Malgré l'utilisation généralisée des réseaux Ethernet, les technologies de communication basées sur DSL restent pertinentes à ce jour. Jusqu'à présent, le DSL était présent dans les réseaux du dernier kilomètre pour connecter les équipements des abonnés aux réseaux des fournisseurs d'accès Internet, et récemment, la technologie est de plus en plus utilisée dans la construction de réseaux locaux, par exemple dans les applications industrielles, où le DSL agit en complément d'Ethernet. ou des réseaux de terrain basés sur RS-232/422/485. Des solutions industrielles similaires sont activement utilisées dans les pays développés d’Europe et d’Asie.
DSL est une famille de normes initialement conçues pour transmettre des données numériques sur des lignes téléphoniques. Historiquement, il est devenu la première technologie d'accès Internet à large bande, remplaçant DIAL UP et ISDN. La grande variété de normes DSL qui existent actuellement est due au fait que de nombreuses entreprises, à partir des années 80, ont tenté de développer et de commercialiser leur propre technologie.
Tous ces développements peuvent être divisés en deux grandes catégories : les technologies asymétriques (ADSL) et symétriques (SDSL). Asymétrique fait référence à ceux dans lesquels la vitesse de la connexion entrante est différente de la vitesse du trafic sortant. Par symétrique, nous entendons que les vitesses de réception et de transmission sont égales.
Les normes asymétriques les plus connues et les plus répandues sont en effet l'ADSL (dans la dernière édition - ADSL2+) et le VDSL (VDSL2), symétriques - HDSL (profil obsolète) et SHDSL. Ils diffèrent tous les uns des autres dans la mesure où ils fonctionnent à des fréquences différentes et utilisent des méthodes de codage et de modulation différentes sur la ligne de communication physique. Les méthodes de correction d’erreurs diffèrent également, ce qui entraîne différents niveaux d’immunité au bruit. De ce fait, chaque technologie a ses propres limites en termes de vitesse et de distance de transmission des données, notamment en fonction du type et de la qualité du conducteur.
Limites des différentes normes DSL
Dans toute technologie DSL, le taux de transfert de données diminue à mesure que la longueur du câble augmente. À des distances extrêmes, il est possible d'obtenir des vitesses de plusieurs centaines de kilobits, mais lors de la transmission de données sur 200 à 300 m, la vitesse maximale possible est disponible.
Parmi toutes les technologies, SHDSL présente un sérieux avantage qui permet de l'utiliser dans des applications industrielles : une immunité élevée au bruit et la possibilité d'utiliser tout type de conducteur pour la transmission de données. Ce n’est pas le cas des normes asymétriques et la qualité de la communication dépend fortement de la qualité de la ligne utilisée pour la transmission des données. Il est notamment recommandé d’utiliser un câble téléphonique torsadé. Dans ce cas, une solution plus fiable consiste à utiliser un câble optique au lieu de l'ADSL et du VDSL.
Toute paire de conducteurs isolés les uns des autres convient au SHDSL - cuivre, aluminium, acier, etc. Le support de transmission peut être un ancien câblage électrique, d'anciennes lignes téléphoniques, des clôtures en fil de fer barbelé, etc.
Dépendance de la vitesse de transmission des données SHDSL sur la distance et le type de conducteur
À partir du graphique de la vitesse de transfert de données en fonction de la distance et du type de conducteur donné pour SHDSL, vous pouvez voir que les conducteurs de grande section vous permettent de transmettre des informations sur une plus grande distance. Grâce à la technologie, il est possible d'organiser une communication sur une distance allant jusqu'à 20 km à une vitesse maximale possible de 15.3 Mb/s pour un câble à 2 fils ou de 30 Mb pour un câble à 4 fils. Dans les applications réelles, la vitesse de transmission peut être réglée manuellement, ce qui est nécessaire dans des conditions de fortes interférences électromagnétiques ou de mauvaise qualité de ligne. Dans ce cas, pour augmenter la distance de transmission, il est nécessaire de réduire la vitesse des appareils SHDSL. Pour calculer précisément la vitesse en fonction de la distance et du type de conducteur, vous pouvez utiliser un logiciel gratuit tel que .
