Apesar da ampla difusão das redes Ethernet, as tecnologias de comunicação baseadas em DSL continuam a ser relevantes até hoje. DSL ainda pode ser encontrado em redes de última milha para conectar equipamentos do assinante às redes dos provedores de Internet, e ultimamente, a tecnologia tem sido cada vez mais utilizada na construção de redes locais, por exemplo, em aplicações industriais, onde o DSL atua como um complemento ao Ethernet ou a redes de campo baseadas em RS-232/422/485. Essas soluções industriais são amplamente utilizadas em países desenvolvidos da Europa e da Ásia.
DSL representa uma família de padrões que foram inicialmente concebidos para transmitir dados digitais através de linhas telefônicas. Historicamente, isso foi a primeira tecnologia de acesso à Internet de banda larga, substituindo DIAL UP e ISDN. A grande variedade de padrões DSL existentes atualmente se deve ao fato de que muitas empresas, desde os anos 80, tentaram desenvolver e promover sua própria tecnologia no mercado.
Todas essas tecnologias podem ser divididas em duas grandes categorias – as assimétricas (ADSL) e as simétricas (SDSL). As assimétricas são aquelas em que a velocidade da conexão de entrada difere da velocidade do tráfego de saída. As simétricas, por outro lado, são caracterizadas por velocidades iguais para recebimento e transmissão.
Os padrões assimétricos mais conhecidos e amplamente utilizados são, de fato, ADSL (na última versão – ADSL2+) e VDSL (VDSL2), enquanto os simétricos incluem HDSL (perfís obsoletos) e SHDSL. Cada um deles se diferencia pelo fato de trabalharem em diferentes frequências, utilizarem diferentes métodos de codificação e modulação na linha de comunicação física. Eles também diferem nos métodos de correção de erros, garantindo diferentes níveis de resistência a interferências. Como resultado, cada tecnologia tem seus limites em termos de velocidade e distância de transmissão de dados, dependendo do tipo e da qualidade do condutor.
Parâmetros limites de vários padrões DSL
Em qualquer tecnologia DSL, a velocidade de transmissão de dados diminui à medida que o comprimento do condutor aumenta. Em distâncias extremas, é possível obter velocidades de algumas centenas de kilobits, mas ao transmitir dados a 200-300 m, a velocidade máxima disponível é alcançada.
Entre todas as tecnologias, a SHDSL possui uma vantagem significativa, que a torna aplicável em ambientes industriais: alta imunidade a interferências e a capacidade de usar qualquer tipo de condutor para transmissão de dados. Nos padrões assimétricos, isso não existe, e a qualidade da conexão depende muito da qualidade da linha utilizada para a transmissão de dados. Em particular, recomenda-se o uso de cabos telefônicos trançados. Nesse caso, uma solução mais confiável do que ADSL e VDSL é usar fibra óptica.
Qualquer par de condutores isolados entre si – cobre, alumínio, aço, etc. – é adequado para SHDSL. Cabos elétricos antigos, linhas telefônicas antigas, arame farpado de cercas, entre outros, podem ser utilizados como meio de transmissão.
Dependência da velocidade de transmissão de dados SHDSL em relação à distância e ao tipo de condutor
A partir do gráfico da dependência da velocidade de transmissão de dados em relação à distância e ao tipo de condutor para SHDSL, pode-se observar que condutores com maior seção permitem a transmissão de informações a distâncias maiores. Graças à tecnologia, é possível organizar a comunicação a uma distância de até 20 km com uma velocidade máxima de 15,3 Mb/s para cabos de 2 condutores ou 30 Mb para cabos de 4 condutores. Em aplicações reais, a velocidade de transmissão pode ser ajustada manualmente, o que é necessário em condições de fortes interferências eletromagnéticas ou baixa qualidade da linha. Nesse caso, para aumentar a distância de transmissão, é necessário reduzir a velocidade de operação dos dispositivos SHDSL. Para um cálculo preciso da velocidade em função da distância e do tipo de condutor, podem ser utilizados softwares gratuitos, como .
O que torna a SHDSL tão resistente a interferências?
O princípio de funcionamento do transmissor-receptor SHDSL pode ser representado por um diagrama de blocos, que destaca uma parte específica e independente (invariável) 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 o nível TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) e interfaces de dados do usuário.
A linha física de comunicação entre os transmissores-receptores (STU) pode existir na forma de um único par ou vários cabos de pares. No caso de vários pares de cabos, o STU contém vários blocos PMD independentes, ligados a um único PMS-TC.
