Apesar do uso generalizado de redes Ethernet, as tecnologias de comunicação baseadas em DSL permanecem relevantes até hoje. Até agora, o DSL pode ser encontrado em redes de última milha para conectar equipamentos de assinantes a redes de provedores de Internet, e recentemente a tecnologia é cada vez mais utilizada na construção de redes locais, por exemplo, em aplicações industriais, onde o DSL atua como um complemento à Ethernet. ou redes de campo baseadas em RS-232/422/485. Soluções industriais semelhantes são ativamente utilizadas em países desenvolvidos da Europa e da Ásia.
DSL é uma família de padrões originalmente concebida para transmissão de dados digitais por linhas telefônicas. Historicamente, tornou-se a primeira tecnologia de acesso à Internet em banda larga, substituindo o DIAL UP e o ISDN. A grande variedade de padrões DSL existentes atualmente se deve ao fato de muitas empresas, a partir da década de 80, terem tentado desenvolver e comercializar sua própria tecnologia.
Todos esses desenvolvimentos podem ser divididos em duas grandes categorias - tecnologias assimétricas (ADSL) e simétricas (SDSL). Assimétrico refere-se àqueles em que a velocidade da conexão de entrada é diferente da velocidade do tráfego de saída. Por simétrico queremos dizer que as velocidades de recepção e transmissão são iguais.
Os padrões assimétricos mais conhecidos e difundidos são, de facto, ADSL (na última edição - ADSL2+) e VDSL (VDSL2), simétricos - HDSL (perfil desatualizado) e SHDSL. Todos eles diferem uns dos outros porque operam em frequências diferentes e usam diferentes métodos de codificação e modulação na linha de comunicação física. Os métodos de correção de erros também diferem, resultando em diferentes níveis de imunidade a ruído. Como resultado, cada tecnologia tem seus próprios limites na velocidade e distância de transmissão de dados, inclusive dependendo do tipo e qualidade do condutor.
Limites de vários padrões DSL
Em qualquer tecnologia DSL, a taxa de transferência de dados diminui à medida que o comprimento do cabo aumenta. Em distâncias extremas é possível obter velocidades de várias centenas de kilobits, mas ao transmitir dados acima de 200-300 m, a velocidade máxima possível está disponível.
Dentre todas as tecnologias, o SHDSL apresenta uma grande vantagem que permite sua utilização em aplicações industriais - alta imunidade a ruídos e possibilidade de utilização de qualquer tipo de condutor para transmissão de dados. Este não é o caso dos padrões assimétricos, e a qualidade da comunicação é altamente dependente da qualidade da linha utilizada para transmissão de dados. Em particular, é recomendado o uso de um cabo telefônico trançado. Neste caso, uma solução mais confiável é utilizar um cabo óptico em vez de ADSL e VDSL.
Qualquer par de condutores isolados um do outro é adequado para SHDSL - cobre, alumínio, aço, etc. O meio de transmissão pode ser fiação elétrica antiga, linhas telefônicas antigas, cercas de arame farpado, etc.
Dependência da velocidade de transmissão de dados SHDSL da distância e tipo de condutor
A partir do gráfico de velocidade de transferência de dados versus distância e tipo de condutor fornecido para SHDSL, você pode ver que condutores com seção transversal grande permitem transmitir informações a uma distância maior. Graças à tecnologia, é possível organizar a comunicação em distâncias de até 20 km a uma velocidade máxima possível de 15.3 Mb/s para um cabo de 2 fios ou 30 Mb para um cabo de 4 fios. Em aplicações reais, a velocidade de transmissão pode ser definida manualmente, o que é necessário em condições de forte interferência eletromagnética ou baixa qualidade da linha. Neste caso, para aumentar a distância de transmissão, é necessário reduzir a velocidade dos dispositivos SHDSL. Para calcular com precisão a velocidade dependendo da distância e do tipo de condutor, você pode usar software gratuito como .
Por que o SHDSL tem alta imunidade a ruídos?
O princípio de funcionamento do transceptor SHDSL pode ser representado na forma de um diagrama de blocos, no qual se distingue uma parte específica e independente (invariante) do ponto de vista da aplicação. A parte independente consiste em blocos funcionais PMD (Physical Medium Dependent) e PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), enquanto a parte específica inclui a camada TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) e interfaces de dados do usuário.
O link físico entre transceptores (STUs) pode existir como um único par ou vários cabos de par único. No caso de múltiplos pares de cabos, o STU contém múltiplos PMDs independentes associados a um único PMS-TC.
Modelo funcional do transceptor SHDSL (STU)
O módulo TPS-TC depende da aplicação em que o dispositivo é utilizado (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Sua tarefa é converter os dados do usuário para o formato SHDSL, realizar multiplexação/demultiplexação e ajuste de tempo de diversos canais de dados do usuário.
