În ciuda utilizării pe scară largă a rețelelor Ethernet, tehnologiile de comunicații bazate pe DSL rămân relevante până în prezent. Până acum, DSL poate fi găsit în rețelele de ultima milă pentru conectarea echipamentelor abonaților la rețelele furnizorilor de internet, iar recent tehnologia este din ce în ce mai utilizată în construcția de rețele locale, de exemplu, în aplicații industriale, unde DSL acționează ca o completare a Ethernet-ului. sau rețele de teren bazate pe RS-232/422/485. Soluții industriale similare sunt utilizate în mod activ în țările dezvoltate din Europa și Asia.
DSL este o familie de standarde care au fost concepute inițial pentru transmiterea datelor digitale prin linii telefonice. Din punct de vedere istoric, a devenit prima tehnologie de acces la Internet în bandă largă, înlocuind DIAL UP și ISDN. Varietatea mare de standarde DSL care există în prezent se datorează faptului că multe companii, începând cu anii 80, au încercat să dezvolte și să comercializeze propria tehnologie.
Toate aceste evoluții pot fi împărțite în două mari categorii - tehnologii asimetrice (ADSL) și simetrice (SDSL). Asimetric se referă la cele în care viteza conexiunii de intrare este diferită de viteza traficului de ieșire. Prin simetric înțelegem că vitezele de recepție și transmisie sunt egale.
Cele mai cunoscute și răspândite standarde asimetrice sunt, de fapt, ADSL (în ultima ediție - ADSL2+) și VDSL (VDSL2), simetric - HDSL (profil învechit) și SHDSL. Toate diferă unele de altele prin faptul că funcționează la frecvențe diferite și folosesc metode diferite de codare și modulare pe linia de comunicație fizică. Metodele de corectare a erorilor diferă, de asemenea, rezultând niveluri diferite de imunitate la zgomot. Ca urmare, fiecare tehnologie are propriile limite în viteza și distanța de transmisie a datelor, inclusiv în funcție de tipul și calitatea conductorului.
Limitele diferitelor standarde DSL
În orice tehnologie DSL, rata de transfer de date scade pe măsură ce lungimea cablului crește. La distanțe extreme se pot obține viteze de câteva sute de kilobiți, dar la transmiterea datelor peste 200-300 m este disponibilă viteza maximă posibilă.
Dintre toate tehnologiile, SHDSL are un avantaj serios care face posibilă utilizarea în aplicații industriale - imunitate ridicată la zgomot și capacitatea de a utiliza orice tip de conductor pentru transmiterea datelor. Nu este cazul standardelor asimetrice, iar calitatea comunicației depinde în mare măsură de calitatea liniei utilizate pentru transmiterea datelor. În special, se recomandă utilizarea unui cablu telefonic răsucit. În acest caz, o soluție mai fiabilă este utilizarea unui cablu optic în loc de ADSL și VDSL.
Orice pereche de conductori izolați unul de celălalt este potrivit pentru SHDSL - cupru, aluminiu, oțel, etc. Mediul de transmisie poate fi cablaj electric vechi, linii telefonice vechi, garduri de sârmă ghimpată etc.
Dependența vitezei de transmisie a datelor SHDSL de distanță și tipul conductorului
Din graficul vitezei de transfer de date în funcție de distanță și tip de conductor dat pentru SHDSL, puteți vedea că conductorii cu o secțiune transversală mare vă permit să transmiteți informații pe o distanță mai mare. Datorită tehnologiei, este posibilă organizarea comunicației pe o distanță de până la 20 km la o viteză maximă posibilă de 15.3 Mb/s pentru un cablu cu 2 fire sau 30 Mb pentru un cablu cu 4 fire. În aplicațiile reale, viteza de transmisie poate fi setată manual, ceea ce este necesar în condiții de interferență electromagnetică puternică sau calitate slabă a liniei. În acest caz, pentru a crește distanța de transmisie, este necesar să se reducă viteza dispozitivelor SHDSL. Pentru a calcula cu precizie viteza în funcție de distanță și tipul conductorului, puteți utiliza software gratuit precum .