Pourquoi le SHDSL a-t-il une immunité élevée au bruit ?
Le principe de fonctionnement de l'émetteur-récepteur SHDSL peut être représenté sous la forme d'un schéma fonctionnel, dans lequel on distingue une partie spécifique et indépendante (invariante) du point de vue de l'application. La partie indépendante est constituée des blocs fonctionnels PMD (Physical Medium Dependent) et PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), tandis que la partie spécifique comprend la couche TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) et les interfaces de données utilisateur.
La liaison physique entre les émetteurs-récepteurs (STU) peut exister sous la forme d'une seule paire ou de plusieurs câbles à paire unique. Dans le cas de plusieurs paires de câbles, le STU contient plusieurs PMD indépendants associés à un seul PMS-TC.
Modèle fonctionnel de l'émetteur-récepteur SHDSL (STU)
Le module TPS-TC dépend de l'application dans laquelle l'appareil est utilisé (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Sa tâche est de convertir les données utilisateur au format SHDSL, d'effectuer le multiplexage/démultiplexage et l'ajustement temporel de plusieurs canaux de données utilisateur.
Au niveau PMS-TC, les trames SHDSL sont formées et synchronisées, ainsi que le brouillage et le désembrouillage.
Le module PMD remplit les fonctions de codage/décodage des informations, de modulation/démodulation, d'annulation d'écho, de négociation des paramètres sur la ligne de communication et d'établissement de connexions entre émetteurs-récepteurs. C'est au niveau PMD que sont effectuées les principales opérations pour assurer une haute immunité au bruit du SHDSL, notamment le codage TCPAM (Trellis coding with analog pulse modulation), un mécanisme conjoint de codage et de modulation qui améliore l'efficacité spectrale du signal par rapport à un mécanisme séparé. méthode. Le principe de fonctionnement du module PMD peut également être représenté sous forme de schéma fonctionnel.
Schéma fonctionnel du module PMD
TC-PAM est basé sur l'utilisation d'un codeur convolutif qui génère une séquence redondante de bits côté émetteur SHDSL. A chaque cycle d'horloge, chaque bit arrivant à l'entrée du codeur se voit attribuer un double bit (dibit) en sortie. Ainsi, au prix d'une redondance relativement faible, l'immunité au bruit de transmission est augmentée. L'utilisation de la modulation Trellis permet de réduire la bande passante de transmission de données utilisée et de simplifier le matériel tout en conservant le même rapport signal/bruit.
Principe de fonctionnement de l'encodeur Trellis (TC-PAM 16)
Le double bit est formé par une opération d'addition logique modulo-2 (ou exclusif) basée sur le bit d'entrée x1(tn) et les bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (il peut y en avoir jusqu'à 20 au total), qui ont été reçus auparavant à l'entrée du codeur et sont restés stockés dans des registres mémoire. Au prochain cycle d'horloge du codeur tn+1, les bits seront décalés dans les cellules mémoire pour effectuer une opération logique : le bit x1(tn) se déplacera en mémoire, décalant toute la séquence de bits qui y est stockée.
Algorithme de codeur convolutif
Tables de vérité pour l'opération d'addition modulo 2
Pour plus de clarté, il est pratique d'utiliser un diagramme d'état d'un codeur convolutif, à partir duquel vous pouvez voir dans quel état se trouve le codeur aux instants tn, tn+1, etc. en fonction des données d'entrée. Dans ce cas, l'état du codeur signifie une paire de valeurs du bit d'entrée x1(tn) et du bit dans la première cellule mémoire x1(tn-1). Pour construire un diagramme, vous pouvez utiliser un graphe, aux sommets duquel se trouvent les états possibles du codeur, et les transitions d'un état à un autre sont indiquées par les bits d'entrée correspondants x1(tn) et les dibits de sortie $inline$y ₀y ₁(t ₀)$en ligne$.
Diagramme d'état et graphique de transition d'un codeur convolutif d'émetteur
Dans l'émetteur, sur la base des quatre bits reçus (deux bits de sortie du codeur et deux bits de données), un symbole est formé, dont chacun correspond à sa propre amplitude du signal de modulation du modulateur d'impulsions analogique.
