5扩展以太网的最佳方法

当TCP/IP网络走出家庭和办公环境，进入现实世界时，铜以太网电缆的100米范围限制就成了一个问题。例如，石油管道沿线的远程传感器将需要比这更大的范围。幸运的是，有一些方法可以提供它。通过转换和扩展，网络可以覆盖以公里而不是米为单位的距离。

1)以太网扩展器

一个简单的解决方案是以太网扩展器。以太网扩展器使用DSL技术将范围扩展到1900米，或近2公里(图1)。而且它们可以使用各种铜线，这使得它们非常具有成本效益。网络安装中涉及的人工和电缆通常占了很大一部分费用，但以太网扩展器将使用现有的任何传统电缆，如5级电缆甚至旧电话线。节省下来的钱是相当可观的。

以太网扩展程序是成对设置的。第一个扩展程序转换以太网数据，以便通过DSL传输。第二种方法将其再次转换回来。吞吐量可能高达50 Mbps，这取决于范围。当然，数据信号在铜线上衰减，但即使在完整的1900米，以太网扩展器仍然可以提供1mbps的吞吐量。一些以太网扩展器还配备了以太网供电(PoE)，通过直接从扩展的以太网端口提供电力，克服了为远离电源的远程设备供电的挑战(图2)。

为了获得最佳性能，请确保扩展线没有负载线圈、滤波器和分离器。

2和3)光纤:单模，多模

当1900米不够用时，或者需要巨大的带宽时，较大的网络通常会使用光纤电缆。有两种。更便宜的选择是多模光纤电缆，使用LED灯，可以传输数公里的数据。它经常被用作办公楼和工厂网络的骨干基础设施。

电话和有线电视公司，由于对大范围的需求，更有可能使用单模光纤电缆。单模电缆使用激光而不是LED进行传输，它可以让电话公司(电信公司)跨大洲传输数据。正如多模光纤及其相关设备比铜线更昂贵一样，单模光纤安装比多模光纤安装更昂贵。但许多网络设计人员仍然在一开始就指定了更昂贵的单模光纤，理由是无论如何人工成本都将占安装费用的很大一部分，而单模光纤提供的巨大带宽和范围确保了安装在可预见的未来任何时候都不会过时(图3)。

4)广播

当数据必须跨越河流或高速公路等障碍时，铜或光纤设备可能没有经济意义。但无线电技术的进步让Wi-Fi完成了这项工作。

无线电波可以被任何东西吸收或反射，从建筑物的墙壁到停车场的车辆。这种现象被称为多径传播，它意味着传输的信号在不同的时间到达接收器，而且是不按顺序的。无线电频率越高，问题就越严重。另一方面，低频提供更少的带宽，需要更大的天线和更大的功率来产生有用的增益。因此，最受欢迎的未授权频率传统上是位于中间的2.4 GHz频段。但是从无绳电话到微波炉，2.4 GHz频段被广泛使用，而且已经变得非常拥挤。

Wi-Fi开发人员已经用新的802.11n标准来应对这些问题。802.11n Wi-Fi结合了多输入多输出(MIMO)技术，在无线连接的发射端和接收端都使用多个天线。数据被分割成众多的空间流，然后通过单独的天线传输，并由接收设备中相应的天线收集。机载软件使用信号处理算法来纠正和解释传入的数据。

MIMO 802.11n设备还使用预编码和后编码技术，如空间波束形成。空间波束形成修改了信号的相位和相对振幅，从而在波前产生了一种建设性和破坏性干涉的模式，从而简化了接收端的解释。802.11n标准还在MAC层中增加了帧聚合功能。通过将几个数据帧分组到单个更大的帧中，有效负载数据与总数据量的比率会更高，因为管理信息的指定不那么频繁。这允许提高吞吐量。802.11n标准还向物理层(PHY)增加了40 MHz通道，是旧的20 MHz标准下可用带宽的两倍。

使用IEEE 802.11n标准，无线网桥(图4)可以在两个远程设备或网络之间建立高速(高达150mbps)点对点链路，视线距离可达15公里。

5)蜂窝网络

现在几乎每个人都有手机，你也可以说机器也开始拥有手机了。通话时间已经趋于平稳，无线运营商知道蜂窝M2M网络将成为他们的战略增长市场之一。因此，蜂窝数据计划变得非常适合m2m。Verizon和AT&T最近都宣布了共享数据计划(参见“AT&T推出共享数据计划”)，旨在鼓励工业控制系统、水表和自动取款机等设备的联网。

当蜂窝网络作为你的互联网骨干网时，以太网最初的100米范围看起来相当古怪。使用来自捷克共和国的Conel等公司的技术，用户可以通过蜂窝网络将机器连接到以太网、串行网络和其他数据网络，创建几乎无限大小的网络，拓扑结构也越来越复杂。该系统支持多种协议和加密，网络仍处于用户自己的控制之下，网络上的任何站都可以作为终端站或重译站。在一个设备中使用多张SIM卡可以建立冗余，因为该设备可以同时连接到多个蜂窝提供商。蜂窝网络将网络的边缘扩展到任何有蜂窝服务的位置。

扩展的风险

光纤不受电磁干扰(EMI)、峰值、浪涌和接地回路的影响。数据不是沿着铜线传输的;它由一束光携带。这在工业应用中是无价的，例如，机器上的电动机可以产生强大的磁场。Wi-Fi和蜂窝网络也有类似的优势。

但请记住，通过铜线扩展数据通信范围会增加不必要的电气事件的风险。连接设备之间的距离越大，它们就越有可能具有不同的建筑地面参考和相关的接地回路风险。如果电缆安装在工业环境中，并且沿途经过机械，更大的范围也会产生更多的EMI。

铜线网络装置应采用浪涌抑制和隔离保护。浪涌抑制器限制信号和地线之间的峰值，应部署为电源线上的第一道防线。目前的型号可以采用DIN导轨安装，也可以直接连接到机柜上，防雷等级最高可达39ka，响应时间小于1ns。但当接地线上升时，就像在接地环事件中那样，你就需要隔离。隔离器将数据信号转换为光脉冲或电场，然后再转换回来。峰值和浪涌在隔离区停止。隔离器通过将直流电源转换为交流电源，然后再转换回来来保护电源线。

以太网电缆的有效范围仍然是100米，一如既往。但是，当与上述技术结合使用时，没有理由不能将网络扩展到几乎任何地方的任何设备。

- Mike Fahrion, B&B Electronics的产品管理总监，是数据通信方面的专家，拥有20年的设计和应用经验。他负责公司基于串行、以太网、无线和USB通信技术的无线和有线网络的坚固M2M连接解决方案的开发。法里恩是一名演讲家和作家，他写了一份自称政治不正确的时事通讯“eConnections”，每月有超过5万名订阅者。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，设备工程,Consulting-Specifying工程师，mhoske@cfemedia.com．

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