Sử dụng cáp đồng 2 lõi để mở rộng mạng Ethernet với công nghệ DSL

Sử dụng cáp đồng 2 lõi để mở rộng mạng Ethernet với công nghệ DSL

(Nguồn: Moxa’s website)

Đặt vấn đề

Để triển khai một cách có hiệu quả hệ thống tự động hóa công nghiệp, nhiều nhà vận hành đang quan tâm đến khả năng nâng cấp lên nền tảng IP để điều khiển/quản lý tập trung và điều khiển từ xa. Khi chuyển sang sử dụng mạng nền tảng IP, việc sử dụng một chuẩn truyền thông Ethernet sẽ là cần thiết để cung cấp băng thông lớn hơn và khoảng cách truyền xa hơn, điều này đòi hỏi phải lắp đặt các tuyến cáp mới. Tuy nhiên, việc lắp đặt này sẽ làm phát sinh đáng kể chi phí trong triển khai kế hoạch, nhân công và thời gian ngắt hệ thống. Trong hoàn cảnh khó có thể kéo cáp, hoặc kinh phí hạn hẹp, mạng cáp đồng hiện hữu có thể được coi là một biên pháp thay thế tiết kiệm để nhanh chóng triển khai mở rộng mạng Ethernet.

Mạng cáp đồng 2 dây hiện hữu có mặt tại mọi nơi trong môi trường công nghiệp, ví dụ như cáp xoắn đôi RS-485 và cáp đồng truyền tín hiệu thoại. Các thiết bị kéo dài DSL Ethernet có thể tận dụng các cáp đồng hiện có để mở rộng điểm tới điểm các mạng Ethernet công nghiệp vượt qua khoảng cách giới hạn 100m và cung cấp khả năng truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao. Bài viết này sẽ đề cập đến các yếu tố có thể cải thiện một cách đáng kể mạng truyền thông và phương để đảm bảo độ ổn định, tin cậy và hiệu quả khi triển khai các thiết bị kéo dài DSL Ethernet.

Tổng quản

Sự phát triển mạnh mẽ của nền tảng IP theo xu hướng gần đây trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp giúp cho các nhà vận hành tìm kiếm giải pháp quản lý mạng một cách tập trung nhằm gia tăng hiệu quả của hệ thống. Dù nó là sự tích hợp của hệ thống giám sát video tại chỗ cho quá trình giám sát giao thông tại trung tâm quả lý giao thông từ xa (TMC), hay quá trình thu thập thông tin về môi trường từ các trạm giám sát phân tán của các đường ống dầu/khí, khoảng cách và băng thông yêu cầu luôn luôn là một vấn đề cần quan tâm cho các kỹ sư hệ thống khi phát triển các phân đoạn của mạng. Thông thường, việc phát triển mạng với chiều dài truyền dẫn (trên 100m) cần được triển khai thông qua cáp quang. Tuy nhiên, không thể sử dụng cáp quang trong mọi trường hợp, đặc biệt là khi triển khai tại hiện trường các ứng dụng công nghiệp tại các khu vực xa, và việc lắp đặt tiêu tốn một cách đáng kể chi phí và thời gian.

Theo dữ liệu trong năm 2004 của cơ quan giao thông Mỹ, các mạng cáp đồng được hiện hữu đã được sử dụng để cung cấp đường truyền tín hiệu hình ảnh giao thông thời gian thực khi được so sánh với việc triển khai hạ tầng cáp quang mới có chi phí cao. Đề đáp ứng nhu cầu đòi hỏi của các ứng dụng công nghiệp, nhiều nhà sản xuất đã cung cấp giải pháp mở rộng mạng Ethernet dựa trên công nghệ DSL, sử dụng cáp đồng 2 dây, ví dụ cáp đồng truyền tín hiệu thoại và cáp xoắn đôi RS-485, để cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu với khoảng cách dài và tốc độ cao thay thế cho cáp quang.

Ưu điểm nổi bật của việc sử dụng thiết bị mở rộng DSL Ethernet đối với tự động hóa công nghiệp với thực tế là chi phí tương đối rẻ tiền khi triển khai và các phương tiện vật chất cần thiết để triển khai như dây đồng thì rất sẵn có, cho phép các nhà khai thác công nghiệp mở rộng một cách nhanh chóng một kết nối điểm - điểm giữa hai mạng LAN tách biệt về địa lý.

