A pesar do uso xeneralizado das redes Ethernet, as tecnoloxías de comunicación baseadas en DSL seguen sendo relevantes ata hoxe. Ata agora, a DSL pódese atopar en redes de última milla para conectar equipos de abonados ás redes de provedores de Internet, e recentemente a tecnoloxía utilízase cada vez máis na construción de redes locais, por exemplo, en aplicacións industriais, onde o DSL actúa como complemento de Ethernet. ou redes de campo baseadas en RS-232/422/485. Solucións industriais similares úsanse activamente nos países europeos e asiáticos desenvolvidos.
DSL é unha familia de estándares que foron concibidas orixinalmente para transmitir datos dixitais a través de liñas telefónicas. Históricamente, converteuse na primeira tecnoloxía de acceso a Internet de banda ancha, substituíndo o DIAL UP e a RDSI. A gran variedade de estándares DSL que existen actualmente débese a que moitas empresas, a partir dos anos 80, intentaron desenvolver e comercializar a súa propia tecnoloxía.
Todos estes desenvolvementos pódense dividir en dúas grandes categorías: tecnoloxías asimétricas (ADSL) e simétricas (SDSL). Asimétrico refírese a aqueles nos que a velocidade da conexión de entrada é diferente da velocidade do tráfico de saída. Por simétrica entendemos que as velocidades de recepción e transmisión son iguais.
Os estándares asimétricos máis coñecidos e estendidos son, de feito, ADSL (na última edición - ADSL2+) e VDSL (VDSL2), simétrico - HDSL (perfil desactualizado) e SHDSL. Todos se diferencian entre si en que operan a diferentes frecuencias e usan diferentes métodos de codificación e modulación na liña de comunicación física. Os métodos de corrección de erros tamén difiren, o que resulta en diferentes niveis de inmunidade ao ruído. Como resultado, cada tecnoloxía ten os seus propios límites na velocidade e distancia de transmisión de datos, incluíndo dependendo do tipo e calidade do condutor.
Límites de varios estándares DSL
En calquera tecnoloxía DSL, a taxa de transferencia de datos diminúe a medida que aumenta a lonxitude do cable. A distancias extremas é posible obter velocidades de varios centos de kilobits, pero cando se transmiten datos por encima dos 200-300 m, está dispoñible a máxima velocidade posible.
Entre todas as tecnoloxías, SHDSL ten unha vantaxe importante que permite usalo en aplicacións industriais: alta inmunidade ao ruído e capacidade de usar calquera tipo de condutor para a transmisión de datos. Este non é o caso dos estándares asimétricos, e a calidade da comunicación depende moito da calidade da liña utilizada para a transmisión de datos. En particular, recoméndase utilizar un cable telefónico trenzado. Neste caso, unha solución máis fiable é utilizar un cable óptico en lugar de ADSL e VDSL.
Calquera par de condutores illados entre si é adecuado para SHDSL: cobre, aluminio, aceiro, etc. O medio de transmisión pode ser cableado eléctrico antigo, liñas telefónicas antigas, cercas de arame de púas, etc.
Dependencia da velocidade de transmisión de datos SHDSL da distancia e do tipo de condutor
A partir do gráfico de velocidade de transferencia de datos en función da distancia e do tipo de condutor indicado para SHDSL, pódese ver que os condutores cunha gran sección transversal permiten transmitir información a unha distancia maior. Grazas á tecnoloxía, é posible organizar a comunicación a unha distancia de ata 20 km a unha velocidade máxima posible de 15.3 Mb/s para un cable de 2 fíos ou de 30 Mb para un cable de 4 fíos. En aplicacións reais, a velocidade de transmisión pódese configurar manualmente, o que é necesario en condicións de forte interferencia electromagnética ou de mala calidade da liña. Neste caso, para aumentar a distancia de transmisión, é necesario reducir a velocidade dos dispositivos SHDSL. Para calcular con precisión a velocidade en función da distancia e do tipo de condutor, pode utilizar software libre como .
Por que SHDSL ten alta inmunidade ao ruído?
O principio de funcionamento do transceptor SHDSL pódese representar en forma de diagrama de bloques, no que se distingue unha parte específica e independente (invariante) desde o punto de vista da aplicación. A parte independente está formada por bloques funcionais PMD (Physical Medium Dependent) e PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), mentres que a parte específica inclúe a capa TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) e as interfaces de datos de usuario.
A conexión física entre transceptores (STU) pode existir como un só par ou varios cables dun só par. No caso de varios pares de cables, a STU contén varios PMD independentes asociados a un único PMS-TC.
Modelo funcional do transceptor SHDSL (STU)
O módulo TPS-TC depende da aplicación na que se utilice o dispositivo (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). A súa tarefa é converter os datos do usuario ao formato SHDSL, realizar multiplexación/demultiplexación e axuste de tempo de varias canles de datos de usuario.
