SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GTL a 17 Outubro de 2007 Rio de Janeiro - RJ GRUPO XVI GRUPO DE ESTUDO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO E TELECOMUNICAÇÃO PARA SISTEMAS ELÉTRICOS GTL PLANEJAMENTO DA REDE DE SINCRONISMO DE TELECOMUNICAÇÕES PARA SINAIS DIGITAIS DE ALTA VELOCIDADE BASEADO EM SDH (HIERARQUIA DIGITAL SÍNCRONA) Laércio Rosas Camelo Pessoa * Rodolpho Guedes de Araújo Antônio Carlos Batista de Lima Diego Félix de Souza COMPANHIA HIDROELÉTRICA DO SÃO FRANCISCO - CHESF RESUMO Sincronismo é o processo usado para fornecer um sinal de referência de tempo (relógio) comum a diversos circuitos ou equipamentos de uma rede. Um dos grandes problemas na rede das empresas que transmitem dados a alta velocidade, é a perda de quadros por falta de sincronismo. Para este tipo de rede, particularmente uma rede SDH, todos os elementos de rede (PABX, nós de rede ATM, concentradores, multiplexadores estatísticos...) precisam estar sincronizados, ou seja, processar dados com a mesma velocidade, possuindo relógios internos com a mesma freqüência e mesma fase. A variação de freqüência nos relógios internos dos elementos de rede (NE) é acarretada por alguns problemas de temporização como: Wander variação de fase do sinal digital com freqüência < 10 Hz. Ruído de relógio devido ao relógio interno do NE. Offset de freqüência desvio de freqüência entre nós consecutivos. Processamento de ponteiro os ajustes de ponteiros pode resultar em grandes saltos de fase na carga útil e produzem jitter (variação na fase do sinal digital com freqüência > 10Hz). Assim, uma rede de sincronização tem como objetivo entregar a cada elemento de rede um sinal de referência de temporização limpo e rastreável a uma referência primária, obedecendo as recomendações ITU-T referentes a sincronismo e redes SDH. O método de sincronização mais apropriada para a rede SDH é o Mestre-escravo, onde é baseado numa hierarquia de relógios. Desta forma afiguram-se dois problemas específicos: Cadeias longas de elementos de rede implicam que o sinal será regenerado várias vezes. Loops fechados de relógio (um escravo sincronizando o mestre). Na Chesf a rede SDH foi formada de forma gradativa ao longo dos anos com o aumento da demanda de serviços de telecomunicações. Cada trecho SDH tinha sua particular configuração de sincronismo e os problemas surgiram quando essas pequenas redes foram interligadas. Desta forma foi necessário realizar estudos e pesquisas de cada elemento da rede, para adequar o parque de Telecomunicações da empresa às normas internacionais. Inicialmente um grande problema era o fato de não se saber a qualidade dos sinais de referência que estavam sincronizando a rede. Além disso, foram constatadas longas cadeias de temporização, erros de configuração de prioridades de sincronismo e pequenos loops de relógio. Teoricamente, um sinal de temporização poderia passar por 20 nós sem cair de classe. Na prática, efeitos inesperados nas redes fazem com que um sinal de temporização que passa por uma cascata de retemporizações se degrade muito antes do previsto devido à acumulação de jitter e Wander, bem como por comutações de referências e entradas em holdover. (*)AV. CONS. ROSA E SILVA 1144, APT. 402 RECIFE - PE Brasil Tel: (+55 81) LAERCIOR@CHESF.GOV.BR

