Sincronismo na Rede SDH

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1 Sincronismo na Rede SDH O objetivo deste tutorial é conceituar o Sincronismo em redes SDH, e apresentar suas principais características e forma de implementação. Carlos Eduardo Almeida Freitas Engenheiro de Teleco (FEI 01), tendo atuado especificamente na área de Redes Ópticas, especialmente na área de Transmissão (SDH/DWDM). Ocupou o cargo de Engenheiro de Planejamento de Redes da Pegasus Telecom, onde foi um dos responsáveis pela elaboração do Plano de Sincronismo da Rede de Transmissão Nacional (SDH) da Pegasus. Atualmente ocupa o cargo de Engenheiro de Soluções de Acesso na Telemar São Paulo. 1

2 Huber Bernal Filho Engenheiro de Teleco (MAUÁ 79), tendo atuado nas áreas de Redes de Dados e Multisserviços, Sistemas Celulares e Sistemas de Supervisão e Controle. Ocupou posições de liderança na Pegasus Telecom (Gerente - Planejamento de Redes), na Compaq (Consultor - Sistemas Antifraude) e na Atech (Coordenador - Projeto Sivam). Atuou também na área de Sistemas de Supervisão e Controle como coordenador de projetos em empresas líderes desse mercado. Tem vasta experiência internacional, tendo trabalhado em projetos de Teleco nos EUA e de Sistemas de Supervisão e Controle na Suécia. Atualmente dedica-se à sua empresa Hyroz Participações, prestando serviços de consultoria, e ao Teleco, promovendo o aprendizado contínuo dos profissionais de Telecomunicações. Duração 15 minutos. Publicado em: 31/03/

3 Sincronismo: Conceitos O desenvolvimento e a padronização das Redes SDH (Synchronous Digital Hierarchy) teve, entre outros, o objetivo de transportar sinais digitais com maior qualidade e confiabilidade, e a taxas de bits superiores àquelas permitidas pelo então vigente padrão PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Nesse contexto, o projeto da Rede de Sincronismo torna se extremamente importante na implantação das redes de transporte baseadas no padrão SDH, uma vez que o Sincronismo contribui para garantir e melhorar a qualidade do sinal transportado e para a manutenção e o aumento da taxa de bits. Conceito Sincronismo é o processo usado para fornecer um sinal de referência de tempo (relógio) comum a diversos circuitos ou equipamentos de uma rede. Na rede SDH a referência de Sincronismo é usada pelos relógios internos de escrita existentes nos elementos da rede, sendo responsável pela temporização dos circuitos que processam as informações para a transmissão do sinal digital. Na recepção dos sinais digitais os equipamentos utilizam o sinal de Sincronismo recuperado do sinal STM N (N=1, 4, 16 ou 64) recebido para processar as informações. Na rede SDH o sinal de Sincronismo pode ser analógico (sinal senoidal de 2048 khz) ou digital (trem de bits de 2048 kbit/s). Rede de Sincronismo A Rede de Sincronismo gera e distribui o sinal de Sincronismo para todos os equipamentos da Rede SDH. Seu projeto deve atender, entre outros, ao requisito de escorregamento de byte (Slip) das recomendações ITU T G.803 e G.822. A rede de Sincronismo é composta por: Relógios, que são os equipamentos que geram as referências de sincronismo com diversas precisões e estabilidades, de acordo com o uso na rede de sincronismo, e que podem ter também múltiplas saídas com ou sem proteção. Meio físico, composto pelos sinais STM N da rede SDH, para as interligações entre os sites, e pelas conexões dedicadas de sinais de 2048 khz ou 2048 kbit/s, para as interligações dentro dos sites. Os sinais STM N (N=1, 4, 16 ou 64) também podem ser usados para transportar o sinal de sincronismo dentro dos sites de menor porte entre os diversos elementos de rede. A arquitetura da rede deve também ser projetada para garantir a distribuição do sinal de sincronismo mesmo em caso de falha. 3

