigt under förhållanden med stark elektromagnetisk störning eller dålig linjekvalitet. I det här fallet, för att öka överföringsavståndet, är det nödvändigt att minska hastigheten på SHDSL-enheter. För att exakt beräkna hastighet beroende på avstånd och typ av ledare kan du använda gratis programvara som t.ex .
Varför har SHDSL hög brusimmunitet?
Funktionsprincipen för SHDSL-sändtagaren kan representeras i form av ett blockschema, i vilket en specifik och oberoende (invariant) del från tillämpningssynpunkt särskiljs. Den oberoende delen består av funktionsblock PMD (Physical Medium Dependent) och PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), medan den specifika delen inkluderar lagret TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) och användardatagränssnitt.
Den fysiska länken mellan transceivrar (STU) kan existera som ett enda par eller flera enkelpar kablar. I fallet med flera kabelpar innehåller STU:n flera oberoende PMD:er associerade med en enda PMS-TC.
Funktionell modell av SHDSL-transceiver (STU)
TPS-TC-modulen beror på applikationen som enheten används i (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Dess uppgift är att konvertera användardata till SHDSL-format, utföra multiplexering/demultiplexering och tidsjustering av flera kanaler med användardata.
På PMS-TC-nivån bildas och synkroniseras SHDSL-ramar, såväl som förvrängning och avkodning.
PMD-modulen utför funktionerna informationskodning/avkodning, modulering/demodulering, ekosläckning, parameterförhandling på kommunikationslinjen och upprättande av anslutningar mellan sändtagare. Det är på PMD-nivån som huvudoperationerna utförs för att säkerställa hög brusimmunitet hos SHDSL, inklusive TCPAM-kodning (Trellis-kodning med analog pulsmodulering), en gemensam kodnings- och moduleringsmekanism som förbättrar signalens spektrala effektivitet jämfört med en separat metod. Funktionsprincipen för PMD-modulen kan också representeras i form av ett funktionsdiagram.
PMD-modulblockdiagram
TC-PAM är baserad på användningen av en faltningskodare som genererar en redundant sekvens av bitar på SHDSL-sändarsidan. Vid varje klockcykel tilldelas varje bit som kommer till kodaringången en dubbelbit (dibit) vid utgången. På bekostnad av relativt liten redundans ökar således överföringsbrusimmuniteten. Användningen av Trellis-modulering gör att du kan minska den använda dataöverföringsbandbredden och förenkla hårdvaran samtidigt som du bibehåller samma signal-brusförhållande.
Funktionsprincip för Trellis-kodaren (TC-PAM 16)
Dubbelbiten bildas av en logisk modulo-2 (exklusiv-eller) additionsoperation baserad på ingångsbiten x1(tn) och bitarna x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (det kan vara upp till 20 av dem totalt), som togs emot vid kodningsingången tidigare och förblev lagrade i minnesregister. Vid nästa klockcykel för kodaren tn+1 kommer bitar att skiftas i minnesceller för att utföra en logisk operation: bit x1(tn) kommer att flyttas in i minnet och skifta hela sekvensen av bitar som är lagrade där.
Konvolutionell kodaralgoritm
Sanningstabeller för additionsoperation modulo 2
För tydlighetens skull är det praktiskt att använda ett tillståndsdiagram för en faltningskodare, från vilket du kan se vilket tillstånd kodaren är i vid tidpunkterna tn, tn+1, etc. beroende på indata. Kodartillståndet betyder i detta fall ett par värden av ingångsbiten x1(tn) och biten i den första minnescellen x1(tn-1). För att konstruera ett diagram kan du använda en graf, vid vars hörn det finns möjliga tillstånd för kodaren, och övergångar från ett tillstånd till ett annat indikeras av motsvarande ingångsbitar x1(tn) och utgångsdibitar $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Tillståndsdiagram och övergångsdiagram för en sändarfaltningskodare
I sändaren, baserat på de fyra mottagna bitarna (två utgångsbitar från kodaren och två databitar), bildas en symbol, som var och en motsvarar sin egen amplitud hos den analoga pulsmodulatorns moduleringssignal.