A nivel PMS-TC, fórmanse e sincronízanse as tramas SHDSL, así como a codificación e descodificación.
O módulo PMD realiza as funcións de codificación/decodificación de información, modulación/demodulación, cancelación de eco, negociación de parámetros na liña de comunicación e establecemento de conexións entre transceptores. É a nivel PMD onde se realizan as operacións principais para garantir a alta inmunidade ao ruído do SHDSL, incluíndo a codificación TCPAM (codificación de trellis con modulación de pulso analóxico), un mecanismo de codificación e modulación conxunto que mellora a eficiencia espectral do sinal en comparación con un separado. método. O principio de funcionamento do módulo PMD tamén se pode representar en forma de diagrama funcional.
Diagrama de bloques do módulo PMD
TC-PAM baséase no uso dun codificador convolucional que xera unha secuencia redundante de bits no lado do transmisor SHDSL. En cada ciclo de reloxo, a cada bit que chega á entrada do codificador asígnaselle un dobre bit (dibit) na saída. Así, a custo dunha redundancia relativamente pouca, increméntase a inmunidade ao ruído de transmisión. O uso da modulación Trellis permítelle reducir o ancho de banda de transmisión de datos usado e simplificar o hardware mantendo a mesma relación sinal-ruído.
Principio de funcionamento do codificador Trellis (TC-PAM 16)
O bit dobre está formado por unha operación de adición lóxica módulo-2 (exclusiva ou) baseada no bit de entrada x1(tn) e nos bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (pode haber ata 20 deles en total), que foron recibidos na entrada do codificador antes e permaneceron almacenados en rexistros de memoria. No seguinte ciclo de reloxo do codificador tn+1, os bits desprazaranse nas celas de memoria para realizar unha operación lóxica: o bit x1(tn) moverase á memoria, desprazando toda a secuencia de bits almacenada alí.
Algoritmo de codificador convolucional
Táboas de verdade para a operación de adición módulo 2
Para máis claridade, é conveniente usar un diagrama de estado dun codificador convolucional, desde o que podes ver en que estado se atopa o codificador ás veces tn, tn+1, etc. dependendo dos datos de entrada. Neste caso, o estado do codificador significa un par de valores do bit de entrada x1(tn) e do bit na primeira cela de memoria x1(tn-1). Para construír un diagrama, pódese utilizar un gráfico, en cuxos vértices hai posibles estados do codificador, e as transicións dun estado a outro indícanse polos correspondentes bits de entrada x1(tn) e os dibits de saída $inline$y ₀y ₁(t ₀)$en liña$.
Diagrama de estado e gráfica de transición dun codificador convolucional transmisor
No transmisor, en función dos catro bits recibidos (dous bits de saída do codificador e dous bits de datos), fórmase un símbolo, cada un dos cales corresponde á súa propia amplitude do sinal modulador do modulador de pulso analóxico.
Estado do AIM de 16 bits dependendo do valor do carácter de catro bits
No lado do receptor de sinal, prodúcese o proceso inverso: demodulación e selección do código redundante (bits dobres y0y1(tn)) da secuencia requirida de bits de entrada do codificador x1(tn). Esta operación realízaa un decodificador de Viterbi.
O algoritmo decodificador baséase no cálculo dunha métrica de erro para todos os posibles estados de codificador esperados. A métrica de erro refírese á diferenza entre os bits recibidos e os esperados para cada camiño posible. Se non hai erros de recepción, a métrica de erro de camiño verdadeiro será 0 porque non hai diverxencia de bits. Para camiños falsos, a métrica diferirá de cero, aumentará constantemente e, despois dun tempo, o decodificador deixará de calcular o camiño erróneo, deixando só o verdadeiro.
Diagrama de estado do codificador calculado polo decodificador Viterbi do receptor
Pero como garante este algoritmo a inmunidade ao ruído? Asumindo que o receptor recibiu os datos por erro, o descodificador continuará calculando dúas rutas cunha métrica de erro de 1. A ruta cunha métrica de erro de 0 xa non existirá. Pero o algoritmo sacará unha conclusión sobre que camiño é certo máis tarde en función dos próximos bits dobres recibidos.
Cando se produza o segundo erro, haberá varias rutas coa métrica 2, pero a ruta correcta identificarase máis tarde en función do método de máxima verosimilitud (é dicir, a métrica mínima).
Diagrama de estado do codificador calculado polo decodificador de Viterbi ao recibir datos con erros
No caso descrito anteriormente, como exemplo, consideramos o algoritmo dun sistema de 16 bits (TC-PAM16), que garante a transmisión de tres bits de información útil e un bit adicional para a protección de erros nun símbolo. O TC-PAM16 alcanza velocidades de datos de 192 a 3840 kbps. Ao aumentar a profundidade de bits a 128 (os sistemas modernos funcionan con TC-PAM128), transmítense seis bits de información útil en cada símbolo e a velocidade máxima alcanzable oscila entre 5696 kbps e 15,3 Mbps.