De ce SHDSL are imunitate ridicată la zgomot?
Principiul de funcționare al transceiver-ului SHDSL poate fi reprezentat sub forma unei diagrame bloc, în care se distinge o parte specifică și independentă (invariantă) din punct de vedere al aplicației. Partea independentă este formată din blocuri funcționale PMD (Physical Medium Dependent) și PMS-TC (Physical Medium-Specific TC Layer), în timp ce partea specifică include stratul TPS-TC (Transmission Protocol-Specific TC Layer) și interfețele de date utilizator.
Legătura fizică dintre transceiver-uri (STU) poate exista ca o singură pereche sau mai multe cabluri cu o singură pereche. În cazul mai multor perechi de cabluri, STU conține mai multe PMD independente asociate cu un singur PMS-TC.
Model funcțional al transceiver-ului SHDSL (STU)
Modulul TPS-TC depinde de aplicația în care este utilizat dispozitivul (Ethernet, RS-232/422/485 etc.). Sarcina sa este de a converti datele utilizatorului în format SHDSL, de a efectua multiplexarea/demultiplexarea și ajustarea timpului a mai multor canale de date utilizator.
La nivelul PMS-TC, cadrele SHDSL sunt formate și sincronizate, precum și codificarea și decriptarea.
Modulul PMD îndeplinește funcțiile de codificare/decodare a informațiilor, modulare/demodulare, anulare eco, negociere a parametrilor pe linia de comunicație și stabilire a conexiunilor între transceiver. La nivelul PMD se efectuează principalele operațiuni pentru a asigura o imunitate ridicată la zgomot a SHDSL, inclusiv codarea TCPAM (Trellis coding with analog Pulse Modulation), un mecanism comun de codare și modulare care îmbunătățește eficiența spectrală a semnalului în comparație cu un separat. metodă. Principiul de funcționare al modulului PMD poate fi reprezentat și sub forma unei diagrame funcționale.
Diagrama bloc al modulului PMD
TC-PAM se bazează pe utilizarea unui codificator convoluțional care generează o secvență redundantă de biți pe partea transmițătorului SHDSL. La fiecare ciclu de ceas, fiecărui bit care ajunge la intrarea codificatorului i se atribuie un bit dublu (dibit) la ieșire. Astfel, cu prețul unei redundanțe relativ mici, imunitatea la zgomot de transmisie este crescută. Utilizarea modulației Trellis vă permite să reduceți lățimea de bandă utilizată de transmisie a datelor și să simplificați hardware-ul, menținând în același timp același raport semnal-zgomot.
Principiul de funcționare al codificatorului Trellis (TC-PAM 16)
Bitul dublu este format dintr-o operație logică de adăugare modulo-2 (exclusivă sau) bazată pe bitul de intrare x1(tn) și biții x1(tn-1), x1(tn-2), etc. (pot fi până la 20 dintre ele în total), care au fost primite la intrarea codificatorului înainte și au rămas stocate în registrele de memorie. La următorul ciclu de ceas al codificatorului tn+1, biții vor fi mutați în celulele de memorie pentru a efectua o operație logică: bitul x1(tn) se va muta în memorie, deplasând întreaga secvență de biți stocați acolo.
Algoritmul codificatorului convoluțional
Tabelele de adevăr pentru operația de adunare modulo 2
Pentru claritate, este convenabil să folosiți o diagramă de stare a unui codificator convoluțional, din care puteți vedea în ce stare se află codificatorul la momente tn, tn+1 etc. în funcţie de datele de intrare. Starea codificatorului în acest caz înseamnă o pereche de valori ale bitului de intrare x1(tn) și bitului din prima celulă de memorie x1(tn-1). Pentru a construi o diagramă, puteți folosi un grafic, la vârfurile căruia există stări posibile ale codificatorului, iar tranzițiile de la o stare la alta sunt indicate de biții de intrare corespunzători x1(tn) și dibiții de ieșire $inline$y ₀y ₁(t ₀)$inline$.
