Nonostante l’uso diffuso delle reti Ethernet, le tecnologie di comunicazione basate su DSL rimangono rilevanti ancora oggi. Fino ad ora, la DSL può essere trovata nelle reti dell'ultimo miglio per collegare le apparecchiature degli abbonati alle reti dei provider Internet, e recentemente la tecnologia è sempre più utilizzata nella costruzione di reti locali, ad esempio nelle applicazioni industriali, dove DSL funge da complemento a Ethernet. o reti di campo basate su RS-232/422/485. Soluzioni industriali simili vengono utilizzate attivamente nei paesi sviluppati europei e asiatici.
DSL è una famiglia di standard originariamente concepiti per la trasmissione di dati digitali su linee telefoniche. Storicamente, è diventata la prima tecnologia di accesso a Internet a banda larga, sostituendo DIAL UP e ISDN. L'ampia varietà di standard DSL attualmente esistenti è dovuta al fatto che molte aziende, a partire dagli anni '80, hanno cercato di sviluppare e commercializzare la propria tecnologia.
Tutti questi sviluppi possono essere suddivisi in due grandi categorie: tecnologie asimmetriche (ADSL) e simmetriche (SDSL). Asimmetrico si riferisce a quelli in cui la velocità della connessione in entrata è diversa dalla velocità del traffico in uscita. Per simmetrico intendiamo che le velocità di ricezione e trasmissione sono uguali.
Gli standard asimmetrici più conosciuti e diffusi sono, infatti, ADSL (nell'ultima edizione - ADSL2+) e VDSL (VDSL2), simmetrico - HDSL (profilo obsoleto) e SHDSL. Differiscono tutti l'uno dall'altro in quanto operano a frequenze diverse e utilizzano metodi di codifica e modulazione diversi sulla linea di comunicazione fisica. Anche i metodi di correzione degli errori differiscono, determinando diversi livelli di immunità al rumore. Di conseguenza, ciascuna tecnologia ha i propri limiti in termini di velocità e distanza di trasmissione dei dati, anche in base al tipo e alla qualità del conduttore.
Limiti dei vari standard DSL
In qualsiasi tecnologia DSL, la velocità di trasferimento dati diminuisce all'aumentare della lunghezza del cavo. A distanze estreme è possibile ottenere velocità di diverse centinaia di kilobit, ma quando si trasmettono dati su 200-300 m è disponibile la massima velocità possibile.
Tra tutte le tecnologie, SHDSL presenta un serio vantaggio che ne consente l'utilizzo in applicazioni industriali: elevata immunità al rumore e possibilità di utilizzare qualsiasi tipo di conduttore per la trasmissione dei dati. Questo non è il caso degli standard asimmetrici e la qualità della comunicazione dipende fortemente dalla qualità della linea utilizzata per la trasmissione dei dati. In particolare si consiglia di utilizzare un cavo telefonico twistato. In questo caso, una soluzione più affidabile è utilizzare un cavo ottico anziché ADSL e VDSL.
Per SHDSL è adatta qualsiasi coppia di conduttori isolati l'uno dall'altro: rame, alluminio, acciaio, ecc. Il mezzo di trasmissione può essere vecchi cavi elettrici, vecchie linee telefoniche, recinzioni di filo spinato, ecc.
Dipendenza della velocità di trasmissione dati SHDSL dalla distanza e dal tipo di conduttore
Dal grafico della velocità di trasferimento dati in funzione della distanza e del tipo di conduttore fornito per SHDSL, puoi vedere che i conduttori di grande sezione consentono di trasmettere informazioni su una distanza maggiore. Grazie alla tecnologia è possibile organizzare la comunicazione su una distanza fino a 20 km ad una velocità massima possibile di 15.3 Mb/s per un cavo a 2 fili o 30 Mb per un cavo a 4 fili. Nelle applicazioni reali, la velocità di trasmissione può essere impostata manualmente, cosa necessaria in condizioni di forti interferenze elettromagnetiche o di scarsa qualità della linea. In questo caso, per aumentare la distanza di trasmissione, è necessario ridurre la velocità dei dispositivi SHDSL. Per calcolare con precisione la velocità in base alla distanza e al tipo di conduttore, è possibile utilizzare software gratuiti come .