Modelo funcional do transmissor-receptor SHDSL (STU)
O módulo TPS-TC depende da aplicação em que o dispositivo é utilizado (Ethernet, RS-232/422/485, etc.). Sua função é converter dados do usuário para o formato SHDSL, realizando multiplexação/demultiplexação e a correção de tempo de vários canais de dados do usuário.
No nível PMS-TC ocorrem a formação de quadros SHDSL e sua sincronização, bem como a embaralhamento e desembaralhamento.
O módulo PMD exerce funções de codificação/decodificação de informações, modulação/demodulação, cancelamento de eco, ajuste de parâmetros na linha de comunicação e estabelecimento de conexão entre os transmissores-receptores. É no nível PMD que as operações principais são realizadas, garantindo alta resistência a interferências do SHDSL, incluindo a codificação TCPAM (codificação Trellis com modulação analógica de impulsos), mecanismo de codificação e modulação conjunta, que melhora a eficiência espectral do sinal em comparação com o método separado. O princípio de funcionamento do módulo PMD também pode ser representado por um diagrama funcional.
Diagrama de blocos do módulo PMD
A base do TC-PAM está na utilização de um codificador convolucional, que gera uma sequência redundante de bits no lado do transmissor SHDSL. Em cada ciclo de operação, a cada bit que entra no codificador, é associado um bit duplo (dibit) na saída. Assim, com um custo relativamente pequeno de redundância, aumenta-se a resistência a interferências da transmissão. A utilização da modulação Trellis permite reduzir a largura de banda utilizada para a transmissão de dados e simplificar a parte de hardware, mantendo a relação sinal/ruído inalterada.
Princípio de funcionamento do codificador Trellis (TC-PAM 16)
O bit duplo é formado a partir de uma operação lógica de adição módulo 2 (exclusivo "ou") com base no bit de entrada x1(tn) e nos bits x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (podendo haver até 20), que foram inseridos no codificador anteriormente e permanecem armazenados em registradores de memória. No próximo ciclo de operação do codificador tn+1, ocorrerá um deslocamento dos bits nas células de memória para a realização da operação lógica: o bit x1(tn) será movido para a memória, deslocando toda a sequência de bits armazenada ali.
Algoritmo do codificador convolucional
Tabelas de verdade da operação de adição módulo 2
Para melhor visualização, é conveniente utilizar um diagrama de estado do codificador convolucional, onde é possível ver o estado do codificador nos momentos tn, tn+1, etc., dependendo dos dados de entrada. Por 'estado' do codificador, entende-se um par de valores: o bit de entrada x1(tn) e o bit na primeira célula de memória x1(tn-1). Para construir o diagrama, pode-se usar um grafo, cujos vértices representam os possíveis estados do codificador, e as transições de um estado para outro são indicadas pelos respectivos bits de entrada x1(tn) e pelos dibrits $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagrama de estados e gráfico de transições do codificador convolucional do transmissor
No transmissor, com base nos quatro bits recebidos (dois bits de saída do codificador e dois bits de dados), é formado um símbolo, a cada um dos quais corresponde uma amplitude do sinal modulador do modulador analógico-impulso.
Estado de 16 bits do AIM, dependendo do valor do símbolo de quatro bits
No lado do receptor, ocorre o processo inverso – a demodulação e a extração da sequência desejada de bits de entrada do codec x1(tn) a partir do código redundante (bits duplos y0y1(tn)). Esta operação é realizada pelo decodificador de Viterbi.
O algoritmo do decodificador baseia-se no cálculo da métrica de erro para todos os possíveis estados supostos do codec. A métrica de erro refere-se à diferença entre os bits recebidos e os bits supostos para cada caminho possível. Se não houver erros na recepção, a métrica de erro do caminho verdadeiro será 0, pois não há discrepância nos bits. Para caminhos falsos, a métrica será diferente de zero, aumentando constantemente, e após algum tempo, o decodificador deixará de calcular o caminho incorreto, mantendo apenas o verdadeiro.
Diagrama de estados do codec, calculado pelo decodificador de Viterbi do receptor
Mas como esse algoritmo garante resistência a interferências? Se assumirmos que o receptor recebeu dados com erro, o decodificador continuará calculando dois caminhos com uma métrica de erro 1. O caminho com métrica 0 já não existirá. Contudo, a conclusão sobre qual caminho é o verdadeiro será feita mais tarde com base nos próximos bits duplos recebidos.
Ao aparecer um segundo erro, haverá vários caminhos com métrica 2, mas o caminho correto será identificado posteriormente com base no método da máxima verossimilhança (ou seja, a métrica mínima).
