Незважаючи на поширення мереж Ethernet, технології зв'язку на основі DSL не втрачають своєї актуальності і донині. Досі DSL можна зустріти в мережах останньої милі для підключення абонентського обладнання до мереж Інтернет-провайдера, а останнім часом технологія все частіше використовується при побудові локальних мереж, наприклад, у промислових додатках, де DSL виступає як додаток до Ethernet або до польових мереж на основі RS-232/422/485. Подібні промислові рішення активно застосовуються у розвинених європейських та азіатських країнах.
DSL є сімейством стандартів, які спочатку замислювалися для передачі цифрових даних по телефонних лініях зв'язку. Історично це стало першою технологією широкосмугового доступу до Інтернету, прийшовши на зміну DIAL UP та ISDN. Велика різноманітність стандартів DSL, що існують зараз, пов'язана з тим, що багато компаній, починаючи з 80-х років, намагалися розробити і просунути на ринок власну технологію.
Всі ці розробки можна розділити на дві великі категорії – асиметричні (ADSL) та симетричні (SDSL) технології. Під асиметричними розуміються ті, у яких швидкість вхідного з'єднання відрізняється від швидкості вихідного трафіку. Під симетричними розуміється, що швидкості приймання і передачі рівні.
Найбільш відомими та поширеними асиметричними стандартами є, власне, ADSL (в останній редакції – ADSL2+) та VDSL (VDSL2), симетричними – HDSL (застарілий профіль) та SHDSL. Один від одного всі вони відрізняються тим, що працюють на різних частотах, використовують різні способи кодування та модуляції на фізичній лінії зв'язку. Також відрізняються способи корекції помилок, завдяки чому забезпечується різний рівень стійкості до перешкод. Як результат, кожна технологія має свої межі у швидкості та дистанції передачі даних, у тому числі в залежності від типу та якості провідника.
Граничні параметри різних стандартів DSL
У будь-якій DSL-технології швидкість передачі падає зі збільшенням довжини провідника. На граничних дистанціях можна отримати швидкість в кілька сотень кілобіт, але при передачі даних на 200-300 м доступна максимально можлива швидкість.
Серед усіх технологій у SHDSL є серйозна перевага, яка уможливлює її застосування в промислових додатках, - висока завадостійкість і можливість використання для передачі даних будь-якого типу провідника. В асиметричних стандартах такого немає, і якість зв'язку залежить від якості лінії, що використовується для передачі даних. Зокрема, рекомендується використовувати кручений телефонний кабель. У цьому випадку більш надійним рішенням замість ADSL та VDSL виявляється використовувати оптичний кабель.
Для SHDSL підходить будь-яка пара ізольованих один від одного провідників – мідних, алюмінієвих, сталевих та ін. Як середовище передачі може виступати стара електропроводка, старі телефонні лінії, колючий дріт парканів та ін.
Залежність швидкості передачі даних SHDSL від дистанції та типу провідника
З графіка залежності швидкості передачі від дистанції та типу провідника, наведеного для SHDSL, можна побачити, що провідники з великим перерізом дозволяють передавати інформацію на велику дистанцію. Завдяки технології можна організувати зв'язок на дистанцію до 20 км за максимально можливої швидкості 15.3 Мб/с для 2-провідного кабелю або 30 Мб для 4-провідного. У реальних програмах швидкість передачі може бути виставлена вручну, що необхідно в умовах сильних електромагнітних перешкод або поганої якості лінії. У цьому випадку для збільшення дистанції передачі необхідно зменшити швидкість роботи SHDSL-пристроїв. Для точного розрахунку швидкості в залежності від дистанції та типу провідника можна використовувати безкоштовні програмні засоби, такі як .
За рахунок чого SHDSL має високу завадостійкість?
Принцип роботи приймача SHDSL можна представити у вигляді блок-діаграми, в якій виділяють специфічну та незалежну (інваріантну) з точки зору додатка частина. Незалежна частина складається з функціональних блоків PMD (Physical Medium Dependent) і PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), у той час як специфічна частина включає рівень TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) та інтерфейси даних користувача.
Фізична лінія зв'язку між приймачами (STU) може існувати у вигляді однопарного або кількох однопарних кабелів. У разі кількох пар кабелів STU містить кілька незалежних блоків PMD, пов'язаних із єдиним PMS-TC.
Функціональна модель SHDSL-приймача (STU)
Модуль TPS-TC залежить від програми, в якій використовується пристрій (Ethernet, RS-232/422/485 та ін.). У його завдання входить перетворення даних у формат SHDSL, виконується мультиплексування/демультиплексування і коригування за часом декількох каналів даних.