Diagrama de stare și graficul de tranziție al unui codificator convoluțional al transmițătorului
În transmițător, pe baza celor patru biți primiți (doi biți de ieșire ai codificatorului și doi biți de date), se formează un simbol, fiecare dintre care corespunde propriei amplitudini a semnalului modulator al modulatorului de impuls analogic.
Starea AIM pe 16 biți în funcție de valoarea caracterului pe patru biți
Pe partea receptorului de semnal are loc procesul invers - demodularea și selectarea din codul redundant (biți dubli y0y1(tn)) a secvenței necesare de biți de intrare ai codificatorului x1(tn). Această operație este efectuată de un decodor Viterbi.
Algoritmul decodorului se bazează pe calcularea unei valori de eroare pentru toate stările posibile așteptate ale codificatorului. Metrica de eroare se referă la diferența dintre biții primiți și biții așteptați pentru fiecare cale posibilă. Dacă nu există erori de primire, atunci valoarea adevărată a erorii de cale va fi 0 deoarece nu există divergență de biți. Pentru căile false, metrica va diferi de zero, va crește constant, iar după un timp decodorul va înceta să calculeze calea eronată, lăsând doar cea adevărată.
Diagrama stării codificatorului calculată de decodorul Viterbi al receptorului
Dar cum asigură acest algoritm imunitatea la zgomot? Presupunând că receptorul a primit datele în eroare, decodorul va continua să calculeze două căi cu o metrică de eroare de 1. Calea cu o metrică de eroare de 0 nu va mai exista. Dar algoritmul va face o concluzie despre calea care este adevărată mai târziu, pe baza următorilor biți dubli primiți.
Când apare a doua eroare, vor exista mai multe căi cu metrica 2, dar calea corectă va fi identificată ulterior pe baza metodei de probabilitate maximă (adică, valoarea minimă).
Diagrama stării codificatorului calculată de decodorul Viterbi la primirea datelor cu erori
În cazul descris mai sus, ca exemplu, am luat în considerare algoritmul unui sistem pe 16 biți (TC-PAM16), care asigură transmiterea a trei biți de informații utile și un bit suplimentar pentru protecția erorilor într-un singur simbol. TC-PAM16 atinge rate de date de la 192 la 3840 kbps. Prin creșterea adâncimii de biți la 128 (sistemele moderne funcționează cu TC-PAM128), șase biți de informații utile sunt transmise în fiecare simbol, iar viteza maximă realizabilă variază de la 5696 kbps la 15,3 Mbps.
Utilizarea modulației analogice a impulsurilor (PAM) face ca SHDSL să fie similar cu o serie de standarde Ethernet populare, cum ar fi gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) sau Ethernet industrial cu o singură pereche 2020BASE -T10L, care este promițător pentru 1 (PAM-3).
SHDSL prin rețele Ethernet
Există modemuri SHDSL administrate și neadministrate, dar această clasificare are puține în comun cu împărțirea obișnuită în dispozitive gestionate și neadministrate care există, de exemplu, pentru switch-urile Ethernet. Diferența constă în instrumentele de configurare și monitorizare. Modemurile gestionate sunt configurate printr-o interfață web și pot fi diagnosticate prin SNMP, în timp ce modemurile neadministrate pot fi diagnosticate folosind software suplimentar prin portul de consolă (pentru Phoenix Contact acesta este un program PSI-CONF gratuit și o interfață mini-USB). Spre deosebire de comutatoare, modemurile neadministrate pot funcționa într-o rețea cu topologie în inel.
În rest, modemurile gestionate și neadministrate sunt absolut identice, inclusiv funcționalitatea și capacitatea de a funcționa pe principiul Plug&Play, adică fără nicio configurație preliminară.
În plus, modemurile pot fi echipate cu funcții de protecție la supratensiune cu capacitatea de a le diagnostica. Rețelele SHDSL pot forma segmente foarte lungi, iar conductorii pot trece în locuri unde pot apărea supratensiuni (diferențe de potențial induse cauzate de descărcări de fulgere sau scurtcircuite în liniile de cablu din apropiere). Tensiunea indusă poate determina curgerea curenților de descărcare de kiloamperi. Prin urmare, pentru a proteja echipamentele de astfel de fenomene, SPD-urile sunt încorporate în modemuri sub forma unei plăci detașabile, care poate fi înlocuită dacă este necesar. Linia SHDSL este conectată la blocul terminal al acestei plăci.