Diagrama de estados do codec, calculado pelo decodificador de Viterbi, ao receber dados com erros
No caso descrito acima, foi considerado o algoritmo do sistema de 16 bits (TC-PAM16), que permite a transmissão de três bits de informação útil em um símbolo e um bit adicional para proteção contra erros. No TC-PAM16, a taxa de transferência de dados varia de 192 a 3840 kbit/s. Ao aumentar a profundidade para 128 (sistemas modernos trabalham com TC-PAM128), seis bits de informação útil são transmitidos em cada símbolo, e a taxa máxima alcançável varia de 5696 kbit/s a 15,3 Mbit/s.
O uso da modulação por impulso analógico (PAM) associa o SHDSL a uma série de padrões populares de Ethernet, como o gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) ou a promissora Ethernet industrial de par único 10BASE-T1L (PAM-3) para 2020.
SHDSL em redes Ethernet
Existem modems SHDSL gerenciados e não gerenciados, mas essa classificação tem pouco em comum com a divisão usual entre dispositivos gerenciados e não gerenciados, como acontece, por exemplo, com os switches Ethernet. A diferença está nos meios de configuração e monitoramento. Modems gerenciados são configurados através de uma interface web e podem ser diagnosticados via SNMP, enquanto os não gerenciados precisam de software adicional através da porta de console (para Phoenix Contact, este é o software gratuito PSI-CONF e a interface mini-USB). Ao contrário dos switches, os modems não gerenciados podem operar em redes com topologia em anel.
Fora isso, os modems gerenciados e não gerenciados são absolutamente idênticos, incluindo a funcionalidade e a capacidade de operar no princípio do Plug & Play, ou seja, sem qualquer configuração prévia.
Adicionalmente, os modems podem ter funções de proteção contra surtos elétricos com possibilidade de diagnóstico. Redes SHDSL podem formar segmentos muito longos, e os condutores podem passar por áreas onde é possível a formação de surtos elétricos (diferença de potencial induzida, causada por descargas atmosféricas ou curtos-circuitos em linhas de cabos próximas). A tensão induzida pode causar correntes de descarga na ordem de quilamperes. Portanto, para proteger o equipamento contra tais fenômenos, os modems são equipados com Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) na forma de um cartão removível, que pode ser substituído se necessário. A linha SHDSL é conectada ao terminal desse cartão.
Topologias
Com SHDSL, é possível construir redes Ethernet em qualquer topologia: ponto a ponto, linha, estrela e anel. Dependendo do tipo de modem, é possível utilizar linhas de comunicação com 2 fios ou 4 fios para a conexão.
Topologias de rede Ethernet baseadas em SHDSL
Também é possível construir sistemas distribuídos com topologia combinada. Cada segmento da rede SHDSL pode conter até 50 modems e, considerando as limitações físicas da tecnologia (distância entre modems de até 20 km), o comprimento do segmento pode alcançar 1000 km.
Se um modem gerenciado for instalado na cabeça de cada segmento, a integridade do segmento pode ser diagnosticada através do SNMP. Além disso, modems gerenciados e não gerenciados suportam a tecnologia VLAN, o que significa que permitem dividir a rede em sub-redes lógicas. Os dispositivos também podem trabalhar com protocolos de transmissão de dados aplicados em sistemas modernos de automação (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, etc.).
Reserva de canais de comunicação usando SHDSL
O SHDSL é utilizado para criar canais de comunicação de backup na rede Ethernet, geralmente óptica.
SHDSL e interface serial
Modems SHDSL com interface serial permitem superar as limitações de distância, topologia e qualidade do condutor que existem para sistemas de cabos tradicionais que usam 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 para especializadas (por exemplo, para Profibus). Todos esses dispositivos pertencem à categoria de "não gerenciados", portanto, são configurados e diagnosticados usando software especializado.
Topologias
Em redes com interface serial, através do SHDSL, é possível construir redes com topologias ponto-a-ponto, linear e estrela. No âmbito da topologia linear, é possível conectar até 255 nós em uma única rede (para Profibus — 30).
Em sistemas construídos apenas com dispositivos da interface RS-485, não há quaisquer restrições quanto ao protocolo de transmissão de dados utilizado, mas as topologias de linha e estrela são atípicas para RS-232 e RS-422, portanto, o funcionamento dos dispositivos finais em uma rede SHDSL com tais topologias é possível apenas em modo half-duplex. Ao mesmo tempo, em sistemas com RS-232 e RS-422, deve-se garantir a endereçamento dos dispositivos no nível do protocolo, o que não é característico para interfaces geralmente utilizadas em redes ponto-a-ponto.
Ao interconectar dispositivos com diferentes tipos de interfaces através do SHDSL, deve-se levar em consideração a ausência de um mecanismo único para estabelecer a conexão (handshake) entre os dispositivos. No entanto, organizar a troca ainda é possível — para isso, é necessário cumprir as seguintes condições:
- A coordenação de comunicação e a gestão da transmissão de dados devem ser realizadas no nível de um único protocolo de transmissão de dados.
