. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Prodloužení dosahu sítě Ethernet pro průmyslové a jiné použití

Prodloužení dosahu sítě Ethernet pro průmyslové a jiné použití

Překlenutelná vzdálenost Ethernetu s metalickými páry (UTP) je typicky 100 m. V řadě aplikací (např. větší průmyslové areály) je to vzdálenost nedostatečná. K prodloužení dosahu lze použít fyzickou vrstvu xDSL v souladu s IEEE 802.3ah (EFM), ovšem za cenu nižší přenosové rychlosti.

Rozhraní Ethernet pro lokální sítě používá nejčastěji dva páry metalického vedení (Twisted Pair) v kabelu UTP kategorie 5 s přenosem v základním pásmu s rychlostí 100 Mbit/s (100BASE-T). Garantovaná překlenutelné vzdálenost je 100 m, i když může být ve skutečnosti o něco vyšší. Pro překlenutí delší vzdálenosti nad rozsah LAN byla vytvořena varianta rozhraní pro tzv. první míli (EFM - Ethernet in the First Mile) dle standardu IEEE 802.3ah určená pro přístupové sítě. Vedle optických variant, kde je samozřejmě překlenutelná vzdálenost značná (na jednovidovém vlákně 10 km i více), byly definovány dvě varianty pro metalické vedení, které nemusí splňovat parametry žádné vyšší kategorii kabeláže. Může se jednat o běžné telefonní či jiné vedení. Varianty nesou označení:

  • 10PASS-TS-O/R (rozhraní pro kratší vzdálenost - Short haul, rozlišuje se rozhraní na straně centrálního síťového prvku a koncového zařízení - Central Office/Remote unit) - dosahuje rychlostí 10 až 100 Mbit/s v obou směrech na 1 páru (fyzická vrstva převzatá z přípojky VDSL), dosah se udává do 750 m
  • 2BASE-TL-O/R (rozhraní pro delší vzdálenost - Long haul, Central Office/Remote unit) – dosahuje rychlostí 2 až 5,7 Mbit/s v obou směrech na 1 páru (fyzická vrstva převzatá z přípojky SHDSL), dosah se udává do 2,7 km

Přenosové rychlosti jsou značně závislé na vlastnostech vedení a rušení a lze je zvýšit přidáním více paralelních vedení, jak si ukážeme v tomto článku.

Varianty přípojek xDSL
K využití existujících symetrických párů původně určených jen pro přenos analogových telefonních signálů se užívají technologie xDSL. Přípojky HDSL (High-bit-rate DSL), SHDSL (Single-pair HDSL) a ADSL/2/2+ (Asymmetrical DSL) jsou vhodné pro čistě metalické řešení přístupové sítě FTTEx (Fibre to the Exchange). Pro vyšší přenosové rychlosti a hybridní řešení FTTCab, FTTC, příp. FTTB je určena přípojka VDSL/2 (Very high speed DSL).

SHDSL (doporučení ITU-T G.991.2) je vývojovým pokračováním dnes již překonané technologie HDSL. Umožňují přenosové rychlosti v násobcích 64 (příp. 8) kbit/s od 192 kbit/s až do 2,3 Mbit/s po jednom účastnickém vedení v obou směrech přenosu s využitím vidlice s potlačením ozvěn (EC). Efektivnějšímu využití vedení přispěla šestnáctistavová pulsně amplitudové modulace (16-PAM) s mřížkovým kódováním (TC). Pro snížení přeslechového rušení do sousedních párů SHDSL modemy vysílací úroveň nastavují podle parametrů vedení na nejnižší možnou hodnotu pro dosažení dostatečného odstupu signálu od šumu. Nejnovější rozšířená varianta označovaná SHDSL.bis (do rychlosti 5,7 Mbit/s) používá linkový signál 32-TCPAM – viz článek Druhá generace přípojky SHDSL na Access serveru.