Tillståndet för 16-bitars AIM beroende på värdet på fyrbitarstecknet
På sidan av signalmottagaren sker den omvända processen - demodulering och val från den redundanta koden (dubbla bitar y0y1(tn)) av den erforderliga sekvensen av inmatningsbitar för kodaren x1(tn). Denna operation utförs av en Viterbi-avkodare.
Avkodaralgoritmen är baserad på att beräkna ett felmått för alla möjliga förväntade kodartillstånd. Felmåttet hänvisar till skillnaden mellan de mottagna bitarna och de förväntade bitarna för varje möjlig väg. Om det inte finns några mottagningsfel kommer det sanna sökvägsfelmåttet att vara 0 eftersom det inte finns någon bitdivergens. För falska vägar kommer måtten att skilja sig från noll, ständigt öka, och efter en tid slutar avkodaren att beräkna den felaktiga vägen och lämnar bara den sanna.
Kodartillståndsdiagram beräknat av mottagarens Viterbi-avkodare
Men hur säkerställer denna algoritm brusimmunitet? Om man antar att mottagaren har tagit emot data felaktigt, kommer avkodaren att fortsätta att beräkna två vägar med ett felmått på 1. Vägen med ett felmått på 0 kommer inte längre att existera. Men algoritmen kommer att göra en slutsats om vilken väg som är sann senare baserat på nästa mottagna dubbla bitar.
När det andra felet inträffar kommer det att finnas flera vägar med måttenhet 2, men den korrekta sökvägen kommer att identifieras senare baserat på metoden med maximal sannolikhet (dvs. minimimåttet).
Kodartillståndsdiagram beräknat av Viterbi-avkodare vid mottagning av data med fel
I fallet som beskrivs ovan, som ett exempel, övervägde vi algoritmen för ett 16-bitarssystem (TC-PAM16), som säkerställer överföringen av tre bitar av användbar information och en extra bit för felskydd i en symbol. TC-PAM16 uppnår datahastigheter från 192 till 3840 kbps. Genom att öka bitdjupet till 128 (moderna system fungerar med TC-PAM128), sänds sex bitar av användbar information i varje symbol, och den maximala hastigheten som kan uppnås varierar från 5696 kbps till 15,3 Mbps.
Användningen av analog pulsmodulation (PAM) gör att SHDSL liknar ett antal populära Ethernet-standarder, såsom gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) eller industriellt enkelpars Ethernet 2020BASE -T10L, som är lovande för 1 (PAM-3).
SHDSL över Ethernet-nätverk
Det finns hanterade och ohanterade SHDSL-modem, men denna klassificering har inte mycket gemensamt med den vanliga uppdelningen i hanterade och ohanterade enheter som finns till exempel för Ethernet-switchar. Skillnaden ligger i konfigurations- och övervakningsverktygen. Hanterade modem konfigureras via ett webbgränssnitt och kan diagnostiseras via SNMP, medan ohanterade modem kan diagnostiseras med hjälp av ytterligare programvara via konsolporten (för Phoenix Contact är detta ett gratis PSI-CONF-program och ett mini-USB-gränssnitt). Till skillnad från switchar kan ohanterade modem fungera i ett nätverk med ringtopologi.
Annars är hanterade och ohanterade modem helt identiska, inklusive funktionalitet och möjligheten att arbeta enligt Plug&Play-principen, det vill säga utan någon preliminär konfiguration.
