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.
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.
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.
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.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku= 2006052401
[4] Jareš, P.: Vektorová modulace DMT. Access server
on-line. Praha 2007. http://access.fel.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.
Prodloužení dosahu sítě Ethernet pro průmyslové a jiné použití