Perché SHDSL ha un'elevata immunità al rumore?
Il principio di funzionamento del ricetrasmettitore SHDSL può essere rappresentato sotto forma di uno schema a blocchi, in cui si distingue una parte specifica ed indipendente (invariante) dal punto di vista applicativo. La parte indipendente è costituita dai blocchi funzionali PMD (Physical Medium Dependent) e PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), mentre la parte specifica comprende il layer TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) e le interfacce dati utente.
Il collegamento fisico tra ricetrasmettitori (STU) può esistere come una singola coppia o più cavi a coppia singola. Nel caso di più coppie di cavi, la STU contiene più PMD indipendenti associati ad un singolo PMS-TC.
Modello funzionale del ricetrasmettitore 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 convertire i dati utente nel formato SHDSL, eseguire multiplexing/demultiplexing e regolazione temporale di diversi canali di dati utente.
A livello PMS-TC, vengono formati e sincronizzati i frame SHDSL, nonché lo scrambling e il descrambling.
Il modulo PMD esegue le funzioni di codifica/decodifica delle informazioni, modulazione/demodulazione, cancellazione dell'eco, negoziazione dei parametri sulla linea di comunicazione e creazione di connessioni tra ricetrasmettitori. È a livello PMD che vengono eseguite le principali operazioni per garantire un'elevata immunità al rumore di SHDSL, inclusa la codifica TCPAM (codifica Trellis con modulazione di impulsi analogici), un meccanismo congiunto di codifica e modulazione che migliora l'efficienza spettrale del segnale rispetto a un segnale separato metodo. Il principio di funzionamento del modulo PMD può essere rappresentato anche sotto forma di diagramma funzionale.
Diagramma a blocchi del modulo PMD
TC-PAM si basa sull'utilizzo di un codificatore convoluzionale che genera una sequenza ridondante di bit sul lato trasmettitore SHDSL. Ad ogni ciclo di clock, ad ogni bit che arriva all'ingresso dell'encoder viene assegnato un doppio bit (dibit) in uscita. Pertanto, a costo di una ridondanza relativamente ridotta, l'immunità al rumore di trasmissione viene aumentata. L'utilizzo della modulazione Trellis consente di ridurre la larghezza di banda utilizzata per la trasmissione dei dati e di semplificare l'hardware mantenendo lo stesso rapporto segnale-rumore.
Principio di funzionamento dell'encoder Trellis (TC-PAM 16)
Il doppio bit è formato da un'operazione di addizione logica modulo 2 (or esclusivo) basata sul bit di ingresso x1(tn) e sui bit x1(tn-1), x1(tn-2), ecc. (possono essercene fino a 20 in totale), che sono stati precedentemente ricevuti all'ingresso dell'encoder e sono rimasti memorizzati nei registri di memoria. Al successivo ciclo di clock dell'encoder tn+1, i bit verranno spostati nelle celle di memoria per eseguire un'operazione logica: il bit x1(tn) si sposterà nella memoria, spostando l'intera sequenza di bit ivi memorizzata.
Algoritmo del codificatore convoluzionale
Tabelle di verità per l'operazione di addizione modulo 2
Per chiarezza, è conveniente utilizzare un diagramma di stato di un codificatore convoluzionale, dal quale è possibile vedere in quale stato si trova il codificatore agli istanti tn, tn+1, ecc. a seconda dei dati di input. In questo caso lo stato dell'encoder indica una coppia di valori del bit di ingresso x1(tn) e del bit nella prima cella di memoria x1(tn-1). Per costruire un diagramma, è possibile utilizzare un grafico, ai vertici del quale sono presenti i possibili stati dell'encoder, e le transizioni da uno stato all'altro sono indicate dai corrispondenti bit di input x1(tn) e dibit di output $inline$y ₀y ₁(t ₀)$in linea$.