Topologii
Folosind SHDSL prin Ethernet, este posibil să construiți rețele cu orice topologie: punct la punct, linie, stea și inel. În același timp, în funcție de tipul de modem, puteți utiliza atât linii de comunicație cu 2 fire, cât și 4 fire pentru conectare.
Topologii de rețea Ethernet bazate pe SHDSL
De asemenea, este posibil să se construiască sisteme distribuite cu o topologie combinată. Fiecare segment de rețea SHDSL poate avea până la 50 de modemuri și, ținând cont de capacitățile fizice ale tehnologiei (distanța dintre modemuri este de 20 km), lungimea segmentului poate ajunge la 1000 km.
Dacă un modem gestionat este instalat la capul fiecărui astfel de segment, atunci integritatea segmentului poate fi diagnosticată utilizând SNMP. În plus, modemurile gestionate și neadministrate acceptă tehnologia VLAN, adică vă permit să împărțiți rețeaua în subrețele logice. Dispozitivele sunt, de asemenea, capabile să lucreze cu protocoale de transfer de date utilizate în sistemele moderne de automatizare (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP etc.).
Rezervarea canalelor de comunicare folosind SHDSL
SHDSL este folosit pentru a crea canale de comunicare de rezervă într-o rețea Ethernet, cel mai adesea optică.
SHDSL și interfață serială
Modemurile SHDSL cu interfață serială depășesc limitările de distanță, topologie și calitate a conductorului care există pentru sistemele tradiționale cu fir bazate pe transceiver 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 astfel de dispozitive aparțin categoriei „negestionate”, prin urmare sunt configurate și diagnosticate folosind un software special.
Topologii
În rețelele cu interfață serială, folosind SHDSL este posibil să se construiască rețele cu topologii punct la punct, linie și stea. În cadrul topologiei liniare, este posibil să combinați până la 255 de noduri într-o singură rețea (pentru Profibus - 30).
În sistemele construite folosind doar dispozitive RS-485, nu există restricții privind protocolul de transfer de date utilizat, dar topologiile linie și stea sunt atipice pentru RS-232 și RS-422, deci funcționarea dispozitivelor finale pe o rețea SHDSL cu topologii similare este posibil doar în modul semi-duplex. În același timp, în sistemele cu RS-232 și RS-422, adresarea dispozitivelor trebuie furnizată la nivel de protocol, ceea ce nu este tipic pentru interfețele cel mai des utilizate în rețelele punct la punct.
La conectarea dispozitivelor cu diferite tipuri de interfețe prin SHDSL, este necesar să se țină cont de faptul că nu există un mecanism unic pentru stabilirea unei conexiuni (strângere de mână) între dispozitive. Cu toate acestea, este încă posibil să se organizeze un schimb în acest caz, pentru aceasta trebuie îndeplinite următoarele condiții:
- coordonarea comunicațiilor și controlul transferului de date trebuie efectuate la nivelul unui protocol unificat de transfer de date a informațiilor;
- toate dispozitivele finale trebuie să funcționeze în modul half-duplex, care trebuie să fie suportat și de protocolul de informare.
Protocolul Modbus RTU, cel mai comun protocol pentru interfețe asincrone, vă permite să evitați toate limitările descrise și să construiți un singur sistem cu diferite tipuri de interfețe.
Topologii de rețele seriale bazate pe SHDSL
Când utilizați RS-485 cu două fire pe echipament Puteți construi structuri mai complexe combinând modemuri printr-o singură magistrală pe o șină DIN. O sursă de alimentare poate fi instalată pe aceeași magistrală (în acest caz, toate dispozitivele sunt alimentate prin magistrală) și convertoare optice din seria PSI-MOS pentru a crea o rețea combinată. O condiție importantă pentru funcționarea unui astfel de sistem este aceeași viteză a tuturor transceiver-urilor.
