Erfahrungsgemäß werden mit der räumlichen Ausweitung von Terminalsystemen - sowohl bei der Gebäude- wie auch bei der Industrieautomation - die dazugehörigen Informationsübertragungssysteme immer aufwendiger. Bisher mußten bei der Erweiterung eines bereits installierten Überwachungs- und Informationssystems alle zusätzlichen Terminals, Prozeßsteurgeräte oder dezentralisieren Mikrorechner neu verkabelt werden.
Für diese Verkabelung waren üblicherweise 50 Prozent der Gesamtsystem-Kosten aufzuwenden. Demgegenüber stellt das von Ferranti vertriebene Videodata-System eine ökonomischere, eine neue Lösung für ein flexibles, innerbetriebliches Informationsübertragungssystem dar.
Es erlaubt nämlich die Übertragung aller Informationen über ein einziges Breitband-Koaxialkabel, das eine praktisch unbegrenzte Kapazität für die beidseitige Kommunikation hat und zudem störunempfindlich ist. Das Koaxialkabel kann ohne Installationsrohr überall in einer Anlage verlegt werden; und es braucht weder geändert noch erweitert zu werden, wenn das Kommunikationssystem geändert oder ergänzt werden soll.
Das auf einer Kombination von HF- und Minicomputer-Technik basierende System ermöglicht frequenz- sowie zeitmultiplexe Übertragung, Punkt-zu-Punkt-Verkehr und beliebigen Verkehr zwischen mehreren Punkten. Dabei kann es sich um die gleichzeitige Übertragung von beliebigen Digitaldaten sowie von Fernseh- und Tonfrequenzsignalen handeln. Das System beinhalten zudem eine Anzahl unterschiedlicher Modems sowie Schnittstellen zu allen herkömmlichen Terminals der EDV und den Meß-, Steuer- und Regelungsgeräten der Industrie.
Das Kabel
Den Aufbau des ursprünglich für die Ansprüche des Kabelfernsehens entwickelten Koaxialkabels zeigt Bild 1. Der Kupferdraht ist mit Polyäthylen umhüllt, dann mit Aluminium abgeschirmt und schließlich durch einen Vinylmantel geschützt. Da dieses Kabel für das Fernsehnetz ganzer Städte
bereits in km-Längen eingesetzt wird, ist es als Massenprodukt entsprechend preisgünstig.
Infolge der bereits erwähnten Störunempfindlichkeit ist das Koaxialkabel für industrielle Umgebungsbedingungen geeignet. Die Störunempfindlichkeit ist so groß, daß die 50-Hz-Speisespannung für die bei längeren Kabeln verwendeten Verstärker ohne störende Beeinflussung mit den HF-Signalen - das System hat einen Frequenzbereich von 295 MHz - über dasselbe Kabel übertragen werden kann.
Im Falle eines etwaigen Kabelbruches genügt im Gegensatz zu herkömmlichen Verkabelungen der Einsatz einer Standard-Kabelverbindung, um den Schaden zu beheben. Im übrigen sei darauf hingewiesen, daß der 295-MHz-Frequenzbereich des Videodata-Systems etwa der Kapazität von 100 000 verdrillten Adernpaaren herkömmlicher Kabel entspricht.
Übertragungsverfahren
Grundlegendes Verfahren bei der Breitbandübertragung ist die frequenzmultiplexe Übertragung. Dabei wird jedem separaten Untersystem ein Kanal im Kabel zugeteilt. Jede angeschlossene Einrichtung ist mit einem Tuner oder Modem ausgerüstet, der derjenigen Einrichtung Zugriff zu der auf dem Kabel fließenden Information gibt, auf welche das Modem abgestimmt ist. Die auf einem Kanal fließende Information übt daher keinen Einfluß auf die Information in einem anderen Kanal aus.
Handelt es sich um modulierte Digitalsignale, so kann das Kabelnetz Hunderte von Kanälen mit digitalen Informationen gleichzeitig übertragen. Wird sowohl ein Vorwärts- als auch ein Rückwärtskanal durch eine Gruppe von Modems benutzt, dann ergibt sich eine Voll-Duplex-Verbindung; die Verbindung kann also gleichzeitig in beiden Richtungen benutzt werden.
