Nonostante la diffusione delle reti Ethernet, le tecnologie di comunicazione basate su DSL rimangono comunque attuali anche oggi. Ancora oggi, la DSL può essere trovata nelle reti di ultima miglia per collegare le apparecchiature degli utenti alle reti degli Internet provider, e ultimamente la tecnologia viene sempre più utilizzata nella costruzione di reti locali, ad esempio nelle applicazioni industriali, dove la DSL funge da complemento all'Ethernet o alle reti di campo basate su RS-232/422/485. Queste soluzioni industriali vengono adottate attivamente nei paesi sviluppati europei e asiatici.
La DSL rappresenta una famiglia di standard pensati inizialmente per la trasmissione di dati digitali su linee telefoniche. Storicamente, è stata la prima tecnologia di accesso a banda larga a Internet, subentrando a DIAL UP e ISDN. La grande varietà di standard DSL esistenti 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 soluzioni possono essere suddivise in due grandi categorie: tecnologie asimmetriche (ADSL) e simmetriche (SDSL). Le asimmetriche sono quelle in cui la velocità della connessione in entrata è diversa da quella del traffico in uscita. Le simmetriche, invece, rimandano a situazioni in cui le velocità di ricezione e trasmissione sono uguali.
Gli standard asimmetrici più noti e diffusi sono, appunto, ADSL (nell'ultima versione ADSL2+) e VDSL (VDSL2), mentre gli standard simmetrici includono HDSL (profilo obsoleto) e SHDSL. Ognuno di essi si differenzia per il fatto che operano su diverse frequenze e utilizzano diversi metodi di codifica e modulazione sulla linea fisica di comunicazione. Differiscono anche nei metodi di correzione degli errori, il che consente un diverso livello di resistenza alle interferenze. Di conseguenza, ogni tecnologia ha i propri limiti in termini di velocità e distanza di trasmissione dei dati, anche in funzione del tipo e della qualità del conduttore.
Parametri limite dei vari standard DSL
In qualsiasi tecnologia DSL, la velocità di trasmissione dei dati diminuisce all'aumentare della lunghezza del conduttore. A distanze limite, è possibile ottenere una velocità di alcune centinaia di kilobit, ma nella trasmissione di dati a 200-300 m è disponibile la massima velocità possibile.
Tra tutte le tecnologie, SHDSL ha un significativo vantaggio che ne consente l'impiego in applicazioni industriali: l'alta resistenza alle interferenze e la possibilità di utilizzare qualsiasi tipo di conduttore per la trasmissione dei dati. Negli standard asimmetrici ciò non è presente e la qualità della connessione dipende fortemente dalla qualità della linea utilizzata per la trasmissione dei dati. In particolare, si raccomanda di utilizzare un cavo telefonico intrecciato. In questo caso, una soluzione più affidabile rispetto a ADSL e VDSL è l'utilizzo di un cavo in fibra ottica.
Per SHDSL è adatta qualsiasi coppia di conduttori isolati l'uno dall'altro: rame, alluminio, acciaio, ecc. Come mezzo di trasmissione possono essere utilizzati vecchi impianti elettrici, linee telefoniche obsolete, filo spinato delle recinzioni, ecc.
Dipendenza della velocità di trasmissione dei dati SHDSL dalla distanza e dal tipo di conduttore
Dal grafico che mostra la dipendenza della velocità di trasmissione dei dati dalla distanza e dal tipo di conduttore per SHDSL, si può osservare che i conduttori con un maggior diametro consentono di trasmettere informazioni su distanze maggiori. Grazie a questa tecnologia è possibile organizzare una connessione su distanze fino a 20 km con una velocità massima di 15,3 Mb/s per un cavo a 2 conduttori o 30 Mb per un cavo a 4 conduttori. Nelle applicazioni reali, la velocità di trasmissione può essere impostata manualmente, il che è necessario in presenza di forti interferenze elettromagnetiche o scarsa qualità della linea. In questo caso, per aumentare la distanza di trasmissione, è necessario ridurre la velocità dei dispositivi SHDSL. Per il calcolo preciso della velocità in base alla distanza e al tipo di conduttore si possono utilizzare strumenti software gratuiti, come .
Cosa consente a SHDSL di avere un'alta resistenza alle interferenze?
Il principio di funzionamento del trasmettitore-ricevitore SHDSL può essere rappresentato attraverso un diagramma a blocchi, in cui viene evidenziata una parte specifica e una parte 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 include il livello TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) e le interfacce dei dati degli utenti.