2 2 Por se tratar de uma rede complexa torna-se complicado evitar longas cadeias, principalmente quando estão vigentes as configurações de contingência. A metodologia criada pela Chesf determinou áreas de sincronismo e nós estratégicos de referência primária, com receptor GPS, para sincronizar os demais elementos da rede. Este sistema apresenta a grande vantagem de simplificar enormemente o planejamento da rede sincronização, ao mesmo tempo em que torna a rede extremamente confiável. PALAVRAS-CHAVE Telecomunicações, Sincronismo, SDH, Sinais Digitais INTRODUÇÃO Sincronismo é o meio para se manter todos os equipamentos digitais de uma mesma rede de comunicação operando à mesma taxa de bits ou freqüência. Podem-se avaliar alguns tipos de sincronismo: Sincronismo de BIT: Ambas as pontas operando a mesma taxa de relógio. Sincronismo de Quadro: Quando a recepção detecta a palavra de alinhamento de quadro (FAS, Bytes A1 e A2, etc) delimitando o início e o fim do quadro. Sincronismo de Time Slot: Quando a recepção sincroniza com o quadro e distingue a informação de cada canal. As redes PDH e SDH convencionais foram dimensionadas para operar com condições de relógio bastante específicas: E1: Os canais de 64Kbps são síncronos entre si, e não admitem variação de relógio; PDH: Os canais E1, E2, E3 e E4 são plesiócronos e admitem que a carga seja plesiócrona, suportando pequenas variações de relógio. SDH: Os elementos da rede SDH são síncronos entre si e admitem que a carga seja plesiócrona. Porém os elementos de rede SDH também admitem pequenas variações de relógio. Quando há diferenças instantâneas de relógio entre dois NEs consecutivos de uma mesma rede, é necessário que um desses elementos compense essa diferença. Cada tecnologia utiliza um mecanismo particular para fazer com que os elementos de rede acomodem variações no sincronismo: PDH/E1: Escorregamento de memória (Slip buffers) Há perda de informação. SDH: Ajuste de Ponteiro (Pointer Justification) Há alteração no relógio de saída da carga. Portanto, a carga transportada é quem recebe o impacto desses ajustes, e a aplicação final (serviço) é quem mais sofre devido a um sincronismo de má qualidade. O sinal de sincronismo é fortemente degradado devido às longas cadeias de NEs que não possuem unidades de retemporização ao longo das rotas. Uma rede de sincronização tem como objetivo entregar a cada estação da rede de telecomunicações um sinal de referência de temporização limpo e rastreável a uma referência primária, obedecendo as recomendações técnicas internacionais referentes a sincronismo e redes SDH (Hierarquia Digital Síncrona). Os sistemas de transmissão de dados têm mecanismos capazes de lidar com pequenas variações na velocidade da carga que transporta. Um aumento no número de ocorrências de Slips e ajustes de ponteiro estão diretamente ligados à queda da qualidade da temporização. Slips: Para um par de centrais de grande porte são admissíveis um número máximo aproximado de 1 Slip a cada 7 dias, enquanto entre centrais de trânsito e local são admissíveis um máximo aproximado de 2 Slips por dia. Ajuste de Ponteiros: Para dois elementos de rede corretamente sincronizados a distintos relógios primários, a quantidade de Ajustes de Ponteiros para VC-4 não deveria exceder 8 diários, enquanto para VC-12 seria 1 PJE (Justificativa de Ponteiro) a cada 3 dias. Um bom sincronismo visa eliminar ou minimizar a quantidade de PJE, pois os mesmos impediram a utilização da carga útil transportada pela rede. Um sincronismo ineficiente causa no mínimo perda de banda. Isso ocorre devido à quantidade de retransmissões necessárias por perda de informação.

