În ciuda răspândirii pe scară largă a rețelelor Ethernet, tehnologiile de comunicație bazate pe DSL își păstrează relevanța și astăzi. DSL poate fi întâlnit în continuare în rețelele de ultimă milă pentru conectarea echipamentului clientului la rețelele furnizorilor de internet, iar recent tehnologia este folosită tot mai frecvent în construcția rețelelor locale, de exemplu, în aplicații industriale, unde DSL funcționează ca un complement pentru Ethernet sau pentru rețelele de câmp bazate pe RS-232/422/485. Astfel de soluții industriale sunt utilizate activ în țările europene și asiatice dezvoltate.
DSL reprezintă un set de standarde care au fost concepute inițial pentru transmiterea datelor digitale prin liniile telefonice. Istoric, aceasta a fost prima tehnologie de acces la internet de bandă largă, venind înlocuind DIAL UP și ISDN. Diversitatea mare a standardelor DSL existente în prezent se datorează faptului că multe companii, începând cu anii '80, au încercat să dezvolte și să promoveze pe piață propria tehnologie.
Toate aceste dezvoltări pot fi împărțite în două mari categorii – tehnologii asimetrice (ADSL) și simetrice (SDSL). Tehnologiile asimetrice se referă la acelea în care viteza conexiunii de descărcare diferă de viteza traficului de încărcare. În tehnologiile simetrice, vitezele de primire și transmitere sunt egale.
Cele mai cunoscute și răspândite standarde asimetrice sunt, în mod evident, ADSL (în cea mai recentă versiune – ADSL2+) și VDSL (VDSL2), iar cele simetrice – HDSL (profil învechit) și SHDSL. Acestea se diferențiază între ele prin faptul că funcționează pe frecvențe diferite, folosesc metode diferite de codare și modulație pe linia fizică de comunicare. De asemenea, se diferențiază și prin metodele de corecție a erorilor, ceea ce asigură un nivel diferit de rezistență la interferențe. Ca rezultat, fiecare tehnologie are limitele sale în ceea ce privește viteza și distanța de transmitere a datelor, inclusiv în funcție de tipul și calitatea conductorului.
Parametrii limitați ai diferitelor standarde DSL
În orice tehnologie DSL, viteza de transmisie a datelor scade odată cu creșterea lungimii conductorului. La distanțe limitate, se pot obține viteze de câteva sute de kilobiți, dar pentru transmiterea datelor la 200-300 m, viteza maxim posibilă este disponibilă.
Dintre toate tehnologiile, SHDSL are un avantaj semnificativ, care permite utilizarea sa în aplicații industriale: rezistența ridicată la interferențe și capacitatea de a transmite orice tip de date printr-un cablu. În standardele asimetrice, acest lucru nu există, iar calitatea conexiunii depinde mult de calitatea liniei utilizate pentru transmiterea datelor. În special, se recomandă utilizarea cablurilor telefonice torsadate. În acest caz, o soluție mai fiabilă în loc de ADSL și VDSL este utilizarea cablului optic.
Pentru SHDSL este adecvat orice set de conductori izolați între ei - din cupru, aluminiu, oțel etc. Ca mediu de transmitere pot fi utilizate vechile instalații electrice, vechile linii telefonice, sârma de-teț pentru garduri etc.
Dependența vitezei de transmitere a datelor SHDSL de distanță și tipul conductorului
Din graficul dependenței vitezei de transmitere a datelor de distanță și tipul conductorului, prezentat pentru SHDSL, se poate observa că conductoarele cu secțiune mai mare permit transmiterea informațiilor pe distanțe mai mari. Datorită tehnologiei, poate fi organizată o conexiune pe o distanță de până la 20 km, cu o viteză maximă posibilă de 15.3 Mb/s pentru cabluri cu 2 conductori sau 30 Mb pentru cabluri cu 4 conductori. În aplicațiile reale, viteza de transmitere poate fi ajustată manual, ceea ce este necesar în condiții de interferențe electromagnetice puternice sau calitate slabă a liniei. În acest caz, pentru a crește distanța de transmitere, este necesară reducerea vitezei de operare a dispozitivelor SHDSL. Pentru a calcula precis viteza în funcție de distanță și tipul conductorului, pot fi folosite instrumente software gratuite, cum ar fi .
