Trots den utbredda anvÀndningen av Ethernet-nÀtverk förlorar DSL-baserade kommunikationstekniker inte sin relevans Àn idag. DSL Äterfinns fortfarande i sista milens nÀtverk för att ansluta kundutrustning till internetleverantörernas nÀtverk, och pÄ senare tid har teknologin allt oftare anvÀnts vid uppbyggnad av lokala nÀtverk, till exempel inom industriella applikationer dÀr DSL fungerar som ett komplement till Ethernet eller fÀltbaserade nÀtverk baserade pÄ RS-232/422/485. SÄdana industriella lösningar anvÀnds aktivt i utvecklade europeiska och asiatiska lÀnder.
DSL representerar en familj av standarder som ursprungligen utvecklades för överföring av digital data över telefonlinjer. Historiskt sett blev detta den första bredbandsaccess-teknologin som kom efter DIAL UP och ISDN. Den stora variationen av befintliga DSL-standarder beror pÄ att mÄnga företag sedan 80-talet har försökt att utveckla och driva sina egna teknologier pÄ marknaden.
All denna utveckling kan delas in i tvĂ„ stora kategorier â asynkrona (ADSL) och synkrona (SDSL) teknologier. ADSL Ă€r de dĂ€r hastigheten för inkommande anslutningar skiljer sig frĂ„n hastigheten för utgĂ„ende trafik. Synkrona teknologier innebĂ€r att hastigheterna för mottagning och sĂ€ndning Ă€r lika.
De mest kĂ€nda och spridda asynkrona standarderna Ă€r ADSL (i sin senaste version â ADSL2+) och VDSL (VDSL2), medan de synkrona Ă€r HDSL (utdaterad profil) och SHDSL. De skiljer sig Ă„t genom att de arbetar pĂ„ olika frekvenser, anvĂ€nder olika kodnings- och moduleringsmetoder pĂ„ den fysiska kommunikationslinjen. De har ocksĂ„ olika felkorrigeringsmetoder som ger olika nivĂ„er av störningsbestĂ€ndighet. Som ett resultat har varje teknologi sina begrĂ€nsningar i hastighet och avstĂ„nd för dataöverföring, vilket ocksĂ„ beror pĂ„ typ och kvalitet av ledaren.
GrÀnsvÀrden för olika DSL-standarder
I vilken DSL-teknik minskar överföringshastigheten nÀr lÀngden pÄ ledningen ökar. Vid grÀnsavstÄnd kan hastigheter pÄ nÄgra hundra kilobit uppnÄs, men vid överföring av data pÄ 200-300 m kan den maximala möjliga hastigheten nÄs.
Bland alla teknologier har SHDSL en betydande fördel som gör den anvĂ€ndbar i industriella tillĂ€mpningar â hög motstĂ„ndskraft mot störningar och möjlighet att anvĂ€nda vilken typ av ledare som helst för datatransmission. Det finns ingen sĂ„dan funktion i asymmetriska standarder, och kvaliteten pĂ„ kommunikationen beror kraftigt pĂ„ kvaliten pĂ„ linjen som anvĂ€nds för datatransmission. Det rekommenderas sĂ€rskilt att anvĂ€nda tvinnade telefonsladdar. I detta fall visar det sig att optisk kabel Ă€r en mer pĂ„litlig lösning istĂ€llet för ADSL och VDSL.
För SHDSL kan vilken isolerad par av ledare som helst anvĂ€ndas â koppar, aluminium, stĂ„l, etc. Gamla elledningar, gamla telefonlinjer, taggtrĂ„d av stĂ€ngsel, etc. kan fungera som överföringsmedier.
BerÀkning av SHDSL:s dataöverföringshastighet i förhÄllande till avstÄnd och typ av ledare
FrÄn grafen över SHDSL:s dataöverföringshastighet i förhÄllande till avstÄnd och typ av ledare kan man se att ledare med större tvÀrsnitt möjliggör överföring av information över lÀngre distanser. Tack vare teknologin Àr det möjligt att organisera kommunikation pÄ upp till 20 km med en maximal hastighet pÄ 15,3 Mb/s för tvÄledarkabel eller 30 Mb för fyrledarkabel. I praktiska tillÀmpningar kan överföringshastigheten justeras manuellt, vilket Àr nödvÀndigt under förhÄllanden med starka elektromagnetiska störningar eller dÄlig kvalitet pÄ linjen. I sÄdana fall krÀvs det att hastigheten pÄ SHDSL-enheterna sÀnks för att öka överföringsavstÄndet. För exakt berÀkning av hastighet i förhÄllande till avstÄnd och typ av ledare kan gratis programvara som .
