A pesar de la amplia difusión de las redes Ethernet, las tecnologías de comunicación basadas en DSL siguen siendo relevantes hoy en día. Todavía se puede encontrar DSL en las redes de última milla para conectar el equipo del abonado con las redes de los proveedores de Internet, y últimamente la tecnología se utiliza cada vez más en la construcción de redes locales, por ejemplo, en aplicaciones industriales, donde DSL actúa como complemento de Ethernet o de las redes de campo basadas en RS-232/422/485. Estas soluciones industriales se aplican activamente en los países europeos y asiáticos desarrollados.
DSL es una familia de estándares que se ideó originalmente para transmitir datos digitales a través de líneas telefónicas. Históricamente, fue la primera tecnología de acceso de banda ancha a Internet, sucediendo al DIAL UP y a ISDN. La gran variedad de estándares DSL existentes en la actualidad se debe a que muchas empresas, a partir de la década de 1980, han intentado desarrollar y promover en el mercado su propia tecnología.
Todos estos desarrollos se pueden dividir en dos grandes categorías: tecnologías asimétricas (ADSL) y simétricas (SDSL). Las asimétricas son aquellas en las que la velocidad de la conexión entrante difiere de la velocidad del tráfico saliente. En las simétricas, las velocidades de recepción y transmisión son iguales.
Los estándares asimétricos más conocidos y extendidos son, en efecto, ADSL (en su última versión, ADSL2+) y VDSL (VDSL2), mientras que los simétricos incluyen HDSL (perfil obsoleto) y SHDSL. Se diferencian por el hecho de que operan en diferentes frecuencias, utilizan diversos métodos de codificación y modulación en la línea de comunicación física. También se diferencian en los métodos de corrección de errores, lo que proporciona diferentes niveles de inmunidad al ruido. Como resultado, cada tecnología tiene sus límites en velocidad y distancia de transmisión de datos, que dependen también del tipo y calidad del conductor.
Parámetros límites de los diferentes estándares DSL
En cualquier tecnología DSL, la velocidad de transmisión de datos disminuye a medida que aumenta la longitud del conductor. A distancias máximas es posible alcanzar velocidades de varios cientos de kilobits, pero al transmitir datos a 200-300 m, se puede obtener la velocidad máxima posible.
Entre todas las tecnologías, SHDSL tiene una ventaja significativa que permite su uso en aplicaciones industriales: alta resistencia a interferencias y la posibilidad de utilizar cualquier tipo de conductor para la transmisión de datos. Esto no está presente en los estándares asimétricos, donde la calidad de la conexión depende en gran medida de la calidad de la línea utilizada para la transmisión de datos. En particular, se recomienda usar cable telefónico trenzado. En este caso, una solución más fiable que ADSL y VDSL es usar cable óptico.
Cualquier par de conductores aislados entre sí, ya sean de cobre, aluminio, acero, etc., es adecuado para SHDSL. Como medio de transmisión se puede utilizar cableado eléctrico antiguo, líneas telefónicas antiguas, alambres de púa de cercas, etc.
Dependencia de la velocidad de transmisión de datos SHDSL en función de la distancia y el tipo de conductor
Del gráfico que muestra la dependencia de la velocidad de transmisión de datos en función de la distancia y el tipo de conductor, se puede observar que los conductores de mayor sección permiten transmitir información a mayores distancias. Gracias a esta tecnología, es posible establecer comunicación a distancias de hasta 20 km con una velocidad máxima de 15.3 Mb/s para un cable de 2 conductores o 30 Mb para un cable de 4 conductores. En aplicaciones reales, la velocidad de transmisión puede ajustarse manualmente, lo que es necesario en condiciones de fuertes interferencias electromagnéticas o mala calidad de la línea. En este caso, para aumentar la distancia de transmisión, es necesario reducir la velocidad de funcionamiento de los dispositivos SHDSL. Para calcular con precisión la velocidad en función de la distancia y el tipo de conductor, se pueden utilizar herramientas de software gratuitas, como .