Caracteristici suplimentare ale SHDSL pe o rețea RS-485
Exemple de aplicații
Tehnologia SHDSL este utilizată activ în utilitățile municipale din Germania. Peste 50 de companii care deservesc sistemele de utilități ale orașului folosesc fire vechi de cupru pentru a conecta obiecte distribuite în întreg orașul printr-o singură rețea. Sistemele de control și contabilitate pentru alimentarea cu apă, gaz și energie sunt construite în principal pe SHDSL. Printre astfel de orașe se numără Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder și multe altele.
Cel mai mare sistem bazat pe SHDSL a fost creat în orașul Lübeck. Sistemul are o structură combinată bazată pe Ethernet optic și SHDSL, conectează 120 de obiecte la distanță unul de celălalt și utilizează mai mult de 50 de modemuri . Întreaga rețea este diagnosticată folosind SNMP. Cel mai lung segment de la Kalkhorst la Aeroportul Lübeck are o lungime de 39 km. Motivul pentru care compania client a ales SHDSL a fost că nu era viabilă din punct de vedere economic să implementeze proiectul în întregime pe optică, având în vedere disponibilitatea cablurilor vechi de cupru.
Transmiterea datelor prin inel colector
Un exemplu interesant este transferul de date între obiecte în mișcare, cum se face în turbinele eoliene sau în mașinile industriale mari de răsucire. Un sistem similar este utilizat pentru schimbul de informații între controlerele amplasate pe rotorul și statorul instalațiilor. În acest caz, un contact de alunecare printr-un inel colector este utilizat pentru a transmite date. Exemple ca acesta arată că nu este necesar să aveți un contact static pentru a transmite date prin SHDSL.
Comparație cu alte tehnologii
SHDSL vs GSM
Dacă comparăm SHDSL cu sistemele de transmisie de date bazate pe GSM (3G/4G), atunci absența costurilor de operare asociate plăților regulate către operator pentru accesul la rețeaua mobilă vorbește în favoarea DSL. Cu SHDSL, suntem independenți de aria de acoperire, calitatea și fiabilitatea comunicațiilor mobile la o instalație industrială, inclusiv rezistența la interferențe electromagnetice. Cu SHDSL nu este nevoie să configurați echipamente, ceea ce grăbește punerea în funcțiune a instalației. Rețelele wireless se caracterizează prin întârzieri mari în transmiterea datelor și dificultăți în transmiterea datelor folosind trafic multicast (Profinet, Ethernet IP).
Securitatea informațiilor vorbește în favoarea SHDSL din cauza absenței necesității de a transfera date prin Internet și a necesității de a configura conexiuni VPN pentru aceasta.
SHDSL vs Wi-Fi
Mare parte din ceea ce s-a spus pentru GSM poate fi aplicat și Wi-Fi-ului industrial. Imunitatea redusă la zgomot, distanța limitată de transmisie a datelor, dependența de topologia zonei și întârzierile în transmiterea datelor vorbesc împotriva Wi-Fi. Cel mai important dezavantaj este securitatea informațiilor rețelelor Wi-Fi, deoarece oricine are acces la mediul de transmisie a datelor. Cu Wi-Fi este deja posibilă transmiterea datelor IP Profinet sau Ethernet, ceea ce ar fi dificil cu GSM.
SHDSL vs optică
În marea majoritate a cazurilor, optica are un mare avantaj față de SHDSL, dar într-o serie de aplicații SHDSL vă permite să economisiți timp și bani la pozarea și sudarea cablurilor optice, reducând timpul necesar punerii în funcțiune a unei instalații. SHDSL nu necesită conectori speciali, deoarece cablul de comunicație este pur și simplu conectat la terminalul modemului. Datorită proprietăților mecanice ale cablurilor optice, utilizarea lor este limitată în aplicațiile care implică transferul de informații între obiecte în mișcare, unde conductoarele de cupru sunt mai frecvente.
Sursa: www.habr.com
