Malgrat l'ús generalitzat de les xarxes Ethernet, les tecnologies de comunicació basades en DSL segueixen sent rellevants fins als nostres dies. Fins ara, el DSL es pot trobar a les xarxes d'última milla per connectar equips d'abonats a xarxes de proveïdors d'Internet, i recentment la tecnologia s'utilitza cada cop més en la construcció de xarxes locals, per exemple, en aplicacions industrials, on DSL actua com a complement d'Ethernet. o xarxes de camp basades en RS-232/422/485. Solucions industrials similars s'utilitzen activament als països desenvolupats europeus i asiàtics.
DSL és una família d'estàndards que es van concebre originalment per transmetre dades digitals a través de línies telefòniques. Històricament, es va convertir en la primera tecnologia d'accés a Internet de banda ampla, substituint el DIAL UP i la RDSI. La gran varietat d'estàndards DSL que existeixen actualment es deu al fet que moltes empreses, a partir dels anys 80, van intentar desenvolupar i comercialitzar la seva pròpia tecnologia.
Tots aquests desenvolupaments es poden dividir en dues grans categories: tecnologies asimètriques (ADSL) i simètriques (SDSL). Asimètric es refereix a aquells en què la velocitat de la connexió d'entrada és diferent de la velocitat del trànsit de sortida. Per simètric entenem que les velocitats de recepció i transmissió són iguals.
Els estàndards asimètrics més coneguts i estesos són, de fet, l'ADSL (en l'última edició - ADSL2+) i el VDSL (VDSL2), simètric - HDSL (perfil obsolet) i SHDSL. Tots es diferencien entre si en el fet que operen a diferents freqüències i utilitzen diferents mètodes de codificació i modulació a la línia de comunicació física. Els mètodes de correcció d'errors també difereixen, donant lloc a diferents nivells d'immunitat al soroll. Com a resultat, cada tecnologia té els seus propis límits en la velocitat i la distància de transmissió de dades, inclòs en funció del tipus i qualitat del conductor.
Límits de diversos estàndards DSL
En qualsevol tecnologia DSL, la velocitat de transferència de dades disminueix a mesura que augmenta la longitud del cable. A distàncies extremes és possible obtenir velocitats de diversos centenars de kilobits, però quan es transmeten dades per sobre de 200-300 m, es disposa de la màxima velocitat possible.
Entre totes les tecnologies, SHDSL té un avantatge important que permet utilitzar-lo en aplicacions industrials: alta immunitat al soroll i la capacitat d'utilitzar qualsevol tipus de conductor per a la transmissió de dades. Aquest no és el cas dels estàndards asimètrics, i la qualitat de la comunicació depèn molt de la qualitat de la línia utilitzada per a la transmissió de dades. En particular, es recomana utilitzar un cable telefònic trenat. En aquest cas, una solució més fiable és utilitzar un cable òptic en comptes d'ADSL i VDSL.
Qualsevol parell de conductors aïllats entre si és adequat per a SHDSL: coure, alumini, acer, etc. El mitjà de transmissió pot ser cablejat elèctric antic, línies telefòniques antigues, tanques de filferro de pues, etc.
Dependència de la velocitat de transmissió de dades SHDSL de la distància i el tipus de conductor
A partir del gràfic de la velocitat de transferència de dades en funció de la distància i el tipus de conductor donat per a SHDSL, podeu veure que els conductors amb una gran secció transversal permeten transmetre informació a una distància més gran. Gràcies a la tecnologia, és possible organitzar la comunicació a una distància de fins a 20 km a una velocitat màxima possible de 15.3 Mb/s per a un cable de 2 fils o 30 Mb per a un cable de 4 fils. En aplicacions reals, la velocitat de transmissió es pot configurar manualment, cosa que és necessària en condicions de fortes interferències electromagnètiques o de mala qualitat de línia. En aquest cas, per augmentar la distància de transmissió, cal reduir la velocitat dels dispositius SHDSL. Per calcular amb precisió la velocitat en funció de la distància i el tipus de conductor, podeu utilitzar programari lliure com ara .