Diagramma di stato e grafico di transizione di un codificatore convoluzionale del trasmettitore
Nel trasmettitore, sulla base dei quattro bit ricevuti (due bit di uscita dell'encoder e due bit di dati), si forma un simbolo, ciascuno dei quali corrisponde alla propria ampiezza del segnale modulante del modulatore di impulsi analogico.
Stato dell'AIM a 16 bit in base al valore del carattere a quattro bit
Dal lato del ricevitore del segnale avviene il processo inverso: demodulazione e selezione dal codice ridondante (doppi bit y0y1(tn)) della sequenza richiesta di bit di ingresso dell'encoder x1(tn). Questa operazione viene eseguita da un decoder Viterbi.
L'algoritmo del decodificatore si basa sul calcolo di una metrica di errore per tutti i possibili stati previsti del codificatore. La metrica dell'errore si riferisce alla differenza tra i bit ricevuti e i bit attesi per ciascun percorso possibile. Se non sono presenti errori di ricezione, la metrica dell'errore del percorso reale sarà 0 poiché non vi è alcuna divergenza di bit. Per i percorsi falsi, la metrica sarà diversa da zero, aumenterà costantemente e dopo un po' di tempo il decodificatore smetterà di calcolare il percorso errato, lasciando solo quello vero.
Diagramma di stato dell'encoder calcolato dal decoder Viterbi del ricevitore
Ma come fa questo algoritmo a garantire l’immunità al rumore? Supponendo che il ricevitore abbia ricevuto i dati per errore, il decodificatore continuerà a calcolare due percorsi con una metrica di errore pari a 1. Il percorso con una metrica di errore pari a 0 non esisterà più. Ma l'algoritmo trarrà una conclusione su quale percorso è vero in seguito in base ai successivi doppi bit ricevuti.
Quando si verifica il secondo errore, ci saranno più percorsi con la metrica 2, ma il percorso corretto verrà identificato successivamente in base al metodo della massima verosimiglianza (ovvero, la metrica minima).
Diagramma di stato dell'encoder calcolato dal decoder Viterbi durante la ricezione di dati con errori
Nel caso sopra descritto, ad esempio, abbiamo considerato l'algoritmo di un sistema a 16 bit (TC-PAM16), che garantisce la trasmissione di tre bit di informazioni utili e un bit aggiuntivo per la protezione dagli errori in un simbolo. Il TC-PAM16 raggiunge velocità dati da 192 a 3840 kbps. Aumentando la profondità di bit a 128 (i sistemi moderni funzionano con TC-PAM128), vengono trasmessi sei bit di informazioni utili in ciascun simbolo e la velocità massima raggiungibile varia da 5696 kbps a 15,3 Mbps.
L'uso della modulazione di impulsi analogici (PAM) rende SHDSL simile a una serie di standard Ethernet popolari, come gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10 gigabit 10GBASE-T (PAM-16) o Ethernet industriale a coppia singola 2020BASE -T10L, che è promettente per il 1 (PAM-3).
SHDSL su reti Ethernet
Esistono modem SHDSL gestiti e non gestiti, ma questa classificazione ha poco in comune con la consueta divisione in dispositivi gestiti e non gestiti che esiste, ad esempio, per gli switch Ethernet. La differenza sta negli strumenti di configurazione e monitoraggio. I modem gestiti vengono configurati tramite un'interfaccia web e possono essere diagnosticati tramite SNMP, mentre i modem non gestiti possono essere diagnosticati utilizzando software aggiuntivo tramite la porta della console (per Phoenix Contact si tratta di un programma PSI-CONF gratuito e di un'interfaccia mini-USB). A differenza degli switch, i modem non gestiti possono funzionare in una rete con topologia ad anello.
Per il resto, i modem gestiti e non gestiti sono assolutamente identici, comprese le funzionalità e la capacità di lavorare secondo il principio Plug&Play, cioè senza alcuna configurazione preliminare.
