La transmission de données sur une distance allant jusqu'à 20 km par des câbles ordinaires ? C'est facile avec le SHDSL...

Malgré la diffusion généralisée des réseaux Ethernet, les technologies de communication basées sur le DSL conservent toute leur pertinence aujourd'hui. On retrouve encore le DSL dans les réseaux de dernière mile pour connecter le matériel d'abonnement aux réseaux des fournisseurs d'accès Internet, et récemment, cette technologie est de plus en plus utilisée dans la création de réseaux locaux, par exemple dans des applications industrielles, où le DSL complète l'Ethernet ou les réseaux de terrain basés sur RS-232/422/485. De telles solutions industrielles sont activement utilisées dans les pays européens et asiatiques développés.

Le DSL représente un ensemble de normes qui ont été initialement conçues pour transmettre des données numériques sur des lignes téléphoniques. Historiquement, cela a été la première technologie d'accès haut débit à Internet, remplaçant le DIAL UP et l'ISDN. La grande variété de normes DSL actuellement existantes est due au fait que de nombreuses entreprises, depuis les années 80, ont essayé de développer et de promouvoir leur propre technologie sur le marché.

Tous ces développements peuvent être divisés en deux grandes catégories : les technologies asymétriques (ADSL) et symétriques (SDSL). Les technologies asymétriques permettent des vitesses de connexion d'entrée différentes de celles du trafic sortant. Les technologies symétriques, quant à elles, garantissent des vitesses d'envoi et de réception équivalentes.

Les normes asymétriques les plus connues et répandues sont, en effet, l'ADSL (dans sa dernière version – ADSL2+) et le VDSL (VDSL2), tandis que les normes symétriques incluent le HDSL (profil obsolète) et le SHDSL. Elles se distinguent par les différentes fréquences sur lesquelles elles fonctionnent, leurs méthodes de codage et de modulation sur la ligne de communication physique. Les techniques de correction d'erreurs varient également, ce qui permet d'assurer un niveau différent de résistance aux interférences. En conséquence, chaque technologie a ses limites en matière de vitesse et de distance de transmission des données, selon le type et la qualité du conducteur.

Paramètres limites des différentes normes DSL

Dans toute technologie DSL, la vitesse de transmission des données diminue avec l'augmentation de la longueur du conducteur. À des distances extrêmes, il est possible d'obtenir une vitesse de plusieurs centaines de kilobits, mais pour une transmission de données à 200-300 m, la vitesse maximale disponible est atteinte.

Parmi toutes les technologies, le SHDSL présente un avantage considérable qui permet son utilisation dans des applications industrielles : une grande résistance aux interférences et la possibilité d'utiliser tout type de conducteur pour la transmission de données. Cela n'est pas le cas dans les standards asymétriques, où la qualité de la connexion dépend fortement de la qualité de la ligne utilisée pour la transmission des données. En particulier, l'utilisation de câbles téléphoniques torsadés est recommandée. Dans ce cas, une solution plus fiable que l'ADSL et le VDSL s'avère être l'utilisation d'un câble optique.

Pour le SHDSL, n'importe quelle paire de conducteurs isolés les uns des autres convient : en cuivre, en aluminium, en acier, etc. Comme milieu de transmission, des vieilles installations électriques, des anciennes lignes téléphoniques, des fils barbelés de clôtures, etc., peuvent être utilisés.

Dépendance de la vitesse de transmission des données en SHDSL par rapport à la distance et au type de conducteur.

À partir du graphique montrant la dépendance de la vitesse de transmission des données de la distance et du type de conducteur, présenté pour le SHDSL, on peut voir que des conducteurs de plus grande section permettent de transmettre des informations sur de plus longues distances. Grâce à cette technologie, il est possible d'organiser une connexion sur une distance allant jusqu'à 20 km avec une vitesse maximale de 15,3 Mb/s pour un câble à 2 fils ou 30 Mb pour un câble à 4 fils. Dans des applications réelles, la vitesse de transmission peut être réglée manuellement, ce qui est nécessaire dans des conditions d'interférences électromagnétiques fortes ou de mauvaise qualité de ligne. Dans ce cas, pour augmenter la distance de transmission, il est nécessaire de réduire la vitesse de fonctionnement des appareils SHDSL. Pour un calcul précis de la vitesse en fonction de la distance et du type de conducteur, des outils logiciels gratuits tels que le calculateur SHDSL de Phoenix Contact.