No nível PMS-TC, os quadros SHDSL são formados e sincronizados, bem como embaralhados e desembaralhados.
O módulo PMD desempenha as funções de codificação/decodificação de informações, modulação/demodulação, cancelamento de eco, negociação de parâmetros na linha de comunicação e estabelecimento de conexões entre transceptores. É no nível PMD que as principais operações são realizadas para garantir alta imunidade ao ruído do SHDSL, incluindo a codificação TCPAM (codificação Trellis com modulação de pulso analógico), um mecanismo conjunto de codificação e modulação que melhora a eficiência espectral do sinal em comparação com um separado método. O princípio de funcionamento do módulo PMD também pode ser representado na forma de um diagrama funcional.
Diagrama de blocos do módulo PMD
O TC-PAM é baseado no uso de um codificador convolucional que gera uma sequência redundante de bits no lado do transmissor SHDSL. A cada ciclo de clock, a cada bit que chega à entrada do codificador é atribuído um bit duplo (dibit) na saída. Assim, ao custo de relativamente pouca redundância, a imunidade ao ruído de transmissão é aumentada. O uso da modulação Trellis permite reduzir a largura de banda de transmissão de dados usada e simplificar o hardware, mantendo a mesma relação sinal-ruído.
Princípio de funcionamento do codificador Trellis (TC-PAM 16)
O bit duplo é formado por uma operação lógica de adição módulo 2 (ou exclusivo) baseada no bit de entrada x1(tn) e nos bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (podem ser até 20 no total), que antes eram recebidos na entrada do encoder e permaneciam armazenados nos registros da memória. No próximo ciclo de clock do codificador tn+1, os bits serão deslocados nas células de memória para realizar uma operação lógica: o bit x1(tn) irá para a memória, deslocando toda a sequência de bits ali armazenada.
Algoritmo do codificador convolucional
Tabelas verdade para operação de adição módulo 2
Para maior clareza, é conveniente usar um diagrama de estado de um codificador convolucional, a partir do qual você pode ver em que estado o codificador está nos tempos tn, tn+1, etc. dependendo dos dados de entrada. Neste caso, o estado do codificador significa um par de valores do bit de entrada x1(tn) e o bit na primeira célula de memória x1(tn-1). Para construir um diagrama, você pode usar um gráfico, em cujos vértices existem estados possíveis do codificador, e as transições de um estado para outro são indicadas pelos bits de entrada correspondentes x1(tn) e dibits de saída $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagrama de estado e gráfico de transição de um codificador convolucional transmissor
No transmissor, com base nos quatro bits recebidos (dois bits de saída do codificador e dois bits de dados), é formado um símbolo, cada um correspondendo à sua própria amplitude do sinal modulante do modulador de pulso analógico.
Estado do AIM de 16 bits dependendo do valor do caractere de quatro bits
Do lado do receptor de sinal ocorre o processo inverso - demodulação e seleção do código redundante (bits duplos y0y1(tn)) da sequência necessária de bits de entrada do codificador x1(tn). Esta operação é realizada por um decodificador Viterbi.
O algoritmo do decodificador é baseado no cálculo de uma métrica de erro para todos os possíveis estados esperados do codificador. A métrica de erro refere-se à diferença entre os bits recebidos e os bits esperados para cada caminho possível. Se não houver erros de recebimento, a métrica de erro de caminho verdadeiro será 0 porque não há divergência de bits. Para caminhos falsos, a métrica será diferente de zero, aumentará constantemente e depois de algum tempo o decodificador irá parar de calcular o caminho errado, deixando apenas o caminho verdadeiro.
Diagrama de estado do codificador calculado pelo decodificador Viterbi do receptor
Mas como esse algoritmo garante imunidade a ruídos? Supondo que o receptor recebeu os dados com erro, o decodificador continuará calculando dois caminhos com métrica de erro 1. O caminho com métrica de erro 0 não existirá mais. Mas o algoritmo concluirá mais tarde qual caminho é verdadeiro com base nos próximos bits duplos recebidos.
Quando ocorrer o segundo erro, haverá vários caminhos com a métrica 2, mas o caminho correto será identificado posteriormente com base no método de máxima verossimilhança (ou seja, a métrica mínima).
Diagrama de estado do codificador calculado pelo decodificador Viterbi ao receber dados com erros
No caso descrito acima, consideramos como exemplo o algoritmo de um sistema de 16 bits (TC-PAM16), que garante a transmissão de três bits de informação útil e um bit adicional para proteção contra erros em um símbolo. O TC-PAM16 atinge taxas de dados de 192 a 3840 kbps. Ao aumentar a profundidade de bits para 128 (sistemas modernos funcionam com TC-PAM128), seis bits de informações úteis são transmitidos em cada símbolo, e a velocidade máxima alcançável varia de 5696 kbps a 15,3 Mbps.
