Nonostante la diffusione generalizzata delle reti Ethernet, le tecnologie di comunicazione basate su DSL mantengono la loro rilevanza anche oggi. La tecnologia DSL è ancora spesso utilizzata nelle reti dell'ultima miglio per collegare l'hardware degli utenti ai servizi degli Internet provider, e di recente sta trovando impiego crescente anche nella costruzione di reti locali, ad esempio in applicazioni industriali, dove la DSL funge da complemento alle reti Ethernet o a quelle di campo basate su RS-232/422/485. Queste soluzioni industriali sono ampiamente utilizzate nei paesi europei e asiatici sviluppati.
DSL è un insieme di standard originariamente pensati per la trasmissione di dati digitali su linee telefoniche. Storicamente, è stata la prima tecnologia per l'accesso a banda larga a Internet, sostituendo il DIAL UP e l'ISDN. L'ampia varietà di standard DSL esistenti oggi è dovuta al fatto che molte aziende, a partire dagli anni '80, hanno cercato di sviluppare e promuovere sul mercato la propria tecnologia.
Tutte queste tecnologie possono essere suddivise in due grandi categorie: tecnologie asimmetriche (ADSL) e simmetriche (SDSL). Le tecnologie asimmetriche sono quelle in cui la velocità della connessione in ingresso è diversa da quella del traffico in uscita. Le tecnologie simmetriche, invece, offrono velocità di ricezione e trasmissione pari.
I più noti e diffusi standard asimmetrici sono, appunto, ADSL (nella sua ultima versione – ADSL2+) e VDSL (VDSL2), mentre quelli simmetrici includono HDSL (profilo obsoleto) e SHDSL. Ognuno di essi si distingue per il fatto di operare su diverse frequenze, utilizzare diversi metodi di codifica e modulazione sulla linea fisica di comunicazione. Differiscono anche nei metodi di correzione degli errori, garantendo diversi livelli di immunità alle interferenze. Di conseguenza, ogni tecnologia ha i propri limiti in termini di velocità e distanza di trasmissione dei dati, a seconda del tipo e della qualità del conduttore.
Parametri limite di diversi standard DSL
In any DSL technology, the data transfer rate decreases as the length of the conductor increases. At extreme distances, it is possible to achieve speeds in the hundreds of kilobits, but when transmitting data over 200-300 meters, the maximum possible speed is available.
Among all technologies, SHDSL has a significant advantage that makes its application in industrial settings possible—high immunity to interference and the ability to use any type of conductor for data transmission. This is not present in asymmetric standards, and the quality of the connection heavily depends on the quality of the line used for data transfer. In particular, using twisted telephone cables is recommended. In this case, a more reliable solution instead of ADSL and VDSL is to use optical fiber.
Any pair of isolated conductors—copper, aluminum, steel, etc.—is suitable for SHDSL. Old electrical wiring, old telephone lines, barbed wire fences, and others can serve as transmission media.
The dependence of the SHDSL data transfer rate on distance and type of conductor.
Dal grafico che mostra la relazione tra la velocità di trasmissione dei dati e la distanza e il tipo di conduttore, riportato per SHDSL, è evidente che conduttori di maggiore sezione consentono di trasmettere informazioni su distanze maggiori. Grazie alla tecnologia, è possibile organizzare una connessione fino a 20 km con una velocità massima di 15,3 Mbit/s per il cavo a 2 conduttori o di 30 Mbit/s per quello a 4 conduttori. Nelle applicazioni reali, la velocità di trasmissione può essere impostata manualmente, il che è necessario in condizioni di forti interferenze elettromagnetiche o scarsa qualità della linea. In questo caso, per aumentare la distanza di trasmissione, è necessario ridurre la velocità di funzionamento dei dispositivi SHDSL. Per un calcolo preciso della velocità in funzione della distanza e del tipo di conduttore, si possono utilizzare strumenti software gratuiti come .
Quali sono le ragioni per cui SHDSL ha un'elevata resistenza alle interferenze?