Per què SHDSL té una alta immunitat al soroll?
El principi de funcionament del transceptor SHDSL es pot representar en forma d'un diagrama de blocs, en el qual es distingeix una part específica i independent (invariant) des del punt de vista de l'aplicació. La part independent consta dels blocs funcionals PMD (Physical Medium Dependent) i PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), mentre que la part específica inclou la capa TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) i les interfícies de dades d'usuari.
L'enllaç físic entre transceptors (STU) pot existir com un sol parell o diversos cables d'un sol parell. En el cas de diversos parells de cables, la STU conté diversos PMD independents associats a un únic PMS-TC.
Model funcional del transceptor SHDSL (STU)
El mòdul TPS-TC depèn de l'aplicació en què s'utilitza el dispositiu (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). La seva tasca és convertir les dades d'usuari al format SHDSL, realitzar multiplexació/demultiplexació i ajust de temps de diversos canals de dades d'usuari.
A nivell de PMS-TC, es formen i sincronitzen trames SHDSL, així com la codificació i el descodificació.
El mòdul PMD realitza les funcions de codificació/descodificació d'informació, modulació/demodulació, cancel·lació d'eco, negociació de paràmetres a la línia de comunicació i establiment de connexions entre transceptors. És a nivell PMD on es realitzen les operacions principals per garantir una alta immunitat al soroll de SHDSL, inclosa la codificació TCPAM (Codificació enreixada amb modulació de pols analògic), un mecanisme de codificació i modulació conjunta que millora l'eficiència espectral del senyal en comparació amb un altre separat. mètode. El principi de funcionament del mòdul PMD també es pot representar en forma de diagrama funcional.
Diagrama de blocs del mòdul PMD
TC-PAM es basa en l'ús d'un codificador convolucional que genera una seqüència redundant de bits al costat del transmissor SHDSL. A cada cicle de rellotge, a cada bit que arriba a l'entrada del codificador se li assigna un bit doble (dibit) a la sortida. Així, a costa d'una redundància relativament petita, s'incrementa la immunitat del soroll de transmissió. L'ús de la modulació Trellis us permet reduir l'amplada de banda de transmissió de dades utilitzada i simplificar el maquinari mantenint la mateixa relació senyal-soroll.
Principi de funcionament del codificador Trellis (TC-PAM 16)
El doble bit està format per una operació lògica d'addició mòdul-2 (exclusiva o) basada en el bit d'entrada x1(tn) i els bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (en pot haver-hi fins a 20 en total), que es van rebre abans a l'entrada del codificador i es van emmagatzemar en registres de memòria. En el següent cicle de rellotge del codificador tn+1, els bits es desplaçaran a les cel·les de memòria per realitzar una operació lògica: el bit x1(tn) es mourà a la memòria, desplaçant tota la seqüència de bits emmagatzemats allà.
Algorisme de codificació convolucional
Taules de veritat per a l'operació d'addició mòdul 2
Per a més claredat, és convenient utilitzar un diagrama d'estats d'un codificador convolucional, des del qual podeu veure en quin estat es troba el codificador de vegades tn, tn+1, etc. en funció de les dades d'entrada. En aquest cas, l'estat del codificador significa un parell de valors del bit d'entrada x1(tn) i el bit de la primera cel·la de memòria x1(tn-1). Per construir un diagrama, podeu utilitzar un gràfic, als vèrtexs del qual hi ha estats possibles del codificador, i les transicions d'un estat a un altre s'indiquen mitjançant els corresponents bits d'entrada x1(tn) i els dibits de sortida $inline$y ₀y ₁(t ₀)$en línia$.
Diagrama d'estats i gràfic de transició d'un codificador convolucional del transmissor
En el transmissor, a partir dels quatre bits rebuts (dos bits de sortida del codificador i dos bits de dades), es forma un símbol, cadascun dels quals correspon a la seva pròpia amplitud del senyal modulador del modulador de pols analògic.
