Передача данных на расстояние до 20 км по обычным проводам? Легко, если это SHDSL…

Несмотря на повсеместное распространение сетей Ethernet, технологии связи на основе DSL не теряют своей актуальности и по сей день. До сих пор DSL можно встретить в сетях последней мили для подключения абонентского оборудования к сетям Интернет-провайдера, а в последнее время технология все чаще используется при построении локальных сетей, например, в промышленных приложениях, где DSL выступает в качестве дополнения к Ethernet или к полевым сетям на основе RS-232/422/485. Подобные промышленные решения активно применяются в развитых европейских и азиатских странах.

DSL представляет из себя семейство стандартов, которые изначально задумывались для передачи цифровых данных по телефонным линиям связи. Исторически это стало первой технологией широкополосного доступа в Интернет, придя на смену DIAL UP и ISDN. Большое разнообразие существующих в настоящий момент стандартов DSL связано с тем, что многие компании, начиная с 80-х годов, старались разработать и продвинуть на рынок собственную технологию.

Все эти разработки можно разделить на две большие категории – асимметричные (ADSL) и симметричные (SDSL) технологии. Под асимметричными понимаются те, в которых скорость входящего соединения отличается от скорости исходящего трафика. Под симметричными понимается, что скорости на прием и передачу равны.

Наиболее известными и распространенными асимметричными стандартами являются, собственно, ADSL (в последней редакции – ADSL2+) и VDSL (VDSL2), симметричными – HDSL (устаревший профиль) и SHDSL. Друг от друга все они отличаются тем, что работают на разных частотах, используют разные способы кодирования и модуляции на физической линии связи. Также отличаются способы коррекции ошибок, благодаря чему обеспечивается разный уровень помехоустойчивости. Как итог, каждая технология имеет свои пределы в скорости и дистанции передачи данных, в том числе в зависимости от типа и качества проводника.

В любой DSL-технологии скорость передачи данных падает с увеличением длины проводника. На предельных дистанциях возможно получить скорость в несколько сот килобит, но при передаче данных на 200-300 м доступна максимально возможная скорость.

Среди всех технологий у SHDSL есть серьезное преимущество, которое делает возможным ее применение в промышленных приложениях, — высокая помехоустойчивость и возможность использования для передачи данных любого типа проводника. В асимметричных стандартах такого нет, и качество связи сильно зависит от качества линии, используемой для передачи данных. В частности, рекомендуется использовать витой телефонный кабель. В этом случае более надежным решением вместо ADSL и VDSL оказывается использовать оптический кабель.

Для SHDSL подходит любая пара изолированных друг от друга проводников – медных, алюминиевых, стальных и пр. В качестве среды передачи может выступать старая электропроводка, старые телефонные линии, колючая проволока заборов и пр.

Из графика зависимости скорости передачи данных от дистанции и типа проводника, приведенного для SHDSL, можно увидеть, что проводники с большим сечением позволяют передавать информацию на большую дистанцию. Благодаря технологии возможно организовать связь на дистанцию до 20 км при максимально возможной скорости 15.3 Мб/с для 2-проводного кабеля или 30 Мб для 4-проводного. В реальных приложениях скорость передачи может быть выставлена вручную, что необходимо в условиях сильных электромагнитных помех или плохого качества линии. В этом случае для увеличения дистанции передачи необходимо снизить скорость работы SHDSL-устройств. Для точного расчета скорости в зависимости от дистанции и типа проводника можно использовать бесплатные программные средства, такие как SHDSL-калькулятор от Phoenix Contact.

За счет чего SHDSL обладает высокой помехоустойчивостью?

Принцип работы приемопередатчика SHDSL можно представить в виде блок-диаграммы, в которой выделяют специфическую и независимую (инвариантную) с точки зрения приложения часть. Независимая часть состоит из функциональных блоков PMD (Physical Medium Dependent) и PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), в то время как специфическая часть включает уровень TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) и интерфейсы пользовательских данных.

Физическая линия связи между приемопередатчиками (STU) может существовать в виде однопарного или нескольких однопарных кабелей. В случае нескольких пар кабелей STU содержит несколько независимых блоков PMD, связанных с единственным PMS-TC.