4 Eventos e Fenômenos Devido às falhas ou características da implementação da Rede de Sincronismo, podem ocorrer alguns eventos e fenômenos na rede SDH. Os eventos mais comuns são o ajuste de ponteiros (PJE) e o escorregamento de bytes nos quadros SDH, e a manutenção (Holdover) ou não (Free run) da referência de tempo pelos relógios dos equipamentos SDH, no caso de alguma falha na rede de Sincronismo. Os fenômenos mais comuns são o Jitter e Wander, relativos às variações discretas de freqüência dos sinais digitais ao longo do tempo, e os loops de Sincronismo em algumas regiões da Rede SDH. Modos de Sincronismo Podem ser identificados 4 modos de Sincronismo: Síncrono Pseudo Síncrono Plesiócrono Assíncrono onde todos os relógios da rede são referenciados por uma única Referência Primária de Relógio (PRC Primary Reference Clock) e a rede como um todo constitui uma única Área de Sincronismo. Neste modo os eventuais ajustes de ponteiro ocorrem de forma aleatória. Este é o modo de operação normal dentro da rede de um único Provedor de Serviços. onde nem todos os relógios são referenciados por um único PRC. A partir de cada PRC é formada uma Área de Sincronismo, e nos elementos de rede posicionados nas fronteiras dessas áreas podem ocorrer ajustes de ponteiros. Este é o modo de operação normal de Prestadores de Serviço de grande porte (com várias áreas de Sincronismo) ou entre redes compostas por vários Prestadores de Serviços. onde o sinal de Sincronismo da rede entrou em falha, e os relógios dos equipamentos da rede utilizam suas referências internas. Neste modo podem ocorrer ajustes de ponteiros de forma persistente em vários pontos da rede, os quais só cessam com a recuperação do sinal de Sincronismo. onde após a falha do sinal de Sincronismo ocorrem grandes desvios de freqüência entre os relógios da rede. Como a rede SDH tem limites máximos de desvio de freqüência definidos, ao ultrapassar esses limites podem ser gerados alarmes de falha dos serviços, implicando em interrupção do tráfego na rede. 4

5 Sincronismo: Qualidade da Referência As referências de sincronismo utilizadas nas Redes SDH, classificadas segundo a sua qualidade, são descritas a seguir. PRC (Primary Reference Clock) É o principal relógio de uma rede, e deve ser capaz de manter uma precisão de longo prazo melhor do que uma parte em O PRC tanto pode ser implementado a partir de padrões atômicos primários (como, por exemplo, o de Césio), como também utilizar receptores de GPS (Global Positioning System). Estes equipamentos atendem a recomendação ITU T G.811 Timing characteristics of primary reference clocks. Na Rede de Sincronismo estes relógios são sempre os mestres da referência de tempo (Master Clock). SSU (Synchronization Supply Unit) São relógios secundários que realizam a filtragem e a distribuição dos sinais recebidos através de suas entradas (2 a 4 entradas, em média). Geralmente possuem osciladores internos de Rubídio e/ou Quartzo, e inteligência para a escolha da melhor referência de relógio de entrada. A partir da melhor referência de entrada o sinal de relógio é enviado ao distribuidor, que pode ter várias saídas (analógicas 2 MHz, ou digitais 2 Mbit/s), em configuração protegida (1+1) ou simples (1+0). Estes equipamentos atendem a recomendação ITU T G.812 Timing requirements of slave clocks suitable for use as node clocks in synchronization networks. Na Rede de Sincronismo estes relógios são escravos da referência de tempo do PRC (Slave Clock). SEC (SDH Equipment Clock) São os relógios internos dos equipamentos SDH, construídos a partir de osciladores de Quartzo para manter uma certa precisão na falta de uma referência. O SEC pode usar como referência os sinais de relógio do PRC e do SSU, e o sinal de relógio recuperado dos sinais STM N provenientes de outros equipamentos SDH. Estes equipamentos atendem a Recomendação ITU T G.813 Timing characteristics of SDH equipment slave clocks (SEC). O SEC normalmente possui 2 ou mais entradas de referência de relógio, e pode selecionar automaticamente o sinal de melhor qualidade em caso de falha. Além disso, possui a capacidade de manter por algum tempo a qualidade da última referência válida em caso de falha das referências de sincronismo (Holdover). A seleção da fonte de sincronismo normalmente é configurável. Ela pode ser configurada para executar a seleção por prioridade definida, por qualidade do sinal de relógio ou por ambas. No primeiro caso define-se prioridade de cada fonte para executar a seleção. No segundo caso, é utilizado o protocolo SSM (Syncronization Status Message) para informar a qualidade da fonte de sincronismo, e a seleção sempre se dá pela fonte de melhor qualidade. No terceiro caso podem ser usadas as 2 formas na ordem que se considerar mais adequada para o projeto da rede. 5