Estat de l'AIM de 16 bits en funció del valor del caràcter de quatre bits
Al costat del receptor del senyal, es produeix el procés invers: demodulació i selecció del codi redundant (bits dobles y0y1(tn)) de la seqüència requerida de bits d'entrada del codificador x1(tn). Aquesta operació la realitza un descodificador de Viterbi.
L'algoritme del descodificador es basa en calcular una mètrica d'error per a tots els estats possibles del codificador. La mètrica d'error fa referència a la diferència entre els bits rebuts i els bits esperats per a cada possible camí. Si no hi ha errors de recepció, la mètrica d'error de camí real serà 0 perquè no hi ha divergència de bits. Per als camins falsos, la mètrica diferirà de zero, augmentarà constantment i, al cap d'un temps, el descodificador deixarà de calcular el camí errònia, deixant només el veritable.
Diagrama d'estat del codificador calculat pel descodificador de Viterbi del receptor
Però, com garanteix aquest algorisme la immunitat al soroll? Suposant que el receptor ha rebut les dades per error, el descodificador continuarà calculant dos camins amb una mètrica d'error d'1. La ruta amb una mètrica d'error de 0 deixarà d'existir. Però l'algorisme traurà una conclusió sobre quin camí és cert més tard basant-se en els següents bits dobles rebuts.
Quan es produeixi el segon error, hi haurà diversos camins amb la mètrica 2, però el camí correcte s'identificarà més tard en funció del mètode de màxima probabilitat (és a dir, la mètrica mínima).
Diagrama d'estat del codificador calculat pel descodificador de Viterbi en rebre dades amb errors
En el cas descrit anteriorment, com a exemple, hem considerat l'algorisme d'un sistema de 16 bits (TC-PAM16), que garanteix la transmissió de tres bits d'informació útil i un bit addicional per a la protecció d'errors en un símbol. El TC-PAM16 aconsegueix velocitats de dades de 192 a 3840 kbps. En augmentar la profunditat de bits a 128 (els sistemes moderns funcionen amb TC-PAM128), es transmeten sis bits d'informació útil a cada símbol i la velocitat màxima assolible oscil·la entre 5696 kbps i 15,3 Mbps.
L'ús de la modulació de pols analògic (PAM) fa que SHDSL sigui semblant a una sèrie d'estàndards Ethernet populars, com ara gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10 gigabit 10GBASE-T (PAM-16) o Ethernet industrial d'un sol parell 2020BASE. -T10L, que és prometedor per al 1 (PAM-3).
SHDSL a través de xarxes Ethernet
Hi ha mòdems SHDSL gestionats i no gestionats, però aquesta classificació té poc en comú amb la divisió habitual en dispositius gestionats i no gestionats que existeix, per exemple, per als commutadors Ethernet. La diferència rau en les eines de configuració i supervisió. Els mòdems gestionats es configuren mitjançant una interfície web i es poden diagnosticar mitjançant SNMP, mentre que els mòdems no gestionats es poden diagnosticar mitjançant programari addicional mitjançant el port de la consola (per a Phoenix Contact, aquest és un programa PSI-CONF gratuït i una interfície mini-USB). A diferència dels commutadors, els mòdems no gestionats poden funcionar en una xarxa amb una topologia en anell.
En cas contrari, els mòdems gestionats i no gestionats són absolutament idèntics, incloent-hi la funcionalitat i la capacitat de treballar segons el principi Plug&Play, és a dir, sense cap configuració prèvia.
A més, els mòdems poden estar equipats amb funcions de protecció contra sobretensions amb la possibilitat de diagnosticar-los. Les xarxes SHDSL poden formar segments molt llargs i els conductors poden circular en llocs on es poden produir sobretensions (diferències de potencial induïdes causades per descàrregues de llamps o curtcircuits en línies de cable properes). La tensió induïda pot provocar que flueixin corrents de descàrrega de quiloamperes. Per tant, per protegir els equips d'aquests fenòmens, els SPD s'incorporen als mòdems en forma de placa extraïble, que es pot substituir si cal. És al bloc de terminals d'aquesta placa on es connecta la línia SHDSL.