Модуль TPS-TC зависит от приложения, в котором используется устройство (Ethernet, RS-232/422/485 и пр.). В его задачу входит преобразование пользовательских данных в формат SHDSL, выполняется мультиплексирование/демультиплексирование и корректировка по времени нескольких каналов пользовательских данных.

На уровне PMS-TC производится формирование кадров SHDSL и их синхронизация, а также скремблирование и дескремблирование.

Модуль PMD выполняет функции кодирования/декодирования информации, модуляции/демодуляции, эхоподавления, согласования параметров на линии связи и установления соединения между приемопередатчиками. Именно на уровне PMD выполняются основные операции, обеспечивающая высокую помехоустойчивость SHDSL, включая TCPAM кодирование (Треллис кодирование с аналого-импульсной модуляцией), механизм совместного кодирования и модуляции, при котором улучшается спектральная эффективность сигнала по сравнению с раздельным способом. Принцип работы модуля PMD также можно представить в виде функциональной диаграммы.

В основе TC-PAM лежит использование сверточного кодера, формирующего избыточную последовательность битов на стороне SHDSL-передатчика. На каждом такте работы каждому биту, поступающему на вход кодера, ставится в соответствие двойной бит (дибит) на выходе. Таким образом, ценой сравнительно небольшой избыточности повышается помехоустойчивость передачи. Использование Треллис-модуляции позволяет уменьшить используемую полосу частоту передачи данных и упростить аппаратную часть при неизменном отношении сигнал/шум.

Двойной бит формируется в результате логической операции сложения по модулю 2 (исключающее «или») на основе входного бита x₁(t_n) и битов x₁(t_n-1), x₁(t_n-2) и т.д. (всего их может быть до 20), которые поступали на вход кодера до этого и остались храниться в регистрах памяти. На следующем такте работы кодера t_n+1 произойдет смещение битов в ячейках памяти для выполнения логической операции: бит x₁(t_n) переместится в память, сдвинув всю хранящуюся там последовательность битов.

Для наглядности удобно использовать диаграмму состояния сверточного кодера, по которой можно увидеть, в каком состоянии находится кодер в моменты времени t_n, t_n+1 и т.д. в зависимости от входных данных. Под состоянием кодера в этом случае подразумевают пару значений входного бита x₁(t_n) и бита в первой ячейки памяти x₁(t_n-1). Для построения диаграммы можно использовать граф, в вершинах которого находятся возможные состояния кодера, а переходы из одного состояния в другое обозначены соответствующими входными битами x₁(t_n) и выходными дибитами y₀y₁(t₀).

В передатчике на основе полученных четырех битов (двух выходных битов кодера и двух битов данных) формируется символ, каждому из которых соответствует своя амплитуда модулирующего сигнала аналого-импульсного модулятора.

На стороне приемника сигнала происходит обратный процесс – демодуляция и выделение из избыточного кода (двойных битов y₀y₁(t_n)) нужной последовательности входных битов кодера x₁(t_n). Эту операцию выполняет декодер Витерби.

Алгоритм декодера основан на расчете метрики ошибок для всех возможных предполагаемых состояний кодера. Под метрикой ошибок понимают разницу между принимаемыми битами и предполагаемыми битами для каждого возможного пути. Если ошибок на приеме нет, то метрика ошибок истинного пути будет 0, потому что нет расхождения по битам. Для ложных путей метрика будет отличаться от нуля, постоянно нарастать и через какое-то время декодер перестанет рассчитывать ошибочный путь, оставив только истинный.

Но как этот алгоритм обеспечивает помехоустойчивость? Если предположить, что приемник принял данные с ошибкой, декодер продолжит рассчитывать два пути с метрикой ошибок 1. Пути с метрикой 0 уже не будет существовать. Но вывод о том, какой путь истинный, алгоритм сделает позже на основе следующих принимаемых двойных битов.

При появлении второй ошибки, будет несколько путей с метрикой 2, но правильный путь выявится позже на основе метода наибольшего правдоподобия (то есть минимальной метрики).

В описанном выше случае для примера был рассмотрен алгоритм 16-разрядной системы (TC-PAM16), обеспечивающей передачу в одном символе трех бит полезной информации и дополнительного бита для защиты от ошибок. В TC-PAM16 достижима скорость передачи данных от 192 до 3840 кбит/с. При увеличении разрядности до 128 (современные системы работают с TC-PAM128) в каждом символе передается шесть бит полезной информации, а максимально достижимая скорость составляет от 5696 кбит/с до 15,3 Мб/с.