O uso da modulación de pulso analóxico (PAM) fai que SHDSL sexa similar a varios estándares Ethernet populares, como gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) ou Ethernet de un só par industrial 2020BASE. -T10L, que é prometedor para 1 (PAM-3).
SHDSL sobre redes Ethernet
Hai módems SHDSL xestionados e non xestionados, pero esta clasificación ten pouco en común coa división habitual en dispositivos xestionados e non xestionados que existe, por exemplo, para os conmutadores Ethernet. A diferenza reside nas ferramentas de configuración e monitorización. Os módems xestionados configúranse mediante unha interface web e pódense diagnosticar mediante SNMP, mentres que os módems non xestionados pódense diagnosticar mediante software adicional a través do porto da consola (para Phoenix Contact, este é un programa PSI-CONF gratuíto e unha interface mini-USB). A diferenza dos switches, os módems non xestionados poden funcionar nunha rede cunha topoloxía en anel.
En caso contrario, os módems xestionados e os non xestionados son absolutamente idénticos, incluíndo a funcionalidade e a capacidade de traballar co principio Plug&Play, é dicir, sen ningunha configuración preliminar.
Ademais, os módems poden estar equipados con funcións de protección contra sobretensións coa capacidade de diagnosticalas. As redes SHDSL poden formar segmentos moi longos e os condutores poden circular en lugares onde se poidan producir sobretensións (diferenzas de potencial inducidas causadas por descargas de raios ou curtocircuítos nas liñas de cable próximas). A tensión inducida pode provocar que flúen correntes de descarga de kiloamperios. Polo tanto, para protexer os equipos de tales fenómenos, os SPD están integrados en módems en forma de placa extraíble, que se pode substituír se é necesario. É ao bloque de terminales desta placa onde se conecta a liña SHDSL.
Topoloxías
Usando SHDSL sobre Ethernet, é posible construír redes con calquera topoloxía: punto a punto, liña, estrela e anel. Ao mesmo tempo, dependendo do tipo de módem, pode usar liñas de comunicación de 2 e 4 fíos para a conexión.
Topoloxías de rede Ethernet baseadas en SHDSL
Tamén é posible construír sistemas distribuídos cunha topoloxía combinada. Cada segmento de rede SHDSL pode ter ata 50 módems e, tendo en conta as capacidades físicas da tecnoloxía (a distancia entre módems é de 20 km), a lonxitude do segmento pode alcanzar os 1000 km.
Se se instala un módem xestionado na cabeceira de cada segmento, entón a integridade do segmento pódese diagnosticar mediante SNMP. Ademais, os módems xestionados e non xestionados admiten tecnoloxía VLAN, é dicir, permiten dividir a rede en subredes lóxicas. Os dispositivos tamén son capaces de traballar con protocolos de transferencia de datos utilizados nos modernos sistemas de automatización (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Reserva de canles de comunicación mediante SHDSL
SHDSL úsase para crear canles de comunicación redundantes nunha rede Ethernet, a maioría das veces óptica.
SHDSL e interface serie
Os módems SHDSL con interface serie superan as limitacións de distancia, topoloxía e calidade dos condutores que existen para os sistemas tradicionais con cable baseados en transceptores asíncronos (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 e RS-485 - 1200 m.
Existen módems con interfaces serie (RS-232/422/485) tanto para aplicacións universais como especializadas (por exemplo, para Profibus). Todos estes dispositivos pertencen á categoría "non xestionado", polo que se configuran e diagnostican mediante un software especial.
Topoloxías
En redes con interface en serie, mediante SHDSL é posible construír redes con topoloxías punto a punto, liña e estrela. Dentro da topoloxía lineal, é posible combinar ata 255 nodos nunha soa rede (para Profibus - 30).
Nos sistemas construídos só con dispositivos RS-485, non hai restricións sobre o protocolo de transferencia de datos utilizado, pero as topoloxías de liña e estrela son atípicas para RS-232 e RS-422, polo que o funcionamento dos dispositivos finais nunha rede SHDSL con topoloxías similares. só é posible no modo semidúplex. Ao mesmo tempo, nos sistemas con RS-232 e RS-422, o enderezo do dispositivo debe proporcionarse a nivel de protocolo, o que non é típico das interfaces que se usan con máis frecuencia nas redes punto a punto.