ADSL (doporučení řady ITU-T G.992) umožňuje na jednom účastnickém vedení koexistenci analogové telefonní přípojky (nebo přípojky ISDN-BA) s vysokorychlostními datovými kanály. Při využití frekvenčního spektra účastnického vedení do 1,1 MHz lze směrem od účastníka dosáhnout přenosové rychlosti až 1 Mbit/s, opačným směrem až 8 Mbit/s pomocí modulace s více nosnými DMT (Discrete MultiTone). Tato asymetrie přenosových rychlostí vychází ze samotného charakteru širokopásmových služeb, jako je rychlý přístup do sítě Internet nebo video na přání (Video-on-demand), kdy je zapotřebí přenášet větší objemy dat směrem k účastníkovi. Druhá generace přinesla rozšíření přenosové rychlosti a další vylepšení. ADSL2+ poskytuje oproti první generaci dvojnásobnou šířku pásma. Vzhledem k značné asymetrii přenosových rychlostí není ADSL vhodná jako fyzická vrstva k Ethernetu.

VDSL přípojka (doporučení řady ITU-T G.993) je učena pro připojení posledního úseku účastnického vedení v délce cca 0,3 až 1,5 km v koncepci FTTC. Základní uspořádání a modulační metoda je převzato z ADSL. Díky rozšíření spektra až do 12 MHz se dosahuje přenosové rychlosti v desítkách Mbit/s v obou směrech přenosu. Druhá generace VDSL2 posouvající horní kmitočet pásma na 17 MHz, nebo až na maximální hranici 30 MHz, podporuje symetrickou rychlost až 100 Mbit/s, takže je více než vhodná jako fyzická vrstva pro Ethernet. Viz též článek Varianty přípojek VDSL2.

Podrobně o přípojkách xDSL pojednávají knihy [1], [2] a řada článků na Access serveru.

Dosažitelné přenosové rychlosti
Následující grafy uvádějí odhadované přenosové rychlosti v závislosti na délce vedení pro tři typické kabely: telefonní a signální kabel SYKFY s páry s průměrem měděného jádra 0,5 mm a izolací PVC, místní kabel s křížovými čtyřkami (XN) s průměrem jádra 0,4 mm a kabel UTP kategorie 5 s průměrem jádra 0,5 mm. První graf ukazuje rychlosti pro SHDSL.bis a kabel s jediným obsazeným párem, prakticky bez rušení. Přenosové rychlosti v obou směrech přenosu jsou stejné.

Další graf s podstatně rychlejším poklesem rychlostí v závislosti na délce vedení odpovídá kabelu zaplněnému více přípojkami, kde se uplatňuje vliv přeslechů mezi páry (šumový model B). Projevuje se též výrazně závislost na typu kabelu, kdy SYKFY umožňuje nejnižší přenosové rychlosti v důsledku rychlého nárůstu útlumu s kmitočtem a větší míře přeslechů.

Dále se zaměříme na fyzickou vrstvu VDSL2, konkrétně s kmitočtovým plánem optimalizovaným pro symetrický provoz (997) do kmitočtu 12 MHz, protože pro náročnější aplikace nelze doporučit vyšší šířku pásma z důvodu nižší stability systému. Protože jsou používána rozdílná kmitočtová pásem pro oba směry přenosu (frekvenční duplex FDD) jsou závislosti pro každý směr dosti odlišné a jsou proto vyneseny do samostatného grafu. První z řady grafů pro VDSL2 vykresluje rychlosti ve směru vzestupném (upstream), druhý pro směr sestupný (downstream), v obou případech pro jedinou přípojku v kabelu.

Je zřejmé, že na vzdálenost 0,5 km lze dosáhnout rychlosti až 50 Mbit/s v obou směrech přenosu. Situace se opět změní při kabelu obsazeném více vzájemně se rušícími přípojkami (šumový model B), jak ukazují další grafy.