Hạ tầng cáp đồng hiện có có thể được sử dụng để thiết lập các mạng Ethernet tốc độ cao và có thể kéo dài khoảng cách truyền dẫn vượt xa xo với khả năng của kết nối DSL truyền thống. Có nhiều dạng công nghệ DSL, như G.SHDSL (symmetric high-speed digital subscriber line) cho truyền thông khoảng cách dài và VDSL2 (very-high-bit-rate digital subscriber line 2) cho các ứng dụng cần băng thông lớn, để đáp ứng nhu cầu đặc biệt về khoảng cách và tốc độ truyền dẫn dữ liệu cho nhiều loại ứng dụng công nghiệp. Ví dụ, bộ mở rộng VDSL2 cung cấp đủ băng thông cho 5 luồng video với độ phân giải hình ảnh 1280x720 HD (H.264 @ 30fps) trên khoảng cách 1 km.

Các ứng dụng của thiết bị mở rộng DSL Ethernet

G.SHDSL cho truyền dẫn khoảng cách xa thông qua cáp xoắn đôi RS-485

Đối với các ứng dụng dầu khí, hạ tầng cáp đồng hiện có như mạng RS-485 trong các nhà máy chế biến dầu khí, có thể được dùng để kết nối từ xa một cách dễ dàng tới các thiết bị phân tích độc lập từ xa để cho phép điều khiển tập trung trên nền IP.

VDSL2 cho truyền dẫn băng thông lớn thông qua cáp đồng phân bậc thoại

Đối với các ứng dụng ITS (Hệ thống giao thông thông minh), các mạch vòng bằng cáp đồng hiện hữu có thể được sử dụng để kết nối các tín hiệu giao thông và camera hình ảnh với trung tâm quản lý giao thông (TMC) để tập trung giám sát và điều khiển. Các thiết bị mở rộng DSL Ethernet có thể cung cấp khả năng kết nối với hiệu quả về mặt chi phí cho nhiều dạng ứng dụng ITS.

Các thách thức và các vấn đề chủ yếu trong triển khai DSL

Trước đây thường được dùng chủ yếu trong các dịch vụ dân dụng cho ba mục đích (thoại/dữ liệu/video), công nghệ DSL tương đối mới đối với lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, nhưng có khả năng giảm đáng kể chi phí triển khai cho các nhà vận hành công nghiệp. Việc kết nối điểm-điểm Ethernet bằng các cặp thiết bị mở rộng DSL Ethernet có thể là thách thức, đặc biệt là đối với các kỹ sử không nắm rõ về công nghệ DSL.

Mối liên hệ giữa khoảng cách và tốc độ truyền dữ liệu

Giữa khoảng cách và tốc độ truyền dẫn dữ liệu tồn tại quan hệ tỷ lệ nghịch; khi khoảng cách truyền dữ liệu tăng, tốc độ truyền sẽ giảm. Hai dạng chính của truyền thông DSL, G.SHDSL và VDSL2, đều phù hợp để truyền dữ liệu điểm-điểm thông qua cáp đồng xoắn đôi và các giới hạn của chúng như hình dưới.

Tỷ lệ tín hiệu nhiễu (Signal-to-Noise Ratio-SNR)

SNR so sánh cường độ của tín hiệu danh định với độ nhiễu của môi trường ảnh hưởng tới các thiết bị truyền dẫn, đây là kết quả của phép chia giá trị tín hiệu cho giá trị nhiễu. Tuy nhiên, phép so sánh này thường được thể hiện dưới dạng biên độ của SNR, đó là giá trị logarit và được đo bằng decibel (dB), nó thể hiện sự chênh lệch giữa giá trị SNR thực tế và giá trị SNR nhỏ nhất (khoảng 6 dB) cần có để duy trì một kết nối tại một tốc độ xác định. Khi giá trị biên độ SNR giảm xuống dưới ngưỡng 6 dB, kết nối sẽ bị ngắt. Do đó, một giá trị tỉ lệ tín hiệu nhiễu SNR hoặc biên độ SNR cao hơn sẽ mang lại một kết nối ổn định, đáng tin cậy hơn và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu hơn.