¿Qué hace que SHDSL tenga una alta resistencia a interferencias?
El principio de funcionamiento del transceptor SHDSL se puede representar en un diagrama de bloques, en el cual se distingue una parte específica e independiente (invariante) desde el punto de vista de la aplicación. La parte independiente consiste en bloques funcionales PMD (Dependiente del Medio Físico) y PMS-TC (Capa TC Específica del Medio Físico), mientras que la parte específica incluye el nivel TPS-TC (Capa TC Específica del Protocolo de Transmisión) y las interfaces de datos del usuario.
La línea de comunicación física entre los transceptores (STU) puede existir en forma de un solo par o varios pares de cable. En el caso de varios pares de cable, el STU contiene varios bloques PMD independientes, relacionados con un único PMS-TC.
Modelo funcional del transceptor SHDSL (STU)
El módulo TPS-TC depende de la aplicación en la que se utiliza el dispositivo (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Su función es convertir los datos de usuario en formato SHDSL, realizando la multiplexión/demultiplexión y la sincronización de múltiples canales de datos de usuario.
A nivel de PMS-TC se lleva a cabo la formación de tramas SHDSL y su sincronización, así como el escrambling y descrambling.
El módulo PMD realiza funciones de codificación/decodificación de la información, modulación/demodulación, supresión de eco, ajuste de parámetros en la línea de comunicación y establecimiento de la conexión entre los transceptores. Es a nivel de PMD donde se realizan las operaciones principales que garantizan una alta inmunidad al ruido en SHDSL, incluyendo la codificación TCPAM (Codificación Trellis con modulación analógica-pulsada), un mecanismo de codificación y modulación conjunta que mejora la eficiencia espectral de la señal en comparación con el método separado. El principio de funcionamiento del módulo PMD también puede representarse en un diagrama funcional.
Diagrama de bloque del módulo PMD
La base del TC-PAM es el uso de un codificador convolucional que genera una secuencia de bits redundante en el lado del transmisor SHDSL. En cada ciclo de operación, a cada bit que ingresa al codificador se le asigna un par de bits (dibit) en la salida. Así, a costa de una redundancia relativamente pequeña, se mejora la inmunidad a interferencias de la transmisión. El uso de modulación Trellis permite reducir el ancho de banda utilizado para la transmisión de datos y simplificar la parte de hardware, manteniendo la relación señal/ruido.
Principio de funcionamiento del codificador Trellis (TC-PAM 16)
Un bit doble se forma como resultado de una operación lógica de suma módulo 2 (exclusivo «o») basada en el bit de entrada x1(tn) y los bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (pueden ser hasta 20), que han ingresado al codificador previamente y se han almacenado en los registros de memoria. En el siguiente ciclo de trabajo del codificador tn+1, ocurrirá un desplazamiento de los bits en las celdas de memoria para realizar la operación lógica: el bit x1(tn) se moverá a la memoria, desplazando toda la secuencia de bits almacenada allí.
Algoritmo del codificador convolucional
Tablas de verdad de la operación de suma módulo 2
Para mayor claridad, es conveniente utilizar un diagrama de estado del codificador convolucional, en el cual se puede ver en qué estado se encuentra el codificador en los momentos tn, tn+1, etc., dependiendo de los datos de entrada. En este caso, el estado del codificador se refiere a la pareja de valores del bit de entrada x1(tn) y el bit en la primera celda de memoria x1(tn-1). Para construir el diagrama, se puede utilizar un grafo en cuyas vértices se encuentran los estados posibles del codificador, y las transiciones de un estado a otro están indicadas por los bits de entrada x1(tn) y los bits de salida del dibit $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagrama de estados y grafos de transición del codificador convolucional del transmisor
En el transmisor, a partir de los cuatro bits obtenidos (dos bits de salida del codificador y dos bits de datos), se forma un símbolo, cada uno de los cuales corresponde a una amplitud específica de la señal moduladora del modulador analógico-pulsado.