Sdružování vedení
Jak je vidět z uvedených grafů, přeslechy představují významný zdroj šumu a způsobují značný pokles přenosových rychlostí. Proto se pro přípojky VDSL2 předpokládá zavedení speciálních modulačních technik s potlačením přeslechu. Vedle potlačování přeslechů lze na základě doporučení ITU-T řady G.998 zvyšovat propustnost použitím více souběžných vedení (tzv. inverzní multiplex), na které se celkový datový tok rozloží buď na vrstvě ATM buněk nebo Ethernet rámců (též zkratka IMA či označení Multi-Pair Bonding). Následující obrázek převzatý z [6] ukazuje schematicky sdružení dvou vedení.


Obr. 1: Rozložení toku na 2 páry (VTU je VDSL Termination Unit, C –Central office, R – Remote, CPE je účastnické koncové zařízení)

Použití dvou, případně více vedení lze použít i pro zvýšení spolehlivosti (např. průmyslové a jiné kritické aplikace), protože přenos zůstává zachován, dokud je průchozí alespoň jedno vedení. Vedení mohou vést i v různých kabelech a odlišnými cestami, čímž se spolehlivost ještě více zvyšuje.


Obr. 2: Obecný princip fragmentace rámce Ethernet

Obrázek převzatý z [6] ukazuje fragmentaci rámců na obecně m vedení. Ke každému fragmentu se přidávají 2 bajty záhlaví obsahující 14 bitů identifikátoru SID (Sequence Identifier), jeden bit pro indikaci začátku rámce SOP (Start of Packet) a jeden bit pro označení konce rámce EOP (End of Packet). Minimální délka fragmentu je 64 bajtů a maximální délka je 512 bajtů. Volí se na základě přenosových rychlostí na jednotlivých vedeních, které jsou obecně různé. Maximální poměr rychlostí nejpomalejší a nejrychlejší přípojky ve sdruženém svazku je 1:4. Je podporována rozdílná doba šíření po jednotlivých vedeních až do hodnoty odpovídající času potřebného pro přenos 15 tisíc bitů.

Závěr
U varianty SHDSL se lze běžně setkat se sdružením 2 nebo 4 vedení a dosáhnout tak rychlosti až 10 nebo 20 Mbit/s. Teoreticky se uvažuje až o sdružení 32 vedení do jednoho logického spoje. SHDSL je ověřená a spolehlivá technologie používaná pro řešení konektivity ve firemním sektoru. Dodávají se speciální modemy pro průmyslové aplikace, které mají za úkol překlenout delší vzdálenost, než umožní klasický Ethernet, ovšem za cenu nižší přenosové rychlosti. Navýšení přenosové rychlosti na kratší vzdálenosti je možné s fyzickou vrstvou VDSL2.

Tento příspěvek vznikl v rámci výzkumného záměru MSM6840770038 a pro účely publikování byl převzat z [7].

Literatura
[1] Vodrážka, J. - Šimák, B.: Digitální účastnické přípojky xDSL - Díl 2. 1. vyd. Praha: Sdělovací technika, 2008. 156 s. ISBN 80-86645-16-9.
[2] Šimák, B. - Vodrážka, J. - Svoboda, J.: Digitální účastnické přípojky xDSL - Díl 1. 1. vyd. Praha: Sdělovací technika, 2005. 142 s. ISBN 80-86645-07-X.
[3] Vodrážka, J.: Varianty přípojek VDSL2. Access server on-line. Praha 2005. ISSN 1214-9675. http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku= 2006052401
[4] Jareš, P.: Vektorová modulace DMT. Access server on-line. Praha 2007. http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku= 2007010002
[5] Vodrážka, J, - Jareš, P.: Simulace přípojek xDSL. Matlab server on-line. Praha 2005. http://matlab.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2005071801
[6] CONEXANT: VDSL2 - Service Deployment with Bonding: An Enabler to Langer Reach and Higher Rate Triple Play Access, White Paper WHP-202038A. www.conexant.com. January 2009.
[7] Vodrážka J.: Prodloužení dosahu sítě Ethernet pro průmyslové a jiné použití. Access server on-line. http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009100001

Autor: J. Vodrážka - České vysoké učení technické v Praze, FEL







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Bluetooth modul BTM-112
BTM-112 je snadno dostupný Bluetooth modul výrobce Rayson.
Skladem od 208 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007