6 Sincronismo: Eventos e Fenômenos Os eventos e fenômenos mais relevantes que ocorrem na rede SDH são descritos a seguir. Free run Acontece quando o equipamento SDH perde todos os sinais externos de referência de relógio. A referência de escrita passa a ser o relógio interno (SEC), porém este ainda não teve nenhuma referência válida, ou não pode recuperar essa informação e funciona a partir de seu próprio oscilador. Devido a sua menor precisão e as eventuais diferenças de fase e freqüência, ocorrem eventos de ajuste de ponteiro com maior regularidade nos quadros SDH gerados no equipamento. Holdover Acontece quando o equipamento SDH perde todos os sinais externos de referência de relógio. A referência de escrita passa a ser o relógio interno (SEC), sincronizado a partir da última referência válida. Devido a sua menor precisão, podem ocorrer eventos de ajuste de ponteiro nos quadros SDH gerados no equipamento. PJE Pointer Justification Event Ocorre quando os elementos da rede SDH não estão todos referenciados pela mesma base de tempo. Para acomodar tais diferenças, que não devem exceder ±4,6 ppm (partes por milhão), existem bytes na estrutura do quadro SDH, os quais normalmente não têm informação de carga útil, que podem ser utilizados para acomodar os bytes em excesso da carga útil decorrentes da diferenças dos relógios. As recomendações do ITU T que tratam do assunto sincronismo, não fazem referência direta a quantidade de ocorrências admissíveis de PJE. Na prática vê se que um número razoável e que demonstra boa qualidade do relógio da rede SDH é de 1 a 50 ajustes por dia, não sendo estes aglomerados em um único período do dia. Slip Acontece quando o buffer de armazenamento dos sinais digitais recebidos pelo equipamento SDH fica sobrecarregado, devido à diferença de freqüência dos relógios de escrita e de leitura, o que pode causar a repetição ou perdas de bits do sinal digital. De acordo com a recomendação G.803, num circuito ponto a ponto que atravessa várias áreas de sincronização, não deve haver mais que 1 evento de slip em 70 dias. Jitter Este fenômeno é definido como uma variação de fase do sinal digital com freqüência > 10 Hz. O jitter é decorrente principalmente do processo de multiplexação demultiplexação de um sinal digital ao longo de uma rede SDH. A recomendação ITU T G.825 The control of jitter and wander within digital networks which are based on the synchronous digital hierarchy (SDH) 6

7 Loop de Sincronismo Acontece quando a lógica de transferência do sinal de sincronismo entre os elementos de um anel SDH é equivocada. Adota se o esquema de transferência do sinal de sincronismo unidirecional, ou seja, a partir do elemento com fonte externa de relógio, o sinal de sincronismo é transferido um a um para todos os elementos até retornar novamente ao elemento inicial (Loop). Em caso de falha de um dos arcos do anel, alguns elementos de rede entram em holdover adotando uma base de tempo diferente dos demais, podendo ocasionar eventos de ajuste de ponteiro, slip ou até taxa de erro nos sinais digitais. Wander Este fenômeno é definido como uma variação de fase do sinal digital com freqüência < 10 Hz. O wander é decorrente principalmente dos eventos de ajuste de ponteiros no quadro SDH, da característica dos filtros passa baixa (PLL Phase Lock Loop x FLL Frequency Lock Loop) e das variações de temperatura, que influenciam os geradores de relógio, os GPS e a propagação do sinal ao longo do meio de transmissão. 7