État de l'AIM 16 bits en fonction de la valeur du caractère quatre bits
Du côté du récepteur de signal, le processus inverse se produit - démodulation et sélection à partir du code redondant (bits doubles y0y1(tn)) de la séquence requise de bits d'entrée du codeur x1(tn). Cette opération est réalisée par un décodeur Viterbi.
L'algorithme du décodeur est basé sur le calcul d'une métrique d'erreur pour tous les états possibles du codeur attendus. La métrique d'erreur fait référence à la différence entre les bits reçus et les bits attendus pour chaque chemin possible. S'il n'y a pas d'erreurs de réception, la véritable métrique d'erreur de chemin sera 0 car il n'y a pas de divergence de bits. Pour les faux chemins, la métrique sera différente de zéro, augmentera constamment et après un certain temps, le décodeur cessera de calculer le chemin erroné, ne laissant que le vrai.
Diagramme d'état du codeur calculé par le décodeur Viterbi du récepteur
Mais comment cet algorithme garantit-il l’immunité au bruit ? En supposant que le récepteur ait reçu les données par erreur, le décodeur continuera à calculer deux chemins avec une métrique d'erreur de 1. Le chemin avec une métrique d'erreur de 0 n'existera plus. Mais l’algorithme tirera plus tard une conclusion sur le chemin qui est vrai, sur la base des prochains doubles bits reçus.
Lorsque la deuxième erreur se produit, il y aura plusieurs chemins avec la métrique 2, mais le chemin correct sera identifié ultérieurement sur la base de la méthode du maximum de vraisemblance (c'est-à-dire la métrique minimale).
Diagramme d'état du codeur calculé par le décodeur Viterbi lors de la réception de données avec des erreurs
Dans le cas décrit ci-dessus, à titre d'exemple, nous avons considéré l'algorithme d'un système 16 bits (TC-PAM16), qui assure la transmission de trois bits d'informations utiles et d'un bit supplémentaire pour la protection contre les erreurs dans un symbole. Le TC-PAM16 atteint des débits de données de 192 à 3840 128 kbps. En augmentant la profondeur de bits à 128 (les systèmes modernes fonctionnent avec TC-PAM5696), six bits d'informations utiles sont transmis dans chaque symbole et la vitesse maximale réalisable varie de 15,3 XNUMX kbps à XNUMX Mbps.
L'utilisation de la modulation d'impulsions analogique (PAM) rend SHDSL similaire à un certain nombre de normes Ethernet populaires, telles que le gigabit 1000BASE-T (PAM-5), le 10 gigabit 10GBASE-T (PAM-16) ou l'Ethernet industriel à paire unique 2020BASE. -T10L, prometteur pour 1 (PAM-3).
SHDSL sur les réseaux Ethernet
Il existe des modems SHDSL gérés et non gérés, mais cette classification a peu de points communs avec la division habituelle en périphériques gérés et non gérés qui existe, par exemple, pour les commutateurs Ethernet. La différence réside dans les outils de configuration et de surveillance. Les modems gérés sont configurés via une interface Web et peuvent être diagnostiqués via SNMP, tandis que les modems non gérés peuvent être diagnostiqués à l'aide d'un logiciel supplémentaire via le port console (pour Phoenix Contact, il s'agit d'un programme PSI-CONF gratuit et d'une interface mini-USB). Contrairement aux commutateurs, les modems non gérés peuvent fonctionner dans un réseau avec une topologie en anneau.
Pour le reste, les modems gérés et non gérés sont absolument identiques, y compris les fonctionnalités et la capacité de fonctionner selon le principe Plug&Play, c'est-à-dire sans aucune configuration préalable.
