Sincronismo na Rede SDH

O objetivo deste tutorial é conceituar o Sincronismo em redes SDH, e apresentar suas principaiscaracterísticas e aplicações.

Carlos Eduardo Almeida Freitas Engenheiro de Teleco (FEI/01), tendo atuado especificamente na área de Redes Ópticas, especialmente naárea de Transmissão (SDH/DWDM). Ocupou o cargo de Engenheiro de Planejamento de Redes da Pegasus Telecom, onde foi um dosresponsáveis 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.

Huber Bernal Filho Engenheiro de Teleco (MAUÁ 79), tendo atuado nas áreas de Redes de Dados e Multisserviços, SistemasCelulares 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 deSistemas 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 deSupervisão e Controle na Suécia. Atualmente dedica-se à Teleco e à prestação de serviços de consultoria em telecomunicações.

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Email: hbernal@teleco.com.br

Categoria: Sistemas de Transmissão

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 15 minutos Publicado em: 31/03/2003

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Sincronismo: Conceitos

O desenvolvimento e a padronização das Redes SDH (Synchronous Digital Hierarchy) teve, entre outros, oobjetivo de transportar sinais digitais com maior qualidade e confiabilidade, e a taxas de bits superioresàquelas permitidas pelo então vigente padrão PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Nesse contexto, o projeto da Rede de Sincronismo torna–se extremamente importante na implantação dasredes de transporte baseadas no padrão SDH, uma vez que o Sincronismo contribui para garantir e melhorara 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 diversoscircuitos ou equipamentos de uma rede. Na rede SDH a referência de Sincronismo é usada pelos relógiosinternos de escrita existentes nos elementos da rede, sendo responsável pela temporização dos circuitos queprocessam 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 bitsde 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 recomendaçõesITU–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 eestabilidades, de acordo com o uso na rede de sincronismo, e que podem ter também múltiplas saídascom ou sem proteção.Meio físico, composto pelos sinais STM–N da rede SDH, para as interligações entre os sites, e pelasconexões dedicadas de sinais de 2048 kHz ou 2048 kbit/s, para as interligações dentro dos sites. Ossinais STM–N (N=1, 4, 16 ou 64) também podem ser usados para transportar o sinal de sincronismodentro 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 mesmoem caso de falha. Eventos e Fenômenos Devido às falhas ou características da implementação da Rede de Sincronismo, podem ocorrer algunseventos e fenômenos na rede SDH. Os eventos mais comuns são o ajuste de ponteiros (PJE) e o escorregamento de bytes nos quadros SDH, e amanutenção (Holdover) ou não (Free run) da referência de tempo pelos relógios dos equipamentos SDH, no

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caso de alguma falha na rede de Sincronismo. Os fenômenos mais comuns são o Jitter e Wander, relativos às variações discretas de freqüência dos sinaisdigitais 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 onde todos os relógios da rede são referenciados por uma única Referência Primária deRelógio (PRC – Primary Reference Clock) e a rede como um todo constitui uma únicaÁrea de Sincronismo. Neste modo os eventuais ajustes de ponteiro ocorrem de formaaleatória. Este é o modo de operação normal dentro da rede de um único Provedor deServiços.

Pseudo–Síncrono onde nem todos os relógios são referenciados por um único PRC. A partir de cada PRCé formada uma Área de Sincronismo, e nos elementos de rede posicionados nasfronteiras dessas áreas podem ocorrer ajustes de ponteiros. Este é o modo de operaçãonormal de Prestadores de Serviço de grande porte (com várias áreas de Sincronismo)ou entre redes compostas por vários Prestadores de Serviços.

Plesiócrono onde o sinal de Sincronismo da rede entrou em falha, e os relógios dos equipamentosda rede utilizam suas referências internas. Neste modo podem ocorrer ajustes deponteiros de forma persistente em vários pontos da rede, os quais só cessam com arecuperação do sinal de Sincronismo.

