A pesar del uso generalizado de redes Ethernet, las tecnologías de comunicación basadas en DSL siguen siendo relevantes hasta el día de hoy. Hasta ahora, DSL se puede encontrar en redes de última milla para conectar equipos de suscriptores a redes de proveedores de Internet, y recientemente 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 redes de campo basadas en RS-232/422/485. Soluciones industriales similares se utilizan activamente en los países desarrollados de Europa y Asia.
DSL es una familia de estándares que fueron concebidos originalmente para transmitir datos digitales a través de líneas telefónicas. Históricamente, se convirtió en la primera tecnología de acceso a Internet de banda ancha, reemplazando al DIAL UP y al ISDN. La gran variedad de estándares DSL que existen actualmente se debe a que muchas empresas, a partir de los años 80, intentaron desarrollar y comercializar su propia tecnología.
Todos estos desarrollos se pueden dividir en dos grandes categorías: tecnologías asimétricas (ADSL) y simétricas (SDSL). Asimétrico se refiere a aquellos en los que la velocidad de la conexión entrante es diferente a la velocidad del tráfico saliente. Por simétrico queremos decir que las velocidades de recepción y transmisión son iguales.
Los estándares asimétricos más conocidos y extendidos son, de hecho, ADSL (en la última edición, ADSL2+) y VDSL (VDSL2), simétricos, HDSL (perfil obsoleto) y SHDSL. Todos se diferencian entre sí en que operan a diferentes frecuencias y utilizan diferentes métodos de codificación y modulación en la línea de comunicación física. Los métodos de corrección de errores también difieren, lo que da como resultado diferentes niveles de inmunidad al ruido. Como resultado, cada tecnología tiene sus propios límites en la velocidad y distancia de transmisión de datos, incluso dependiendo del tipo y calidad del conductor.
Límites de varios estándares DSL
En cualquier tecnología DSL, la velocidad de transferencia de datos disminuye a medida que aumenta la longitud del cable. A distancias extremas es posible obtener velocidades de varios cientos de kilobits, pero cuando se transmiten datos a más de 200-300 m, se dispone de la velocidad máxima posible.
Entre todas las tecnologías, SHDSL tiene una gran ventaja que permite su uso en aplicaciones industriales: alta inmunidad al ruido y la capacidad de utilizar cualquier tipo de conductor para la transmisión de datos. Este no es el caso de los estándares asimétricos y la calidad de la comunicación depende en gran medida de la calidad de la línea utilizada para la transmisión de datos. En particular, se recomienda utilizar un cable telefónico trenzado. En este caso, una solución más fiable es utilizar un cable óptico en lugar de ADSL y VDSL.
Para SHDSL es adecuado cualquier par de conductores aislados entre sí: cobre, aluminio, acero, etc. El medio de transmisión puede ser cableado eléctrico antiguo, líneas telefónicas antiguas, cercas de alambre de púas, etc.
Dependencia de la velocidad de transmisión de datos SHDSL de la distancia y el tipo de conductor
En el gráfico de velocidad de transferencia de datos en función de la distancia y el tipo de conductor proporcionado para SHDSL, se puede ver que los conductores con una sección transversal grande le permiten transmitir información a una distancia mayor. Gracias a la tecnología, es posible organizar la comunicación a una distancia de hasta 20 km a una velocidad máxima posible de 15.3 Mb/s para un cable de 2 hilos o 30 Mb para un cable de 4 hilos. En aplicaciones reales, la velocidad de transmisión se puede configurar manualmente, lo cual 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 los dispositivos SHDSL. Para calcular con precisión la velocidad en función de la distancia y el tipo de conductor, puede utilizar software gratuito como .
¿Por qué SHDSL tiene una alta inmunidad al ruido?
El principio de funcionamiento del transceptor SHDSL se puede representar en forma de un diagrama de bloques, en el que se distingue una parte específica e independiente (invariante) desde el punto de vista de la aplicación. La parte independiente consta de bloques funcionales PMD (Physical Medium Dependent) y PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), mientras que la parte específica incluye la capa TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) y las interfaces de datos de usuario.
El enlace físico entre transceptores (STU) puede existir como un solo par o varios cables de un solo par. En el caso de múltiples pares de cables, la STU contiene múltiples PMD independientes asociados con un único PMS-TC.
Modelo funcional del transceptor SHDSL (STU)
El módulo TPS-TC depende de la aplicación en la que se utilice el dispositivo (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Su tarea es convertir los datos del usuario al formato SHDSL, realizar la multiplexación/demultiplexación y el ajuste de tiempo de varios canales de datos del usuario.