De plus, les modems peuvent être équipés de fonctions de protection contre les surtensions avec la possibilité de les diagnostiquer. Les réseaux SHDSL peuvent former de très longs segments et les conducteurs peuvent passer dans des endroits où des surtensions (différences de potentiel induites par des décharges de foudre ou des courts-circuits dans les lignes de câbles à proximité) peuvent se produire. La tension induite peut provoquer la circulation de courants de décharge de plusieurs kiloampères. Par conséquent, pour protéger les équipements de tels phénomènes, les SPD sont intégrés aux modems sous la forme d'une carte amovible, qui peut être remplacée si nécessaire. C'est au bornier de cette carte que est connectée la ligne SHDSL.
Topologies
En utilisant SHDSL sur Ethernet, il est possible de construire des réseaux avec n'importe quelle topologie : point à point, ligne, étoile et anneau. Dans ce cas, selon le type de modem, vous pouvez utiliser des lignes de communication à 2 et 4 fils pour la connexion.
Topologies de réseau Ethernet basées sur SHDSL
Il est également possible de construire des systèmes distribués avec une topologie combinée. Chaque segment du réseau SHDSL peut comporter jusqu'à 50 modems et, compte tenu des capacités physiques de la technologie (la distance entre les modems est de 20 km), la longueur du segment peut atteindre 1000 km.
Si un modem géré est installé à la tête de chacun de ces segments, l'intégrité du segment peut être diagnostiquée à l'aide de SNMP. De plus, les modems gérés et non gérés prennent en charge la technologie VLAN, c'est-à-dire qu'ils vous permettent de diviser le réseau en sous-réseaux logiques. Les appareils sont également capables de fonctionner avec les protocoles de transfert de données utilisés dans les systèmes d'automatisation modernes (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Réservation de canaux de communication via SHDSL
SHDSL est utilisé pour créer des canaux de communication redondants dans un réseau Ethernet, le plus souvent optiques.
SHDSL et interface série
Les modems SHDSL dotés d'une interface série surmontent les limitations de distance, de topologie et de qualité de 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 XNUMX m.
Il existe des modems avec interfaces série (RS-232/422/485) pour les applications universelles et spécialisées (par exemple pour Profibus). Tous ces appareils appartiennent à la catégorie « non gérés », ils sont donc configurés et diagnostiqués à l'aide d'un logiciel spécial.
Topologies
Dans les réseaux dotés d'une interface série, SHDSL permet de construire des réseaux avec des topologies point à point, en ligne et en étoile. Dans la topologie linéaire, il est possible de combiner jusqu'à 255 nœuds en un seul réseau (pour Profibus - 30).
Dans les systèmes construits utilisant uniquement des appareils RS-485, il n'y a aucune restriction sur le protocole de transfert de données utilisé, mais les topologies en ligne et en étoile sont atypiques pour RS-232 et RS-422, donc le fonctionnement des appareils finaux sur un réseau SHDSL avec des topologies similaires n'est possible qu'en mode semi-duplex. Dans le même temps, dans les systèmes avec RS-232 et RS-422, l'adressage des appareils doit être fourni au niveau du protocole, ce qui n'est pas typique des interfaces les plus souvent utilisées dans les réseaux point à point.
Lors de la connexion d'appareils avec différents types d'interfaces via SHDSL, il est nécessaire de prendre en compte le fait qu'il n'existe pas de mécanisme unique pour établir une connexion (poignée de main) entre les appareils. Cependant, il est toujours possible d'organiser un échange dans ce cas ; pour cela, les conditions suivantes doivent être remplies :
- la coordination des communications et le contrôle du transfert de données doivent être effectués au niveau d'un protocole unifié de transfert de données d'informations ;
- tous les appareils finaux doivent fonctionner en mode semi-duplex, qui doit également être pris en charge par le protocole d'information.
Le protocole Modbus RTU, le protocole le plus courant pour les interfaces asynchrones, vous permet d'éviter toutes les limitations décrites et de construire un système unique avec différents types d'interfaces.
Topologies de réseau série basées sur SHDSL
Lors de l'utilisation de RS-485 à deux fils sur un équipement Vous pouvez construire des structures plus complexes en combinant des modems via un seul bus sur un rail DIN. Une alimentation peut être installée sur le même bus (dans ce cas, tous les appareils sont alimentés via le bus) et des convertisseurs optiques de la série PSI-MOS pour créer un réseau combiné. Une condition importante pour le fonctionnement d'un tel système est la même vitesse de tous les émetteurs-récepteurs.
