Výsledky výzkumu a další informace nejen
z oblasti přístupových telekomunikačních sítí.
Access server ISSN 1214-9675
Server vznikl za podpory Grantové agentury ČR.
15. ročník
Dnešní datum: 19. 11. 2017  Hlavní stránka | Seznam rubrik | Ke stažení | Odkazy  

Doporučujeme
Knihu o FTTx

Matlab server - on-line výpočty a simulace

E-learning - on-line kurzy

Trainingpoint - školení z oblasti TELCO a ICT

Kontakt
KTT FEL ČVUT
Napište nám

Redakční rada - pokyny pro autory a recenzenty

Copyright

Průmyslové aplikace

* Prodloužení dosahu sítě Ethernet pro průmyslové a jiné použití

Vydáno dne 04. 10. 2009 (5573 přečtení)

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.


Long-reach Ethernet for Industrial and Other Use

Abstract Reach of Ethernet with copper pairs (UTP) is typically 100 m. In many applications (eg. major industrial areas) is insufficient distance. To extend the reach can be used xDSL physical layer in accordance with the IEEE 802.3ah (EFM), but at a lower bit rate.

Keywords: Ethernet; xDSL; line bounding


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.

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.

dosahSHDSL

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.

dosahSHDSL_B

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.

dosahVDSLus
dosahVDSLds

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.

dosahVDSL_Bus
dosahVDSL_Bds

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.

bundleVDSL

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.

boundingEthernet

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.

Odkazy:
[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.



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

Informační e-mail Vytisknout článek
Projekty a aktuality
01.03.2012: PROJEKT
Výzkum a vývoj nového komunikačního systému s vícekanálovým přístupem a mezivrstvovou spoluprací pro průmyslové aplikace TA02011015

01.01.2012: PROJEKT
Vývoj adaptabilních datových a procesních systémů pro vysokorychlostní, bezpečnou a spolehlivou komunikaci v extrémních podmínkách VG20122014095

09.10.2010: PROJEKT
Výzkum a vývoj datového modulu 10 Gbit/s pro optické a mikrovlnné bezdrátové spoje, FR-TI2/621

09.01.2010: PROJEKT
Sítě s femtobuňkami rozšířené o řízení interference a koordinaci informací pro bezproblémovou konektivitu, FP7-ICT-2009-4 248891

09.11.2008: PROJEKT
Ochrana člověka a techniky před vysokofrekvenčním zářením, FI-IM5/202

20.06.2008: Schválení
Radou pro výzkum a vývoj jako recenzovaný časopis

01.04.2007: PROJEKT
Pokročilá optimalizace návrhu komunikačních systémů pomocí neuronových sítí, GA102/07/1503

01.07.2006: Doplnění sekce pro registrované

12.04.2005: Zavedeno recenzování článků

30.03.2005: Výzkumný záměr
Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií MSM6840770014

29.11.2004: Přiděleno ISSN

04.11.2004: Spuštění nové podoby Access serveru

18.10.2004: PROJEKT
Optimalizace přenosu dat rychlostí 10 Gbit/s, GA102/04/0773

04.09.2004: PROJEKT
Specifikace kvalitativních kritérií a optimalizace prostředků pro vysokorychlostní přístupové sítě, NPV 1ET300750402

04.06.2004: PROJEKT
Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy, GA102/03/0434

Web site powered by phpRS PHP Scripting Language MySQL Apache Web Server

NAVRCHOLU.cz

Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.