Ao conectar dispositivos con diferentes tipos de interfaces mediante SHDSL, cómpre ter en conta o feito de que non existe un mecanismo único para establecer unha conexión (axuste de mans) entre dispositivos. Non obstante, aínda é posible organizar un intercambio neste caso, para iso deben cumprirse as seguintes condicións:
- a coordinación da comunicación e o control da transferencia de datos deben realizarse a nivel dun protocolo unificado de transferencia de datos de información;
- todos os dispositivos finais deben funcionar en modo semidúplex, que tamén debe ser compatible co protocolo de información.
O protocolo Modbus RTU, o protocolo máis común para interfaces asíncronas, permite evitar todas as limitacións descritas e construír un único sistema con diferentes tipos de interfaces.
Topoloxías de rede serie baseadas en SHDSL
Cando se usa RS-485 de dous cables no equipo Podes construír estruturas máis complexas combinando módems a través dun bus nun carril DIN. No mesmo bus pódese instalar unha fonte de alimentación (neste caso, todos os dispositivos son alimentados a través do bus) e conversores ópticos da serie PSI-MOS para crear unha rede combinada. Unha condición importante para o funcionamento deste sistema é a mesma velocidade de todos os transceptores.
Características adicionais de SHDSL nunha rede RS-485
Exemplos de aplicación
A tecnoloxía SHDSL utilízase activamente nos servizos públicos municipais de Alemaña. Máis de 50 empresas que prestan servizo aos sistemas de servizos públicos da cidade utilizan vellos cables de cobre para conectar obxectos distribuídos por toda a cidade cunha soa rede. Os sistemas de control e contabilidade para o abastecemento de auga, gas e enerxía están construídos principalmente sobre SHDSL. Entre esas cidades están Ulm, Magdeburgo, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder e moitas outras.
O maior sistema baseado en SHDSL creouse na cidade de Lübeck. O sistema ten unha estrutura combinada baseada en Ethernet óptica e SHDSL, conecta 120 obxectos remotos entre si e utiliza máis de 50 módems. . Toda a rede é diagnosticada mediante SNMP. O tramo máis longo desde Kalkhorst ata o aeroporto de Lübeck ten unha lonxitude de 39 km. O motivo polo que a empresa cliente escolleu SHDSL foi que non era economicamente viable implementar o proxecto totalmente en óptica, dada a dispoñibilidade de vellos cables de cobre.
Transmisión de datos mediante anel deslizante
Un exemplo interesante é a transferencia de datos entre obxectos en movemento, como se fai en aeroxeradores ou grandes máquinas de torsión industriais. Un sistema similar emprégase para o intercambio de información entre controladores situados no rotor e no estator das plantas. Neste caso, utilízase un contacto deslizante a través dun anel deslizante para transmitir datos. Exemplos como este mostran que non é necesario ter un contacto estático para transmitir datos a través de SHDSL.
Comparación con outras tecnoloxías
SHDSL vs GSM
Se comparamos SHDSL cos sistemas de transmisión de datos baseados en GSM (3G/4G), entón a ausencia de custos operativos asociados aos pagos regulares ao operador para o acceso á rede móbil fala a favor do DSL. Con SHDSL, somos independentes da área de cobertura, calidade e fiabilidade das comunicacións móbiles nunha instalación industrial, incluída a resistencia ás interferencias electromagnéticas. Con SHDSL non hai que configurar equipos, o que axiliza a posta en servizo da instalación. As redes sen fíos caracterízanse por grandes atrasos na transmisión de datos e dificultade para transmitir datos mediante tráfico multicast (Profinet, Ethernet IP).
A seguridade da información fala a favor de SHDSL debido á ausencia da necesidade de transferir datos a través de Internet e á necesidade de configurar conexións VPN para iso.
SHDSL vs Wi-Fi
Gran parte do que se dixo para GSM tamén se pode aplicar á wifi industrial. A baixa inmunidade ao ruído, a distancia limitada de transmisión de datos, a dependencia da topoloxía da zona e os atrasos na transmisión de datos falan en contra da wifi. O inconveniente máis importante é a seguridade da información das redes Wi-Fi, porque calquera persoa ten acceso ao medio de transmisión de datos. Co Wi-Fi xa é posible transmitir datos IP de Profinet ou Ethernet, o que sería difícil para GSM.
SHDSL vs óptica
Na gran maioría dos casos, a óptica presenta unha gran vantaxe sobre SHDSL, pero en varias aplicacións SHDSL permite aforrar tempo e diñeiro na colocación e soldadura de cables ópticos, reducindo o tempo que leva a posta en funcionamento dunha instalación. SHDSL non require conectores especiais, porque o cable de comunicación simplemente está conectado ao terminal do módem. Debido ás propiedades mecánicas dos cables ópticos, o seu uso é limitado en aplicacións que implican a transferencia de información entre obxectos en movemento, onde os condutores de cobre son máis comúns.
Fonte: www.habr.com