Topologies
Utilitzant SHDSL sobre Ethernet, és possible construir xarxes amb qualsevol topologia: punt a punt, línia, estrella i anell. Al mateix temps, depenent del tipus de mòdem, podeu utilitzar línies de comunicació de 2 i 4 fils per a la connexió.
Topologies de xarxa Ethernet basades en SHDSL
També és possible construir sistemes distribuïts amb una topologia combinada. Cada segment de xarxa SHDSL pot tenir fins a 50 mòdems i, tenint en compte les capacitats físiques de la tecnologia (la distància entre mòdems és de 20 km), la longitud del segment pot arribar als 1000 km.
Si s'instal·la un mòdem gestionat al capdavant de cada segment, la integritat del segment es pot diagnosticar mitjançant SNMP. A més, els mòdems gestionats i no gestionats admeten la tecnologia VLAN, és a dir, permeten dividir la xarxa en subxarxes lògiques. Els dispositius també són capaços de treballar amb protocols de transferència de dades utilitzats en sistemes d'automatització moderns (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Reserva de canals de comunicació mitjançant SHDSL
SHDSL s'utilitza per crear canals de comunicació redundants en una xarxa Ethernet, sovint òptica.
SHDSL i interfície sèrie
Els mòdems SHDSL amb interfície sèrie superen les limitacions de distància, topologia i qualitat del conductor que existeixen per als sistemes tradicionals cablejats basats en transceptors asíncrons (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 i RS-485 - 1200 m.
Hi ha mòdems amb interfícies sèrie (RS-232/422/485) tant per a aplicacions universals com especialitzades (per exemple, per a Profibus). Tots aquests dispositius pertanyen a la categoria "no gestionats", per la qual cosa es configuren i es diagnostiquen mitjançant un programari especial.
Topologies
En xarxes amb interfície sèrie, mitjançant SHDSL és possible construir xarxes amb topologies punt a punt, línia i estrella. Dins de la topologia lineal, és possible combinar fins a 255 nodes en una xarxa (per a Profibus - 30).
En els sistemes construïts amb només dispositius RS-485, no hi ha restriccions en el protocol de transferència de dades utilitzat, però les topologies de línia i estrella són atípiques per a RS-232 i RS-422, de manera que el funcionament dels dispositius finals en una xarxa SHDSL amb topologies similars només és possible en mode semidúplex. Al mateix temps, en sistemes amb RS-232 i RS-422, l'adreçament del dispositiu s'ha de proporcionar a nivell de protocol, que no és típic de les interfícies que s'utilitzen més sovint en xarxes punt a punt.
Quan es connecten dispositius amb diferents tipus d'interfícies mitjançant SHDSL, cal tenir en compte el fet que no hi ha un mecanisme únic per establir una connexió (encaixada de mans) entre dispositius. No obstant això, encara és possible organitzar un intercanvi en aquest cas, per a això s'han de complir les condicions següents:
- la coordinació de la comunicació i el control de la transferència de dades s'han de realitzar a nivell d'un protocol unificat de transferència de dades d'informació;
- tots els dispositius finals han de funcionar en mode semidúplex, que també ha de ser compatible amb el protocol d'informació.
El protocol Modbus RTU, el protocol més comú per a interfícies asíncrones, permet evitar totes les limitacions descrites i construir un únic sistema amb diferents tipus d'interfícies.
Topologies de xarxa sèrie basades en SHDSL
Quan utilitzeu RS-485 de dos cables a l'equip Podeu construir estructures més complexes combinant mòdems mitjançant un bus en un carril DIN. Al mateix bus es pot instal·lar una font d'alimentació (en aquest cas, tots els dispositius s'alimenten mitjançant el bus) i convertidors òptics de la sèrie PSI-MOS per crear una xarxa combinada. Una condició important per al funcionament d'aquest sistema és la mateixa velocitat de tots els transceptors.