8 Sincronismo: Arquitetura de Rede A tecnologia da rede SDH foi desenvolvida para trabalhar no modo de sincronização Pseudo síncrono. Esta característica permite que a arquitetura da Rede de Sincronismo possa ser desenvolvida definindo se uma ou mais Áreas de Sincronismo, conforme o porte da rede SDH e o número de referências primárias (PRC) a serem utilizadas. Em cada Área de Sincronismo, os equipamentos da rede terão seus relógios de escrita referenciados por uma mesma base de tempo para evitar perturbações ou até a perda do sinal digital. Para interligar os diversos relógios de uma área utiliza se o Método de Sincronização Mestre Escravo, que considera o nível hierárquico dos relógios conforme sua precisão e estabilidade. O relógio de um determinado nível hierárquico sempre será sincronizado por um relógio de um nível superior, é o relógio de maior nível hierárquico, é o PRC. A arquitetura da rede deve ser desenhada de tal forma que o sinal de relógio de cada elemento de rede possa ser rastreado até um PRC. A distribuição do sinal de sincronismo ocorre de 2 formas: Entre sites, onde a topologia de distribuição do sinal em árvore é utilizada, e os relógios são interligados de forma hierárquica, conforme mostra a figura ao lado. O projeto desta topologia deve garantir que mesmo em caso de falha a referência de cada relógio seja sempre de melhor precisão que a sua própria referência. Dentro dos sites, onde a topologia de distribuição do sinal em estrela é utilizada. Para sites de maior porte, o sinal de relógio recebido é direcionado a um SSU (distribuidor) e a partir deste o sinal é interligados a todos os elementos de rede. Para sites de menor porte o sinal é interligado a um elemento de rede principal e a partir deste o sinal é distribuído aos demais elementos de rede. Em ambos os casos apenas o relógio de maior nível hierárquico do site (melhor precisão) deve receber o sinal de sincronismo externo de outro site. Cada saída do PRC define uma cadeia de referência de sincronismo, conforme mostra a figura abaixo. A recomendação ITU T G.803 define como valores máximos K=10 (seqüência de SSU s) e N=20 (número de saltos ou SEC s), sendo 60 o número máximo de SEC s na cadeia. Na prática, o número de elementos de rede (SEC s) em seqüência deve ser minimizado para aumentar a confiabilidade da rede. Além disso, em trechos da rede SDH com configuração em anel o valor limite para a repetição do sinal de sincronismo sem regeneração não deve ser maior que 10. Isto significa que em caso de falha de um dos arcos do anel, no pior caso o sinal de sincronismo terá 20 saltos. Como critério, visando manter o número de saltos (tamanho da cadeia) dentro do limite especificado mesmo no pior caso, é conveniente considerar o número máximo N=5 numa rede SDH em operação normal que, em condição de falha, chegará no máximo a 10 saltos no pior caso. 8

9 A rede de sincronismo deve ser protegida para evitar que uma falha simples possa isolar uma ou parte de uma área de sincronismo. O projeto da arquitetura da rede deve considerar que todos os relógios devem dispor de uma fonte alternativa de referência de relógio. Em cada nível hierárquico os relógios devem ser configurados para selecionar a melhor fonte existente. Nos elementos da rede SDH, os SEC s podem ser configurados para utilizar o protocolo SSM. Através desse protocolo, a distribuição de referência de sincronismo aos elementos de rede ocorre de forma automática, mesmo em caso de falha de um dos arcos das configurações de rede em anel. Esta parte do projeto deve ser executada com critério e atenção, realizando inclusive simulações para evitar que qualquer falha provoque loops de sincronismo na rede. Como critério, deve se configurar os SEC s para selecionar inicialmente a referência de sincronismo pela qualidade das fontes designadas (usando as informações do SSM) e, no caso de falha dessa condição, pelo grau de prioridade as referências. Deve-se observar também que após a ativação da rede e entrada em operação, os processos de inserção ou retirada de equipamentos da rede e de manutenção devem ser cuidadosamente preparados e acompanhados para evitar que novos erros sejam adicionados à rede de sincronismo. Problemas como loop de sincronismo ou outros tipos de eventos devem ser pesquisados e simulados antes da execução propriamente ditas das atividades em campo. 9