La linea fisica di comunicazione tra i trasmettitori e ricevitori (STU) può esistere sotto forma di un cavo a coppia singola o più cavi a coppia singola. In caso di più cavi a coppia, lo STU contiene più blocchi PMD indipendenti collegati a un'unica 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.). La sua funzione è quella di convertire i dati degli utenti nel formato SHDSL, eseguire il multiplexing/demultiplexing e la correzione temporale di più canali di dati degli utenti.
A livello di PMS-TC avviene la formazione dei frame SHDSL e la loro sincronizzazione, nonché la scrambler e descrambler.
Il modulo PMD esegue le funzioni di codifica/decodifica delle informazioni, modulazione/demodulazione, cancellazione dell'eco, adattamento dei parametri sulla linea di comunicazione e stabilimento della connessione tra i trasmettitori e ricevitori. A livello di PMD vengono eseguite le operazioni principali che garantiscono un'elevata resistenza alle interferenze dello SHDSL, inclusa la codifica TCPAM (codifica a Trellis con modulazione analogico-impulsiva), meccanismo di codifica e modulazione congiunta, che migliora l'efficienza spettrale del segnale rispetto al metodo separato. Il principio di funzionamento del modulo PMD può essere rappresentato anche sotto forma di diagramma funzionale.
Diagramma a blocchi del modulo PMD
Alla base del TC-PAM c'è l'uso di un codificatore convoluzionale, che genera una sequenza ridondante di bit sul lato del trasmettitore SHDSL. Ad ogni ciclo di funzionamento, ad ogni bit in entrata al codificatore viene associato un bit doppio (dibit) in uscita. In questo modo, a fronte di una relativa piccola ridondanza, si aumenta la resistenza alle interferenze della trasmissione. L'uso della modulazione Trellis permette di ridurre la banda passante utilizzata per la trasmissione dei dati e semplificare la parte hardware mantenendo invariato il rapporto segnale/rumore.
Principio di funzionamento del codificatore Trellis (TC-PAM 16)
Un doppio bit si forma a seguito di 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 un massimo di 20), che sono stati inviati al codificatore in precedenza e sono memorizzati nei registri di memoria. Nel successivo ciclo di funzionamento 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, spostando l'intera sequenza di bit ivi memorizzata.
Algoritmo del codificatore convoluzionale
Tabelle di verità dell'operazione di somma modulo 2
Per una maggiore chiarezza è utile utilizzare un diagramma di stato del codificatore convoluzionale, che permette di vedere in quale stato si trova il codificatore nei momenti tn, tn+1 e così via, a seconda dei dati di ingresso. Con stato del codificatore ci si riferisce a una coppia di valori del bit in ingresso x1(tn) e del bit nella prima cella di memoria x1(tn-1). Per costruire il diagramma si può utilizzare un grafo, dove i vertici rappresentano gli stati possibili del codificatore e le transizioni da uno stato all'altro sono indicate dai corrispondenti bit in ingresso x1(tn) e dai bit d'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 ricevuti (due bit d'uscita del codificatore e due bit di dati) viene formato un simbolo, a ciascuno dei quali corrisponde una specifica ampiezza del segnale modulante del modulatore analogico-impulsivo.
Stato di un AIM a 16 bit in base al valore del simbolo a 4 bit
Dalla parte del ricevitore avviene un processo inverso: demodulazione ed estrazione dalla codifica ridondante (doppie bits y0y1(tn)) della necessaria sequenza di bit in ingresso del codificatore x1(tn). Questa operazione è eseguita dal decodificatore di Viterbi.
L'algoritmo del decodificatore si basa sul calcolo della metrica degli errori per tutti i possibili stati presunti del codificatore. Con metrica degli errori si intende la differenza tra i bit ricevuti e i bit stimati per ciascun possibile percorso. Se non ci sono errori nella ricezione, la metrica degli errori del percorso reale sarà 0, poiché non ci sono discrepanze nei bit. Per i percorsi errati la metrica sarà diversa da zero, aumenterà costantemente e dopo un certo periodo il decodificatore smetterà di calcolare il percorso errato, mantenendo solo quello reale.
Diagramma di stato del codificatore, calcolata dal decodificatore Viterbi del ricevitore
Ma come garantisce questo algoritmo la resistenza alle interferenze? Supponiamo che il ricevitore abbia ricevuto dati errati, il decodificatore continuerà a calcolare due percorsi con una metrica di errore 1. Non esisterà più il percorso con metrica 0. Tuttavia, il decodificatore determinerà, in seguito, quale percorso è quello corretto, sulla base dei successivi bit doppi ricevuti.