3 3 Recomendações ITU-T: G.811 Descreve os requisitos mínimos para fontes primárias de Relógio. Relógio de Césio, Relógios disciplinados por GPS. G.812 Descreve os requisitos mínimos para fontes de relógios Escravos (SSU), e que trabalham recuperando sinal do relógio primário. G.813 Descreve os requisitos mínimos para o relógio interno dos Equipamentos de rede, também conhecidos como SEC. As recomendações da ITU-T G.823 (PDH) e G.825 (SDH) ditam os limiares de qualidade para uma rede de sincronismo se manter eficiente, e de modo rastreável ao PRC da rede. Porém na prática, os modelos adotados pela ITU-T (G.803) não se mostram eficientes, sendo que os últimos elementos pertencentes à cascata de sincronismo apresentavam queda sensível da qualidade de relógio. Características: Redes PDH Os circuitos PDH são ponto-a-ponto, desta forma há muita geração de Jitter, e por conseqüência BER. A cada Slip gerado parte da informação é perdida. Desta forma, possíveis soluções são: Sincronizar o início da cadeia através de um PRC e retemporizar o sinal de linha em média a cada 4 (quatro) saltos. Redes SDH Os circuitos SDH normalmente seguem as topologias em anel ou barramento, com elementos de rede síncronos por natureza. O NE SDH tem boa capacidade de filtro de Jitter, porém a muito acúmulo de Wander. O mecanismo utilizado para acomodar variações de relógio é o ajuste de ponteiro e, devido a esse mecanismo, falhas no sincronismo da rede são repassadas para a carga útil. Possíveis medidas para evitar problemas de sincronismo na rede SDH são: Sincronizar o sinal de linha em média a cada 4 (quatro) saltos e manter classe de precisão mínima de 1 x para todos os elementos DESCRIÇÃO DO PROBLEMA O perfeito funcionamento da rede de distribuição de sincronismo é de fundamental importância para garantir a boa qualidade dos serviços de Telecomunicações da Chesf. Face ao significativo volume das expansões dos sistemas de Telecomunicações nos últimos anos, é necessário planejar e implantar uma nova configuração da rede de sincronismo de modo a garantir a qualidade dos serviços. Na Chesf a rede SDH foi formada de forma gradativa ao longo dos anos com o aumento da demanda de serviços de telecomunicações. Cada trecho SDH tinha sua particular configuração de sincronismo e os problemas surgiram quando essas pequenas redes foram interligadas. Desta forma foi necessário realizar estudos e pesquisas para adequar o parque de Telecomunicações da empresa às normas internacionais, o que, em última análise, garantiria a adequada qualidade dos serviços prestados. A rede da Chesf é atualmente sincronizada pelos seguintes tipos de unidades de temporização: Relógios disciplinados por GPS; Relógio de Césio. A rede SDH da Chesf pode ser dividida em duas topologias independentes: Rede com elementos SAG-GPT (fibra óptica); Rede com elementos Alcatel (rádio digital). O estudo foi iniciado com a identificação dos elementos de rede que estão sendo sincronizados com relação a cada relógio. Foram identificados vários pontos críticos na rede, inclusive fora das normas internacionais, dos quais listamos alguns: Número de saltos temporais excessivos em diversas localidades; Subutilização de relógios disponíveis;

4 4 Inadequação da escolha das seqüências de prioridades de sincronismo em diversos elementos de rede, havendo situações de preferência por fontes de menor qualidade em detrimento de fontes melhores MEDIÇÃO E ANÁLISE DE SINCRONISMO O serviço de medição de sincronismo tem como objetivo estabelecer, através de medições sistemáticas e específicas, a qualidade de temporização em determinados links, e classificá-lo dentro dos extratos de qualidade estabelecidos nas normas e padrões internacionais. As medições são quantizadas por circuito, durante um período de 24h consecutivas e ininterruptas, a fim de permitir acumular os parâmetros pontuais necessários para caracterizar a estabilidade e exatidão dos sinais de sincronização entre os elementos que intervém na rede de transporte. O tempo de medição pedido é estabelecido de tal forma a permitir obter um reflexo do comportamento geral da qualidade medida na rede e permitir rastreabilidade à norma G.811 em longo prazo. FASE Existem 3 (três) possibilidades para um sinal de relógio (sincronismo) entre dois elementos distintos: I. Em fase Esta é a condição ideal, no qual o relógio do elemento de rede estaria alinhado com o relógio