Inoltre, i modem possono essere dotati di funzioni di protezione da sovratensione con la possibilità di diagnosticarle. Le reti SHDSL possono formare segmenti molto lunghi e i conduttori possono correre in luoghi in cui possono verificarsi sovratensioni (differenze di potenziale indotte causate da scariche di fulmini o cortocircuiti nelle linee di cavo vicine). La tensione indotta può far fluire correnti di scarica di kiloampere. Pertanto, per proteggere le apparecchiature da tali fenomeni, gli SPD sono integrati nei modem sotto forma di scheda rimovibile, che può essere sostituita se necessario. È alla morsettiera di questa scheda che è collegata la linea SHDSL.
topologie
Utilizzando SHDSL su Ethernet è possibile realizzare reti con qualsiasi topologia: punto-punto, linea, stella e anello. Allo stesso tempo, a seconda del tipo di modem, è possibile utilizzare per la connessione sia linee di comunicazione a 2 che a 4 fili.
Topologie di rete Ethernet basate su SHDSL
È anche possibile realizzare sistemi distribuiti con topologia combinata. Ogni segmento di rete SHDSL può avere fino a 50 modem e, tenendo conto delle capacità fisiche della tecnologia (la distanza tra i modem è di 20 km), la lunghezza del segmento può raggiungere i 1000 km.
Se all'inizio di ciascuno di questi segmenti è installato un modem gestito, l'integrità del segmento può essere diagnosticata utilizzando SNMP. Inoltre, i modem gestiti e non gestiti supportano la tecnologia VLAN, ovvero consentono di dividere la rete in sottoreti logiche. I dispositivi sono anche in grado di funzionare con i protocolli di trasferimento dati utilizzati nei moderni sistemi di automazione (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, ecc.).
Prenotazione di canali di comunicazione tramite SHDSL
SHDSL viene utilizzato per creare canali di comunicazione ridondanti in una rete Ethernet, molto spesso ottici.
SHDSL e interfaccia seriale
I modem SHDSL con interfaccia seriale superano i limiti di distanza, topologia e qualità del conduttore esistenti per i tradizionali sistemi cablati basati su ricetrasmettitori 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 universali che specializzate (ad esempio per Profibus). Tutti questi dispositivi appartengono alla categoria "non gestiti", pertanto vengono configurati e diagnosticati utilizzando un software speciale.
topologie
Nelle reti dotate di interfaccia seriale, utilizzando SHDSL è possibile realizzare reti con topologie punto-punto, lineari e a stella. Nella topologia lineare è possibile combinare fino a 255 nodi in un'unica rete (per Profibus - 30).
Nei sistemi costruiti utilizzando solo dispositivi RS-485, non ci sono restrizioni sul protocollo di trasferimento dati utilizzato, ma le topologie a linea e a stella sono atipiche per RS-232 e RS-422, quindi il funzionamento dei dispositivi finali su una rete SHDSL con topologie simili è possibile solo in modalità half-duplex. Allo stesso tempo, nei sistemi con RS-232 e RS-422, l'indirizzamento dei dispositivi deve essere fornito a livello di protocollo, il che non è tipico per le interfacce utilizzate più spesso nelle reti punto a punto.
Quando si collegano dispositivi con diversi tipi di interfacce tramite SHDSL, è necessario tenere conto del fatto che non esiste un meccanismo unico per stabilire una connessione (handshake) tra i dispositivi. In questo caso è comunque possibile organizzare uno scambio; per questo devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:
- il coordinamento della comunicazione e il controllo del trasferimento dei dati devono essere eseguiti a livello di un protocollo unificato di trasferimento dei dati delle informazioni;
- tutti i dispositivi finali devono funzionare in modalità half-duplex, che deve essere supportata anche dal protocollo informativo.
Il protocollo Modbus RTU, il protocollo più comune per le interfacce asincrone, permette di evitare tutte le limitazioni descritte e realizzare un unico sistema con diverse tipologie di interfacce.
Topologie di reti seriali basate su SHDSL
Quando si utilizza RS-485 a due fili sull'apparecchiatura È possibile costruire strutture più complesse combinando i modem attraverso un bus su una guida DIN. Sullo stesso bus è possibile installare un alimentatore (in questo caso tutti i dispositivi vengono alimentati tramite il bus) e convertitori ottici della serie PSI-MOS per creare una rete combinata. Una condizione importante per il funzionamento di un tale sistema è la stessa velocità di tutti i ricetrasmettitori.