En el nivel PMS-TC, las tramas SHDSL se forman y sincronizan, así como también se codifican y decodifican.
El módulo PMD realiza las funciones de codificación/decodificación de información, modulación/demodulación, cancelación de eco, negociación de parámetros en la línea de comunicación y establecimiento de conexiones entre transceptores. Es en el nivel PMD donde se realizan las operaciones principales para garantizar una alta inmunidad al ruido de SHDSL, incluida la codificación TCPAM (codificación Trellis con modulación de pulso analógica), un mecanismo conjunto de codificación y modulación que mejora la eficiencia espectral de la señal en comparación con una señal separada. método. El principio de funcionamiento del módulo PMD también se puede representar mediante un diagrama funcional.
Diagrama de bloques del módulo PMD
TC-PAM se basa en el uso de un codificador convolucional que genera una secuencia redundante de bits en el lado del transmisor SHDSL. En cada ciclo de reloj, a cada bit que llega a la entrada del codificador se le asigna un bit doble (dibit) en la salida. Por tanto, a costa de una redundancia relativamente pequeña, se aumenta la inmunidad al ruido de transmisión. El uso de la modulación Trellis le permite reducir el ancho de banda de transmisión de datos utilizado y simplificar el hardware manteniendo la misma relación señal-ruido.
Principio de funcionamiento del codificador Trellis (TC-PAM 16)
El bit doble se forma mediante una operación de suma lógica de módulo 2 (o exclusivo) basada en el bit de entrada x1(tn) y los bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (puede haber hasta 20 de ellos en total), que se recibieron anteriormente en la entrada del codificador y permanecieron almacenados en los registros de memoria. En el siguiente ciclo de reloj del codificador tn+1, los bits se desplazarán en las celdas de memoria para realizar una operación lógica: el bit x1(tn) se moverá a la memoria, desplazando toda la secuencia de bits almacenados allí.
Algoritmo codificador convolucional
Tablas de verdad para la suma módulo 2
Para mayor claridad, es conveniente utilizar un diagrama de estado de un codificador convolucional, desde 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 significa un par de valores del bit de entrada x1(tn) y el bit en la primera celda de memoria x1(tn-1). Para construir un diagrama, puede utilizar un gráfico en cuyos vértices se encuentran los posibles estados del codificador, y las transiciones de un estado a otro se indican mediante los bits de entrada correspondientes x1(tn) y los dibits de salida $inline$y ₀y ₁(t ₀)$en línea$.
Diagrama de estado y gráfico de transición de un codificador convolucional transmisor.
En el transmisor, a partir de los cuatro bits recibidos (dos bits de salida del codificador y dos bits de datos), se forma un símbolo, cada uno de los cuales corresponde a su propia amplitud de la señal moduladora del modulador de pulso analógico.
Estado del AIM de 16 bits en función del valor del carácter de cuatro bits
Del lado del receptor de señal, ocurre el proceso inverso: demodulación y selección del código redundante (bits dobles y0y1(tn)) de la secuencia requerida de bits de entrada del codificador x1(tn). Esta operación la realiza un decodificador Viterbi.
El algoritmo del decodificador se basa en calcular una métrica de error para todos los posibles estados esperados del codificador. La métrica de error se refiere a la diferencia entre los bits recibidos y los bits esperados para cada ruta posible. Si no hay errores de recepción, entonces la métrica de error de ruta verdadera será 0 porque no hay divergencia de bits. Para rutas falsas, la métrica diferirá de cero, aumentará constantemente y, después de un tiempo, el decodificador dejará de calcular la ruta errónea, dejando solo la verdadera.
Diagrama de estado del codificador calculado por el decodificador Viterbi del receptor.
Pero, ¿cómo garantiza este algoritmo la inmunidad al ruido? Suponiendo que el receptor recibió los datos por error, el decodificador continuará calculando dos rutas con una métrica de error de 1. La ruta con una métrica de error de 0 ya no existirá. Pero el algoritmo llegará a una conclusión sobre qué ruta es verdadera más adelante en función de los siguientes bits dobles recibidos.
Cuando ocurre el segundo error, habrá múltiples rutas con la métrica 2, pero la ruta correcta se identificará más adelante según el método de máxima verosimilitud (es decir, la métrica mínima).
Diagrama de estado del codificador calculado por el decodificador Viterbi al recibir datos con errores
En el caso descrito anteriormente, como ejemplo, consideramos el algoritmo de un sistema de 16 bits (TC-PAM16), que garantiza la transmisión de tres bits de información útil y un bit adicional para protección contra errores en un símbolo. El TC-PAM16 alcanza velocidades de datos de 192 a 3840 kbps. Al aumentar la profundidad de bits 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 kbps y 15,3 Mbps.