На рівні PMS-TC проводиться формування кадрів SHDSL та їх синхронізація, а також скремблювання та дескремблювання.
Модуль PMD виконує функції кодування/декодування інформації, модуляції/демодуляції, ехоподавлення, узгодження параметрів лінії зв'язку та встановлення з'єднання між приймачами. Саме на рівні PMD виконуються основні операції, що забезпечує високу стійкість до перешкод SHDSL, включаючи TCPAM кодування (Треліс кодування з аналого-імпульсною модуляцією), механізм спільного кодування і модуляції, при якому покращується спектральна ефективність сигналу в порівнянні з роздільним способом. Принцип роботи модуля PMD можна також представити у вигляді функціональної діаграми.
Блок-діаграма модуля PMD
В основі TC-PAM лежить використання згорткового кодера, що формує надмірну послідовність бітів на стороні SHDSL-передавача. На кожному такті роботи кожному біту, що надходить на вхід кодера, ставиться у відповідність подвійний біт (дибіт) на виході. Таким чином, ціною порівняно невеликої надмірності підвищується завадостійкість передачі. Використання Трелліс-модуляції дозволяє зменшити частоту передачі даних, що використовується, і спростити апаратну частину при незмінному відношенні сигнал/шум.
Принцип роботи Треліс-кодера (TC-PAM 16)
Подвійний біт формується в результаті логічної операції додавання по модулю 2 (що виключає «або») на основі вхідного біта x1(tn) і бітів x1(tn-1), x1(tn-2) і т.д. (Всього їх може бути до 20), які надходили на вхід кодера до цього і залишилися зберігатися в регістрах пам'яті. На наступному такті роботи кодера tn+1 відбудеться зміщення бітів в комірках пам'яті для виконання логічної операції: біт x1(tn) переміститься в пам'ять, зрушивши всю послідовність бітів, що зберігається там.
Алгоритм згорткового кодера
Таблиці істинності операції додавання за модулем 2
Для наочності зручно використовувати діаграму стану згорткового кодера, за якою можна побачити, в якому стані знаходиться кодер у моменти часу tn, tn+1 і т.д. Залежно від вхідних даних. Під станом кодера в цьому випадку мають на увазі пару значень вхідного біта x1(tn) і біта в першому осередку пам'яті x1(tn-1). Для побудови діаграми можна використовувати граф, у вершинах якого знаходяться можливі стани кодера, а переходи з одного стану до іншого позначені відповідними вхідними бітами x1(tn) і вихідними дибітами $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Діаграма станів та граф переходів згорткового кодера передавача
У передавачі на основі отриманих чотирьох бітів (двох вихідних біт кодера і двох біт даних) формується символ, кожному з яких відповідає своя амплітуда модулюючого сигналу аналого-імпульсного модулятора.
Стан 16-розрядного АІМ залежно від значення чотирибітового символу
На стороні приймача сигналу відбувається зворотний процес – демодуляція та виділення із надлишкового коду (подвійних бітів y0y1(tn)) потрібної послідовності вхідних бітів кодера x1(tn). Цю операцію виконує декодер Вітербі.
Алгоритм декодера заснований на розрахунку метрики помилок для всіх можливих передбачуваних станів кодера. Під метрикою помилок розуміють різницю між бітами, що приймаються, і гаданими бітами для кожного можливого шляху. Якщо помилок прийомі немає, то метрика помилок істинного шляху буде 0, оскільки немає розбіжності по бітам. Для хибних шляхів метрика відрізнятиметься від нуля, постійно наростатиме і через якийсь час декодер перестане розраховувати помилковий шлях, залишивши лише правдивий.
Діаграма станів кодера, що обчислюється декодером Вітербі приймача
Але як цей алгоритм забезпечує завадостійкість? Якщо припустити, що приймач прийняв дані з помилкою, декодер продовжить розраховувати два шляхи з метрикою помилок 1. Шляхи з метрикою 0 не існуватиме. Але висновок про те, який шлях істинний, алгоритм зробить пізніше на основі наступних подвійних бітів, що приймаються.
При появі другої помилки буде кілька шляхів з метрикою 2, але правильний шлях виявиться пізніше на основі методу найбільшої правдоподібності (тобто мінімальної метрики).
Діаграма станів кодера, що обчислюється декодером Вітербі, при прийомі даних з помилками
В описаному вище випадку для прикладу було розглянуто алгоритм 16-розрядної системи (TC-PAM16), що забезпечує передачу в одному символі трьох біт корисної інформації та додаткового біта для захисту від помилок. У TC-PAM16 можна досягти швидкість передачі даних від 192 до 3840 кбіт/с. При збільшенні розрядності до 128 (сучасні системи працюють з TC-PAM128) у кожному символі передається шість біт корисної інформації, а досяжна швидкість становить від 5696 кбіт/с до 15,3 Мб/с.