Característiques addicionals de SHDSL en una xarxa RS-485
Exemples d'aplicació
La tecnologia SHDSL s'utilitza activament als serveis municipals d'Alemanya. Més de 50 empreses que donen servei als sistemes de serveis públics de la ciutat utilitzen cables de coure antics per connectar objectes distribuïts per tota la ciutat amb una xarxa. Els sistemes de control i comptabilitat per al subministrament d'aigua, gas i energia es basen principalment en SHDSL. Entre aquestes ciutats hi ha Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder i moltes altres.
El sistema més gran basat en SHDSL es va crear a la ciutat de Lübeck. El sistema té una estructura combinada basada en Ethernet òptica i SHDSL, connecta 120 objectes distants entre si i utilitza més de 50 mòdems. . Tota la xarxa es diagnostica mitjançant SNMP. El tram més llarg des de Kalkhorst fins a l'aeroport de Lübeck té 39 km. El motiu pel qual l'empresa client va triar SHDSL va ser que no era econòmicament viable implementar el projecte totalment en òptica, donada la disponibilitat de cables de coure antics.
Transmissió de dades mitjançant anell deslizant
Un exemple interessant és la transferència de dades entre objectes en moviment, com es fa en aerogeneradors o grans màquines de torsió industrials. S'utilitza un sistema similar per a l'intercanvi d'informació entre controladors situats al rotor i l'estator de les plantes. En aquest cas, s'utilitza un contacte lliscant a través d'un anell lliscant per transmetre dades. Exemples com aquest mostren que no és necessari tenir un contacte estàtic per transmetre dades a través de SHDSL.
Comparació amb altres tecnologies
SHDSL vs GSM
Si comparem SHDSL amb sistemes de transmissió de dades basats en GSM (3G/4G), aleshores l'absència de costos operatius associats als pagaments regulars a l'operador per accedir a la xarxa mòbil parla a favor del DSL. Amb SHDSL, som independents de l'àrea de cobertura, qualitat i fiabilitat de les comunicacions mòbils en una instal·lació industrial, inclosa la resistència a les interferències electromagnètiques. Amb SHDSL no cal configurar equips, la qual cosa accelera la posada en marxa de la instal·lació. Les xarxes sense fil es caracteritzen per grans retards en la transmissió de dades i dificultats per transmetre dades mitjançant trànsit multicast (Profinet, Ethernet IP).
La seguretat de la informació parla a favor de SHDSL per l'absència de la necessitat de transferir dades per Internet i la necessitat de configurar connexions VPN per a això.
SHDSL vs Wi-Fi
Gran part del que s'ha dit sobre GSM també es pot aplicar a la Wi-Fi industrial. La immunitat al soroll baix, la distància de transmissió de dades limitada, la dependència de la topologia de la zona i els retards en la transmissió de dades parlen en contra del Wi-Fi. L'inconvenient més important és la seguretat de la informació de les xarxes Wi-Fi, perquè qualsevol persona té accés al mitjà de transmissió de dades. Amb Wi-Fi ja és possible transmetre dades IP Profinet o Ethernet, cosa que seria difícil per a GSM.
SHDSL vs òptica
En la gran majoria dels casos, l'òptica té un gran avantatge respecte a SHDSL, però en una sèrie d'aplicacions SHDSL permet estalviar temps i diners en la col·locació i soldadura de cables òptics, reduint el temps necessari per posar en funcionament una instal·lació. SHDSL no requereix connectors especials, perquè el cable de comunicació simplement està connectat al terminal del mòdem. A causa de les propietats mecàniques dels cables òptics, el seu ús és limitat en aplicacions que impliquen la transferència d'informació entre objectes en moviment, on els conductors de coure són més habituals.
Font: www.habr.com
