Modelování a měření přenosu SHDSL pro průmyslové aplikace

Autor: J. Vodrážka, P. Jareš, P. Lafata <vodrazka(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: SHDSL, Vydáno dne: 22. 12. 2012

Průmyslové sítě jsou dnes vesměs založeny na Ethernetu. Pokud není možno využít optická vlákna a rozsah sítě je větší než 100 m, je možno využít modemů SHDSL či VDSL. Článek ukazuje výsledky modelování a měření s průmyslovými prvky SHDSL.


Modelling and measuring the SHDSL transmission for industrial applications

Industrial networks are now largely based on Ethernet. It is possible to use modems, VDSL or SHDSL if optical fiber is not possible to use or network range is greater than 100 m. The article shows the results of modeling and measurement on industrial SHDSL nodes.

Keywords: line parameters; telecommunication lines; SHDSL; industrial network


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 optické vlákno, nebo převzít fyzickou vrstvu xDSL v souladu s IEEE 802.3ah (EFM), ovšem za cenu nižší přenosové rychlosti. Článek [1] pojednává obecně o možnostech využití SHDSL a VDSL přenosu. V následujících odstavcích se zaměříme na shrnutí konkrétních výsledků měření a modelování.

Přípojka SHDSL (Single pair High speed Digital Subscriber Line) je navržena v doporučení ITU-T G.991.2 pro využívání jednoho metalického vedení (symetrického páru) pro oba směry přenosu s oddělením pomocí vidlice s potlačením ozvěn (EC). S ohledem na parametry přenosového prostředí je možné přenášet uživatelská data rychlostmi od 192 kbit/s do 2312 kbit/s. V případě požadavku na vyšší přenosové rychlosti, nebo v případě požadavku na překlenutí větší vzdálenosti, je standardizována dvoupárová varianta SHDSL nebo možnost využít opakovače. K přenosu uživatelských dat se využívá šestnáctistavová pulsně amplitudová modulace s Trellis kódováním (16-TCPAM).

Druhá generace přípojek SHDSL se někdy označuje jako SHDSL.bis nebo G.SHDSL.bis (doplněk G doporučení ITU-T G.991.2). Tato verze doporučení přináší řadu vylepšení oproti první generaci SHDSL. Jeden z nejvýznamnějších přínosů je zvýšení přenosové rychlosti díky modulaci 32-TCPAM a rozšíření pásma [4]. Tak je možno dosáhnout rychlosti cca 5,6 Mbit/s na jednom vedení v obou směrech. Někteří výrobci nabízejí modemy i s vyšší přenosovou rychlostí díky použití ještě více stavů modulace (až 128-TCPAM), nebo s vyšší šířkou pásma (až cca 3 MHz oproti běžnému max. 1 MHz), takže dosahují rychlostí 15 až 20 Mbit/s, ovšem jen na kratších vedeních a při nižších hladinách rušení.

Měření a modelování vedení

Jako přenosové médium byl uvažován sdělovací a signální kabel párové konstrukce s průměrem měděného jádra 1 mm označovaný typově TCEKEZY 24x2x1. Jde o kabel, který se nepoužívá běžně v telekomunikačních přístupových sítích, ale v sítích železničních, energetických a dalších speciálních sítích. Vyznačuje se velkou proudovou zatížitelností žil, masivním pláštěm zvyšujícím EMC a redukční faktor.

Na základě měření kabelového úseku délky 8,4 km byly modelovány přenosové parametry.

shdsl-obr1

Obr. 1 - Frekvenční závislost útlumu smyčky a aproximace modelem ETSI 0.9.

shdsl-obr2

Obr. 2 - Frekvenční závislost útlumu přeslechu NEXT.

Výsledek modelování je zobrazen ve výše uvedených grafech útlumu a přeslechu NEXT. Pro modelování primárních parametrů vedení byl použit 7 parametrový model BT, který je popsán v článku [2]. Daný úsek vedení byl úspěšně modelován parametry telekomunikačního kabelu ETSI 0,9 mm dle ITU-T G.996.1. Měrný útlum na referenčním kmitočtu 300 kHz dosahuje hodnoty 5,8 dB/km.

Dále byl modelován útlum na blízkém konci [3]. Hodnota útlumu NEXT na referenčním kmitočtu 300 kHz dosahuje hodnoty 56 dB. Pro výpočet parametru pro přeslech na vzdáleném konci FEXT byl použit následující vztah:

AFEXT(fref) = 18 + ANEXT(fref) + A(fref) – 10 log A(fref) - 5 log fref

Kde:

Útlum FEXT na referenčním kmitočtu 300 kHz dosahuje hodnoty 94 dB. Získané hodnoty je možno použít pro modelování přípojky pomocí programu on-line [5].