Использование аналого-импульсной модуляции (PAM) роднит SHDSL с рядом популярных стандартов Ethernet, таких как гигабитный 1000BASE-T (PAM-5), 10-гигабитный 10GBASE-T (PAM-16) или перспективный на 2020 год промышленный однопарный Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3).

SHDSL в сетях Ethernet

Различают управляемые и неуправляемые SHDSL-модемы, но в подобной классификации мало общего с привычным разделением на управляемые и неуправляемые устройства, которое существует, например, для Ethernet-коммутаторов. Разница заключается в средствах конфигурирования и мониторинга. Управляемые модемы настраиваются через веб-интерфейс и могут диагностироваться по SNMP, а неуправляемые – при помощи дополнительного ПО через консольный порт (для Phoenix Contact это бесплатная программа PSI-CONF и mini-USB интерфейс). В отличии от коммутаторов неуправляемые модемы могут работать в сети с кольцевой топологией.

В остальном управляемые и неуправляемые модемы являются абсолютно идентичными, включая функционал и возможность работать по принципу Plug&Play, то есть без всякого предварительного конфигурирования.

Дополнительно на модемы могут возлагаться функции защиты от импульсных перенапряжений c возможностью ее диагностики. Сети SHDSL могут образовывать очень протяженные сегменты, и проводники могут проходить в местах, где возможно образование импульсных перенапряжений (наведенной разности потенциалов, вызванной грозовыми разрядами либо короткими замыканиями в близлежащих кабельных линиях). Наведенное напряжение может вызвать протекание разрядных токов величиной в килоамперы. Поэтому для защиты оборудования от подобных явлений в модемы встраиваются УЗИП в виде съемной платы, которая в случае необходимости может быть заменена. Именно к клеммнику этой платы подключается линия SHDSL.

Топологии

С помощью SHDSL в Ethernet возможно строить сети с любой топологией: точка-точка, линия, звезда и кольцо. При этом, в зависимости от типа модема для подключения можно использовать как 2-проводные, так и 4-проводные линии связи.

Также можно строить распределенные системы с комбинированной топологией. Каждый сегмент SHDSL-сети может насчитывать до 50 модемов и, учитывая физические возможности технологии (расстояние между модемами в 20 км), длина сегмента может достигать 1000 км.

Если в голове каждого такого сегмента установить управляемый модем, то целостность сегмента можно диагностировать по SNMP. Помимо этого, управляемые и неуправляемые модемы поддерживают технологию VLAN, то есть позволяют разбивать сеть на логические подсети. Также устройства способны работать с протоколами передачи данных, применяемыми в современных системах автоматизации (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP и пр.).

SHDSL используют для создания резервных каналов связи в сети Ethernet, чаще всего оптического.

SHDSL и последовательный интерфейс

SHDSL-модемы с последовательным интерфейсом позволяют преодолеть ограничения по дистанции, топологии и качеству проводника, которые существуют для традиционных проводных систем на основе асинхронных приемопередатчиков (UART): RS-232 — 15 м, RS-422 и RS-485 — 1200 м.

Существуют модемы с последовательными интерфейсами (RS-232/422/485) как для универсальных приложений, так и для специализированных (например, для Profibus). Все подобные устройства относятся к категории «неуправляемых», поэтому настраиваются и диагностируются при помощи специального ПО.

Топологии

В сетях с последовательным интерфейсом при помощи SHDSL возможно строить сети с топологией точка-точка, линия и звезда. В рамках линейной топологии возможно объединить в одну сеть до 255 узлов (для Profibus — 30).

В системах, построенных с использованием только устройств на интерфейсе RS-485, отсутствуют какие-либо ограничения по применяемому протоколу передачи данных, но топологии типа линия и звезда являются нетипичными для RS-232 и RS-422, поэтому работа конечных устройств в SHDSL-сети с подобными топологиями возможна только в полудуплексном режиме. Одновременно в системах с RS-232 и RS-422 на уровне протокола должна обеспечиваться адресация приборов, что нехарактерно для интерфейсов, чаще всего применяемых в сетях точка-точка.