Qu'est-ce qui confère au SHDSL une grande résistance aux interférences ?

Le principe de fonctionnement du récepteur-transmetteur SHDSL peut être représenté sous forme de diagramme en blocs, mettant en évidence une partie spécifique et indépendante (invariante) du point de vue de l'application. La partie indépendante se compose de blocs fonctionnels PMD (Dépendant du Support Physique) et PMS-TC (Couche TC Spécifique au Support Physique), tandis que la partie spécifique comprend le niveau TPS-TC (Couche TC Spécifique au Protocole de Transmission) et les interfaces de données utilisateur.

La ligne de communication physique entre les récepteurs-transmetteurs (STU) peut exister sous forme de câbles à paires torsadées uniques ou de plusieurs câbles à paires torsadées. Dans le cas de plusieurs paires de câbles, le STU contient plusieurs blocs PMD indépendants, chacun étant lié à un unique PMS-TC.

Modèle fonctionnel du récepteur-transmetteur SHDSL (STU)

Le module TPS-TC dépend de l'application dans laquelle l'appareil est utilisé (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Sa tâche consiste à convertir les données utilisateur au format SHDSL, en effectuant le multiplexage/démultiplexage et la synchronisation de plusieurs canaux de données utilisateur.

Au niveau PMS-TC, les trames SHDSL sont formées et synchronisées, ainsi que leur scrambler et descrambler.

Le module PMD réalise les fonctions d'encodage/décodage d'informations, de modulation/démodulation, d'échappement d'écho, d'ajustement des paramètres sur la ligne de communication et d'établissement de la connexion entre les récepteurs-transmetteurs. C'est au niveau PMD que les opérations principales sont effectuées, assurant une haute résistance aux interférences du SHDSL, y compris l'encodage TCPAM (encodage Trellis avec modulation par impulsion analogique), un mécanisme de codage et de modulation commun qui améliore l'efficacité spectrale du signal par rapport à une méthode séparée. Le principe de fonctionnement du module PMD peut également être représenté sous la forme d'un diagramme fonctionnel.

Diagramme en blocs du module PMD

Le TC-PAM repose sur l'utilisation d'un encodeur convolutionnel qui génère une séquence de bits redondante du côté du transmetteur SHDSL. À chaque cycle de fonctionnement, chaque bit entrant dans l'encodeur est associé à un double bit (dibit) en sortie. Ainsi, au prix d'une redondance relativement faible, on améliore la résistance aux interférences de la transmission. L'utilisation de la modulation Trellis permet de réduire la bande passante utilisée pour la transmission des données et de simplifier la partie matérielle tout en conservant le rapport signal/bruit.

Principe de fonctionnement de l'encodeur Trellis (TC-PAM 16)

Le double bit est formé par une opération logique d'addition modulo 2 (exclusive « ou ») basée sur le bit d'entrée x1(tn) et les bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (jusqu'à 20), qui ont été soumis à l'encodeur auparavant et qui sont stockés dans des registres de mémoire. Au cycle suivant de l'encodeur tn+1, il y aura un décalage des bits dans les cellules de mémoire afin d'effectuer l'opération logique : le bit x1(tn) sera déplacé en mémoire, déplaçant toute la séquence de bits stockée là.

Algorithme de l'encodeur convolutionnel

Tables de vérité de l'opération d'addition modulo 2

Pour une meilleure compréhension, il est pratique d'utiliser un diagramme d'état de l'encodeur convolutionnel, qui permet de voir dans quel état se trouve l'encodeur à des moments tn, tn+1, etc. en fonction des données d'entrée. L'état de l'encodeur est, dans ce cas, défini par la paire de valeurs du bit d'entrée x1(tn) et du bit de la première cellule de mémoire x1(tn-1). Pour construire le diagramme, on peut utiliser un graphe dont les sommets représentent les états possibles de l'encodeur, tandis que les transitions d'un état à un autre sont marquées par les bits d'entrée correspondants x1(tn) et les dibits de sortie $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.