Il principio di funzionamento del trasmettitore-ricevitore SHDSL può essere rappresentato sotto forma di un diagramma a blocchi, in cui si evidenzia una parte specifica e indipendente (invariante) dal punto di vista dell'applicazione. La parte indipendente è composta dai blocchi funzionali PMD (Physical Medium Dependent) e PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), mentre la parte specifica comprende il livello TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) e le interfacce dei dati utente.
La linea di comunicazione fisica tra i trasmettitori-riceventi (STU) può esistere sotto forma di un singolo cavo a coppia o di più cavi a coppia. Nel caso di più coppie di cavi, lo STU contiene diversi blocchi PMD indipendenti, collegati a un unico PMS-TC.
Modello funzionale del trasmettitore-ricevitore SHDSL (STU)
Il modulo TPS-TC dipende dall'applicazione in cui viene utilizzato il dispositivo (Ethernet, RS-232/422/485, ecc.). Il suo compito è quello di convertire i dati utente nel formato SHDSL, eseguendo la multiplexing/demultiplexing e la sincronizzazione temporale di più canali di dati utente.
A livello di PMS-TC avviene la formazione dei frame SHDSL e la loro sincronizzazione, oltre alla scrambrazione e descrambrazione.
Il modulo PMD svolge funzioni di codifica/decodifica delle informazioni, modulazione/demodulazione, cancellazione dell'eco, sincronizzazione dei parametri sulla linea di comunicazione e stabilimento della connessione tra trasmettitori e ricevitori. È a livello PMD che vengono eseguite le operazioni principali che garantiscono un'elevata immunità al rumore per SHDSL, inclusa la codifica TCPAM (codifica Trellis con modulazione analogico-impulsiva), il meccanismo di codifica modulare comune, che migliora l'efficienza spettrale del segnale rispetto al metodo separato. Il principio di funzionamento del modulo PMD può essere rappresentato anche come un diagramma funzionale.
Diagramma a blocchi del modulo PMD
Alla base di TC-PAM c'è l'uso di un codificatore convoluzionale, che genera una sequenza eccessiva di bit dal lato del trasmettitore SHDSL. Ad ogni ciclo operativo, a ciascun bit che entra nel codificatore viene associato un doppio bit (dibit) in uscita. In questo modo, a costo di una relativa sovrabbondanza, si aumenta la resistenza alle interferenze nella trasmissione. L'uso della modulazione Trellis consente di ridurre la banda di frequenze necessaria per la trasmissione dei dati e semplifica il componente hardware mantenendo invariato il rapporto segnale/rumore.
Principio di funzionamento del codificatore Trellis (TC-PAM 16)
Il doppio bit è formato da un'operazione logica di somma modulo 2 (esclusivo «o») basata sul bit in ingresso x1(tn) e sui bit x1(tn-1), x1(tn-2) e così via (fino a 20) che sono stati in precedenza inviati al codificatore e sono rimasti memorizzati nei registri di memoria. Al ciclo successivo del codificatore tn+1 avverrà uno spostamento dei bit nelle celle di memoria per eseguire l'operazione logica: il bit x1(tn) verrà spostato in memoria, traslando tutta la sequenza di bit memorizzata.
Algoritmo del codificatore convoluzionale
Tabelle di verità per l'operazione di somma modulo 2
Per una migliore comprensione, è utile utilizzare un diagramma di stato del codificatore convoluzionale, che mostra in quale stato si trova il codificatore nei momenti tn, tn+1, ecc. in base ai dati in ingresso. Con lo stato del codificatore si intende in questo caso una coppia di valori del bit di input x1(tn) e del bit nella prima cella di memoria x1(tn-1). Per costruire il diagramma, si può utilizzare un grafo, in cui i vertici rappresentano i possibili stati del codificatore e le transizioni da uno stato all'altro sono indicate dai corrispondenti bit di input x1(tn) e dai bit di uscita $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagramma degli stati e grafo delle transizioni del codificatore convoluzionale del trasmettitore
Nel trasmettitore, a partire dai quattro bit ottenuti (due bit d'uscita del codificatore e due bit di dati) viene formata un'icona, a ciascuna delle quali corrisponde una propria ampiezza del segnale modulante del modulatore analogico-pulsato.