Assíncrono onde após a falha do sinal de Sincronismo ocorrem grandes desvios de freqüência entreos relógios da rede. Como a rede SDH tem limites máximos de desvio de freqüênciadefinidos, ao ultrapassar esses limites podem ser gerados alarmes de falha dos serviços,implicando em interrupção do tráfego na rede.

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Sincronismo: Qualidade da Referência

As referências de sincronismo utilizadas nas Redes SDH, classificadas segundo a sua qualidade, são descritasa 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 queuma parte em 10-11. O PRC tanto pode ser implementado a partir de padrões atômicos primários (como, porexemplo, o de Césio), como também utilizar receptores de GPS (Global Positioning System). Estesequipamentos 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 suasentradas (2 a 4 entradas, em média). Geralmente possuem osciladores internos de Rubídio e/ou Quartzo, einteligência 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 váriassaídas (analógicas – 2 MHz, ou digitais – 2 Mbit/s), em configuração protegida (1+1) ou simples (1+0). Estesequipamentos atendem a recomendação ITU–T G.812 – Timing requirements of slave clocks suitable for useas 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 manteruma 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 dossinais STM–N provenientes de outros equipamentos SDH. Estes equipamentos atendem a RecomendaçãoITU–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 automaticamenteo sinal de melhor qualidade em caso de falha. Além disso, possui a capacidade de manter por algum tempo aqualidade 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 aseleção por prioridade definida, por qualidade do sinal de relógio ou por ambas. No primeiro caso define-seprioridade 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 sedá pela fonte de melhor qualidade. No terceiro caso podem ser usadas as 2 formas na ordem que seconsiderar mais adequada para o projeto da rede.

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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 referênciade escrita passa a ser o relógio interno (SEC), porém este ainda não teve nenhuma referência válida, ou nãopode recuperar essa informação e funciona a partir de seu próprio oscilador. Devido a sua menor precisão eas eventuais diferenças de fase e freqüência, ocorrem eventos de ajuste de ponteiro com maior regularidadenos quadros SDH gerados no equipamento. Holdover Acontece quando o equipamento SDH perde todos os sinais externos de referência de relógio. A referênciade escrita passa a ser o relógio interno (SEC), sincronizado a partir da última referência válida. Devido a suamenor 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. Paraacomodar tais diferenças, que não devem exceder ±4,6 ppm (partes por milhão), existem bytes na estruturado quadro SDH, os quais normalmente não têm informação de carga útil, que podem ser utilizados paraacomodar 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 quantidadede ocorrências admissíveis de PJE. Na prática vê–se que um número razoável e que demonstra boaqualidade do relógio da rede SDH é de 1 a 50 ajustes por dia, não sendo estes aglomerados em um únicoperíodo do dia. Slip Acontece quando o buffer de armazenamento dos sinais digitais recebidos pelo equipamento SDH ficasobrecarregado, devido à diferença de freqüência dos relógios de escrita e de leitura, o que pode causar arepetição 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 édecorrente principalmente do processo de multiplexação – demultiplexação de um sinal digital ao longo deuma rede SDH. A recomendação ITU–T G.825 – The control of jitter and wander within digital networkswhich are based on the synchronous digital hierarchy (SDH) Loop de Sincronismo Acontece quando a lógica de transferência do sinal de sincronismo entre os elementos de um anel SDH éequivocada. Adota–se o esquema de transferência do sinal de sincronismo unidirecional, ou seja, a partir do

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elemento com fonte externa de relógio, o sinal de sincronismo é transferido um a um para todos oselementos 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 basede tempo diferente dos demais, podendo ocasionar eventos de ajuste de ponteiro, slip ou até taxa de erro nossinais digitais. Wander Este fenômeno é definido como uma variação de fase do sinal digital com freqüência < 10 Hz. O wander édecorrente principalmente dos eventos de ajuste de ponteiros no quadro SDH, da característica dos filtrospassa baixa (PLL – Phase Lock Loop x FLL – Frequency Lock Loop) e das variações de temperatura, queinfluenciam os geradores de relógio, os GPS e a propagação do sinal ao longo do meio de transmissão.