Funzionalità aggiuntive di SHDSL su una rete RS-485
Esempi di applicazione
La tecnologia SHDSL è utilizzata attivamente nei servizi municipali in Germania. Più di 50 aziende che forniscono servizi di pubblica utilità utilizzano vecchi fili di rame per collegare oggetti distribuiti in tutta la città con un'unica rete. I sistemi di controllo e contabilità per la fornitura di acqua, gas ed energia sono basati principalmente su SHDSL. Tra queste città ci sono Ulm, Magdeburgo, Ingolstadt, Bielefeld, Francoforte sull'Oder e molte altre.
Il più grande sistema basato su SHDSL è stato creato nella città di Lubecca. Il sistema ha una struttura combinata basata su Ethernet ottica e SHDSL, collega 120 oggetti distanti tra loro e utilizza più di 50 modem . L'intera rete viene diagnosticata tramite SNMP. Il tratto più lungo da Kalkhorst all'aeroporto di Lubecca è lungo 39 km. Il motivo per cui l'azienda cliente ha scelto SHDSL è che non era economicamente vantaggioso realizzare il progetto interamente in ottica, data la disponibilità di vecchi cavi in rame.
Trasmissione dei dati tramite anello collettore
Un esempio interessante è il trasferimento di dati tra oggetti in movimento, come avviene nelle turbine eoliche o nei grandi torcitoi industriali. Un sistema simile viene utilizzato per lo scambio di informazioni tra i controllori posti sul rotore e sullo statore degli impianti. In questo caso per la trasmissione dei dati viene utilizzato un contatto strisciante attraverso un collettore rotante. Esempi come questo mostrano che non è necessario avere un contatto statico per trasmettere dati su SHDSL.
Confronto con altre tecnologie
SHDSL contro GSM
Se confrontiamo SHDSL con i sistemi di trasmissione dati basati su GSM (3G/4G), l'assenza di costi operativi associati a pagamenti regolari all'operatore per l'accesso alla rete mobile parla a favore di DSL. Con SHDSL siamo indipendenti dall'area di copertura, dalla qualità e dall'affidabilità delle comunicazioni mobili in un impianto industriale, compresa la resistenza alle interferenze elettromagnetiche. Con SHDSL non è necessario configurare le apparecchiature, il che velocizza la messa in servizio dell'impianto. Le reti wireless sono caratterizzate da grandi ritardi nella trasmissione dei dati e difficoltà nella trasmissione dei dati utilizzando traffico multicast (Profinet, Ethernet IP).
La sicurezza delle informazioni parla a favore di SHDSL a causa dell'assenza della necessità di trasferire dati su Internet e della necessità di configurare connessioni VPN per questo.
SHDSL contro Wi-Fi
Molto di quanto detto per il GSM può essere applicato anche al Wi-Fi industriale. La bassa immunità ai disturbi, la distanza limitata di trasmissione dei dati, la dipendenza dalla topologia dell'area e i ritardi nella trasmissione dei dati parlano contro il Wi-Fi. Lo svantaggio più importante è la sicurezza informatica delle reti Wi-Fi, poiché chiunque ha accesso al mezzo di trasmissione dati. Con il Wi-Fi è già possibile trasmettere dati Profinet o Ethernet IP, cosa che sarebbe difficile per il GSM.
SHDSL contro ottica
Nella stragrande maggioranza dei casi, l'ottica presenta un grande vantaggio rispetto a SHDSL, ma in numerose applicazioni SHDSL consente di risparmiare tempo e denaro sulla posa e sulla saldatura dei cavi ottici, riducendo il tempo necessario per mettere in funzione un impianto. SHDSL non richiede connettori speciali, poiché il cavo di comunicazione viene semplicemente collegato al terminale del modem. A causa delle proprietà meccaniche dei cavi ottici, il loro utilizzo è limitato nelle applicazioni che comportano il trasferimento di informazioni tra oggetti in movimento, dove i conduttori in rame sono più comuni.
Fonte: habr.com