Використання аналого-імпульсної модуляції (PAM) ріднить SHDSL з рядом популярних стандартів Ethernet, таких як гігабітний 1000BASE-T (PAM-5), 10-гігабітний 10GBASE-T (PAM-16) або перспективний на 2020 рік промисловий однопарний (PAM-10).
SHDSL у мережах Ethernet
Розрізняють керовані та некеровані SHDSL-модеми, але в подібній класифікації мало спільного зі звичним поділом на керовані та некеровані пристрої, що існує, наприклад, для Ethernet-комутаторів. Різниця полягає у засобах конфігурування та моніторингу. Модеми, що керуються, налаштовуються через веб-інтерфейс і можуть діагностуватися за SNMP, а некеровані - за допомогою додаткового ПЗ через консольний порт (для Phoenix Contact це безкоштовна програма PSI-CONF і mini-USB інтерфейс). На відміну від комутаторів, некеровані модеми можуть працювати в мережі з кільцевою топологією.
В іншому керовані та некеровані модеми є абсолютно ідентичними, включаючи функціонал і можливість працювати за принципом Plug&Play, тобто без попереднього конфігурування.
Додатково модеми можуть покладатися функції захисту від імпульсних перенапруг з можливістю її діагностики. Мережі SHDSL можуть утворювати дуже протяжні сегменти, і провідники можуть проходити у місцях, де можливе утворення імпульсних перенапруг (наведеної різниці потенціалів, викликаної грозовими розрядами чи короткими замиканнями у прилеглих кабельних лініях). Наведена напруга може викликати протікання розрядних струмів завбільшки кілоампери. Тому для захисту обладнання від подібних явищ у модеми вбудовуються УЗІП у вигляді знімної плати, яка у разі потреби може бути замінена. Саме до клемника цієї плати підключається лінія SHDSL.
Топології
За допомогою SHDSL в Ethernet можна будувати мережі з будь-якою топологією: точка-точка, лінія, зірка та кільце. При цьому, залежно від типу модему для підключення, можна використовувати як 2-провідні, так і 4-провідні лінії зв'язку.
Топології мережі Ethernet на основі SHDSL
Також можна будувати розподілені системи із комбінованою топологією. Кожен сегмент SHDSL-мережі може налічувати до 50 модемів і, враховуючи фізичні можливості технології (відстань між модемами 20 км), довжина сегмента може досягати 1000 км.
Якщо в голові кожного такого сегмента встановити керований модем, цілісність сегмента можна діагностувати за SNMP. Крім цього, керовані та некеровані модеми підтримують технологію VLAN, тобто дозволяють розбивати мережу на логічні підмережі. Також пристрої здатні працювати з протоколами передачі даних, які застосовуються в сучасних системах автоматизації (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP та ін.).
Резервування каналів зв'язку за допомогою SHDSL
SHDSL використовують для створення резервних каналів зв'язку в мережі Ethernet, найчастіше оптичного.
SHDSL та послідовний інтерфейс
SHDSL-модеми з послідовним інтерфейсом дозволяють подолати обмеження щодо дистанції, топології та якості провідника, які існують для традиційних провідних систем на основі асинхронних приймачів (UART): RS-232 – 15 м, RS-422 та RS-485 – 1200 м.
Існують модеми з послідовними інтерфейсами (RS-232/422/485) як універсальних додатків, так спеціалізованих (наприклад, для Profibus). Всі подібні пристрої належать до категорії «некерованих», тому налаштовуються та діагностуються за допомогою спеціального програмного забезпечення.
Топології
У мережах з послідовним інтерфейсом за допомогою SHDSL можна будувати мережі з топологією точка-точка, лінія та зірка. В рамках лінійної топології можна поєднати в одну мережу до 255 вузлів (для Profibus - 30).
У системах, побудованих з використанням тільки пристроїв на інтерфейсі RS-485, відсутні будь-які обмеження по протоколу передачі даних, але топології типу лінія і зірка є нетиповими для RS-232 і RS-422, тому робота кінцевих пристроїв в SHDSL-мережі з подібними топологіями можлива лише у напівдуплексному режимі. Одночасно в системах з RS-232 і RS-422 на рівні протоколу повинна забезпечуватися адресація приладів, що нехарактерно для інтерфейсів, які найчастіше застосовуються в мережах точка-точка.