Stato dell'AIM a 16 bit in base al valore dell'icona a quattro bit
Dalla parte del ricevitore, avviene il processo inverso: demodulazione e estrazione dalla codifica ridondante (bit doppi y0y1(tn)) della sequenza necessaria di bit in ingresso del codificatore x1(tn). Questa operazione viene eseguita dal decodificatore di Viterbi.
L'algoritmo del decodificatore si basa sul calcolo della metrica degli errori per tutti i possibili stati ipotizzati del codificatore. La metrica degli errori indica la differenza tra i bit ricevuti e i bit previsti per ciascun percorso possibile. Se non ci sono errori nella ricezione, la metrica del percorso corretto sarà 0, poiché non ci sono discrepanze tra i bit. Per i percorsi errati, la metrica sarà diversa da zero, crescendo costantemente, e dopo un certo periodo il decodificatore smetterà di calcolare il percorso errato, mantenendo solo quello corretto.
Diagramma di stato del codificatore calcolato dal decodificatore di Viterbi del ricevitore
Ma come garantisce questo algoritmo la tolleranza agli errori? Se si suppone che il ricevitore abbia ricevuto dati errati, il decoder continuerà a calcolare due percorsi con una metrica di errore 1. Il percorso con metrica 0 non esisterà più. Tuttavia, il decoder determinerà più avanti quale sia il percorso corretto in base ai successivi bit doppi ricevuti.
In caso di un secondo errore, ci saranno più percorsi con metrica 2, ma il percorso corretto sarà identificato successivamente utilizzando il metodo della massima verosimiglianza (ovvero la metrica minima).
Diagramma degli stati del codificatore calcolato dal decoder di Viterbi durante la ricezione di dati con errori.
Nel caso descritto sopra, è stato preso in considerazione l'algoritmo di un sistema a 16 bit (TC-PAM16), che consente di trasmettere in un simbolo tre bit di informazioni utili e un bit aggiuntivo per la protezione dagli errori. Nel TC-PAM16 è possibile ottenere una velocità di trasmissione dati che va da 192 a 3840 kbit/s. Aumentando la profondità fino a 128 (sistemi moderni che operano con TC-PAM128), in ogni simbolo vengono trasmessi sei bit di informazioni utili, e la velocità massima raggiungibile è compresa tra 5696 kbit/s e 15,3 Mbit/s.
L'uso della modulazione a impulsi analogica (PAM) mette in relazione SHDSL con vari popolari standard Ethernet, come il gigabit 1000BASE-T (PAM-5), il 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) o l'innovativo Ethernet industriale a coppia singola 10BASE-T1L (PAM-3) previsto per il 2020.
SHDSL nelle reti Ethernet
Esistono modem SHDSL gestiti e non gestiti, ma questa classificazione ha poco in comune con la consueta suddivisione in dispositivi gestiti e non gestiti esistente, ad esempio, per gli switch Ethernet. La differenza risiede nei mezzi di configurazione e monitoraggio. I modem gestiti vengono configurati tramite interfaccia web e possono essere diagnosticati tramite SNMP, mentre i non gestiti necessitano di software aggiuntivo tramite la porta seriale (per Phoenix Contact, si tratta del programma gratuito PSI-CONF e dell'interfaccia mini-USB). A differenza degli switch, i modem non gestiti possono operare in una rete con topologia ad anello.
Per il resto, i modem gestiti e non gestiti sono assolutamente identici, inclusa la funzionalità e la possibilità di operare secondo il principio del Plug&Play, ossia senza configurazione preliminare.
I modem possono avere funzioni di protezione contro le sovratensioni elettriche con possibilità di diagnosi. Le reti SHDSL possono formare segmenti molto lunghi, e i conduttori possono passare in luoghi dove è possibile la formazione di sovratensioni (differenze di potenziale indotte, causate da fulmini o cortocircuiti nelle linee di cavo vicine). La tensione indotta può provocare correnti di scarica dell'ordine dei kiloampere. Pertanto, per proteggere le attrezzature da tali fenomeni, i modem sono dotati di dispositivi di protezione da sovratensione (UZIП) sotto forma di scheda rimovibile, che può essere sostituita se necessario. È proprio al morsetto di questa scheda che si collega la linea SHDSL.