• < 6dB - kết nối không ổn định, thường xuyên bị ngắt

• 6bB-10dB - kết nối trung bình nhưng rất dễ bị nhiễu

• 11bB-20dB - kết nối tốt

• 20dB-28dB - kết nối hoàn hảo nhưng tốc độ không đạt cực đại

• > 28dB - kết nối tuyệt vời với độ trễ để tăng tốc độ

Khi tốc độ dữ liệu không được cấu hình thủ công, bộ đôi thiết bị mở rộng DSL Ethernet sẽ tiến hành trao đổi để xác định tốc độ dữ liệu cao nhất có thể với biên độ SNR chấp nhận được, thường sẽ ở vào khoảng từ 6dB tới 10dB. Khi tốc độ kết nối nhanh hơn thì tương ứng SNR thấp hơn, và ngược lại. Điều này cần được chú ý khi cấu hình thủ công tốc độ dữ liệu trên thiết bị kéo dài DSL Ethernet.

Chất lượng và điều kiện đường truyền

Cáp đồng với tiết điện lớn (AWG) sẽ cung cấp khả năng truyền dẫn với khoảng cách xa hơn, nhưng điều kiện vật lý của môi trường có thể ảnh hưởng tới chất lượng và khoảng cách truyền dữ liệu. Đặc biệt trong các ứng dụng ngoài trời, nơi tiếp xúc với môi trường ô nhiễm có thể gây ăn mòn điểm nối cáp và làm lão hóa lớp vỏ cáp theo thời gian; sự suy giảm trên đường truyền và nhiễu có thể làm cản trở tín hiệu truyền dẫn từ từ và cuối cùng ngăn chặn toàn bộ quá trình truyền tải dữ liệu.

Có nhiều yếu tố để xác định chất lượng tổng thể của kết nối điểm - điểm DSL Ethernet. Khi các thiết bị mở rộng DSL Ethernet cố gắng đồng bộ tốc độ truyền thông, mức độ suy giảm và nhiễu của dữ liệu sẽ được thu thập để xác định tốc độ dữ liệu tối ưu. Tuy nhiên, việc này dựa vào cách thức thiết bị thực hiện việc khởi tạo bắt tay và sẽ không đảm bảo độ tin cậy của kết nối DSL, bởi vì các điều kiện trên đường truyền có thể suy giảm một cách nhanh chóng và nhiễu có thể gây ảnh hưởng nghiệm trọng tới kết nối truyền thông, đặc biệt đối với các ứng dụng công nghiệp thường được triển khai trong môi trường ngoài trời.

Quản lý dễ dàng hơn khi triển khai DSL

Sau khi lắp đặt ban đầu và bảo dưỡng định kỳ, các kỹ sư hệ thống thông thường sẽ thực hiện kiểm tra để đánh giá khả năng kết nối. Khi không thể thiết lập truyền thông giữa các thiết bị mở rộng DSL Ethernet, việc phát hiện nguyên nhân gốc rễ có thể khá khó khăn, bởi vì trong thực tế các thiết bị mở rộng DSL chỉ làm việc theo cặp và khoảng cách giữa chúng có thể kéo dài vài km. Nếu không có kỹ sư tại đầu đối diện của kết nối DSL để xác định cấu hình thiết bị và thực hiện các điều chỉnh thích hợp, một kỹ sư sẽ phải liên tục di chuyển giữa các thiết bị mở rộng ở hai đầu, trong khi có các vấn đề về truyền thông phát sinh trên phân đoạn DSL.

Các ứng dụng khác nhau sẽ có nhiều yêu cầu và các môi trường không thể dự báo trước với các điều kiện khác nhau của đường truyền; việc xác định trước và chính xác quan hệ giữa các yêu tố này trong mọi trường hợp có khả năng là gần như không thể. Thay vào đó, chúng ta hãy nhìn vào một số trường hợp có chung vấn đề mà các nhà vận hành và kỹ sư có thể gặp phải vấn đề về kết nối trong suốt quá trình triển khai, và những đổi mới cho thiết bị mở rộng DSL Ethernet đã giúp chúng ta vượt qua các thử thách này như thế nào.

Tự động ghép cặp (Cấu hình CO/CPE)

Lỗi truyền thông có thể do cài đặt không phù hợp (thường cấu hình bằng các DIP switch) trên cặp thiết bị mở rộng DSL Ethernet. Tương tự dịch vụ DSL truyền thống của các công ty điện thoại, các cặp thiết bị mở rộng DSL Ethernet sẽ cần có một bộ mở rộng Ethernet được gán làm thiết bị CO (central office - tổng đài) và một bộ mở rộng Ethernet được gán làm thiết bị CPE (customer premise equipment - thiết bị thuê bao). Trừ những thiết bị mở rộng Ethernet có thể tự động ghép cặp, việc cài đặt CO/CPE nên được kiểm tra đầu tiên khi không thể thành lập truyền thông giữa cặp thiết bị mở rộng Ethernet.