O uso de modulação de pulso analógico (PAM) torna o SHDSL semelhante a vários padrões Ethernet populares, como gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10 GBASE-T de 10 gigabits (PAM-16) ou Ethernet industrial de par único 2020BASE -T10L, que é promissor para 1 (PAM-3).
SHDSL em redes Ethernet
Existem modems SHDSL gerenciados e não gerenciados, mas essa classificação tem pouco em comum com a divisão usual em dispositivos gerenciados e não gerenciados que existe, por exemplo, para switches Ethernet. A diferença está nas ferramentas de configuração e monitoramento. Os modems gerenciados são configurados através de uma interface web e podem ser diagnosticados via SNMP, enquanto os modems não gerenciados podem ser diagnosticados usando software adicional através da porta do console (para Phoenix Contact este é um programa PSI-CONF gratuito e uma interface mini-USB). Ao contrário dos switches, os modems não gerenciados podem operar em uma rede com topologia em anel.
Caso contrário, os modems gerenciados e não gerenciados são absolutamente idênticos, incluindo funcionalidade e capacidade de funcionar segundo o princípio Plug&Play, ou seja, sem qualquer configuração preliminar.
Além disso, os modems podem ser equipados com funções de proteção contra surtos com a capacidade de diagnosticá-los. As redes SHDSL podem formar segmentos muito longos e os condutores podem funcionar em locais onde podem ocorrer sobretensões (diferenças de potencial induzidas causadas por descargas atmosféricas ou curtos-circuitos em linhas de cabos próximas). A tensão induzida pode fazer com que correntes de descarga de quiloamperes fluam. Portanto, para proteger os equipamentos de tais fenômenos, os SPDs são integrados aos modems na forma de uma placa removível, que pode ser substituída se necessário. É ao bloco terminal desta placa que a linha SHDSL está conectada.
Topologias
Utilizando SHDSL sobre Ethernet, é possível construir redes com qualquer topologia: ponto a ponto, linha, estrela e anel. Ao mesmo tempo, dependendo do tipo de modem, você pode usar linhas de comunicação de 2 e 4 fios para conexão.
Topologias de rede Ethernet baseadas em SHDSL
Também é possível construir sistemas distribuídos com topologia combinada. Cada segmento da rede SHDSL pode ter até 50 modems e, levando em consideração as capacidades físicas da tecnologia (a distância entre os modems é de 20 km), o comprimento do segmento pode chegar a 1000 km.
Se um modem gerenciado for instalado no topo de cada segmento, a integridade do segmento poderá ser diagnosticada usando SNMP. Além disso, modems gerenciados e não gerenciados suportam a tecnologia VLAN, ou seja, permitem dividir a rede em sub-redes lógicas. Os dispositivos também são capazes de trabalhar com protocolos de transferência de dados utilizados em modernos sistemas de automação (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Reserva de canais de comunicação via SHDSL
SHDSL é usado para criar canais de comunicação redundantes em uma rede Ethernet, geralmente óptica.
SHDSL e interface serial
Os modems SHDSL com interface serial superam as limitações de distância, topologia e qualidade do condutor que existem para sistemas cabeados tradicionais baseados em transceptores assíncronos (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 e RS-485 - 1200 m.
Existem modems com interfaces seriais (RS-232/422/485) tanto para aplicações universais quanto especializadas (por exemplo, para Profibus). Todos esses dispositivos pertencem à categoria “não gerenciados”, portanto são configurados e diagnosticados por meio de software especial.
Topologias
Em redes com interface serial, utilizando SHDSL é possível construir redes com topologias ponto a ponto, linha e estrela. Dentro da topologia linear é possível combinar até 255 nós em uma rede (para Profibus - 30).
Em sistemas construídos utilizando apenas dispositivos RS-485, não há restrições quanto ao protocolo de transferência de dados utilizado, mas as topologias linha e estrela são atípicas para RS-232 e RS-422, portanto a operação de dispositivos finais em uma rede SHDSL com topologias semelhantes só é possível no modo half-duplex. Ao mesmo tempo, em sistemas com RS-232 e RS-422, o endereçamento dos dispositivos deve ser fornecido no nível do protocolo, o que não é típico das interfaces mais utilizadas em redes ponto a ponto.