El uso de modulación de pulso analógico (PAM) hace que SHDSL sea similar a varios estándares Ethernet populares, como gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10 gigabit 10GBASE-T (PAM-16) o Ethernet industrial de par único 2020BASE. -T10L, que promete para 1 (PAM-3).
SHDSL sobre redes Ethernet
Hay módems SHDSL gestionados y no gestionados, pero esta clasificación tiene poco en común con la división habitual en dispositivos gestionados y no gestionados que existe, por ejemplo, para los conmutadores Ethernet. La diferencia radica en las herramientas de configuración y seguimiento. Los módems administrados se configuran a través de una interfaz web y se pueden diagnosticar mediante SNMP, mientras que los módems no administrados se pueden diagnosticar mediante software adicional a través del puerto de consola (para Phoenix Contact, este es un programa PSI-CONF gratuito y una interfaz mini-USB). A diferencia de los conmutadores, los módems no administrados pueden funcionar en una red con topología de anillo.
Por lo demás, los módems gestionados y no gestionados son absolutamente idénticos, incluida la funcionalidad y la capacidad de funcionar según el principio Plug&Play, es decir, sin ninguna configuración previa.
Además, los módems pueden equiparse con funciones de protección contra sobretensiones con la capacidad de diagnosticarlas. Las redes SHDSL pueden formar segmentos muy largos y los conductores pueden tender en lugares donde pueden ocurrir sobretensiones (diferencias de potencial inducidas causadas por descargas de rayos o cortocircuitos en líneas de cable cercanas). El voltaje inducido puede hacer que fluyan corrientes de descarga de kiloamperios. Por lo tanto, para proteger el equipo de tales fenómenos, los SPD están integrados en los módems en forma de placa extraíble, que puede reemplazarse si es necesario. Es al bloque de terminales de esta placa donde está conectada la línea SHDSL.
Topologías
Utilizando SHDSL sobre Ethernet, es posible construir redes con cualquier topología: punto a punto, línea, estrella y anillo. Al mismo tiempo, dependiendo del tipo de módem, puede utilizar líneas de comunicación de 2 y 4 hilos para la conexión.
Topologías de red Ethernet basadas en SHDSL
También es posible construir sistemas distribuidos con una topología combinada. Cada segmento de la red SHDSL puede tener hasta 50 módems y, teniendo en cuenta las capacidades físicas de la tecnología (la distancia entre módems es de 20 km), la longitud del segmento puede alcanzar los 1000 km.
Si se instala un módem administrado al principio de cada segmento, entonces la integridad del segmento se puede diagnosticar mediante SNMP. Además, los módems administrados y no administrados admiten la tecnología VLAN, es decir, le permiten dividir la red en subredes lógicas. Los dispositivos también son capaces de trabajar con protocolos de transferencia de datos utilizados en los sistemas de automatización modernos (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Reserva de canales de comunicación mediante SHDSL.
SHDSL se utiliza para crear canales de comunicación redundantes en una red Ethernet, normalmente óptica.
SHDSL e interfaz serie
Los módems SHDSL con interfaz serie superan las limitaciones en distancia, topología y calidad de los conductores que existen para los sistemas cableados tradicionales basados en transceptores asíncronos (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 y RS-485 - 1200 m.
Existen módems con interfaces serie (RS-232/422/485) tanto para aplicaciones universales como especializadas (por ejemplo, para Profibus). Todos estos dispositivos pertenecen a la categoría "no gestionados", por lo que se configuran y diagnostican mediante un software especial.
Topologías
En redes con interfaz serie, utilizando SHDSL es posible construir redes con topologías punto a punto, línea y estrella. Dentro de la topología lineal, es posible combinar hasta 255 nodos en una red (para Profibus - 30).
En los sistemas construidos utilizando únicamente dispositivos RS-485, no hay restricciones en el protocolo de transferencia de datos utilizado, pero las topologías de línea y estrella son atípicas para RS-232 y RS-422, por lo que el funcionamiento de dispositivos finales en una red SHDSL con topologías similares sólo es posible en modo semidúplex. Al mismo tiempo, en sistemas con RS-232 y RS-422, el direccionamiento del dispositivo debe proporcionarse a nivel de protocolo, lo que no es típico de las interfaces utilizadas con mayor frecuencia en redes punto a punto.
Al conectar dispositivos con diferentes tipos de interfaces a través de SHDSL, es necesario tener en cuenta el hecho de que no existe un mecanismo único para establecer una conexión (apretón de manos) entre dispositivos. Sin embargo, todavía es posible organizar un intercambio en este caso; para ello, se deben cumplir las siguientes condiciones:
- la coordinación de las comunicaciones y el control de la transferencia de datos deben realizarse al nivel de un protocolo unificado de transferencia de datos de información;
- todos los dispositivos finales deben funcionar en modo semidúplex, que también debe ser compatible con el protocolo de información.