Diagramme d'états et graphique de transitions de l'encodeur convolutionnel du transmetteur

Dans le transmetteur, à partir des quatre bits obtenus (deux bits de sortie de l'encodeur et deux bits de données), un symbole est formé, dont chacun correspond à une amplitude spécifique du signal de modulation de l'analogique-modulateur impulsionnel.

État de l'AIM 16 bits en fonction de la valeur du symbole à quatre bits

Du côté du récepteur du signal, le processus inverse se produit : la démodulation et l'extraction de la séquence nécessaire de bits d'entrée du codeur x1(tn) à partir du code redondant (bits doubles y0y1(tn)). Cette opération est effectuée par le décodeur de Viterbi.

L'algorithme du décodeur est basé sur le calcul de la métrique d'erreur pour tous les états possibles supposés du codeur. La métrique d'erreur est la différence entre les bits reçus et les bits supposés pour chaque chemin possible. S'il n'y a pas d'erreurs lors de la réception, la métrique d'erreur du chemin réel sera 0, car il n'y a pas de divergence dans les bits. Pour les chemins faux, la métrique sera différente de zéro, augmentera continuellement et, au bout d'un moment, le décodeur cessera de calculer le chemin erroné, ne conservant que le vrai.

Diagramme d'état du codeur, calculé par le décodeur de Viterbi du récepteur

Mais comment cet algorithme assure-t-il la résistance aux interférences ? Supposons que le récepteur a reçu des données avec une erreur, le décodeur continuera à calculer deux chemins avec une métrique d'erreur de 1. Le chemin avec une métrique de 0 n’existera plus. Cependant, la détermination du chemin réel sera faite plus tard sur la base des prochains bits doubles reçus.

Lorsqu'une deuxième erreur apparaît, il y aura plusieurs chemins avec une métrique de 2, mais le chemin correct sera identifié plus tard sur la base de la méthode de vraisemblance maximale (c'est-à-dire la métrique minimale).

Diagramme d'état du codeur, calculé par le décodeur de Viterbi, lors de la réception de données avec des erreurs

Dans le cas décrit ci-dessus, l'algorithme du système à 16 bits (TC-PAM16) a été examiné, permettant de transmettre dans un symbole trois bits d'information utile et un bit supplémentaire pour la protection contre les erreurs. Avec TC-PAM16, un taux de transmission de données de 192 à 3840 kbit/s est réalisable. Lorsqu'on augmente la largeur à 128 (les systèmes modernes fonctionnent avec TC-PAM128), six bits d'information utile sont transmis dans chaque symbole, et le taux maximal atteignable se situe entre 5696 kbit/s et 15,3 Mb/s.

L'utilisation de la modulation d'amplitude en pulse (PAM) rapproche le SHDSL de plusieurs standards Ethernet populaires, tels que le gigabit 1000BASE-T (PAM-5), le 10 gigabits 10GBASE-T (PAM-16) ou le promesse pour 2020 du standard Ethernet industriel à paire unique 10BASE-T1L (PAM-3).

SHDSL dans les réseaux Ethernet

On distingue les modems SHDSL gérés et non gérés, mais cette classification a peu en commun avec la séparation classique entre dispositifs gérés et non gérés, qui existe, par exemple, pour les commutateurs Ethernet. La différence réside dans les moyens de configuration et de surveillance. Les modems gérés sont configurés via une interface web et peuvent être diagnostiqués par SNMP, tandis que les modems non gérés le sont à l'aide de logiciels supplémentaires via un port de console (pour Phoenix Contact, il s'agit du logiciel gratuit PSI-CONF et de l'interface mini-USB). Contrairement aux commutateurs, les modems non gérés peuvent fonctionner dans un réseau avec une topologie en anneau.

À part cela, les modems gérés et non gérés sont absolument identiques, y compris en termes de fonctionnalité et de possibilité de fonctionner selon le principe Plug&Play, c'est-à-dire sans aucune configuration préalable.