Cum de SHDSL are o rezistență ridicată la interferențe?
Principiul de funcționare al transceiverului SHDSL poate fi reprezentat sub formă de diagramă bloc, în care se evidențiază partea specifică și partea independentă (invariantă) din punctul de vedere al aplicației. Partea independentă constă din blocuri funcționale PMD (Dependent de Mediul Fizic) și PMS-TC (Layer TC Specific Mediului Fizic), în timp ce partea specifică include nivelul TPS-TC (Layer TC Specific Protocolului de Transmitere) și interfețele datelor utilizatorului.
Linia fizică de comunicație între transceivere (STU) poate exista sub forma unui cablu cu o singură pereche sau mai multor cabluri cu o singură pereche. În cazul mai multor perechi de cabluri, STU conține mai multe blocuri independente PMD, conectate la un singur PMS-TC.
Modelul funcțional al transceiverului SHDSL (STU)
Modulul TPS-TC depinde de aplicația în care este utilizat dispozitivul (Ethernet, RS-232/422/485 etc.). Sarcina sa este de a transforma datele utilizatorului în format SHDSL, de a efectua multiplexarea/demultiplexarea și ajustarea temporală a mai multor canale de date utilizator.
La nivelul PMS-TC se formează cadre SHDSL și se sincronizează, precum și se efectuează scrambler și descrambler.
Modulul PMD îndeplinește funcțiile de codare/decodare a informațiilor, modulare/demodulare, anihilarea ecoului, ajustarea parametrilor pe linia de comunicație și stabilirea conexiunii între transceivere. Exact la nivelul PMD se realizează operațiile principale care asigură o mare rezistență la interferențe pentru SHDSL, inclusiv codarea TCPAM (codare Trellis cu modulație analogică-impuls), mecanismul de codare și modulare combinată, care îmbunătățește eficiența spectrală a semnalului în comparație cu metoda separată. Principiul de funcționare al modulului PMD poate fi de asemenea reprezentat printr-un diagramă funcțională.
Diagramă bloc a modulului PMD
La baza TC-PAM se află utilizarea unui codificator convoluțional, care formează o secvență redundantă de biți pe partea transmițătorului SHDSL. La fiecare ciclu de funcționare, fiecărui bit introdus în codificator îi corespunde un bit dublu (dibit) la ieșire. Astfel, printr-o redundanță relativ mică, se îmbunătățește rezistența la interferențe a transmisiei. Utilizarea modulării Trellis permite reducerea lățimii de bandă utilizate pentru transmiterea datelor și simplificarea părții hardware, păstrând aceeași raport semnal/zgomot.
Principiul de funcționare al codificatorului Trellis (TC-PAM 16)
Un bit dublu se formează ca rezultat al operației logice de adunare modulo 2 (exclusive "sau") pe baza bitului de intrare x1(tn) și a bitilor x1(tn-1), x1(tn-2) etc. (între 1 și 20) care au fost introduși în encoder anterior și care au fost stocați în registrele de memorie. La următoarea ciclu de lucru al encoder-ului tn+1, va avea loc o deplasare a bitilor în celulele de memorie pentru a efectua operația logică: bitul x1(tn) se va muta în memorie, deplasând întreaga secvență de biti stocată acolo.
Algoritmul encoder-ului convolutiv
Tabelele de adevăr pentru operația de adunare modulo 2
Pentru claritate, este util să se utilizeze un diagramă de stare a encoder-ului convolutiv, care poate arăta în ce stare se află encoder-ul la momentele tn, tn+1 etc. în funcție de datele de intrare. Prin starea encoder-ului în acest caz se înțelege un set de valori pentru bitul de intrare x1(tn) și bitul din prima celulă de memorie x1(tn-1). Pentru construirea diagramei se poate folosi un graf, în care vârfurile reprezintă posibilele stări ale encoder-ului, iar tranzițiile de la o stare la alta sunt marcate de bitii de intrare corespunzători x1(tn) și dibitul de ieșire $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagrama de stare și graficul tranzițiilor encoder-ului convolutiv al transmisiei
În transmitator, pe baza celor patru biți obținuți (doi biți de ieșire ai encoder-ului și doi biți de date) se formează un simbol, fiecăruia corespunzându-i o amplitudine specifică a semnalului de modulare al/modulatorului analogic-impuls.