Estado de 16 bits del AIMP en función del valor del símbolo de cuatro bits
Del lado del receptor de la señal, ocurre el proceso inverso: demodulación y extracción de la secuencia de bits de entrada necesarios del código redundante (dobles bits y0y1(tn)) del codificador x1(tn). Esta operación es realizada por el decodificador de Viterbi.
El algoritmo del decodificador se basa en el cálculo de la métrica de errores para todas las posibles configuraciones supuestas del codificador. La métrica de errores se entiende como la diferencia entre los bits recibidos y los bits supuestos para cada posible camino. Si no hay errores en la recepción, la métrica de errores del camino verdadero será 0, ya que no hay discrepancias en los bits. Para caminos falsos, la métrica será diferente de cero, aumentará constantemente y después de un tiempo el decodificador dejará de calcular el camino erróneo, dejando solo el verdadero.
Diagrama de estados del codificador, calculada por el decodificador Viterbi del receptor
Pero, ¿cómo asegura este algoritmo la resistencia a interferencias? Si asumimos que el receptor recibió datos con errores, el decodificador continuará calculando dos caminos con métrica de error 1. El camino con métrica 0 ya no existirá. Pero la determinación de cuál es el camino correcto la hará más tarde basándose en los siguientes pares de bits recibidos.
Al aparecer un segundo error, habrá varios caminos con métrica 2, pero el camino correcto se identificará más tarde mediante el método de máxima verosimilitud (es decir, la métrica mínima).
Diagrama de estados del codificador, calculada por el decodificador Viterbi, al recibir datos con errores
En el caso descrito anteriormente, se consideró el algoritmo de un sistema de 16 bits (TC-PAM16), que permite la transmisión de tres bits de información útil en un solo símbolo y un bit adicional para la protección contra errores. En TC-PAM16, se logra una velocidad de transmisión de datos de 192 a 3840 kbit/s. Al aumentar la resolución a 128 (los sistemas modernos funcionan con TC-PAM128), se transmiten seis bits de información útil en cada símbolo, y la velocidad máxima alcanzable oscila entre 5696 kbit/s y 15,3 Mbit/s.
El uso de modulación por impulso analógico (PAM) hace que SHDSL se asemeje a varios estándares de Ethernet populares, como el gigabit 1000BASE-T (PAM-5), el 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) o el prometedor Ethernet industrial de par único 10BASE-T1L (PAM-3) para el 2020.
SHDSL en redes Ethernet
Se diferencian los módems SHDSL gestionados y no gestionados, pero en esta clasificación hay poco en común con la división habitual entre dispositivos gestionados y no gestionados, que existe, por ejemplo, para los conmutadores de Ethernet. La diferencia radica en los medios de configuración y monitoreo. Los módems gestionados se configuran a través de una interfaz web y se pueden diagnosticar mediante SNMP, mientras que los no gestionados lo hacen a través de software adicional mediante un puerto de consola (para Phoenix Contact, este es el programa gratuito PSI-CONF y la interfaz mini-USB). A diferencia de los conmutadores, los módems no gestionados pueden trabajar en una red con topología de anillo.
En todo lo demás, los módems gestionados y no gestionados son absolutamente idénticos, incluyendo la funcionalidad y la posibilidad de trabajar bajo el principio de Plug&Play, es decir, sin ninguna configuración previa.
Además, los módems pueden tener funciones de protección contra sobretensiones con la capacidad de diagnóstico. Las redes SHDSL pueden formar segmentos muy extensos, y los conductores pueden pasar por lugares donde es posible la formación de sobretensiones (diferencia de potencial inducida, causada por descargas eléctricas o cortocircuitos en líneas de cable cercanas). La tensión inducida puede causar el paso de corrientes de descarga de varios kiloamperios. Por lo tanto, para proteger el equipo de tales fenómenos, los módems incorporan dispositivos de protección contra sobretensiones en forma de una placa extraíble, que puede ser reemplazada si es necesario. Es a la terminal de esta placa donde se conecta la línea SHDSL.