Quando si verifica un secondo errore, ci saranno diversi percorsi con metrica 2, ma il percorso corretto verrà identificato in seguito basandosi sul metodo della massima verosimiglianza (cioè metrica minima).
Diagramma di stato del codificatore, calcolata dal decodificatore Viterbi, durante la ricezione di dati errati
Nell'esempio di cui sopra è stato considerato l'algoritmo di un sistema a 16 bit (TC-PAM16), che consente la trasmissione di tre bit di informazione utile e un bit aggiuntivo per la protezione dagli errori in un simbolo. In TC-PAM16 si può raggiungere una velocità di trasmissione dei dati che varia da 192 a 3840 kbit/s. Aumentando la profondità a 128 (i sistemi moderni utilizzano TC-PAM128), in ciascun simbolo vengono trasmessi sei bit di informazione utile, e la velocità massima raggiungibile va da 5696 kbit/s a 15,3 Mbit/s.
L'uso della modulazione a impulsi analogici (PAM) avvicina lo SHDSL a diversi standard Ethernet popolari, come il gigabit 1000BASE-T (PAM-5), il 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) o l'industriale monofilo Ethernet 10BASE-T1L (PAM-3), previsto per il 2020.
SHDSL nelle reti Ethernet
Esistono modem SHDSL gestiti e non gestiti, ma in tale classificazione c'è poco in comune con la tradizionale distinzione tra dispositivi gestiti e non gestiti, come nel caso degli switch Ethernet. La differenza concerne i mezzi di configurazione e monitoraggio. I modem gestiti vengono configurati tramite interfaccia web e possono essere diagnosticati tramite SNMP, mentre quelli non gestiti – tramite software aggiuntivo attraverso una porta console (per Phoenix Contact, si tratta del programma gratuito PSI-CONF e dell'interfaccia mini-USB). A differenza degli switch, i modem non gestiti possono funzionare in una rete a topologia anulare.
Per il resto, i modem gestiti e non gestiti sono assolutamente identici, comprese le funzionalità e la possibilità di operare secondo il principio Plug & Play, ossia senza alcuna configurazione preliminare.
In aggiunta, i modem possono assumere funzioni di protezione contro le sovratensioni impulsi con la possibilità di diagnosticarle. Le reti SHDSL possono formare segmenti molto lunghi, e i cavi possono passare in luoghi dove è possibile la formazione di sovratensioni impulsi (differenza di potenziale indotta, causata da fulmini o cortocircuiti nelle linee cablate vicine). La tensione indotta può causare il passaggio di correnti di scarico dell'ordine dei kiloampere. Pertanto, per proteggere le apparecchiature da tali fenomeni, i modem sono dotati di SPD sotto forma di scheda rimovibile, che può essere sostituita se necessario. Proprio al morsettiero di questa scheda 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, è possibile utilizzare linee a 2 o 4 fili per la connessione.
Topologie della rete Ethernet basate su SHDSL
È possibile anche costruire sistemi distribuiti con topologia combinata. Ogni segmento della rete SHDSL può contenere fino a 50 modem e, considerando le capacità fisiche della tecnologia (distanza tra i modem di 20 km), la lunghezza del segmento può raggiungere i 1000 km.
Se all'inizio di ciascun segmento 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, ovvero consentono di suddividere la rete in sottoreti logiche. Le apparecchiature sono anche in grado di lavorare con protocolli di trasmissione dati utilizzati nei moderni sistemi di automazione (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, ecc.).
Ridondanza dei canali di comunicazione tramite SHDSL
SHDSL viene utilizzato per creare canali di comunicazione di riserva nella rete Ethernet, più frequentemente ottici.
SHDSL e interfaccia seriale
I modem SHDSL con interfaccia seriale consentono di superare le limitazioni 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 quelle 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 all'SHDSL è possibile costruire reti con topologie punto-punto, linea e stella. Nell'ambito della topologia lineare è possibile collegare fino a 255 nodi in una rete (per Profibus — 30).
Nei sistemi costruiti utilizzando solo dispositivi con interfaccia RS-485, non ci sono limitazioni relative al protocollo di trasmissione dati utilizzato, ma le topologie tipo linea e stella sono atipiche 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, deve essere garantita l'indirizzamento dei dispositivi a livello di protocollo, cosa che non è caratteristica per le interfacce più comunemente utilizzate nelle reti punto-punto.