ideal da rede. II. Diferença de fase fixa Esta condição não chega a causar problemas, pois o buffer do equipamento de linha acomoda a diferença inicial da fase dos relógios envolvidos, e assim permanecem durante a operação do mesmo. III. Fase variando O terceiro caso, no qual a fase do sinal de linha varia constantemente em relação á fase do sinal ideal de referência. Essas variações são dinamicamente acomodadas pelo buffer dos equipamentos. Porém, como as variações ocorrem continuamente ou intermitentemente, o sistema não tem capacidade suficiente de buffer para acomodar tamanha variação. Essas variações podem ser: Problemas de estabilidade de freqüência - O sinal varia para um dos lados e em seguida inverte o sentido desta variação. Ex: Jitter e Wander. Problema de precisão de sinal O sinal varia continuamente para um dos lados, indicando uma diferença na velocidade dos dois sinais. Medições a serem realizadas: TIE Erro de intervalo de tempo. MTIE Máximo TIE para as normas da ITU-T aplicáveis. Para determinar a estabilidade e precisão de um sinal de sincronismo, é necessário comparar o sinal a ser analisado contra um sinal reconhecidamente estável. A diferença resultante entre os dois sinais gera um gráfico da diferença de fase x janela de tempo total, conhecida como TIE. Através do TIE é possível detectar a presença de modulações parasitas na fase do sinal, tais como Jiter e Wander, e também desvios de freqüência e saltos de fase. O MTIE é a principal ferramenta, pois detecta movimentos de fase pico-a-pico, além de desvios de freqüência nas interfaces da rede. O MTIE é a ferramenta mais difundida para avaliação da qualidade da rede de sincronismo, é capaz de capturar qualquer variação de fase no sinal e reportar o resultado final. É necessária a utilização de um PRC independente como referência de sinal. TDEV Desvio de tempo para as normas da ITU-T aplicáveis. O TDEV é um valor estatístico utilizado basicamente para detecção de ruído gerado pelos componentes eletrônicos, relógio interno ou equipamentos de transmissão. Representa a energia RMS de um ruído de fase de um sinal de temporização e especifica o conteúdo espectral do ruído de fase expresso na base de tempo. O TDEV é um parâmetro para medição da estabilidade do sinal em redes de telecomunicações, muito bom para descobrir osciladores defeituosos (que geram muito ruído), porém não é recomendado para detecção de saltos de fase. JITTER Variações de fase de alta freqüência (>10Hz).

5 5 Jitter são variações de fase de alta freqüência do sinal digital a partir da posição ideal no tempo. Compreende-se alta freqüência como qualquer modulação periódica igual ou superior a 10 Hz (ITU-T G.810). O Jitter causa, basicamente, erro na informação transmitida (BER). WANDER Variações de fase de baixa freqüência (<10Hz). Wander são as variações de fase de baixa freqüência, compreendido como qualquer modulação periódica inferior a 10 Hz (ITU-T G.810). O Wander é responsável pelos problemas relacionados ao sincronismo. Por ser tipicamente variações de baixa freqüência e grande amplitude, pode ser facilmente detectado através do gráfico de TIE, no qual já está intrínseco. Para os gráficos de MTIE e TDEV, o especialista fica responsável por avaliar as condições em que se encontra a linha sob análise, e assim determinar a máscara da ITU-T pertinente. 3.1 Equipamentos para medição PRC Utiliza-se uma referência primária local de sincronismo independente baseada em uma das duas tecnologias a seguir: Relógio de Césio (necessita de relatório de calibração); Receptor GPS suportado pelo oscilador de Rubídio (não necessita relatório de calibração). Ambos os modelos devem estar em conformidade com a recomendação G.811 da ITU-T, com precisão igual, ou melhor, a 1 x ANT 20 Este instrumental deve estar devidamente calibrado, com hardware e software adequado para fazer a coleta de dados na rede. Além disso, o equipamento deverá estar com 100% de conformidade com a norma O.172 da ITU- T. Características: Coletar no mínimo 1 (uma) amostra por segundo para o teste de TIE (Wander); Coletar os dados para o TIE durante segundos, ou seja, 24h de teste ininterruptos; Os gráficos de MTIE e TDEV serão gerados a parir do gráfico de TIE; O Jitter deverá ser medido dentro de um espectro de 20Hz a 100KHz, e apresentar os valores nos formatos: Jitter pico-a-pico (Ulpp, Ulpp+ e Ulpp-) e Jitter RMS (Ul); Para o caso de intervenção física na linha, deverá ser utilizado um derivador atenuado, de modo a manter o casamento de impedância da linha, e não atenuar o sinal útil excessivamente. 3.2 Como medir Rede de transporte SDH SDH SDH SDH STM - n T3 (1) IN Independente T3 (2) IN T4 (1) OUT T4 (2) - OUT Figura 1 ANT - 20