Bộ chỉ thị cho chẩn đoán tại chỗ

Thông tin về kết nối/tình trạng thiết bị, như biên độ SNR và tốc độ dữ liệu, cần được hiển thị liên tục trên bảng điều khiển của thiết bị để cho phép bảo trì và khắc phục sự cố tại chỗ mà không cần tới các công cụ chẩn đoán DSL đặc biệt (chuyên dụng). Khi các kết nối không ổn định, biên độ SNR và tốc độ dữ liệu là hai thông số hữu dụng nhất để xác định nguyên nhân căn bản của vấn đề. Ví dụ, nếu kết nối không ổn định và biên độ SNR đang ở mức thấp, việc truyền dữ liệu cần được cài đặt ở tốc độ thấp hơn. Nếu tốc độ dữ liệu vẫn cần giữ ở mức tương đối cao, thì khoảng cách truyền phải giảm và/hoặc cần kiểm tra lại cáp đồng có nhiễu quá mức hoặc bị hư hại hay không.

Các công cụ quản lý từ xa

Để quản lý thiết bị mở rộng DSL Ethernet hiệu quả, nên có một công cụ chẩn đoán hoặc một bảng điều khiển ảo để cung cấp khả năng truy nhập từ xa tới thông tin thời gian thực của thiết bị, như tình trạng cổng, nguồn, tốc độ và SNR. Một số thiết bị mở rộng DSL Ethernet được quản lý hỗ trợ SNMP, cho phép quan sát thiết bị trên phần mềm quản lý mạng (NMS - network management software) để giám sát toàn bộ mạng. Người vận hành cần có các công cụ để tiến hành chẩn đoán sơ bộ, điều chỉnh cấu hình và kiểm tra bảo trì định kỳ từ phòng điều khiển. Nhân viên bảo trì sẽ phải tới hiện trường chỉ trong trường hợp phần cứng cần phải sửa chữa hoặc thay thế.

LFP/LFF-Truyền/Chuyển tiếp khi lỗi kết nối

Nhiều ứng dụng đòi hỏi tính năng LFP/LFF để đảm bảo rằng khi liên kết bị lỗi được phát hiện thì ngay lập tức có khả năng khôi phục để giảm thiểu thời gian hệ thống bị dừng. LFP/LFF gửi thông tin trạng thái lỗi liên kết tới cổng liền kề để vô hiệu hóa liên kết đến các nút mạng khác, cho phép người vận hành nhanh chóng chẩn đoán được vấn đề và khôi phục kết nối.

Phương thức truyền thống để mở rộng kết nối Ethernet vượt ngưỡng giới hạn 100m bao gồm thiết bị kết nối không dây, cáp quang và cáp đồng trục. Khi tài chính bị giới hạn hoặc khó khăn trong việc rải cáp, các thiết bị mở rộng DSL Ethernet có thể là một giải pháp thay thế vẫn đáp ứng yêu cầu khoảng cách truyền dẫn dài (tới 10km) và băng thông lớn (tới 100 Mbps) nhằm cung cấp khả năng kết nối tin cậy và giá rẻ thông qua hệ thống cáp đồng hiện hữu khi được cấu hình và bảo trì thích hợp.

Các yêu tố có thể ảnh hưởng một cách riêng lẻ tới truyền thông DSL - như khoảng cách truyền, SNR, tốc độ dữ liệu, cấu hình, chất lượng dây dẫn, và điều kiện môi trường, đôi khi khó có thể để phát hiện ngay lập tức. Ngoài ra, giữa các yếu tố này có mối tương quan mật thiết và một thay đổi nhỏ trong một yếu tố có thể dẫn tới sự thay đổi đáng kể của các yếu tố khác.

Việc lắp đặt và bảo trì thiết bị mở rộng DSL Ethernet có thể là một thách thức đối với các kỹ sư chưa có nhiều kinh nghiệm cấu hình DSL. Sự kết hợp của phần mềm tiện ích dùng cho chẩn đoán từ xa và công cụ cấu hình hiện trường có thể cho phép người vận hành duy trì truyền thông tối ưu giữa các cặp thiết bị mở rộng để quản lý việc kéo dài DSL Ethernet tốt hơn.

Để có thểm thông tin về thiết bị kéo dài DSL Ethernet, xin vui lòng truy cập link sau: