История развития электронно-вычислительных машин насчитывает чуть более семи десятков лет. Компьютер создавался для выполнения различных инженерных расчетов и поначалу служил для усиления возможностей homo sapiens. Человек освобождался от малопроизводительной рутинной работы и получал возможность сосредоточиться на творческой (в широком смысле этого слова) деятельности.
Начиная примерно с 80-х годов прошлого столетия фокус внедрения вычислительной техники начал быстро смещаться в сторону выполнения управленческих задач и предоставления различных информационных услуг. Этому в немалой степени способствовал прогресс в области микроэлектроники, благодаря которому стало возможно с минимальными затратами автоматизировать огромное количество процессов во всех областях народного хозяйства и повседневной жизни.
Фактическое внедрение разнообразных управляющих контроллеров в средства производства и бытовую технику ограничивается только возможностью физического размещения микроконтроллера на каком-либо агрегате или даже предмете. Кроме того, необходимы разработка эффективного управляющего алгоритма, наличие достаточно емкого рынка сбыта и разумный срок окупаемости проекта.
Мощным стимулом для использования ЭВМ стало то, что функциональность вычислительных устройств заметно расширяется, а положительный эффект от внедрения усиливается за счет целенаправленного объединения отдельных устройств в сеть. Качественный скачок привел к появлению нового класса технических объектов, называемых распределенными информационно-коммуникационными системами (ИКС).
Современные информационно-коммуникационные системы (ИКС) развиваются достаточно быстро по ряду магистральных направлений. Наиболее значимы среди них следующие:
- Интернет вещей (Internet of Things, IoT);
- системы промышленного назначения;
- облачные вычисления.
Если первые два можно рассматривать как результат эволюционного распространения на новую область уже отработанной ранее техники и подходов к ее использованию, то переход на модель облачных вычислений обеспечивает выход на качественно новый уровень информационной поддержки пользователя. Это происходит потому, что применение подобной схемы значительно улучшает:
- надежность хранения данных за счет выполнения ряда специальных требований, касающихся организации их записи, обеспечения конфиденциальности доступа и защиты от физического уничтожения при возникновении стихийных бедствий, техногенных катастроф, актов терроризма и т. д.;
- качество отклика на поступающий пользовательский запрос, что выражается не только в его быстром формировании, но и в наращивании глубины переработки доступного первичного материала благодаря подключению большего количества ресурсов и организации процедур параллельной обработки.
ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Нижний физический уровень ИКС реализуется с использованием двух главных подходов, в основу которых положены кабельные и беспроводные решения. В ряде случаев разработчик системы комбинирует их.
Беспроводная техника представлена системами радиосвязи Wi-Fi и беспроводной оптикой. Другие известные и доведенные до практической реализации решения наподобие Li-Fi и Beamcaster в силу различных причин внедряются в единичных случаях. Беспроводная передача используется преимущественно на нижних уровнях структуры ИКС, что обусловлено специфическими ограничениями, в большей или меньшей степени проявляющимися у любого из этих решений: сложность достижения высоких скоростей обмена данными, слабая помехоустойчивость, низкая стойкость к перехвату передаваемой информации, возможность передачи только в условиях прямой видимости и сильная зависимость от погодных условий (системы беспроводной оптики). В результате беспроводная техника получила распространение только в нишевых областях, где значимо проявляются два главных ее достоинства:
- высокая скорость развертывания;
- возможность обеспечения связи с подвижными объектами.
Во всех прочих ситуациях кабельные решения оказываются безальтернативными.
ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
В качестве среды передачи при организации информационного обмена между точками А и В может быть использовано около десятка основных разновидностей кабелей. Однако с учетом технико-экономической эффективности массовое применение получили преимущественно волоконно-оптическая и симметричная витопарная техника. Другие возможные варианты, и в первую очередь довольно популярные еще в начале 90-х годов прошлого столетия коаксиальные кабели, а также силовая проводка встречаются заметно реже, в основном это узкие нишевые области.
Для кабельных решений, предназначенных для реализации проектов ИКС, справедливы несколько основных постулатов:
- четкое разделение «зон ответственности» основных разновидностей кабелей: волоконная оптика является основным средством передачи данных на большие расстояния, а для малых используются кабели из витых пар;
- симметричные кабели содержат четыре пары проводов с парной скруткой (четверочная скрутка встречается только в полевых шинах систем промышленной автоматизации, а объемы установки многопарных изделий заметно уступают расходу четырехпарных);
- основным типом соединителя служит 8-контактный разъем модульного типа (стандартизованные GG45 и Tera применяются крайне редко).
Указанная техника позволяет достаточно эффективно с экономической точки зрения решить основную массу задач, в том числе по обеспечению информационного обмена с заданной скоростью в реальном масштабе времени.
Важное значение для реализации проектов ИКС имеет тот факт, что кабельная техника и используемое при работе с ней коммутационное оборудование выпускаются многими производителями и обладают свойством модульности и взаимозаменяемости, чему способствует достигнутый уровень стандартизации. Кроме того, глубоко проработана технология установки и доступны различные инструменты, которые ускоряют процесс инсталляции и делают его менее трудоемким. Качество монтажа можно достаточно точно проконтролировать прямо на объекте с помощью удобных в работе полевых кабельных сканеров.
Все это обеспечивает высокую скорость реализации новых проектов и расширение ИКС на уже существующих объектах при сравнительно низкой стоимости элементной базы и монтажа.
КАБЕЛЬНЫЙ ETHERNET НА ТРАНСПОРТЕ
В основе современных ИКС — пакетная передача информации и использование единого формата кадров Ethernet, что позволяет добиться высокой результирующей технико-экономической эффективности. Достоинство такого подхода состоит в возможности создания прозрачной информационной структуры на всех уровнях системы.
Все эти преимущества можно использовать в новых областях, что позволит расширить сферу применения имеющихся технических средств. Одной из перспективных областей внедрения становятся бортовые ИТС различных транспортных средств: поездов, судов, самолетов, автобусов, трамваев и автомобилей. Частично данный потенциал уже реализован в процессе создания информационных систем и сервисов доступа в Интернет для пассажиров. Для этого использовалась традиционная техника, адаптированная к более жестким условиям эксплуатации. Так, в частности, для обеспечения гигабитных скоростей были созданы 8-контактные соединители М12, ранее доступные только в двухпарном варианте.
Однако для видеонаблюдения, диагностики и управления отдельными агрегатами современных автомобилей пока применяются преимущественно частные фирменные решения. Переход на единую технологическую платформу весьма перспективен с коммерческой точки зрения, так как емкость рынка достаточно велика. Согласно оценкам IEEE, в современном легковом автомобиле среднего класса имеется около 50 оконечных сетевых устройств в виде оснащенных микроконтроллерами различных датчиков исполнительных элементов, а в тяжелых грузовиках их еще больше — до 140. Всего в транспортных средствах функционируют около 270 млн подключаемых к сети устройств, причем их количество будет ежегодно удваиваться.
С учетом этих обстоятельств именно автомобильная отрасль стала инициатором проведения работ по созданию и стандартизации однопарного Ethernet, который для привлечения внимания и лучшего запоминания получил название «усеченный Ethernet» (Reduced Twisted Pair Ethernet).
Данная технология рассматривается в качестве замены довольно популярных в настоящее время шин CAN, FlexRay, MOST, LVDS.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ «АВТОМОБИЛЬНОГО» ETHERNET
Существующие решения Ethernet могут быть доведены до требуемого уровня эффективности путем глубокой модернизации созданного ранее оборудования и его целенаправленной адаптации на новую область. Два ключевых недостатка существующей 4-парной техники — высокая стоимость (по объемам затрат проводка в современном автомобиле является третьей статьей расходов после двигателя и шасси) и неудовлетворительные массогабаритные показатели — преодолеваются переходом на однопарное исполнение линейной части бортовой ИКС.
Определенное значение имеет и то, что за счет некоторого уменьшения массы сокращаются расходы топлива и снижается экологическая нагрузка на окружающую среду.
Платой за это становится ограничение гарантированной дальности действия. В неэкранированном тракте типа А она составляет 15 м, однако переход на экранированную технику дает возможность организовать тракты типа В, максимальная протяженность которых составляет уже 40 м. Для автомобильных бортовых систем этого вполне достаточно.
Работы по стандартизации проводились в рамках двух проектов. Результаты одного, IEEE 802.3bp, утверждены 30 июня 2016 года. Его главной целью была разработка гигабитного варианта сетевого интерфейса, который в соответствии с правилами формирования кода, принятого IEEE, описывается аббревиатурой 1000Base-T1. Другой, менее скоростной 100-мегабитный вариант 802.3bw, введенный в действие годом ранее, обозначается как 100Base-T1.
От многопарных вариантов Ethernet их однопарные функциональные аналоги отличаются схемой организации связи, что показано на рисунке.
.png "Варианты организации связи на интерфейсах Ethernet различных разновидностей: а — Fast Ethernet; б — 1G Ethernet; в — 100Base-T1 и 1000Base-T1") |
|
Варианты организации связи на интерфейсах Ethernet различных разновидностей: а — Fast Ethernet; б — 1G Ethernet; в — 100Base-T1 и 1000Base-T1 |
Для новой области применения как никогда актуально дистанционное питание оконечных устройств по централизованной схеме. С учетом этой особенности было разработано оборудование для дистанционного питания по одной паре IEEE 802.3bu. Данная технология известна как Power over Data Lines (PoDL). Мощность потребления приемника при этом ограничивается 50 Вт.
Результатом усилий промышленности стало появление наборов микросхем, интерфейсов на их основе, а также кабелей и соединителей. Они выпускаются несколькими производителями и рассчитаны на эксплуатацию в автомобилях, в том числе при жестких внешних условиях от –40 до +85°С, и в подкапотном пространстве, где температура может достигать +150°С.
Активные микроэлектронные изделия бортовой ИКС по своим характеристикам гармонизированы с остальной автомобильной электроникой. В частности, в них предусмотрен переход в «спящий» режим с током потребления не более 100 мкА, а время возврата в рабочее состояние, с учетом типовых параметров оборудования бортовой диагностики, составляет не более 500 мс.
Характеристики линейной части системы обеспечивают нормальное качество функционирования полнодуплексного канала связи.
ОБОРУДОВАНИЕ 1000BASE-T1
С технической точки зрения в бортовой автомобильной ИКС одинаково важны как скорость передачи, так и гарантированное время доставки сообщения, что достигается обычными для промышленного Ethernet способами путем задания приоритетов и выделения полосы пропускания. Гигабитная пропускная способность востребована только:
- при передаче сигналов телевидения высокой четкости, в том числе видеоассистента при осуществлении движения задним ходом (чтобы минимизировать время задержки, поток данных, генерируемый его камерой, не сжимается и имеет скорость до 800 Мбит/с);
- работе с навигационными системами;
- поддержке функционирования систем настройки спутниковых антенн и иных потребителей, генерирующих несжатые цифровые потоки.
Поскольку потребителей этой группы много, для их подключения к ИКС целесообразно использовать одинаковую технику, а согласование скоростей выполнять с помощью автоматической настройки.
С учетом верхней граничной частоты тракта, составляющей 600 МГц, для формирования линейного сигнала требуется применение многоуровневого кодирования.
В оборудование 1000Base-T1, к созданию которого разработчики приступили в 2012 году, изначально заложен достаточно развитый дополнительный сервис. В частности, предусмотрены следующие возможности:
- использование энергоэффективного Ethernet и переход в режим ожидания, что позволяет минимизировать разряд аккумулятора на стоянке;
- поддержка процедуры блокировки поступления искаженных данных, когда напряжение дистанционного питания отсутствует более 100 мс;
- автоматическое определение скорости передачи в формируемом канале связи.
ОБОРУДОВАНИЕ 100BASE-T1
Разработка 100-мегабитных однопарных сетевых интерфейсов велась с 2012 года на основе предварительных требований, сформулированных Open Alliance в процессе выполнения поисковых НИР. Окончательные спецификации были утверждены в октябре 2015 года. Как и их более скоростной аналог, интерфейсы 100Base-T1 создавались для автомобильных бортовых ИКС, однако они ориентированы на использование в тех цепях, где гигабитный темп передачи является заведомо избыточным.
Техника данной разновидности называется «Ethernet для автомобилей». От гигабитного варианта она отличается, кроме меньшей скорости передачи, простотой схемы и более экономным энергопотреблением. Максимальная протяженность тракта — 15 м.
С учетом схожести 100Base-T1 и Fast Ethernet, было несложно обеспечить совместимость этого оборудования на уровне электрических сигналов. При этом, однако, функционирование возможно только в режиме полного дуплекса, а вероятность битовой ошибки не превышает 10-10. Для обеспечения заданного качества передачи используется скремблирование исходного сообщения и модуляция вида РАМ-3 с кодированием 3В2Т, а на приемном конце поступающий сигнал обрабатывается в цифровом сигнальном процессоре DSP перед подачей на решающее устройство. Передача осуществляется в базовой полосе, для развязки направлений передачи и приема используется дифференциальная система.