При об'єднанні через SHDSL пристроїв з різними типами інтерфейсів необхідно враховувати факт відсутності єдиного механізму встановлення з'єднання (рукостискання) між пристроями. Однак організувати обмін у цьому випадку все одно можливо — для цього потрібне виконання наступних умов:
- узгодження зв'язку та управління передачею даних має виконуватися на рівні єдиного інформаційного протоколу передачі даних;
- всі кінцеві пристрої повинні функціонувати у напівдуплексному режимі, що також має підтримуватись інформаційним протоколом.
Найбільш поширений для асинхронних інтерфейсів протокол Modbus RTU дозволяє уникнути всіх описаних обмежень і будувати єдину систему з різними типами інтерфейсів.
Топологія мережі з послідовним інтерфейсом на основі SHDSL
При використанні двопровідного RS-485 на обладнанні можна будувати складніші структури, поєднуючи модеми через одну шину на DIN-рейці. На цій же шині може бути встановлене джерело живлення (у такому випадку живлення всіх пристроїв здійснюється через шину) та оптичні перетворювачі PSI-MOS серії для створення комбінованої мережі. Важливою умовою роботи такої системи є однакова швидкість всіх приймачів.
Додаткові можливості SHDSL у мережі RS-485
Приклади застосування
SHDSL-технологія активно застосовується у міському комунальному господарстві у Німеччині. Більше 50 підприємств, які обслуговують міські комунальні системи, застосовують старі мідні дроти, щоб зв'язати однією мережею розподілені містом об'єкти. На SHDSL будуються в першу чергу системи управління та обліку у водо-, газо- та енергопостачання. Серед таких міст – Ульм, Магдебург, Інгольштадт, Білефельд, Франкфурт-на-Одері та багато інших.
Найбільша система на основі SHDSL була створена в місті Любеку. Система має комбіновану структуру на основі оптичного Ethernet та SHDSL, об'єднує 120 віддалених один від одного об'єктів та використовує понад 50 модемів . Вся мережа діагностується за SNMP. Найдовший сегмент від комуни Калькхорст до аеропорту Любека має довжину 39 км. Причина, через яку компанія-замовник обрала SHDSL, полягала в тому, що реалізація проекту повністю на оптиці була економічно невигідна з урахуванням наявності старих мідних кабелів.
Передача даних через контактне кільце
Цікавим прикладом є передача даних між об'єктами, що рухаються, як наприклад, це зроблено у вітрогенераторах або у великих промислових крутильних машинах. Подібна система використовується для інформаційного обміну між контролерами, розташованими на роторі та статорі установок. У цьому випадку для передачі даних використовується ковзний контакт через кільце контакту. Подібні приклади показують, що необов'язково мати статичний контакт передачі даних SHDSL.
Порівняння з іншими технологіями
SHDSL vs GSM
Якщо порівнювати SHDSL із системами передачі даних на основі GSM (3G/4G), то на користь DSL говорить відсутність експлуатаційних витрат, пов'язаних із регулярною платою оператору за доступ до мобільної мережі. При SHDSL ми не залежимо від зони покриття, якості та надійності мобільного зв'язку на промисловому об'єкті, включаючи стійкість до електромагнітних перешкод. У SHDSL відсутня необхідність конфігурування обладнання, що прискорює введення об'єкта в експлуатацію. Для бездротових мереж характерні великі затримки передачі даних і складність із передачею даних, використовують мультикастовый трафік (Profinet, Ethernet IP).
На користь SHDSL говорить інформаційна безпека через відсутність необхідності передачі даних через Інтернет та необхідність конфігурування для цього VPN-з'єднань.
SHDSL vs Wi-Fi
Багато зі сказаного для GSM можна віднести і до промислового Wi-Fi. Проти Wi-Fi говорить низька стійкість до перешкод, обмежена дистанція передачі даних, залежність від топології місцевості, затримки при передачі даних. Найголовнішим недоліком є інформаційна безпека мереж Wi-Fi, тому що будь-яка людина має доступ до середовища передачі даних. За допомогою Wi-Fi можна передавати дані Profinet або Ethernet IP, що було б важко для GSM.
SHDSL vs оптика
Оптика в переважній більшості має велику перевагу перед SHDSL, але в ряді програм SHDSL дозволяє заощаджувати час і кошти на прокладання та зварювання оптичного кабелю, скорочуючи час на введення об'єкта в експлуатацію. Для SHDSL не потрібні спеціальні роз'єми, тому що кабель зв'язку просто підключається на клему модему. Через механічні властивості оптичних кабелів їх застосування обмежене в додатках, пов'язаних з передачею інформації між об'єктами, що рухаються, де більшого поширення набули мідні провідники.
Джерело: habr.com