10 Sincronismo: Considerações Finais O processo de Engenharia do Sincronismo da Rede SDH é estratégico para o sucesso da operação da rede. Ele deve começar junto com o projeto da rede, para que todos os cuidados relativos ao sincronismo sejam tomados desde o início. Especial atenção deve ser dada ao projeto, implantação e manutenção da rede e, para tanto, é importante alocar um coordenador que seja responsável por este processo como um todo. O processo de Engenharia do Sincronismo deve ser registrado no Plano de Sincronismo de Rede. Este plano deve conter pelo menos os seguintes tópicos: Definição das Áreas de Sincronismo, contendo diagramas (e mapas, caso seja possível) que mostram as diversas áreas de sincronismo da rede e suas principais fontes de sinal de referência de relógio. Estes diagramas devem ter abordagem sistêmica, com o detalhamento necessário apenas para caracterizar claramente as áreas de sincronismo na rede SDH. Detalhamento das Áreas de Sincronismo, contendo, para cada área, os diagramas (e mapas, caso seja possível) que mostram a rede sincronismo aplicada sobre a rede de transporte, tanto no caso de operação normal, como no caso de falha. A rede de sincronismo deve ser registrada com o detalhamento tanto das conexões entre sites como das conexões internas em cada site. Para cada site devem ser elaboradas tabelas do tipo De > Para, mostrando os pontos de conexão dos sinais de sincronismo entre os diversos elementos da Rede SDH e entre estes e o distribuidor de relógio (SSU ou SSU+PRC), caso exista um no site. Configuração dos Elementos de Rede, contendo os parâmetros dos blocos funcionais de sincronismo a serem configurados nos elementos de rede, detalhando tanto o caso de operação normal como o caso de falha, e o uso ou não de funcionalidades do Protocolo SSM. Esta configuração geralmente é feita de forma remota, no Sistema de Gerência da rede de SDH. Registro de Teste da Rede de Sincronismo, contendo os resultados de testes do sinal de sincronismo em diversos pontos da rede de transporte avaliando a sua qualidade em relação a uma fonte de referência com qualidade melhor ou equivalente ao(s) PRC( s) implantado(s) na rede. Este registro é importante para verificar o resultado da implantação da rede em relação ao projetado, e para comparações futuras decorrentes de falhas que provoquem degradação do sinal de sincronismo na rede SDH. Como prática preventiva, pode ser elaborado ainda um procedimento de avaliação periódica do sinal de sincronismo em pontos pré definidos da rede para acompanhar sua qualidade e eventual degradação ao longo do tempo. Registro de Atividades de Alteração ou Manutenção da Rede de Sincronismo, contendo um histórico de todas as alterações efetuadas na rede (inserção ou retiradas de elementos de rede, aumento de capacidade, e etc.) e manutenções preventivas e de emergência realizadas. Este histórico possibilita a pesquisa para rastrear eventuais falhas decorrentes das atividades realizadas, além de manter o Plano de Sincronismo atualizado, já que estas atividades implicam na atualização do plano como um todo. 10

11 Durante a fase de implantação da rede de Sincronismo, e mesmo durante as alterações e manutenções, devem ser identificadas claramente as conexões dos sinais de sincronismo nos diversos sites. Para facilitar a identificação desses sinais devem ser adotados os seguintes procedimentos: Definir uma cor única para identificar o sinal de sincronismo. Geralmente usa se a cor Vermelha, entretanto qualquer cor pode ser usada desde que um padrão único seja adotado. Identificar os equipamentos de Sincronismo (PRC s e SSU s) no site com as etiquetas da cor padronizada. Reservar Distribuidores Intermediários Digitais (DID s) ou outros tipos de painéis de interconexão para a distribuição dos sinais de sincronismo, sempre identificado os com as etiquetas da cor padronizada. Adotar cabos da cor padrão para as conexões de sinais de sincronismo, identificado os com as etiquetas da cor padronizada. Identificar os cabos ou cordões ópticos que conduzem o sinal de sincronismo através de circuitos STM N com as etiquetas da cor padronizada. Referências ITU-T G.707 Network node interface for the synchronous digital hierarchy (SDH) G.781 Synchronization functions G.783 Characteristics of synchronous digital hierarchy (SDH) equipment functional blocks G.803 Architecture of transport networks based on the synchronous digital hierarchy (SDH) G.810 Definitions and terminology for synchronization networks G.811 Timing characteristics of primary reference clocks G.812 Timing requirements of slave clocks suitable for use as node clocks in synchronization networks G.813 Timing characteristics of SDH equipment slave clocks (SEC) G.822 Controlled slip rate objectives on an international digital connection G.825 The control of jitter and wander within digital networks which are based on the synchronous digital hierarchy (SDH) 11

12 Sincronismo: Teste seu entendimento 1) Quais dos relógios abaixo possuem a melhor qualidade: SEC PRC SSU Todas possuem a mesma qualidade 2) Quais das afirmações abaixo representam características do Jitter Variação de fase de alta freqüência na multiplexação/demultiplexação dos tributários Buffer de armazenamento das informações recebidas fica sobrecarregado Variações de fase de baixa freqüência causado por ajustes esporádicos de ponteiro Nenhuma das anteriores Qual é o Método de Sincronização utilizado na rede de Sincronismo? Mestre-mestre Por exceção Meste-escravo Nenhum dos anteriores 12

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