При объединении через SHDSL устройств с разными типами интерфейсов необходимо учитывать факт отсутствия единого механизма для установления соединения (рукопожатия) между устройствами. Однако организовать обмен в этом случае все равно возможно — для этого необходимо выполнение следующих условий:

• согласование связи и управление передачей данных должно выполняться на уровне единого информационного протокола передачи данных;
• все конечные устройства должны функционировать в полудуплексном режиме, что также должно поддерживаться информационным протоколом.

Наиболее часто встречающийся для асинхронных интерфейсов протокол Modbus RTU позволяет избежать всех описанных ограничений и строить единую систему с различными типами интерфейсов.

При использовании двухпроводного RS-485 на оборудовании Phoenix Contact можно строить более сложные структуры, объединяя модемы через одну шину на DIN-рейке. На этой же шине может быть установлен источник питания (в таком случае питание всех устройств осуществляется через шину) и оптические преобразователи серии PSI-MOS для создания комбинированной сети. Важным условием работы такой системы является одинаковая скорость всех приемопередатчиков.

Примеры применения

SHDSL-технология активно применяется в городском коммунальном хозяйстве в Германии. Более 50 компаний, обслуживающих городские коммунальные системы, используют старые медные провода, чтоб связать одной сетью распределенные по городу объекты. На SHDSL строятся в первую очередь системы управления и учета в водо-, газо- и энергоснабжении. Среди таких городов – Ульм, Магдебург, Ингольштадт, Билефельд, Франкфурт-на-Одере и многие другие.

Самая масштабная система на основе SHDSL была создана в городе Любеке. Система имеет комбинированную структуру на основе оптического Ethernet и SHDSL, объединяет 120 удаленных друг от друга объектов и использует более 50 модемов Phoenix Contact. Вся сеть диагностируется по SNMP. Самый протяженный сегмент от коммуны Калькхорст до аэропорта Любека имеет длину 39 км. Причина, по которой компания-заказчик выбрала SHDSL, заключалась в том, что реализация проекта целиком на оптике была экономический невыгодна с учетом наличия старых медных кабелей.

Передача данных через контактное кольцо

Интересным примером является передача данных между движущимися объектами, как например, это сделано в ветрогенераторах или в крупных промышленных крутильных машинах. Подобная система используется для информационного обмена между контроллерами, расположенными на роторе и статоре установок. В этом случае для передачи данных используется скользящий контакт через контактное кольцо. Подобные примеры показывают, что необязательно иметь статический контакт для передачи данных по SHDSL.

Сравнение с другими технологиями

SHDSL vs GSM

Если сравнивать SHDSL с системами передачи данных на основе GSM (3G/4G), то в пользу DSL говорит отсутствие эксплуатационных расходов, связанных с регулярной платой оператору за доступ к мобильной сети. При SHDSL мы не зависим от зоны покрытия, качества и надежности мобильной связи на промышленном объекте, включая устойчивость к электромагнитным помехам. В SHDSL отсутствует необходимость в конфигурировании оборудования, что ускоряет ввод объекта в эксплуатацию. Для беспроводных сетей характерны большие задержки в передаче данных и сложность с передачей данных, использующих мультикастовый трафик (Profinet, Ethernet IP).

В пользу SHDSL говорит информационная безопасность в силу отсутствия необходимости передачи данных через Интернет и необходимости конфигурирования для этого VPN-соединений.

SHDSL vs Wi-Fi

Многое из сказанного для GSM можно отнести и к промышленному Wi-Fi. Против Wi-Fi говорит низкая помехоустойчивость, ограниченная дистанция передачи данных, зависимость от топологии местности, задержки при передаче данных. Самый главный недостаток – информационная безопасность сетей Wi-Fi, потому как любой человек имеет доступ к среде передачи данных. При помощи Wi-Fi уже возможно передавать данные Profinet или Ethernet IP, что было бы затруднительно для GSM.

SHDSL vs оптика

Оптика в подавляющем большинстве обладает большим преимуществом перед SHDSL, но в ряде приложений SHDSL позволяет экономить время и средства на прокладку и сварку оптического кабеля, сокращая время на ввод объекта в эксплуатацию. Для SHDSL не требуется специальных разъемов, потому как кабель связи просто подключается на клемму модема. Из-за механических свойств оптических кабелей их применение ограничено в приложениях, связанных с передачей информации между движущимися объектами, где большее распространение получили медные проводники.