Topologie
Con SHDSL in Ethernet è possibile costruire reti con qualsiasi topologia: punto-punto, linea, stella e anello. A seconda del tipo di modem, per la connessione si possono utilizzare linee a 2 o 4 fili.
Topologie di rete Ethernet basate su SHDSL
È possibile costruire sistemi distribuiti con topologie combinate. Ogni segmento della rete SHDSL può ospitare fino a 50 modem e, considerando le capacità fisiche della tecnologia (distanza massima tra i modem di 20 km), la lunghezza del segmento può raggiungere i 1000 km.
Se in ciascuno di questi segmenti viene installato un modem gestito, l'integrità del segmento può essere diagnosticata tramite SNMP. Inoltre, i modem gestiti e non gestiti supportano la tecnologia VLAN, consentendo di suddividere la rete in sottoreti logiche. Gli apparecchi sono anche in grado di lavorare con i protocolli di trasmissione dati utilizzati nei moderni sistemi di automazione (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, ecc.).
Riserva dei canali di comunicazione mediante SHDSL
SHDSL viene utilizzato per creare canali di comunicazione di emergenza nella rete Ethernet, spesso fibra ottica.
SHDSL e interfaccia seriale
I modem SHDSL con interfaccia seriale consentono di superare i limiti di distanza, topologia e qualità del conduttore che esistono per i tradizionali sistemi cablati basati su trasmettitori e ricevitori asincroni (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 e RS-485 - 1200 m.
Esistono modem con interfacce seriali (RS-232/422/485) sia per applicazioni generali che per applicazioni specializzate (ad esempio, per Profibus). Tutti questi dispositivi rientrano nella categoria dei «non gestiti», quindi vengono configurati e diagnosticati tramite software specializzato.
Topologie
Nelle reti con interfaccia seriale, grazie a SHDSL è possibile costruire reti con topologie punto-punto, linea e stella. Nella topologia lineare, è possibile connettere fino a 255 nodi in un'unica rete (per Profibus — 30).
Nei sistemi costruiti utilizzando solo dispositivi con interfaccia RS-485, non ci sono limitazioni riguardo al protocollo di trasmissione dati utilizzato, ma le topologie di tipo linea e stella non sono tipiche per RS-232 e RS-422, quindi il funzionamento dei dispositivi finali in una rete SHDSL con tali topologie è possibile solo in modalità half-duplex. Allo stesso tempo, nei sistemi con RS-232 e RS-422, a livello di protocollo, deve essere garantita l'indirizzamento dei dispositivi, il che non è caratteristico per le interfacce più comunemente utilizzate nelle reti punto-punto.
Quando si collegano dispositivi con diversi tipi di interfaccia tramite SHDSL, è necessario tenere conto dell'assenza di un meccanismo unico per stabilire la connessione (handshake) tra i dispositivi. Tuttavia, è comunque possibile organizzare lo scambio — è necessario che siano soddisfatte le seguenti condizioni:
- la sincronizzazione della connessione e la gestione del trasferimento dei dati devono avvenire a livello di un unico protocollo informatico di trasmissione dei dati;
- tutti i dispositivi finali devono funzionare in modalità half-duplex, il che deve essere supportato anche dal protocollo informatico.
Il protocollo Modbus RTU, comunemente utilizzato per le interfacce asincrone, consente di evitare tutte le limitazioni descritte e di costruire un sistema unico con diversi tipi di interfacce.
Topologie di rete con interfaccia seriale basata su SHDSL
Uso del RS-485 a due fili attrezzature È possibile costruire strutture più complesse, collegando i modem tramite un'unica bus su un'asse DIN. Sulla stessa bus può essere installato un alimentatore (in tal caso, l'alimentazione di tutti i dispositivi avviene tramite la bus) e convertitori ottici della serie PSI-MOS per creare una rete combinata. Una condizione importante per il funzionamento di tale sistema è la medesima velocità di tutti i trasmittenti e ricevitori.