Vad ger SHDSL dess höga motstÄndskraft mot störningar?
Funktionen hos SHDSL-sÀndaren kan representeras som ett blockdiagram, dÀr man sÀrskiljer den specifika och oberoende (invarianta) delen ur applikationssynpunkt. Den oberoende delen bestÄr av funktionella block PMD (Physical Medium Dependent) och PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), medan den specifika delen inkluderar nivÄn TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) och grÀnssnitten för anvÀndardata.
Den fysiska kommunikationslinjen mellan sÀndare och mottagare (STU) kan existera i form av en enskild par eller flera enskilda kablar. I fallet med flera par kablar innehÄller STU flera oberoende block PMD som Àr kopplade till en enda PMS-TC.
Funktionell modell för SHDSL-sÀndare (STU)
Modulen TPS-TC beror pÄ den applikation dÀr enheten anvÀnds (Ethernet, RS-232/422/485 osv.). Dess uppgift Àr att konvertera anvÀndardata till SHDSL-format, multiplexera/demultiplexera och tidskorrigera flera kanaler med anvÀndardata.
PÄ nivÄn PMS-TC sker skapandet av SHDSL-ramar och deras synkronisering, samt scrambling och descrambling.
Modulen PMD utför kodning/-dekodning av information, modulering/-demodulering, ekodÀmpning, anpassning av parametrar pÄ kommunikationslinjen och upprÀttande av samband mellan sÀndare och mottagare. Det Àr pÄ nivÄn PMD som de huvudsakliga operationerna utförs som sÀkerstÀller en hög störningsmotstÄndskraft för SHDSL, inklusive TCPAM-kodning (Trellis-kodning med analog-pulsteknik), en mekanism för gemensam kodning och modulering, dÀr den spektrala effektiviteten för signalen förbÀttras jÀmfört med den separata metoden. Modulen PMD:s funktion kan ocksÄ representeras som ett funktionellt diagram.
Blockdiagram över modulen PMD
Grunden för TC-PAM Àr anvÀndningen av en konvolutionell kodare som bildar en överflödig sekvens av bitar pÄ sidan av SHDSL-sÀndaren. Vid varje taktslag tilldelas varje bit som kommer in i kodaren en dubbelbit (dibit) pÄ utgÄngen. PÄ sÄ sÀtt ökar motstÄndskraften mot störningar vid en relativt liten överflödighet i överföringen. AnvÀndningen av Trellis-modulering gör det möjligt att minska den anvÀnda bandbredden för datöverföring och förenkla hÄrdvaran utan att Àndra förhÄllandet signal/störning.
Principen för Trellis-kodaren (TC-PAM 16)
Dubbelbitten bildas som resultat av en logisk operation av addition modulo 2 (exkluderande "eller") baserat pÄ ingÄngsbit x1(tn) och bitarna x1(tn-1), x1(tn-2) etc. (totalt kan det finnas upp till 20), som har kommit in i kodaren tidigare och lagrats i minnesregister. Vid nÀsta taktslag tn+1 kommer bitarna i minnescellerna att flyttas för att utföra den logiska operationen: bit x1(tn) kommer att flyttas till minnet, vilket förskjuter hela den lagrade bitsekvensen.
Algoritm för den konvolutionella kodaren
Sanningstabeller för operationen av addition modulo 2
För tydlighet Ă€r det bra att anvĂ€nda ett tillstĂ„ndsdiagram för den konvolutionella kodaren, dĂ€r man kan se vilket tillstĂ„nd kodaren befinner sig i vid tidpunkterna tn, tn+1 och sĂ„ vidare beroende pĂ„ ingĂ„ngsdata. HĂ€r avser tillstĂ„ndet för kodaren ett par vĂ€rden av ingĂ„ngsbit x1(tn) och biten i den första minnescellen x1(tn-1). För att konstruera diagrammet kan man anvĂ€nda en graf, dĂ€r noderna representerar möjliga tillstĂ„nd för kodaren och övergĂ„ngar frĂ„n ett tillstĂ„nd till ett annat anges med motsvarande ingĂ„ngsbit x1(tn) och utgĂ„ngsdibitar $inline$y ây â(t â)$inline$.