Jede Voll-Duplex-Verbindung entspricht funktionell zwei verdrillten Leitungspaaren herkömmlicher Art. Die Bandbreite einer Einzelverbindung erlaubt Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 75 Baud bis 100 000 Bit/Sek. (bis Jahresende 2,5 Millionen Bit/Sek.). Bei der Installation des Kabelsystems brauchen später etwa benötigte Forderungen hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeit nicht bekannt zu sein, denn dem Netz kann jederzeit ein neuer Kanal hinzugefügt werden. Dabei werden Bandbreite und Datenrate des Kanals von den jeweils eingesetzten Modems bestimmt.
Die Bandbreite des Breitbandkabelnetzes ist für die beiden Übertragungsrichtungen in Vorwärts- und Rückwärtskanäle auf dem gleichen Kabel aufgeteilt. Beide Kanäle sind durch den Verzicht auf die Frequenzen zwischen 116 MHz und 159 MHz ausreichend getrennt. Auch zwischen den einzelnen Kanälen wird ein Sicherheitsabstand eingehalten, denn jeder Vorwärts- und Rückwärtskanal kann in Abhängigkeit von der gewünschten Übertragungsrate zwischen 60 kHz und 800 kHz beziehungsweise sechs MHz breit sein.
Die Signalverstärker sind Zweirichtungs-Verstärker, wobei die Vorwärts- und Rückwärtshälften unterschiedliche Frequenzbereiche verstärken. Unerwünschte Frequenzbereiche werden durch Filter abgeblockt.
Bild 2 zeigt ein- drei Frequenz-Multiplex-Kanäle benutzendes Kabelsystem. Der übergeordnete Rechner besitzt drei jeweils mit einem Modem verbundene Eingänge. Der erste sendet auf der Frequenz f1, und empfängt auf Frequenz f2. Auf der Außenstelle steht ein weiterer Modem, der auf f1 empfängt und auf f2, sendet. Beide Modems ergeben daher eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung.
Jedes der drei Modem-Paare stellt eine eigene Voll-Duplex-Verbindung: dar. Da an jeder Verbindung nur eine Anwendereinrichtung angeschlossen ist, werden teure intelligente Einrichtungen, die ihre eigene Adresse identifizieren können, entbehrlich. Beispiele nichtintelligenter Einrichtungen sind Drucker, Fernschreibmaschinen und einfache Sichtgeräte-Terminals.
Multidrop
Zwecks Minimierung der Anzahl der notwendigen Rechnerports und effizienterer Ausnutzung der am Kabel angeschlossenen Kanäle kann eine einfache Voll-Duplex-Vebindung von mehreren Anwendereinrichtungen gemeinsam benutzt werden (Bild 3). Voraussetzung ist eine Intelligenz, die es ermöglicht, die eigene Adresse zu erkennen und: Daten nur auf Aufforderung auszusenden. Typische Verbindungen enthalten acht, 16 oder 32 relativ langsame Einrichtungen
wie Sicherte oder Datenerfassungssysteme auf Mikroprozessor-Basis.
Sowohl in den Punkt-zu-Punkt-Verbindungen als auch in den Mehrfach-Systemen sind die erforderlichen Kabelmodems recht einfach und preisgünstig. Infolge der Störunempfindlichkeit der benutzten Übertragungsverfahren kann die teure Fehlererkennung und Korrektur-Hardware minimiert werden. In einem typischen System wurden Fehlerraten von weniger als 1 Fehler auf 10 Übertragungen ermittelt.
Ist eine große Zahl von Anwendereinrichtungen - wie Terminals, Datenerfassungseinrichtungen oder Kontrollmodems - erforderlich, so steht mit der zeitmultiplexen Übertragung ein anderes Verfahren (Bild 4) zur Verfügung. Hierbei wird der Kanal unter einer großen Zahl solcher Einrichtungen zeitlich aufgeteilt, wobei die Steuermethode von Hersteller zu Hersteller verschieden ist. Wichtig bei einer Breitband-Datenverbindung ist die Minimierung der Kommunikationsbelastung des übergeordneten Rechners.