- Todos os dispositivos finais devem operar no modo half-duplex, o que também deve ser suportado pelo protocolo de informação.
O protocolo mais comumente utilizado para interfaces assíncronas, o Modbus RTU, permite evitar todas as restrições descritas e construir um sistema único com diferentes tipos de interfaces.
Topologias de rede com interface serial com base em SHDSL.
Ao usar RS-485 de dois fios no equipamento. é possível construir estruturas mais complexas, interligando modems através de um barramento DIN. Na mesma barra, pode ser instalado uma fonte de alimentação (neste caso, a energia de todos os dispositivos é fornecida através do barramento) e conversores ópticos da série PSI-MOS para criar uma rede combinada. Uma condição importante para o funcionamento desse sistema é que todos os transmissores e receptores tenham a mesma velocidade.
Funcionalidades adicionais do SHDSL na rede RS-485.
Exemplos de aplicação.
A tecnologia SHDSL é amplamente utilizada nos serviços municipais urbanos na Alemanha. Mais de 50 empresas que atendem os sistemas municipais urbanos utilizam antigos cabos de cobre para conectar objetos distribuídos pela cidade em uma única rede. Sistemas de gestão e monitoramento de abastecimento de água, gás e energia são construídos principalmente sobre SHDSL. Cidades como Ulm, Magdeburgo, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder e muitas outras estão entre elas.
O sistema mais abrangente baseado em SHDSL foi criado na cidade de Lübeck. O sistema possui uma estrutura combinada baseada em Ethernet óptico e SHDSL, interligando 120 objetos distantes entre si e utilizando mais de 50 modems. Toda a rede é diagnosticada via SNMP. O segmento mais longo, da comuna de Kalkhorst até o aeroporto de Lübeck, tem uma extensão de 39 km. A razão pela qual a empresa contratante escolheu SHDSL foi que a implementação do projeto inteiramente em fibra óptica era economicamente inviável, considerando a presença de antigos cabos de cobre.
Transmissão de dados através de um anel de contato.
Um exemplo interessante é a transferência de dados entre objetos em movimento, como feito em turbinas eólicas ou em grandes máquinas industriais de torção. Um sistema semelhante é utilizado para troca de informações entre controladores localizados no rotor e no estator das instalações. Nesse caso, os dados são transmitidos por meio de contato deslizante através de um anel de contato. Esses exemplos mostram que não é necessário ter um contato estático para transmitir dados por SHDSL.
Comparação com outras tecnologias
SHDSL vs GSM
Ao comparar SHDSL com sistemas de transmissão de dados baseados em GSM (3G/4G), a favor do DSL está a ausência de custos operacionais relacionados ao pagamento regular ao operador pela acessibilidade à rede móvel. Com SHDSL, não dependemos da cobertura, qualidade e confiabilidade da rede móvel em um ambiente industrial, incluindo resistência a interferências eletromagnéticas. No SHDSL, não há necessidade de configuração de equipamentos, o que acelera a colocação em operação do objeto. Redes sem fio geralmente apresentam altas latências de transmissão de dados e dificuldades na transmissão de dados que usam tráfego multicast (Profinet, Ethernet IP).
A favor do SHDSL está a segurança da informação, em virtude da ausência de necessidade de transmissão de dados pela Internet e configuração para conexões VPN.
SHDSL vs Wi-Fi
Muito do que foi dito sobre GSM também se aplica ao Wi-Fi industrial. As desvantagens do Wi-Fi incluem baixa resistência a interferências, distância de transmissão limitada, dependência da topografia do terreno e latências na transmissão de dados. A maior desvantagem é a segurança das redes Wi-Fi, já que qualquer pessoa tem acesso ao meio de transmissão de dados. Com Wi-Fi, já é possível transmitir dados Profinet ou Ethernet IP, o que seria difícil para GSM.
SHDSL vs fibra óptica
A óptica, na maioria dos casos, apresenta uma grande vantagem sobre o SHDSL, mas em algumas aplicações o SHDSL permite economizar tempo e recursos na instalação e fusão do cabo óptico, reduzindo o tempo para a colocação do projeto em operação. Para o SHDSL, não são necessários conectores especiais, pois o cabo de comunicação é simplesmente conectado ao terminal do modem. Devido às propriedades mecânicas dos cabos ópticos, sua aplicação é limitada em aplicações relacionadas à transmissão de informações entre objetos em movimento, onde os condutores de cobre são mais comuns.
Fonte: habr.com