De plus, les modems peuvent avoir des fonctions de protection contre les surtensions transitoires avec possibilité de diagnostic. Les réseaux SHDSL peuvent former des segments très longs, et les conducteurs peuvent passer dans des zones où il peut y avoir des surtensions transitoires (différence de potentiel induite, causée par des décharges électriques ou des courts-circuits dans des lignes de câbles voisines). La tension induite peut provoquer le passage de courants de décharge de plusieurs kiloampères. Par conséquent, pour protéger l'équipement contre de tels phénomènes, des parafoudres (UZI) sont intégrés aux modems sous forme de carte amovible, qui peut être remplacée si besoin. C'est à la borne de cette carte que la ligne SHDSL est connectée.

Topologies

Avec le SHDSL, il est possible de construire des réseaux Ethernet avec n'importe quelle topologie : point à point, ligne, étoile ou anneau. Selon le type de modem, il est possible d'utiliser des lignes de communication à 2 ou 4 fils pour la connexion.

Topologies de réseau Ethernet basées sur SHDSL

Il est également possible de construire des systèmes distribués avec une topologie mixte. Chaque segment d'un réseau SHDSL peut comporter jusqu'à 50 modems et, compte tenu des capacités physiques de la technologie (distance entre les modems de 20 km), la longueur du segment peut atteindre 1000 km.

Si un modem géré est installé dans chaque segment, l'intégrité du segment peut être diagnostiquée via SNMP. De plus, les modems gérés et non gérés prennent en charge la technologie VLAN, ce qui permet de diviser le réseau en sous-réseaux logiques. Ces appareils peuvent également fonctionner avec des protocoles de transmission de données utilisés dans les systèmes d'automatisation modernes (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).

Redondance des canaux de communication avec SHDSL

SHDSL est utilisé pour créer des canaux de communication redondants dans un réseau Ethernet, le plus souvent à base de fibre optique.

SHDSL et interface série

Les modems SHDSL avec interface série permettent de surmonter les limites de distance, de topologie et de qualité du conducteur qui existent pour les systèmes filaires traditionnels basés sur des émetteurs-récepteurs asynchrones (UART) : RS-232 — 15 m, RS-422 et RS-485 — 1200 m.

Il existe des modems avec interfaces série (RS-232/422/485) à la fois pour des applications générales et pour des applications spécialisées (par exemple, pour Profibus). Tous ces appareils sont de catégorie « non gérés », ils sont donc configurés et diagnostiqués à l'aide d'un logiciel spécialisé.

Topologies

Dans les réseaux avec interface série, l'utilisation de SHDSL permet de construire des réseaux avec une topologie point à point, en ligne et en étoile. Dans le cadre d'une topologie linéaire, il est possible de regrouper jusqu'à 255 nœuds dans un seul réseau (pour Profibus — 30).

Dans les systèmes construits uniquement avec des dispositifs utilisant l'interface RS-485, il n'y a aucune restriction sur le protocole de transmission de données utilisé, mais les topologies en ligne et en étoile ne sont pas typiques pour RS-232 et RS-422. Par conséquent, le fonctionnement des appareils terminaux dans un réseau SHDSL avec de telles topologies n'est possible qu'en mode demi-duplex. Dans les systèmes avec RS-232 et RS-422, une adressage des appareils doit être assuré au niveau du protocole, ce qui n'est pas caractéristique pour les interfaces couramment utilisées dans les réseaux point à point.

Lors de la connexion via SHDSL d'appareils avec différents types d'interfaces, il est nécessaire de prendre en compte l'absence d'un mécanisme unique pour établir la connexion (négociation) entre les dispositifs. Cependant, échanger des données dans ce cas reste possible — pour cela, il est nécessaire de respecter les conditions suivantes :

• La coordination des communications et la gestion du transfert de données doivent être effectuées au niveau d'un protocole d'information unique pour le transfert de données;
• Tous les dispositifs finaux doivent fonctionner en mode semi-duplex, ce qui doit également être pris en charge par le protocole d'information.

Le protocole Modbus RTU, le plus couramment utilisé pour les interfaces asynchrones, permet d'éviter toutes les limitations décrites et de construire un système unique avec différents types d'interfaces.