Dessutom kan modem utrustas med överspänningsskyddsfunktioner med möjlighet att diagnostisera dem. SHDSL-nätverk kan bilda mycket långa segment, och ledare kan löpa på platser där överspänningar (inducerade potentialskillnader orsakade av blixturladdningar eller kortslutningar i närliggande kabellinjer) kan uppstå. Den inducerade spänningen kan få urladdningsströmmar på kiloampere att flyta. Därför, för att skydda utrustning från sådana fenomen, är SPD:er inbyggda i modem i form av ett löstagbart kort, som kan bytas ut vid behov. Det är till kopplingsplinten på detta kort som SHDSL-linjen är ansluten.
Topologier
Med SHDSL över Ethernet är det möjligt att bygga nätverk med vilken topologi som helst: punkt-till-punkt, linje, stjärna och ring. Samtidigt, beroende på typ av modem, kan du använda både 2-tråds och 4-tråds kommunikationslinjer för anslutning.
Ethernet-nätverkstopologier baserade på SHDSL
Det är också möjligt att bygga distribuerade system med en kombinerad topologi. Varje SHDSL-nätverkssegment kan ha upp till 50 modem och, med hänsyn till teknikens fysiska kapacitet (avståndet mellan modemen är 20 km), kan segmentets längd nå 1000 km.
Om ett hanterat modem är installerat i spetsen för varje sådant segment, kan integriteten för segmentet diagnostiseras med SNMP. Dessutom stöder hanterade och ohanterade modem VLAN-teknik, det vill säga de låter dig dela upp nätverket i logiska undernät. Enheterna är också kapabla att arbeta med dataöverföringsprotokoll som används i moderna automationssystem (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Reservation av kommunikationskanaler med hjälp av SHDSL
SHDSL används för att skapa redundanta kommunikationskanaler i ett Ethernet-nätverk, oftast optiska.
SHDSL och seriellt gränssnitt
SHDSL-modem med seriellt gränssnitt övervinner begränsningarna i avstånd, topologi och ledarkvalitet som finns för traditionella trådbundna system baserade på asynkrona transceivers (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 och RS-485 - 1200 m.
Det finns modem med seriella gränssnitt (RS-232/422/485) för både universella applikationer och specialiserade (till exempel för Profibus). Alla sådana enheter tillhör kategorin "ohanterade", därför är de konfigurerade och diagnostiserade med hjälp av speciell programvara.
Topologier
I nätverk med seriellt gränssnitt är det med SHDSL möjligt att bygga nätverk med punkt-till-punkt-, linje- och stjärntopologier. Inom den linjära topologin är det möjligt att kombinera upp till 255 noder till ett nätverk (för Profibus - 30).
I system byggda med endast RS-485-enheter finns det inga begränsningar för dataöverföringsprotokollet som används, men linje- och stjärntopologier är atypiska för RS-232 och RS-422, så driften av slutenheter på ett SHDSL-nätverk med liknande topologier är endast möjligt i halvduplexläge. Samtidigt, i system med RS-232 och RS-422, måste enhetsadressering tillhandahållas på protokollnivå, vilket inte är typiskt för gränssnitt som oftast används i punkt-till-punkt-nätverk.
När du ansluter enheter med olika typer av gränssnitt via SHDSL är det nödvändigt att ta hänsyn till det faktum att det inte finns någon enskild mekanism för att upprätta en anslutning (handskakning) mellan enheter. Det är dock fortfarande möjligt att organisera ett utbyte i detta fall, för detta måste följande villkor vara uppfyllda:
- kommunikationskoordinering och dataöverföringskontroll måste utföras på nivån för ett enhetligt protokoll för informationsdataöverföring;
- alla slutenheter måste fungera i halvduplexläge, vilket också måste stödjas av informationsprotokollet.
Modbus RTU-protokollet, det vanligaste protokollet för asynkrona gränssnitt, låter dig undvika alla beskrivna begränsningar och bygga ett enda system med olika typer av gränssnitt.