Starea modulării AIM pe 16 biți în funcție de valoarea simbolului pe patru biți
Pe partea receptorului semnalului, are loc procesul invers – demodulare și extragerea din codul redundant (bitii dubli y0y1(tn)) a secvenței necesare de biți de intrare a encoder-ului x1(tn). Această operație este realizată de decoder-ul Viterbi.
Algoritmul decoder-ului se bazează pe calculul metricii de eroare pentru toate stările posibile presupuse ale encoder-ului. Prin metrică de eroare se înțelege diferența dintre biții primiți și biții presupusi pentru fiecare cale posibilă. Dacă nu există erori la primire, atunci metrică de eroare a căii reale va fi 0, deoarece nu există discrepanțe între biți. Pentru căile false, metrică va fi diferită de zero, crescând constant și după un timp, decoder-ul va înceta să calculeze calea eronată, rămânând doar cu cea reală.
Diagrama stărilor codificatorului, calculată de decodorul Viterbi al receptorului
Dar cum asigură acest algoritm rezistența la interferențe? Dacă presupunem că receptorul a primit date cu erori, decodorul va continua să calculeze două căi cu o metrică a erorilor de 1. Calea cu metrică 0 nu va mai exista. Dar algoritmul va decide care este calea corectă mai târziu, pe baza următoarelor biți dubli primiți.
Când apare a doua eroare, vor exista mai multe căi cu metrică 2, dar calea corectă va fi identificată mai târziu pe baza metodei maxime a verosimilității (adică a celei mai mici metrici).
Diagrama stărilor codificatorului, calculată de decodorul Viterbi, atunci când se primesc date cu erori
În cazul descris mai sus, a fost considerat algoritmul sistemului pe 16 biți (TC-PAM16), care asigură transmiterea a trei biți de informație utilă și un bit suplimentar pentru protecția împotriva erorilor într-un singur simbol. În TC-PAM16 se poate atinge o viteză de transfer de la 192 la 3840 kbit/s. Odată cu creșterea lățimii de bandă la 128 (sistemele moderne lucrează cu TC-PAM128), în fiecare simbol se transmit șase biți de informație utilă, iar viteza maximă posibilă variază de la 5696 kbit/s până la 15,3 Mb/s.
Folosirea modulației analogice-pulsului (PAM) leagă SHDSL de o serie de standarde Ethernet populare, cum ar fi 1000BASE-T (PAM-5) gigabit, 10GBASE-T (PAM-16) de 10 gigabiți sau promițătorul Ethernet industrial unipare 10BASE-T1L (PAM-3) pentru anul 2020.
SHDSL în rețele Ethernet
Există modemuri SHDSL gestionate și necontrolate, dar această clasificare are puțin în comun cu împărțirea obișnuită în dispozitive gestionate și necontrolate, care există, de exemplu, pentru switch-urile Ethernet. Diferența constă în metodele de configurare și monitorizare. Modemurile gestionate sunt configurate prin interfața web și pot fi diagnosticate prin SNMP, în timp ce cele necontrolate – cu ajutorul unui software suplimentar prin portul serial (pentru Phoenix Contact, aceasta este programul gratuit PSI-CONF și interfața mini-USB). Spre deosebire de switch-uri, modemurile necontrolate pot funcționa într-o rețea cu topologie în inel.
În rest, modemurile gestionate și necontrolate sunt absolut identice, inclusiv funcționalitatea și capacitatea de a lucra pe principiul Plug&Play, adică fără nicio configurare prealabilă.
Modemurile pot îndeplini, de asemenea, funcții de protecție împotriva supratensiunilor cu posibilitatea diagnosticului. Rețelele SHDSL pot forma segmente foarte lungi, iar conductoarele pot trece prin locuri unde pot apărea supratensiuni (diferențe de potențial induse, cauzate de descărcări electrice sau scurtcircuite în liniile de cablu în apropiere). Tensiunea indusă poate provoca curenți de descărcare de câteva kiloamperi. Prin urmare, pentru a proteja echipamentele de astfel de fenomene, modemurile sunt dotate cu protecții împotriva supratensiunilor (PSP) sub formă de placă detașabilă, care poate fi înlocuită în caz de nevoie. La bornele acestei plăci se conectează linia SHDSL.