6 6 Splitter óptico ou elétrico STM - n SDH SDH SDH Independente ANT - 20 Figura 2 Interconexões entre sites SDH SDH SDH PDH PDH PDH Independente E1 ANT - 20 Figura 3

7 CONCLUSÃO Em teoria, um sinal de temporização poderia passar por cerca de 20 (vinte) elementos de rede sem sair de classe. Porém, no dia a dia, efeitos inesperados nas redes fazem com que um sinal de temporização, que passa por uma cascata de retemporizações se degrade muito antes do previsto devido à acumulação de jitter e wander, bem como pela entrada do elemento de rede em holdover e também pelas comutações de referência. Na Chesf a rede SDH foi formada de forma gradativa ao longo dos anos com o aumento da demanda de serviços de Telecomunicações. Cada trecho SDH tinha sua particular configuração de sincronismo e os problemas surgiram quando essas pequenas redes foram interligadas. O perfeito funcionamento da rede de distribuição de sincronismo é de fundamental importância para garantir a boa qualidade dos serviços. Desta forma, face ao significativo volume das expansões nos últimos anos, a empresa sentiu a necessidade de criar um grupo técnico para realizar estudos e pesquisas com o intuito de adequar o parque de Telecomunicações às normas internacionais, além de planejar e implantar uma nova configuração da rede de sincronismo de modo a garantir a qualidade dos serviços. O projeto de adequação do sistema de sincronismo tem como princípio evitar longas cadeias de temporização, ou seja, uma forma de evitar os efeitos cumulativos das degradações é manter as cadeias as mais curtas possíveis. Com este objetivo o grupo de estudos criou, no MATLAB, uma simulação de perdas de relógios de referência na rede SDH para verificar, identificar e analisar longas cadeias de temporização, pontos críticos, necessidades de cada elemento da rede e da rede como um todo. Baseado nesses estudos, surgiu a proposta de reinjetar a cada 4 (quatro) elementos da rede de transporte SDH uma temporização derivada de uma referência primária local com receptores GPS. Com isto, desaparece a preocupação com a qualidade de uma referência externa que chega a um determinado elemento da rede. Com o surgimento da tecnologia SDH o planejamento das redes de telecomunicações tornou-se um desafio para os planejadores, não só devido à nova arquitetura ds redes de transporte, mas também devido às considerações especiais no que se refere a sincronização REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) ITU T Recommendation G.803, Architecture of transport networks based on the synchronous digital hierarchy (SDH), Series G: Transmission Systems and Media, Digital Systems and Networks. (2) ITU T Recommendation G.810, Definitions and terminology for Syncronization Networks, Series G: Transmission Systems and Media. (3) Ferraz, Cristiano Henrique. Curso de Planejamento de Sincronismo de Redes de Telecomunicações, Setembro DADOS BIOGRÁFICOS Laércio Rosas Camelo Pessoa Nascido em Recife, PE, em 28 de dezembro de Mestrado (1986) e Graduação (1974) em Engenharia Elétrica / Eletrônica: Escola Politécnica de Pernambuco - PE Empresa: Companhia HidroElétrica do São Francisco - CHESF Coordenador da Equipe de Transmissão da DOMT Divisão de Manutenção e Reparos em Telecomunicações Rodolpho Guedes de Araújo Nascido em Bom Conselho, PE, em 16 de setembro de Mestrando em Engenharia de Produção (2007): UFPE - PE e Graduação (2004) em Engenharia Elétrica / Eletrônica: UFPE - PE Empresas: Teleconsult LTDA (2004) Alport Teleinformática LTDA ( ) Netcon LTDA, desde 2006 Engenheiro Eletrônico / Telecomunicações Consultor em Sincronismo Antônio Carlos Batista de Lima Nascido em Natal, RN, em 24 de março de Graduação (1983) em Engenharia Elétrica / Eletrônica: UFPE - PE Empresas: Companhia HidroElétrica do São Francisco - CHESF Gerente da DOMT - Divisão de Manutenção e Reparos em Telecomunicações Diego Felix de Sousa Nascido em Recife, PE, em 04 junho de Graduando em Engenharia Elétrica / Eletrônica: UFPE - Universidade Federal do Pernambuco Estagiário da DOMT - Divisão de Manutenção e Reparos em Telecomunicações