El protocolo Modbus RTU, el protocolo más común para interfaces asíncronas, le permite evitar todas las limitaciones descritas y construir un único sistema con diferentes tipos de interfaces.
Topologías de red serie basadas en SHDSL
Cuando se utiliza RS-485 de dos cables en el equipo Puede construir estructuras más complejas combinando módems a través de un bus en un riel DIN. Se puede instalar una fuente de alimentación en el mismo bus (en este caso, todos los dispositivos se alimentan a través del bus) y convertidores ópticos de la serie PSI-MOS para crear una red combinada. Una condición importante para el funcionamiento de dicho sistema es la misma velocidad de todos los transceptores.
Funciones adicionales de SHDSL en una red RS-485
Ejemplos de aplicación
La tecnología SHDSL se utiliza activamente en los servicios públicos municipales de Alemania. Más de 50 empresas que prestan servicios a los sistemas de servicios públicos de la ciudad utilizan cables de cobre viejos para conectar objetos distribuidos por toda la ciudad con una sola red. Los sistemas de control y contabilidad para el suministro de agua, gas y energía se basan principalmente en SHDSL. Entre estas ciudades se encuentran Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder y muchas otras.
El mayor sistema basado en SHDSL se creó en la ciudad de Lübeck. El sistema tiene una estructura combinada basada en Ethernet óptico y SHDSL, conecta 120 objetos remotos entre sí y utiliza más de 50 módems. . Toda la red se diagnostica mediante SNMP. El tramo más largo desde Kalkhorst hasta el aeropuerto de Lübeck tiene 39 km. La razón por la que la empresa cliente eligió SHDSL fue que no era económicamente viable implementar el proyecto exclusivamente en óptica, dada la disponibilidad de cables de cobre antiguos.
Transmisión de datos mediante anillo colector
Un ejemplo interesante es la transferencia de datos entre objetos en movimiento, como ocurre en las turbinas eólicas o en las grandes máquinas de torsión industriales. Se utiliza un sistema similar para el intercambio de información entre controladores ubicados en el rotor y el estator de las plantas. En este caso, se utiliza un contacto deslizante a través de un anillo colector para transmitir datos. Ejemplos como este muestran que no es necesario tener un contacto estático para transmitir datos a través de SHDSL.
Comparación con otras tecnologías.
SHDSL frente a GSM
Si comparamos SHDSL con los sistemas de transmisión de datos basados en GSM (3G/4G), la ausencia de costos operativos asociados con los pagos regulares al operador por el acceso a la red móvil habla a favor de DSL. Con SHDSL, somos independientes del área de cobertura, calidad y confiabilidad de las comunicaciones móviles en una instalación industrial, incluida la resistencia a las interferencias electromagnéticas. Con SHDSL no es necesario configurar equipos, lo que agiliza la puesta en marcha de la instalación. Las redes inalámbricas se caracterizan por grandes retrasos en la transmisión de datos y dificultades para transmitir datos mediante tráfico multicast (Profinet, Ethernet IP).
La seguridad de la información habla a favor de SHDSL debido a la ausencia de la necesidad de transferir datos a través de Internet y la necesidad de configurar conexiones VPN para ello.
SHDSL frente a Wi-Fi
Gran parte de lo que se ha dicho sobre GSM también se puede aplicar al Wi-Fi industrial. La baja inmunidad al ruido, la distancia de transmisión de datos limitada, la dependencia de la topología del área y los retrasos en la transmisión de datos hablan en contra del Wi-Fi. El inconveniente más importante es la seguridad de la información de las redes Wi-Fi, porque cualquiera tiene acceso al medio de transmisión de datos. Con Wi-Fi ya es posible transmitir datos IP Profinet o Ethernet, lo que sería difícil con GSM.
SHDSL frente a óptica
En la gran mayoría de los casos, la óptica tiene una gran ventaja sobre SHDSL, pero en una serie de aplicaciones SHDSL permite ahorrar tiempo y dinero en el tendido y soldadura de cables ópticos, reduciendo el tiempo necesario para poner en funcionamiento una instalación. SHDSL no requiere conectores especiales, porque el cable de comunicación simplemente se conecta al terminal del módem. Debido a las propiedades mecánicas de los cables ópticos, su uso está limitado en aplicaciones que implican la transferencia de información entre objetos en movimiento, donde los conductores de cobre son más comunes.
Fuente: habr.com