TillstÄndsdiagram och övergÄngsgraf för den konvolutionella kodaren i sÀndaren
I sÀndaren, baserat pÄ de fyra erhÄllna bitarna (tvÄ utgÄngsbit frÄn kodaren och tvÄ databitar), bildas en symbol, dÀr varje symbol motsvarar sin egen amplitud av den modulerande signalen frÄn den analoga impulsmodulatorn.
TillstÄndet för den 16-bitars AI-modulatorn beroende pÄ vÀrdet av den fyrabits symbolen
Vid mottagarsidan av signalen sker en omvĂ€nd proces â demodulering och extraktion av den nödvĂ€ndiga sekvensen av ingĂ„ngsbitarna frĂ„n den överflödiga koden (dubbelbitarna y0y1(tn)) frĂ„n kodaren x1(tn). Denna operation utförs av Viterbi-dekodern.
Dekoderalgoritmen Àr baserad pÄ berÀkningen av felmetrik för alla möjliga antagna tillstÄnd i kodaren. Med felmetrik menas skillnaden mellan de mottagna bitarna och de antagna bitarna för varje möjlig vÀg. Om det inte finns nÄgra fel vid mottagningen kommer felmetrik för den sanna vÀgen att vara 0, eftersom det inte finns nÄgra avvikelser mellan bitarna. För falska vÀgar kommer metrik att skilja sig frÄn noll, öka kontinuerligt, och efter en tid kommer dekodern att sluta berÀkna den felaktiga vÀgen och lÀmna endast den sanna.
TIllstÄndsdiagrammet för kodaren, berÀknat av Viterbi-dekodern vid mottagning
Men hur sÀkerstÀller denna algoritm mot störningar? Om vi antar att mottagaren har tagit emot uppgifter med ett fel, kommer dekodern att fortsÀtta berÀkna tvÄ vÀgar med felmetrik 1. VÀgen med felmetrik 0 existerar inte lÀngre. Men slutsatsen om vilken vÀg som Àr sann kommer att göras senare baserat pÄ de kommande mottagna dubbla bitarna.
Vid uppkomsten av ett andra fel kommer det finnas flera vÀgar med felmetrik 2, men den korrekta vÀgen kommer att identifieras senare baserat pÄ metoden för största sannolikhet (det vill sÀga den minsta metriken).
TIllstÄndsdiagrammet för kodaren, berÀknat av Viterbi-dekodern, vid mottagning av uppgifter med fel
I det ovanstÄende exemplet anvÀndes en algoritm för ett 16-bitars system (TC-PAM16), som möjliggör överföring av tre bitar nyttig information och en extra bit för felskydd i en symbol. I TC-PAM16 kan datan överföras med hastigheter frÄn 192 till 3840 kbit/s. Vid ökad bitdjup till 128 (moderna system arbetar med TC-PAM128) överförs sex bitar nyttig information i varje symbol, och den maximala möjliga hastigheten strÀcker sig frÄn 5696 kbit/s till 15,3 Mb/s.
AnvÀndningen av analog-pulsmodulering (PAM) förenar SHDSL med en rad populÀra Ethernet-standarder, sÄsom gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) eller den framtida industristandarden för 2020, enkelpar-Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3).
SHDSL i Ethernet-nÀtverk
Det finns hanterade och oövervakade SHDSL-modem, men denna klassificering har lite gemensamt med den vanliga uppdelningen av hanterade och oövervakade enheter, som finns exempelvis för Ethernet-switchar. Skillnaden ligger i konfigurations- och övervakningsverktygen. Hanterade modem konfigureras via ett webbgrÀnssnitt och kan diagnostiseras via SNMP, medan oövervakade konfigureras med hjÀlp av ytterligare programvara via konsolporten (för Phoenix Contact Àr detta det kostnadsfria programmet PSI-CONF och mini-USB-grÀnssnittet). Till skillnad frÄn switchar kan oövervakade modem fungera i ett nÀtverk med en ringtopologi.
I övrigt Àr hanterade och oövervakade modem helt identiska, inklusive funktionalitet och möjlighet att fungera enligt principen Plug & Play, det vill sÀga utan nÄgot föregÄende konfiguration.
Dessutom kan modem ha funktioner för skydd mot impulsspÀnningar med möjlighet till diagnostisering. SHDSL-nÀt kan bilda mycket lÄnga segment, och ledningarna kan gÄ pÄ platser dÀr impulsspÀnningar kan uppstÄ (inducerad potentialskillnad, orsakad av blixtnedslag eller kortslutningar i nÀrliggande kabellinjer). Inducerad spÀnning kan orsaka genomgÄng av urladdningsströmmar pÄ upp till kiloampere. DÀrför installeras överspÀnningsskydd (UZIIP) som modul i modem, vilket kan ersÀttas vid behov. Det Àr till terminalblocken pÄ detta modul som SHDSL-linjen kopplas.