Ulteriori possibilità SHDSL nella rete RS-485
Esempi di applicazione
La tecnologia SHDSL è ampiamente utilizzata nei servizi pubblici urbani in Germania. Oltre 50 aziende che gestiscono sistemi pubblici cittadini utilizzano vecchi cavi di rame per collegare in una rete oggetti distribuiti in città. La tecnologia SHDSL è principalmente utilizzata per sistemi di gestione e monitoraggio nell'approvvigionamento idrico, gas e energia. Tra queste città ci sono Ulma, Magdeburgo, Ingolstadt, Bielefeld, Francoforte sull'Oder e molte altre.
Il sistema più esteso basato su SHDSL è stato creato nella città di Lubecca. Il sistema ha una struttura combinata basata su Ethernet ottico e SHDSL, collega 120 oggetti distanti tra loro e utilizza oltre 50 modem. . L'intera rete viene diagnosticata tramite SNMP. Il segmento più lungo dalla comunità di Kalkhorst all'aeroporto di Lubecca misura 39 km. Il motivo per cui il cliente ha scelto SHDSL è che implementare il progetto completamente in fibra ottica sarebbe stato economicamente svantaggioso considerando la presenza di vecchi cavi in rame.
Trasmissione dei dati tramite anello di contatto
Un esempio interessante è la trasmissione dei dati tra oggetti in movimento, come avviene nelle turbine eoliche o nelle grandi macchine industriali di torsione. Un sistema simile viene utilizzato per lo scambio di informazioni tra i controller situati sul rotore e sullo statore degli impianti. In questo caso, la trasmissione dei dati avviene tramite un contatto scorrevole attraverso un anello di contatto. Esempi simili dimostrano che non è necessario avere un contatto statico per trasmettere dati tramite SHDSL.
Confronto con altre tecnologie
SHDSL vs GSM
Se confrontiamo SHDSL con i sistemi di trasmissione dati basati su GSM (3G/4G), a favore di DSL va considerata l'assenza di costi operativi legati al pagamento regolare per l'accesso alla rete mobile. Con SHDSL non dipendiamo dalla copertura, dalla qualità e dall'affidabilità della rete mobile in un impianto industriale, compresa la resilienza alle interferenze elettromagnetiche. In SHDSL non è necessaria la configurazione dell'hardware, il che accelera l'entrata in funzione dell'impianto. Le reti wireless presentano latenze elevate nella trasmissione dei dati e difficoltà nella trasmissione di dati che utilizzano traffico multicast (Profinet, Ethernet IP).
A favore di SHDSL c'è la sicurezza informatica, grazie all'assenza della necessità di trasmettere dati attraverso Internet e di configurare connessioni VPN per farlo.
SHDSL vs Wi-Fi
Molto di quanto detto per GSM si applica anche al Wi-Fi industriale. Tra gli svantaggi del Wi-Fi ci sono la bassa resistenza alle interferenze, la distanza limitata nella trasmissione dei dati, la dipendenza dalla topologia del terreno e i ritardi nella trasmissione. Il principale svantaggio è la sicurezza informatica delle reti Wi-Fi, poiché chiunque ha accesso al mezzo di trasmissione dei dati. Con il Wi-Fi è già possibile trasmettere dati Profinet o Ethernet IP, il che sarebbe difficile per il GSM.
SHDSL vs fibra ottica
La fibra ottica ha un vantaggio notevole rispetto all'SHDSL nella maggior parte dei casi, ma in alcune applicazioni l'SHDSL consente di risparmiare tempo e risorse per la posa e la saldatura della fibra ottica, riducendo i tempi di messa in servizio. Per l'SHDSL non sono necessari connettori speciali, poiché il cavo di comunicazione si collega semplicemente ai terminali del modem. A causa delle proprietà meccaniche dei cavi in fibra ottica, il loro utilizzo è limitato in applicazioni che coinvolgono la trasmissione di informazioni tra oggetti in movimento, dove sono più diffusi i conduttori di rame.
Fonte: habr.com