Topologii
Prin SHDSL în Ethernet este posibil să se construiască rețele cu orice topologie: punct-la-punct, linie, stea și inel. În funcție de tipul de modem, se pot utiliza atât linii de 2 fire, cât și de 4 fire pentru conectare.
Topologii de rețea Ethernet bazate pe SHDSL
De asemenea, se pot construi sisteme distribuite cu topologie combinată. Fiecare segment al rețelei SHDSL poate avea până la 50 de modemuri, iar având în vedere capacitățile fizice ale tehnologiei (distanța între modemuri de 20 km), lungimea segmentului poate atingă 1000 km.
Dacă se instalează un modem gestionat la capul fiecărui segment, integritatea segmentului poate fi diagnosticată prin SNMP. În plus, modemurile gestionate și cele neadministrate suportă tehnologia VLAN, ceea ce înseamnă că permit împărțirea rețelei în subrețele logice. De asemenea, dispozitivele pot lucra cu protocoale de transmisie de date utilizate în sistemele moderne de automatizare (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP etc.).
Rezervarea canalelor de comunicație folosind SHDSL
SHDSL este utilizat pentru a crea canale de rezervă în rețeaua Ethernet, de obicei optice.
SHDSL și interfața serială
Modemurile SHDSL cu interfață serială permit depășirea limitărilor legate de distanță, topologie și calitatea conductorului care există pentru sistemele tradiționale pe bază de transceivere asincrone (UART): RS-232 — 15 m, RS-422 și RS-485 — 1200 m.
Există modemuri cu interfețe seriale (RS-232/422/485) atât pentru aplicații universale, cât și pentru cele specializate (de exemplu, pentru Profibus). Toate aceste dispozitive se încadrează în categoria "neadministrate", astfel încât sunt configurate și diagnosticate cu ajutorul unui software specializat.
Topologii
În rețelele cu interfață serială, prin intermediul SHDSL este posibil să se construiască rețele cu topologii punct-la-punct, linie și stea. În cadrul topologiei liniare, este posibilă conectarea la o rețea de până la 255 de noduri (pentru Profibus — 30).
În sistemele construite folosind doar dispozitive cu interfața RS-485, nu există restricții privind protocolul de transmitere a datelor aplicat, dar topologiile de tip linie și stea sunt atipice pentru RS-232 și RS-422, astfel că funcționarea dispozitivelor finale în rețeaua SHDSL cu aceste topologii este posibilă doar în mod semiduplex. În același timp, în sistemele cu RS-232 și RS-422, la nivelul protocolului trebuie asigurată adresarea aparatelor, ceea ce nu este caracteristic pentru interfețele cel mai adesea utilizate în rețele punct-la-punct.
Atunci când se conectează prin SHDSL dispozitive cu diferite tipuri de interfețe, trebuie să se țină cont de faptul că nu există un mecanism unic pentru stabilirea conexiunii (handshake) între dispozitive. Cu toate acestea, organizarea schimbului în acest caz este totuși posibilă — pentru aceasta sunt necesare respectarea următoarelor condiții:
- negocierea conexiunii și gestionarea transmiterii datelor trebuie realizate la nivelul unui singur protocol informațional de transmitere a datelor;
- toate dispozitivele finale trebuie să funcționeze în mod semiduplex, ceea ce trebuie să fie, de asemenea, susținut de protocolul informațional.
Cel mai frecvent utilizat protocol pentru interfețe asincrone, Modbus RTU, permite evitarea tuturor restricțiilor menționate și construcția unui sistem unitar cu diferite tipuri de interfețe.
Topologiile rețelei cu interfață serială bazate pe SHDSL
La utilizarea RS-485 cu două fire pe echipament Este mai ușor să construim structuri mai complexe, combinând modemurile printr-un singur bus pe un profil DIN. Pe același bus poate fi instalat o sursă de alimentare (în acest caz, alimentarea tuturor dispozitivelor se realizează prin bus) și convertoare optice din seria PSI-MOS pentru a crea o rețea combinată. O condiție importantă pentru funcționarea unui astfel de sistem este viteza identică a tuturor emițătoarelor-receptoare.