Topologías
Con SHDSL en Ethernet es posible construir redes con cualquier topología: punto a punto, línea, estrella y anillo. Dependiendo del tipo de módem, se pueden utilizar líneas de comunicación de 2 o 4 hilos para la conexión.
Topologías de red Ethernet basadas en SHDSL
También es posible construir sistemas distribuidos con topología combinada. Cada segmento de la red SHDSL puede contar con hasta 50 módems y, considerando las capacidades físicas de la tecnología (distancia entre módems de 20 km), la longitud del segmento puede alcanzar hasta 1000 km.
Si en el extremo de cada segmento se instala un módem gestionado, se puede diagnosticar la integridad del segmento mediante SNMP. Además, tanto los módems gestionados como los no gestionados son compatibles con la tecnología VLAN, lo que permite dividir la red en subredes lógicas. También son capaces de trabajar con los protocolos de transmisión de datos utilizados en los modernos sistemas de automatización (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Reservas de canales de comunicación con SHDSL
SHDSL se utiliza para crear canales de comunicación de respaldo en la red Ethernet, siendo más comúnmente ópticos.
SHDSL y la interfaz serie
Los módems SHDSL con interfaz serie permiten superar las limitaciones de distancia, topología y calidad del conductor que existen para los sistemas de cable tradicionales basados en transceptores asíncronos (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 y RS-485 — 1200 m.
Existen módems con interfaces seriales (RS-232/422/485) tanto para aplicaciones generales como especializadas (por ejemplo, para Profibus). Todos estos dispositivos se clasifican como "no gestionados", por lo que se configuran y diagnostican mediante software especializado.
Topologías
En redes con interfaz serial, mediante SHDSL es posible construir redes con topologías punto a punto, línea y estrella. En la topología lineal, se pueden conectar hasta 255 nodos en una sola red (para Profibus, 30).
En sistemas construidos únicamente con dispositivos que utilizan la interfaz RS-485, no hay restricciones en el protocolo de transmisión de datos utilizado, pero las topologías de tipo línea y estrella son atípicas para RS-232 y RS-422, por lo que el funcionamiento de dispositivos finales en una red SHDSL con dichas topologías es posible solo en modo semiduplex. Al mismo tiempo, en sistemas con RS-232 y RS-422, la dirección de los dispositivos debe garantizarse a nivel de protocolo, lo cual no es característico de las interfaces más comúnmente utilizadas en redes punto a punto.
Al conectar a través de SHDSL dispositivos con diferentes tipos de interfaz, es necesario tener en cuenta la ausencia de un mecanismo único para establecer la conexión (apretón de manos) entre los dispositivos. Sin embargo, organizar el intercambio en este caso sigue siendo posible, siempre que se cumplan las siguientes condiciones:
- la sincronización de la conexión y el control de la transmisión de datos deben realizarse a nivel de un único protocolo informático de transmisión de datos;
- todos los dispositivos finales deben operar en modo semiduplex, lo que también debe ser compatible con el protocolo informático.
El protocolo Modbus RTU, que es el más común para interfaces asíncronas, permite evitar todas las restricciones mencionadas y construir un sistema único con diferentes tipos de interfaces.
Topologías de red con interfaz serial basadas en SHDSL
Al utilizar RS-485 de dos hilos en el equipo se pueden construir estructuras más complejas al interconectar módems a través de un solo bus en un riel DIN. En este mismo bus se puede instalar una fuente de alimentación (en este caso, la alimentación de todos los dispositivos se realiza a través del bus) y convertidores ópticos de la serie PSI-MOS para crear una red combinada. Una condición importante para el funcionamiento de este sistema es que todos los transceptores operen a la misma velocidad.