Měření na přípojce SHDSL

Měření přenosových rychlostí přípojky SHDSL bylo provedeno v laboratoři Katedry telekomunikační techniky, FEL, ČVUT v Praze za použití dvojice jednotek SHDSL modemů Wolverine DDW-226 od společnosti Westermo. Uvedené zařízení je provedeno jako průmyslový Ethernet přepínač s dvojicí portů SHDSL s rychlostmi až 15,3 Mbit/s v obou směrech přenosu na jednom vedení.

Jako přenosové médium byl použit místní telekomunikační kabel s označením TCEPKPFLE 75x4x0,4 s průměrem měděného jádra 0,4 mm o délkách 400, 800, 1200, 1600, 2000 a 2400 metrů. Měření probíhalo vždy tak, že pro každou délku vedení byla hledána hraniční přenosová rychlost tak, aby výsledná šumová rezerva spoje se pohybovala v rozmezí 6-8 dB. Měření přenosových rychlostí pro jednotlivé délky bylo provedeno pro 3 případy, kdy nejprve nebylo do měřeného vedení injektováno žádné dodatečné rušení, ve druhém případě byl do vedení navázán aditivní bílý gaussovský šum AWGN s úrovní spektrální výkonové hustoty -110 dBm/Hz a třetí případ měření probíhal s injektováním telekomunikačního rušení s označením ETSI B, které představuje situaci se střední úrovní rušení v kabelu. Výsledky měření pro šum AWGN a ETSI B ukazují následující grafy.

shdsl-obr3

Obr. 3 - Závislost přenosové rychlosti na délce vedení pro AWGN -110 dBm/Hz.

shdsl-obr4

Obr. 4 - Závislost přenosové rychlosti na délce vedení pro šum ETSI B.

Šumová rezerva o hodnotě 6 dB se standardně používá pro nejrůznější telekomunikační systémy, neboť zaručuje kompromis mezi maximálně dosažitelnou přenosovou rychlostí a dodatečnou rezervou v případě náhlého zhoršení přenosových parametrů spojení tak, aby nedošlo k rozpadu spojení. Z naměřených průběhů vyplývá, že v případě ideálních podmínek na vedení bez jakéhokoliv rušení se podařilo dosáhnout dostatečně vysokých přenosových rychlostí, kdy i pro délku 2,4 km kabelu TCEPKPFLE 75x4x0,4 byla výsledná rychlost téměř 8 Mbit/s.

Případ s rušením AWGN s úrovní -110 dBm/Hz se příliš neliší od případu bez injektovaného rušení, neboť úroveň spektrální výkonové hustoty je relativně nízká a nepředstavuje proto významné zhoršení přenosových podmínek. Oproti tomu rušící profil s označením ETSI B, často používaný při měřeních odolnosti xDSL modemů, vychází ze střední úrovně rušení vzniklého v důsledku přeslechů ve vícepárových kabelech od většího počtu různých telekomunikačních systémů. Z naměřených hodnot je patrné, že díky jeho vlivu se výrazně snížily dosažitelné přenosové rychlosti SHDSL.

Závěr

Nicméně i v případě rušení jsou dosažitelné rychlosti SHDSL řádově jednotky Mbit/s. Pro potřeby odhadu přenosové rychlosti na kabelu TCEKEZY s průměrem vodiče 1 mm je možno délku vynásobit cca dvěma, protože vykazuje zhruba poloviční útlum než kabel s průměrem vodiče 0,4 mm, použitý v laboratorních podmínkách. Odhadnuté přenosové rychlosti v obou směrech přenosu při různých délkách vedení při střední úrovni rušení uvádí tabulka.

Délka [km]  8  5  4  3  2  1  0,5
Rychlost [Mbit/s]  2  4  5  6  7,5  10  15

Tento příspěvek vznikl v rámci grantu SGS10/275/OHK3/3T/13.

Literatura

[1] Vodrážka, J.: Prodloužení dosahu sítě Ethernet pro průmyslové a jiné použití. Access server on-line. Praha 2009. http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009100001
[2] Vodrážka, J.: Modelování metalických účastnických přípojek. Access server on-line. Praha 2004. http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2001012601
[3] Vodrážka, J.: Modelování přeslechů. Access server on-line. Praha 2004. http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2004072911
[4] Jareš, P.: Druhá generace přípojky SHDSL. Access server on-line. Praha 2007. http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2007060002
[5] Vodrážka, J. Jareš, P.: Simulace přípojek xDSL. Matlab server on-line. Praha 2005. http://matlab.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2005071801