Для передачи требуется кабель с параметрами Категории 5е или лучше.
ОСОБЕННОСТИ ПРОВОДКИ
Кабели и соединители для построения бортовой ИКС предлагаются в экранированном и неэкранированном вариантах. По мнению ряда аналитиков, чтобы обеспечить функционирование мощных оконечных потребителей, потребуется техника, соответствующая по меньшей мере Категории 6А.
Считается, что фокусная область применения неэкранированного оборудования с его заметно лучшими массогабаритными показателями — это легковые автомобили, где 15-метровой дальности действия вполне достаточно. Экранированные же изделия, гарантированная дальность действия которых достигает 40 м, предназначены для более габаритных автобусов, троллейбусов и грузовых автомобилей, где ограничения для суммарной массы проводов и разъемов не столь жесткие. В немалой степени они оказываются востребованы благодаря более высокой степени защиты от внешних электромагнитных помех различной природы.
Проводкой для однопарного Ethernet занимаются по обе стороны Атлантики. Американские разработчики традиционно тяготеют к неэкранированным решениям, а их европейские коллеги много внимания уделяют экранированной технике.
Для обеспечения необходимой эксплуатационной гибкости в тракте передачи предусмотрена поддержка четырех соединителей. В случае применения экранированной техники на стационарную линию приходится 36 м, остальные 4 м отведены на шнуры. Соответствующий документ разрабатывается ISO/IEC, публикация финальной версии намечена на 2018 год.
Кабель имеет традиционное 100-омное волновое сопротивление. Вне зависимости от варианта его исполнения верхняя граница рабочего частотного диапазона составляет 600 МГц. Из остальных характеристик нормируются затухание, обратные отражения SRL и межкабельное переходное затухание. С учетом рабочего частотного диапазона и принятой схемы организации связи в качестве прототипа целесообразно использовать технику Категории 6A или лучше.
Соединитель должен иметь минимальные размеры. Поэтому в разработанном компанией Harting и выпускаемом серийно соединителе HARTING T1 Industrial применен контактный блок, размеры поперечного сечения которого составляют 6,4 × 3,3 мм. Вилка подключается к розетке линейным движением. В зависимости от варианта исполнения для различных областей эксплуатации обеспечивается степень защиты IP20 или IP67.
ПРОЧИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОПАРНОЙ ТЕХНИКИ
Гарантируемые сетевыми интерфейсами 100Base-T1 и 1000Base-T1 параметры дальности действия, скорости передачи, времени доставки и стоимостных показателей позволяют использовать эти устройства не только в автомобиле.
Так, для систем промышленной автоматизации и робототехники важное значение имеет возможность работы в широком температурном диапазоне. В оборудовании, применяемом для автоматизации объектов общественной и особенно жилой недвижимости, ценятся такие свойства, как небольшие габариты и гибкость кабеля, а также низкая стоимость кабельных изделий и самого контроллера.
О высоких технических и рыночных перспективах направления однопарных решений Ethernet свидетельствует запуск проекта 802.3cg по созданию интерфейса 10Base-T1 c предельной дальностью действия 1200 м. Завершение разработки соответствующих спецификаций намечено на 2018 год. Как и в случае 100- и 1000-мегабитных систем, для создания столь протяженных линий планируется использовать новые разновидности кабелей. Фокусная область применения новой техники — системы промышленной автоматизации.
Кроме того, в рамках поисковых НИР изучается возможность создания однопарных систем 2,5, 5 и 10G Ethernet. Если учесть опыт разработки 40-гигабитных систем, для однопарного 10-гигабитного варианта вполне может быть обеспечена как минимум 30-метровая дальность действия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создание однопарного Ethernet открывает возможность применения единой технологии для организации обмена данными в такой емкой области, как бортовые информационные системы современных автомобилей и иных транспортных средств. Дальность действия и исполнение аппаратной части однопарного Ethernet открывают перспективы для его внедрения в других областях, в частности в системах автоматизации зданий.
В стандартах на сетевые интерфейсы изначально предусмотрен ряд сервисов, благодаря которым заметно увеличивается практическая эффективность решения в целом. Однопарная схема имеет запас для дальнейшего совершенствования, особенно это касается увеличения дальности действия и скоростей передачи. Сохранение 100-омного волнового сопротивления не только ускоряет и упрощает разработку, но и облегчает тестирование готовых стационарных линий и трактов.
Андрей Семенов, директор по развитию СУПР, профессор МТУСИ