Topologies de réseau avec interface série basée sur SHDSL

Lors de l'utilisation du RS-485 à deux fils sur l'équipement Phoenix Contact il est possible de construire des structures plus complexes en reliant des modems via un seul bus sur un rail DIN. Le même bus peut également accueillir une source d'alimentation (dans ce cas, l'alimentation de tous les dispositifs est assurée par le bus) et des convertisseurs optiques de la série PSI-MOS pour créer un réseau combiné. Une condition importante pour le fonctionnement de ce système est la vitesse identique de tous les émetteurs-récepteurs.

Fonctionnalités supplémentaires de SHDSL dans le réseau RS-485

Exemples d'application

La technologie SHDSL est largement utilisée dans les services publics urbains en Allemagne. Plus de 50 entreprises, qui gèrent des systèmes publics urbains, utilisent d'anciens câbles en cuivre pour relier des installations dispersées dans la ville. Les systèmes de gestion et de comptage pour l'approvisionnement en eau, en gaz et en énergie reposent principalement sur SHDSL. Parmi ces villes figurent Ulm, Magdebourg, Ingolstadt, Bielefeld, Francfort-sur-l'Oder et bien d'autres.

Le système le plus vaste basé sur SHDSL a été créé dans la ville de Lübeck. Le système a une structure combinée basée sur Ethernet optique et SHDSL, reliant 120 installations éloignées les unes des autres et utilisant plus de 50 modems. Phoenix ContactTout le réseau est diagnostiqué via SNMP. Le segment le plus long, allant de la commune de Kalkhorst à l'aéroport de Lübeck, mesure 39 km. La raison pour laquelle l'entreprise commanditaire a choisi SHDSL était que la réalisation du projet exclusivement en fibre optique était économiquement non viable compte tenu de la présence d'anciens câbles en cuivre.

Transmission de données via un anneau de contact

Un exemple intéressant est la transmission de données entre des objets en mouvement, comme c'est le cas dans les éoliennes ou dans les grandes machines tournantes industrielles. Un tel système est utilisé pour l'échange d'informations entre les contrôleurs situés sur le rotor et le stator des installations. Dans ce cas, la transmission des données se fait par contact glissant à travers un anneau de contact. Ces exemples montrent qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un contact statique pour transmettre des données via SHDSL.

Comparaison avec d'autres technologies

SHDSL vs GSM

Comparé aux systèmes de transmission de données basés sur GSM (3G/4G), SHDSL présente l'avantage de ne pas avoir de coûts d'exploitation liés au paiement régulier à l'opérateur pour l'accès au réseau mobile. Avec SHDSL, nous ne sommes pas dépendants de la couverture, de la qualité et de la fiabilité des communications mobiles sur le site industriel, y compris la résistance aux interférences électromagnétiques. En SHDSL, il n'est pas nécessaire de configurer l'équipement, ce qui accélère la mise en service de l'installation. Les réseaux sans fil sont caractérisés par de fortes latences dans la transmission des données et des difficultés à transmettre des données utilisant un trafic multicast (Profinet, Ethernet IP).

En faveur de SHDSL, on peut évoquer la sécurité de l'information, car il n'est pas nécessaire de transmettre des données via Internet et de configurer des connexions VPN pour cela.

SHDSL vs Wi-Fi

Beaucoup de ce qui a été dit pour le GSM peut également s'appliquer au Wi-Fi industriel. Les inconvénients du Wi-Fi incluent sa faible immunité aux interférences, la distance limitée de transmission des données, la dépendance à la topologie du terrain et les latences de transmission. Le principal inconvénient est la sécurité de l'information des réseaux Wi-Fi, car toute personne peut accéder au milieu de transmission des données. Avec le Wi-Fi, il est déjà possible de transmettre des données Profinet ou Ethernet IP, ce qui serait difficile pour le GSM.

SHDSL vs fibre optique

La fibre optique présente dans la grande majorité des cas un avantage considérable par rapport au SHDSL, mais dans certaines applications, le SHDSL permet d'économiser du temps et des ressources lors de l'installation et de la soudure des câbles en fibre optique, réduisant ainsi le temps de mise en service. Le SHDSL ne nécessite pas de connecteurs spéciaux, car le câble de communication se branche directement sur la borne du modem. En raison des propriétés mécaniques des câbles en fibre optique, leur utilisation est limitée dans les applications impliquant le transfert d'informations entre des objets en mouvement, où les conducteurs en cuivre sont plus répandus.

Source : habr.com