Topologier
Med SHDSL i Ethernet Àr det möjligt att bygga nÀtverk med valfri topologi: punkt-till-punkt, linje, stjÀrna och ring. Beroende pÄ modemtyp kan bÄde 2-trÄds och 4-trÄds kommunikationslinjer anvÀndas för anslutning.
Ethernet-nÀtverkstopologier baserade pÄ SHDSL
Det Àr ocksÄ möjligt att bygga distribuerade system med en kombinerad topologi. Varje segment av SHDSL-nÀtverket kan ha upp till 50 modem, och med hÀnsyn till teknikens fysiska möjligheter (avstÄndet mellan modem pÄ 20 km) kan segmentets lÀngd nÄ 1000 km.
Om en styrd modem installeras i huvudet pÄ varje segment kan segmentets integritet diagnostiseras via SNMP. Dessutom stödjer bÄde styrda och icke-styrda modem VLAN-teknologi, vilket innebÀr att nÀtverket kan delas in i logiska delnÀt. Enheterna kan ocksÄ arbeta med datakommunikationsprotokoll som anvÀnds i moderna automationssystem (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP osv.).
Reservkoppling av kommunikationskanaler med hjÀlp av SHDSL
SHDSL anvÀnds för att skapa reservkanaler för kommunikation i Ethernet-nÀt, oftast optiska.
SHDSL och seriellt grÀnssnitt
SHDSL-modem med seriöst grĂ€nssnitt möjliggör att övervinna begrĂ€nsningar nĂ€r det gĂ€ller avstĂ„nd, topologi och kvalitet pĂ„ ledningen, vilka finns för traditionella trĂ„dlösa system baserade pĂ„ asynkrona sĂ€ndare/mottagare (UART): RS-232 â 15 m, RS-422 och RS-485 â 1200 m.
Det finns modem med seriella grÀnssnitt (RS-232/422/485) bÄde för universella tillÀmpningar och för specialiserade (t.ex. för Profibus). Alla sÄdana enheter tillhör kategorin 'icke-styrda' och konfigureras och diagnostiseras med hjÀlp av speciell mjukvara.
Topologier
Med SHDSL Ă€r det möjligt att bygga nĂ€tverk med seriöst grĂ€nssnitt i topologier som punkt-till-punkt, linje och stjĂ€rna. Inom ramen för linjĂ€r topologi kan upp till 255 noder sammanfogas i ett nĂ€tverk (för Profibus â 30).
I system som anvÀnder enbart enheter med RS-485-grÀnssnitt finns det inga begrÀnsningar angÄende det anvÀnda datakommunikationsprotokollet, men linje- och stjÀrntopologier Àr ovanliga för RS-232 och RS-422, sÄ driften av slutapparater i ett SHDSL-nÀt med sÄdana topologier Àr endast möjlig i halv duplex-lÀge. Samtidigt i system med RS-232 och RS-422 ska adressering av enheter sÀkerstÀllas pÄ protokollnivÄ, vilket Àr ovanligt för de grÀnssnitt som oftast anvÀnds i punkt-till-punkt-nÀt.
Vid sammankoppling av enheter med olika typer av grĂ€nssnitt via SHDSL mĂ„ste man beakta avsaknaden av en enhetlig mekanism för att etablera en anslutning (handshake) mellan enheterna. Det Ă€r dock fortfarande möjligt att organisera utbytet â för detta krĂ€vs att följande villkor uppfylls:
- Koppling av kommunikation och dataöverföring bör utföras pÄ nivÄn för en enhetlig informationsprotokoll för dataöverföring;
- Alla slutpunkter mÄste fungera i halvduplexlÀge, vilket ocksÄ mÄste stödjas av informationsprotokollet.
Det mest förekommande protokollet för asynkrona grÀnssnitt, Modbus RTU, gör det möjligt att undvika alla beskrivna begrÀnsningar och bygga ett enhetligt system med olika typer av grÀnssnitt.
NÀtverkstopologier med sekventiellt grÀnssnitt baserat pÄ SHDSL
Vid anvÀndning av tvÄtrÄds RS-485 pÄ utrustning kan man bygga mer komplexa strukturer genom att koppla modemer via en buss pÄ DIN-skena. PÄ samma buss kan en strömförsörjning installeras (i sÄ fall fÄr alla enheter sin ström via bussen) och optiska omvandlare av serien PSI-MOS för att skapa ett kombinerat nÀtverk. En viktig förutsÀttning för att en sÄdan system ska fungera Àr att hastigheten Àr densamma för alla sÀndare och mottagare.