Wegen der hohen möglichen Datenübertragungsraten wird zur Aufrechterhaltung des ordnungsgemäßen Ablaufes im Kanal ein Vor-Rechner oder eine Kabelkanal-Steuereinheit eingesetzt. Diese Einheit sorgt dafür, daß die Signale an den Modems so bereitgestellt werden, daß sie die Information zur richtigen Zeit zum Rechner zurückübertragen können. Außerdem liefert die Einheit ein Kommunikationsprotokoll .
In einem "Autopoll" genannten speziellen Breitband-Frequenzmultiplex-System erfaßt eine kleine preiswerte Steuereinheit nicht nur alle weniger wesentlichen Kommunikationen, sondern verarbeitet sie auch automatisch, ohne den Rechner zu belasten. Damit wird der übergeordnete Rechner von den Echtzeit-Zwangsbedingungen der Kanalüberwachung befreit und kann als Datenverarbeitungsprozessor arbeiten.
Typische Autopoll-Systeme können für bis zu 248 Anwendereinrichtungen gemeinsam einen einzigen zeitmultiplexen Kanal benutzen, der mit Raten bis 100 000 Baud in jeder Richtung arbeitet. Bei richtigen Außenmodems und Terminals können die Aufgaben der Datenerfassung und der Überwachung so gut erfüllt werden wie die Datenübermittlung. Einzel-Port- und Vier-Ports-Übermittlungs-Modems sind ebenso wie multiplexe digitale Input-Output-Modems verfügbar.
Hierarchische Breitband-Systeme
Da das Kabelnetz Hunderte der diskutierten Datenkanäle unterhalten kann, ist ein weiteres Flexibilitätsniveau möglich. Bei solchen hierarchischen oder verteilten Systemen kann das Netz sich selbst neu strukturieren, wenn bei steigenden Anforderungen eine Änderung der Datenverbindung notwendig wird. Diese dynamische Strukturanpassung erlaubt eine bei anderen Mehrrechner-Kommunikationsnetzen nicht mögliche Flexibilität.
Es werden dann Mehrfach-Kanäle eingesetzt, wobei der erste oder Primärkanal ein Zeitmultiplex-Kanal ist. Über ihn fordert der Netzsteuerprozessor von höchstem Niveau Anwendereinrichtungen an, wie Prozeßrechner, Plattenspeicher oder wichtige Steuertafeln. Jede dieser Einrichtungen der höchsten Ebene kann einen oder mehrere seiner eigenen Zeitmultiplex- oder Frequenzmultiplex-Kanäle steuern, um mit einer Einrichtung einer niedrigeren Ebene zu kommunizieren. Diese wiederum können ihre eigenen Kabelkanäle auch benutzen um ihrerseits mit einer Einrichtung einer noch niedrigeren Ebene zu kommunizieren.
Der dynamische Aufbau des Netzes geschieht wie folgt: Der "Verkehrscop" -Rechner bedient über seine Zeitmultiplex-Kabelkanal-Steuereinheit alle Einrichtungen der höchsten Ebene. Zwischen diesen Einrichtungen zu sendende Routinemeldungen werden entlang diesem Kanal weitergesendet. Benötigt eine dieser Einrichtungen eine höhere Geschwindigkeit, so wird die Punkt-zu-Punkt-Verbindung eingesetzt.
Das kurz beschriebene Koaxialkabel-Kommunikationssystem verschafft dem Anlagenmanagement eine komplette Informationsversorgung. Bei Bedarf kann das System auch Kanäle für Wechselsprechanlagen oder Rundfunk-Verbindungen oder auch Fernsehleitungen enthalten, die für Zwecke der Sicherheit, des Trainings und der Kommunikation eingesetzt werden.
Systeme der vorbeschriebenen Art werden seit Jahren für unterschiedliche Anlagen installiert. Dabei wurden teilweise erhebliche Ausdehnungen verwirklicht. So gibt es beispielsweise schon große Netze, bei denen über 40 Kilometer Breitbandkabel installiert wurden. Etwa notwendig werdende - Systemerweiterungen bereiten keine Schwierigkeiten und erfordern entweder nur eine geringe oder überhaupt keine Neuverkabelung. In der Regel genügen entsprechende zusätzliche Zapfanschlüsse.