Fonctionnalités supplémentaires de SHDSL sur un réseau RS-485
Exemples d'application
La technologie SHDSL est activement utilisée dans les services publics municipaux en Allemagne. Plus de 50 entreprises au service des services publics de la ville utilisent d'anciens fils de cuivre pour connecter des objets répartis dans toute la ville à un seul réseau. Les systèmes de contrôle et de comptabilité pour l'approvisionnement en eau, en gaz et en énergie sont principalement construits sur SHDSL. Parmi ces villes figurent Ulm, Magdebourg, Ingolstadt, Bielefeld, Francfort-sur-l'Oder et bien d'autres.
Le plus grand système basé sur SHDSL a été créé dans la ville de Lübeck. Le système a une structure combinée basée sur Ethernet optique et SHDSL, connecte 120 objets distants les uns des autres et utilise plus de 50 modems. . L'ensemble du réseau est diagnostiqué à l'aide de SNMP. Le segment le plus long de Kalkhorst à l’aéroport de Lübeck est long de 39 km. La raison pour laquelle l'entreprise cliente a choisi SHDSL était qu'il n'était pas économiquement viable de mettre en œuvre le projet entièrement sur l'optique, étant donné la disponibilité d'anciens câbles en cuivre.
Transmission de données via bague collectrice
Un exemple intéressant est le transfert de données entre objets en mouvement, comme cela se fait dans les éoliennes ou les grandes machines de torsion industrielles. Un système similaire est utilisé pour l'échange d'informations entre les contrôleurs situés sur le rotor et le stator des usines. Dans ce cas, un contact glissant à travers une bague collectrice est utilisé pour transmettre les données. Des exemples comme celui-ci montrent qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un contact statique pour transmettre des données via SHDSL.
Comparaison avec d'autres technologies
SHDSL ou GSM
Si l'on compare le SHDSL avec les systèmes de transmission de données basés sur le GSM (3G/4G), alors l'absence de coûts d'exploitation liés aux paiements réguliers à l'opérateur pour l'accès au réseau mobile plaide en faveur du DSL. Avec SHDSL, nous sommes indépendants de la zone de couverture, de la qualité et de la fiabilité des communications mobiles d'une installation industrielle, y compris de la résistance aux interférences électromagnétiques. Avec SHDSL, il n'est pas nécessaire de configurer les équipements, ce qui accélère la mise en service de l'installation. Les réseaux sans fil se caractérisent par des retards importants dans la transmission des données et des difficultés de transmission des données via le trafic multicast (Profinet, Ethernet IP).
La sécurité de l'information plaide en faveur de SHDSL en raison de l'absence de besoin de transférer des données sur Internet et de la nécessité de configurer des connexions VPN pour cela.
SHDSL et Wi-Fi
Une grande partie de ce qui a été dit sur le GSM peut également s’appliquer au Wi-Fi industriel. Une faible immunité au bruit, une distance de transmission de données limitée, une dépendance à la topologie de la zone et des retards dans la transmission des données s'opposent au Wi-Fi. L'inconvénient le plus important est la sécurité des informations des réseaux Wi-Fi, car tout le monde a accès au support de transmission de données. Avec le Wi-Fi, il est déjà possible de transmettre des données IP Profinet ou Ethernet, ce qui serait difficile pour le GSM.
SHDSL vs optique
Dans la grande majorité des cas, l'optique présente un grand avantage par rapport au SHDSL, mais dans un certain nombre d'applications, le SHDSL permet d'économiser du temps et de l'argent sur la pose et le soudage des câbles optiques, réduisant ainsi le temps de mise en service d'une installation. SHDSL ne nécessite pas de connecteurs spéciaux, car le câble de communication est simplement connecté au terminal modem. En raison des propriétés mécaniques des câbles optiques, leur utilisation est limitée dans les applications impliquant le transfert d'informations entre objets en mouvement, où les conducteurs en cuivre sont plus courants.
Source: habr.com