Ytterligare möjligheter med SHDSL i RS-485-nÀtverket
TillÀmpningsexempel
SHDSL-teknologin anvĂ€nds aktivt inom stadsförvaltningen i Tyskland. Mer Ă€n 50 företag som ansvarar för stĂ€derna anvĂ€nder gamla kopparledningar för att koppla samman utbredda objekt i staden. PĂ„ SHDSL byggs först och frĂ€mst system för styrning och mĂ€tning inom vatten-, gas- och energiförsörjning. StĂ€der som Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder och mĂ„nga andra Ă€r inkluderade.
Det mest omfattande SHDSL-baserade systemet har skapats i staden LĂŒbeck. Systemet har en kombinerad struktur baserad pĂ„ optisk Ethernet och SHDSL, kopplar samman 120 avlĂ€gsna objekt och anvĂ€nder mer Ă€n 50 modem. . Hela nĂ€tverket diagnostiseras via SNMP. Den lĂ€ngsta segmentet frĂ„n kommunen Kalkhorst till LĂŒbecks flygplats Ă€r 39 km. Anledningen till att bestĂ€llarens företag valde SHDSL var att genomförandet av projektet helt pĂ„ fiberoptik var ekonomiskt ogynnsamt med hĂ€nsyn till de gamla kopparkablarna.
Dataöverföring via kontaktklocka
Ett intressant exempel Àr överföring av data mellan rörliga objekt, som exempelvis det som görs i vindkraftverk eller stora industriella vridmaskiner. Ett sÄdant system anvÀnds för informationsutbyte mellan kontroller placerade pÄ rotorn och statorn av installationerna. I detta fall anvÀnds en glidkontakt genom en kontaktring för dataöverföring. SÄdana exempel visar att det inte alltid Àr nödvÀndigt att ha en statisk kontakt för att överföra data via SHDSL.
JÀmförelse med andra teknologier
SHDSL vs GSM
Om man jÀmför SHDSL med datatransmission system baserade pÄ GSM (3G/4G), sÄ talar för DSL avsaknaden av driftskostnader kopplade till regelbundet betalande till operatören för tillgÄng till mobilnÀtet. Med SHDSL Àr vi inte beroende av tÀckningsomrÄde, kvalitet och pÄlitlighet av mobilkommunikationen pÄ industristÀllet, inklusive motstÄndskraft mot elektromagnetiska störningar. SHDSL krÀver ingen konfigurering av utrustningen, vilket snabbar pÄ driftsÀttning av objektet. För trÄdlösa nÀtverk Àr stora fördröjningar vid dataöverföring och svÄrigheter med överföring av data som anvÀnder multicast-trafik (Profinet, Ethernet IP) typiska.
SHDSL talar för informationssÀkerhet pÄ grund av avsaknaden av behovet av att överföra data via Internet och behovet av att konfigurera VPN-anslutningar för detta.
SHDSL vs Wi-Fi
Mycket av det som sagts om GSM gÀller ocksÄ industriellt Wi-Fi. Nackdelarna med Wi-Fi inkluderar lÄg störningsimmunitet, begrÀnsad överföringsdistans, beroende av terrÀngtopologi och fördröjningar vid dataöverföring. Den största nackdelen Àr informationssÀkerheten i Wi-Fi-nÀtverk, eftersom vem som helst har tillgÄng till överföringsmediet. Genom Wi-Fi Àr det redan möjligt att överföra data Profinet eller Ethernet IP, vilket skulle vara besvÀrligt för GSM.
SHDSL vs fiber
Fiberoptik har i stort sett en betydande fördel jÀmfört med SHDSL, men i vissa tillÀmpningar gör SHDSL det möjligt att spara tid och kostnader för installation och svetsning av fiberkabel, vilket minskar tiden för att sÀtta objektet i drift. SHDSL krÀver inga speciella kontakter, eftersom kommunikationskabeln enkelt ansluts till modemets terminal. PÄ grund av de mekaniska egenskaperna hos fiberkablar Àr deras anvÀndning begrÀnsad i tillÀmpningar som involverar informationöverföring mellan rörliga objekt, dÀr kopparledare har fÄtt större spridning.
KĂ€lla: habr.com