Ao conectar dispositivos com diferentes tipos de interfaces via SHDSL, é necessário levar em consideração o fato de que não existe um mecanismo único para estabelecer uma conexão (handshake) entre dispositivos. No entanto, ainda é possível organizar uma troca neste caso; para isso, devem ser cumpridas as seguintes condições:
- a coordenação da comunicação e o controle da transferência de dados devem ser realizados no nível de um protocolo unificado de transferência de dados de informações;
- todos os dispositivos finais devem operar no modo half-duplex, que também deve ser suportado pelo protocolo de informação.
O protocolo Modbus RTU, o protocolo mais comum para interfaces assíncronas, permite evitar todas as limitações descritas e construir um único sistema com diferentes tipos de interfaces.
Topologias de rede serial baseadas em SHDSL
Ao usar RS-485 de dois fios em equipamentos Você pode construir estruturas mais complexas combinando modems através de um barramento em trilho DIN. No mesmo barramento podem ser instaladas uma fonte de alimentação (neste caso, todos os dispositivos são alimentados através do barramento) e conversores ópticos da série PSI-MOS para criar uma rede combinada. Uma condição importante para a operação de tal sistema é a mesma velocidade de todos os transceptores.
Recursos adicionais do SHDSL em uma rede RS-485
Exemplos de aplicação
A tecnologia SHDSL é usada ativamente em serviços públicos municipais na Alemanha. Mais de 50 empresas que atendem sistemas de serviços públicos urbanos usam fios de cobre antigos para conectar objetos distribuídos por toda a cidade com uma rede. Os sistemas de controle e contabilidade para abastecimento de água, gás e energia são construídos principalmente em SHDSL. Entre essas cidades estão Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder e muitas outras.
O maior sistema baseado em SHDSL foi criado na cidade de Lübeck. O sistema possui estrutura combinada baseada em Ethernet óptica e SHDSL, conecta 120 objetos remotos entre si e utiliza mais de 50 modems . Toda a rede é diagnosticada usando SNMP. O segmento mais longo de Kalkhorst ao Aeroporto de Lübeck tem 39 km de comprimento. A razão pela qual a empresa cliente escolheu a SHDSL foi que não era economicamente viável implementar o projeto inteiramente em óptica, dada a disponibilidade de cabos de cobre antigos.
Transmissão de dados via anel coletor
Um exemplo interessante é a transferência de dados entre objetos em movimento, como é feito em turbinas eólicas ou grandes máquinas de torção industriais. Um sistema semelhante é utilizado para troca de informações entre controladores localizados no rotor e estator das plantas. Neste caso, um contato deslizante através de um anel coletor é utilizado para transmitir dados. Exemplos como este mostram que não é necessário ter um contato estático para transmitir dados via SHDSL.
Comparação com outras tecnologias
SHDSL versus GSM
Se compararmos o SHDSL com os sistemas de transmissão de dados baseados em GSM (3G/4G), então a ausência de custos operacionais associados aos pagamentos regulares ao operador pelo acesso à rede móvel fala a favor do DSL. Com o SHDSL, somos independentes da área de cobertura, da qualidade e da confiabilidade das comunicações móveis em uma instalação industrial, incluindo a resistência à interferência eletromagnética. Com o SHDSL não há necessidade de configuração de equipamentos, o que agiliza o comissionamento da instalação. As redes sem fio são caracterizadas por grandes atrasos na transmissão de dados e dificuldade de transmissão de dados utilizando tráfego multicast (Profinet, Ethernet IP).
A segurança da informação fala a favor do SHDSL pela ausência da necessidade de transferência de dados pela Internet e pela necessidade de configurar conexões VPN para isso.
SHDSL versus Wi-Fi
Muito do que foi dito sobre o GSM também pode ser aplicado ao Wi-Fi industrial. Baixa imunidade a ruído, distância limitada de transmissão de dados, dependência da topologia da área e atrasos na transmissão de dados falam contra o Wi-Fi. A desvantagem mais importante é a segurança da informação das redes Wi-Fi, pois qualquer pessoa tem acesso ao meio de transmissão de dados. Com o Wi-Fi já é possível transmitir dados Profinet ou Ethernet IP, o que seria difícil com o GSM.
SHDSL versus óptica
Na grande maioria dos casos, a óptica tem uma grande vantagem sobre o SHDSL, mas em diversas aplicações o SHDSL permite-lhe poupar tempo e dinheiro na colocação e soldadura de cabos ópticos, reduzindo o tempo necessário para colocar uma instalação em funcionamento. SHDSL não requer conectores especiais, pois o cabo de comunicação é simplesmente conectado ao terminal do modem. Devido às propriedades mecânicas dos cabos ópticos, seu uso é limitado em aplicações que envolvem transferência de informações entre objetos em movimento, onde os condutores de cobre são mais comuns.
Fonte: habr.com