Quando si collegano tramite SHDSL dispositivi con differenti tipi di interfacce, è necessario tenere presente l'assenza di un meccanismo unificato per l'instaurazione della connessione (handshake) tra i dispositivi. Tuttavia, è possibile organizzare lo scambio in questo caso — per farlo è necessario soddisfare le seguenti condizioni:
- la coordinazione della connessione e la gestione della trasmissione dei dati devono essere eseguite a livello di un protocollo informativo unificato per la trasmissione dei dati;
- tutti i dispositivi finali devono funzionare in modalità half-duplex, cosa che deve essere supportata anche dal protocollo informativo.
Il protocollo Modbus RTU, frequentemente utilizzato per interfacce asincrone, permette di superare tutte le limitazioni descritte e costruire un sistema unificato con diversi tipi di interfacce.
Topologie di rete con interfaccia seriale basata su SHDSL
Utilizzando RS-485 a due fili sull'attrezzatura È possibile costruire strutture più complesse collegando i modem tramite un solo bus su un binario DIN. Sullo stesso bus può essere installato un alimentatore (in tal caso, l'alimentazione di tutti i dispositivi avviene tramite il bus) e convertitori ottici della serie PSI-MOS per creare una rete combinata. Una condizione importante per il funzionamento di tale sistema è la stessa velocità di tutti i trasmettitori e ricevitori.
Funzionalità aggiuntive 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 urbani utilizzano vecchi cavi in rame per collegare oggetti distribuiti in tutta la città in un'unica rete. Le prime applicazioni SHDSL riguardano i sistemi di gestione e monitoraggio nell'approvvigionamento di acqua, gas ed energia. Tra queste città ci sono Ulm, Magdeburgo, Ingolstadt, Bielefeld, Francoforte sull'Oder e molte altre.
Il sistema più esteso basato su SHDSL è stato realizzato 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 è diagnosticata tramite SNMP. Il segmento più lungo, dalla comunità di Kalkhorst all'aeroporto di Lubecca, ha una lunghezza di 39 km. La ragione per cui la società committente ha scelto SHDSL è stata che l'implementazione del progetto interamente in fibra ottica era economicamente svantaggiosa considerando la presenza di vecchi cavi in rame.
Trasmissione dati attraverso un anello di contatto
Un esempio interessante è la trasmissione di dati tra oggetti in movimento, come avviene nelle turbine eoliche o in grandi macchine per torsione industriali. Tale sistema è utilizzato per lo scambio di informazioni tra i controllori situati nel rotore e nello statore degli impianti. In questo caso, per la trasmissione dei dati si utilizza un contatto scorrevole attraverso un anello di contatto. Esempi simili dimostrano che non è necessario avere un contatto statico per la trasmissione dei dati tramite SHDSL.
Confronto con altre tecnologie
SHDSL vs GSM
Se confrontando SHDSL con i sistemi di trasmissione dati basati su GSM (3G/4G), in favore del DSL c'è l'assenza di costi operativi legati al pagamento regolare a un operatore per l'accesso alla rete mobile. Con SHDSL non siamo dipendenti dalla copertura, dalla qualità e dall'affidabilità della connessione mobile su un'installazione industriale, comprese le resistenze alle interferenze elettromagnetiche. SHDSL non richiede la configurazione dell'attrezzatura, il che accelera l'immissione in servizio dell'impianto. Le reti wireless sono caratterizzate da alte latenze nella trasmissione dei dati e dalla complessità nella trasmissione di dati che utilizzano traffico multicast (Profinet, Ethernet IP).
A favore di SHDSL c'è la sicurezza delle informazioni, grazie all'assenza della necessità di trasmettere dati attraverso Internet e la necessità di configurare connessioni VPN per questo.
SHDSL vs Wi-Fi
Molte delle considerazioni fatte per GSM possono essere applicate anche al Wi-Fi industriale. Contro il Wi-Fi gioca la bassa resistenza alle interferenze, la distanza limitata di trasmissione dei dati, la dipendenza dalla topologia del terreno e le latenze nella trasmissione dei dati. Il principale svantaggio è la sicurezza delle informazioni delle reti Wi-Fi, poiché chiunque ha accesso all'ambiente 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 nella stragrande maggioranza dei casi presenta un grande vantaggio rispetto a SHDSL, ma in alcune applicazioni SHDSL consente di risparmiare tempo e risorse per la posa e la saldatura della fibra ottica, riducendo i tempi di immissione in servizio dell'impianto. Per SHDSL non sono richiesti connettori speciali, in quanto il cavo di comunicazione viene semplicemente collegato ai morsetti del modem. A causa delle proprietà meccaniche dei cavi in fibra ottica, il loro utilizzo è limitato in applicazioni legate alla trasmissione di informazioni tra oggetti in movimento, dove i conduttori in rame hanno trovato una maggiore diffusione.
Fonte: habr.com