Funcționalități suplimentare SHDSL în rețeaua RS-485
Exemple de aplicare
Tehnologia SHDSL este utilizată activ în serviciile municipale din Germania. Peste 50 de companii care administrează sistemele municipale folosesc cabluri de cupru vechi pentru a conecta obiectele distribuite în oraș printr-o singură rețea. Sistemele de management și monitorizare în sectorul apei, gazului și energiei sunt construite în principal pe baza SHDSL. Orașe precum Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt pe Oder și multe altele se numără printre acestea.
Cea mai extinsă sistem bazat pe SHDSL a fost creat în orașul Lübeck. Sistemul are o structură combinată bazată pe Ethernet optic și SHDSL, unind 120 de obiecte situate la distanță unul de celălalt și folosind mai mult de 50 de modemuri. . Întreaga rețea este diagnosticată prin SNMP. Cea mai lungă porțiune de la comuna Kalkhorst până la aeroportul Lübeck are o lungime de 39 km. Motivul pentru care compania client a ales SHDSL a fost faptul că implementarea proiectului exclusiv pe fibră optică ar fi fost economic nefavorabilă, având în vedere existența cablurilor de cupru vechi.
Transferul de date prin inel de contact
Un exemplu interesant este transferul de date între obiecte în mișcare, așa cum este cazul în turbinele eoliene sau în mașinile industriale de cuplare. Un astfel de sistem este utilizat pentru schimbul de informații între controlerele situate pe rotor și statorul instalațiilor. În acest caz, pentru transferul de date se folosește un contact glisant prin inel de contact. Exemplele de acest tip arată că nu este absolut necesar să existe un contact static pentru a transfera date prin SHDSL.
Comparația cu alte tehnologii
SHDSL vs GSM
Comparând SHDSL cu sistemele de transmitere a datelor bazate pe GSM (3G/4G), avantajul DSL este lipsa costurilor de operare legate de plata regulată către operator pentru accesul la rețeaua mobilă. Cu SHDSL nu depindem de zona de acoperire, calitatea și fiabilitatea semnalului mobil în mediile industriale, inclusiv rezistența la interferențele electromagnetice. SHDSL nu necesită configurarea echipamentului, ceea ce accelerează punerea în funcțiune a obiectului. Rețelele wireless au întârzieri mari în transmiterea datelor și dificultăți în transmiterea datelor care utilizează trafic multicast (Profinet, Ethernet IP).
Un avantaj al SHDSL este securitatea informațiilor datorită absenței necesității de a transmite date prin intermediul Internetului și a necesității de a configura conexiuni VPN pentru acest lucru.
SHDSL vs Wi-Fi
Multe din ceea ce s-a spus pentru GSM se aplică și rețelelor industriale Wi-Fi. Un dezavantaj al Wi-Fi este rezistența redusă la interferențe, distanța limitată de transmitere a datelor, dependența de topologia terenului și întârzierile în transmiterea datelor. Cea mai mare problemă - securitatea informațiilor rețelelor Wi-Fi, deoarece oricine are acces la mediul de transmitere a datelor. Cu ajutorul Wi-Fi, este deja posibil să se transmită date Profinet sau Ethernet IP, ceea ce ar fi fost dificil pentru GSM.
SHDSL vs fibră optică
Fibră optică are, în majoritatea cazurilor, un avantaj semnificativ față de SHDSL, dar în anumite aplicații SHDSL permite economisirea timpului și a resurselor pentru instalarea și sudura cablului de fibră optică, reducând timpul necesar pentru punerea în funcțiune a obiectului. SHDSL nu necesită conectori speciali, deoarece cablul de comunicație este pur și simplu conectat la bornă modemului. Datorită proprietăților mecanice ale cablurilor de fibră optică, utilizarea acestora este limitată în aplicații legate de transmiterea informațiilor între obiecte în mișcare, unde conductorii din cupru au avut o răspândire mai mare.
Sursa: habr.com