Funciones adicionales de SHDSL en la red RS-485
Ejemplos de aplicación
La tecnología SHDSL se utiliza activamente en el sector de servicios públicos en Alemania. Más de 50 empresas que gestionan sistemas públicos urbanos utilizan cables de cobre antiguos para conectar elementos distribuidos por la ciudad en una sola red. Las primeras aplicaciones de SHDSL se desarrollan en sistemas de control y medición para el abastecimiento de agua, gas y energía. Entre estas ciudades se encuentran Ulm, Magdeburgo, Ingolstadt, Bielefeld, Francfort del Óder y muchas más.
El sistema más extenso basado en SHDSL fue creado en la ciudad de Lübeck. Este sistema tiene una estructura combinada que une Ethernet óptico y SHDSL, conecta 120 elementos distantes entre sí y utiliza más de 50 módems. . Toda la red se diagnostica mediante SNMP. El segmento más largo, que va de la comuna de Kalkhorst al aeropuerto de Lübeck, tiene una longitud de 39 km. La razón por la que la empresa contratante eligió SHDSL se debió a que la implementación del proyecto completamente en fibra óptica no era económicamente viable considerando la existencia de cables de cobre antiguos.
La transmisión de datos a través del anillo de contacto
Un ejemplo interesante es la transmisión de datos entre objetos en movimiento, como se hace en aerogeneradores o en grandes máquinas de torsión industriales. Este sistema se utiliza para el intercambio de información entre los controladores ubicados en el rotor y el estator de las instalaciones. En este caso, se utiliza un contacto deslizante a través del anillo de contacto para la transmisión de datos. Ejemplos como este demuestran que no es necesario tener un contacto estático para la transmisión de datos a través de SHDSL.
Comparación con otras tecnologías
SHDSL vs GSM
Si comparamos SHDSL con sistemas de transmisión de datos basados en GSM (3G/4G), la ventaja de DSL es la ausencia de costos operativos relacionados con el pago regular al operador por el acceso a la red móvil. Con SHDSL, no dependemos de la cobertura, calidad y fiabilidad de la señal móvil en un entorno industrial, incluyendo su resistencia a interferencias electromagnéticas. En SHDSL no es necesario configurar el equipo, lo que acelera la puesta en marcha del sistema. Las redes inalámbricas se caracterizan por tener una mayor latencia en la transmisión de datos y dificultades en la transmisión de datos que utilizan tráfico multicast (Profinet, Ethernet IP).
La seguridad de la información es un punto a favor de SHDSL debido a la ausencia de la necesidad de transmitir datos a través de Internet y la falta de necesidad de configurar conexiones VPN para ello.
SHDSL vs Wi-Fi
Mucho de lo que se ha dicho sobre GSM también se aplica al Wi-Fi industrial. Lo que juega en contra del Wi-Fi es su baja resistencia a interferencias, la limitada distancia de transmisión, la dependencia de la topología del terreno y la latencia en la transmisión. La mayor desventaja son los problemas de seguridad informática en redes Wi-Fi, ya que cualquier persona tiene acceso al medio de transmisión de datos. Con Wi-Fi ya es posible transmitir datos Profinet o Ethernet IP, lo que sería complicado para GSM.
SHDSL vs óptica
La fibra óptica tiene una ventaja considerable sobre SHDSL en la mayoría de los casos, pero en ciertas aplicaciones, SHDSL permite ahorrar tiempo y recursos en la instalación y unión de cables de fibra óptica, reduciendo el tiempo de puesta en marcha del sistema. Para SHDSL no se requieren conectores especiales, ya que el cable de comunicación se conecta directamente a la terminal del módem. Debido a las propiedades mecánicas de los cables de fibra óptica, su uso está limitado en aplicaciones relacionadas con la transmisión de información entre objetos en movimiento, donde los conductores de cobre han ganado mayor popularidad.
Fuente: habr.com