Seriella nätverkstopologier baserade på SHDSL
Vid användning av tvåtråds RS-485 på utrustning Du kan bygga mer komplexa strukturer genom att kombinera modem genom en buss på en DIN-skena. En strömförsörjning kan installeras på samma buss (i detta fall drivs alla enheter via bussen) och optiska omvandlare i PSI-MOS-serien för att skapa ett kombinerat nätverk. En viktig förutsättning för driften av ett sådant system är samma hastighet för alla sändtagare.
Ytterligare funktioner för SHDSL på ett RS-485-nätverk
Applikationsexempel
SHDSL-teknik används aktivt i kommunala företag i Tyskland. Mer än 50 företag som betjänar stadsnät använder gamla koppartrådar för att koppla ihop objekt som är distribuerade över hela staden med ett nätverk. Styr- och redovisningssystem för vatten-, gas- och energiförsörjning bygger i första hand på SHDSL. Bland sådana städer finns Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder och många andra.
Det största SHDSL-baserade systemet skapades i staden Lübeck. Systemet har en kombinerad struktur baserad på optiskt Ethernet och SHDSL, ansluter 120 objekt på avstånd från varandra och använder mer än 50 modem . Hela nätverket diagnostiseras med SNMP. Den längsta sträckan från Kalkhorst till Lübecks flygplats är 39 km lång. Anledningen till att kundföretaget valde SHDSL var att det inte var ekonomiskt lönsamt att genomföra projektet helt på optik, givet tillgången på gamla kopparkablar.
Dataöverföring via släpring
Ett intressant exempel är överföring av data mellan rörliga föremål, som till exempel görs i vindkraftverk eller stora industriella vridningsmaskiner. Ett liknande system används för informationsutbyte mellan styrenheter placerade på anläggningarnas rotor och stator. I detta fall används en glidkontakt genom en släpring för att överföra data. Exempel som detta visar att det inte är nödvändigt att ha en statisk kontakt för att överföra data över SHDSL.
Jämförelse med andra tekniker
SHDSL vs GSM
Om vi jämför SHDSL med dataöverföringssystem baserade på GSM (3G/4G), så talar frånvaron av driftskostnader i samband med regelbundna betalningar till operatören för tillgång till mobilnätet för DSL. Med SHDSL är vi oberoende av täckningsområde, kvalitet och tillförlitlighet för mobilkommunikation på en industrianläggning, inklusive motstånd mot elektromagnetiska störningar. Med SHDSL finns det inget behov av att konfigurera utrustning, vilket påskyndar driftsättningen av anläggningen. Trådlösa nätverk kännetecknas av stora förseningar i dataöverföringen och svårigheter att överföra data med hjälp av multicast-trafik (Profinet, Ethernet IP).
Informationssäkerhet talar för SHDSL på grund av frånvaron av behovet av att överföra data över Internet och behovet av att konfigurera VPN-anslutningar för detta.
SHDSL vs Wi-Fi
Mycket av det som har sagts om GSM kan även tillämpas på industriellt Wi-Fi. Låg brusimmunitet, begränsat dataöverföringsavstånd, beroende av områdets topologi och förseningar i dataöverföring talar emot Wi-Fi. Den viktigaste nackdelen är informationssäkerheten för Wi-Fi-nätverk, eftersom alla har tillgång till dataöverföringsmediet. Med Wi-Fi är det redan möjligt att överföra Profinet eller Ethernet IP-data, vilket skulle vara svårt med GSM.
SHDSL vs optik
I de allra flesta fall har optik en stor fördel gentemot SHDSL, men i ett antal tillämpningar gör SHDSL att du kan spara tid och pengar på att lägga och svetsa optiska kablar, vilket minskar tiden det tar att ta en anläggning i drift. SHDSL kräver inga speciella kontakter, eftersom kommunikationskabeln helt enkelt ansluts till modemterminalen. På grund av de mekaniska egenskaperna hos optiska kablar är deras användning begränsad i tillämpningar som involverar överföring av information mellan rörliga föremål, där kopparledare är vanligare.
Källa: will.com