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Sincronismo: Arquitetura de Rede

A tecnologia da rede SDH foi desenvolvida para trabalhar no modo de sincronização Pseudo–síncrono. Estacaracterística permite que a arquitetura da Rede de Sincronismo possa ser desenvolvida definindo–se uma oumais Áreas de Sincronismo, conforme o porte da rede SDH e o número de referências primárias (PRC) aserem utilizadas. Em cada Área de Sincronismo, os equipamentos da rede terão seus relógios de escrita referenciados por umamesma 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, queconsidera o nível hierárquico dos relógios conforme sua precisão e estabilidade. O relógio de umdeterminado nível hierárquico sempre será sincronizado por um relógio de um nível superior, é o relógio demaior 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 possaser 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 éutilizada, e os relógios são interligados de forma hierárquica,conforme mostra a figura ao lado. O projeto desta topologia devegarantir que mesmo em caso de falha a referência de cada relógioseja sempre de melhor precisão que a sua própria referência. Dentro dos sites, onde a topologia de distribuição do sinal em estrela éutilizada. Para sites de maior porte, o sinal de relógio recebido é direcionadoa um SSU (distribuidor) e a partir deste o sinal é interligados a todos oselementos de rede. Para sites de menor porte o sinal é interligado a umelemento de rede principal e a partir deste o sinal é distribuído aos demaiselementos de rede. Em ambos os casos apenas o relógio de maior nívelhierárquico do site (melhor precisão) deve receber o sinal de sincronismoexterno de outro site. Cada saída do PRC define uma cadeia de referência de sincronismo, conforme mostra a figura abaixo. Arecomendação ITU–T G.803 define como valores máximos K=10 (seqüência de SSU’s) e N=20 (número desaltos ou SEC’s), sendo 60 o número máximo de SEC’s na cadeia.

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Na prática, o número de elementos de rede (SEC’s) em seqüência deve ser minimizado para aumentar aconfiabilidade da rede. Além disso, em trechos da rede SDH com configuração em anel o valor limite para arepetição do sinal de sincronismo sem regeneração não deve ser maior que 10. Isto significa que em caso defalha 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 mesmono pior caso, é conveniente considerar o número máximo N=5 numa rede SDH em operação normal que, emcondição de falha, chegará no máximo a 10 saltos no pior caso. A rede de sincronismo deve ser protegida para evitar que uma falha simples possa isolar uma ou parte deuma área de sincronismo. O projeto da arquitetura da rede deve considerar que todos os relógios devemdispor de uma fonte alternativa de referência de relógio. Em cada nível hierárquico os relógios devem serconfigurados para selecionar a melhor fonte existente. Nos elementos da rede SDH, os SEC’s podem ser configurados para utilizar o protocolo SSM. Através desseprotocolo, 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 evitarque qualquer falha provoque loops de sincronismo na rede. Como critério, deve–se configurar os SEC’s paraselecionar inicialmente a referência de sincronismo pela qualidade das fontes designadas (usando asinformações 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 ouretirada de equipamentos da rede e de manutenção devem ser cuidadosamente preparados e acompanhadospara evitar que novos erros sejam adicionados à rede de sincronismo. Problemas como loop de sincronismoou outros tipos de eventos devem ser pesquisados e simulados antes da execução propriamente ditas dasatividades em campo.

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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 sejamtomados desde o início. Especial atenção deve ser dada ao projeto, implantação e manutenção da rede e, para tanto, é importantealocar 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 planodeve conter pelo menos os seguintes tópicos:

Definição das Áreas de Sincronismo, contendo diagramas (e mapas, caso seja possível) que mostramas 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 paracaracterizar claramente as áreas de sincronismo na rede SDH.Detalhamento das Áreas de Sincronismo, contendo, para cada área, os diagramas (e mapas, caso sejapossível) que mostram a rede sincronismo aplicada sobre a rede de transporte, tanto no caso deoperação normal, como no caso de falha. A rede de sincronismo deve ser registrada com odetalhamento tanto das conexões entre sites como das conexões internas em cada site. Para cada sitedevem ser elaboradas tabelas do tipo “De –> Para”, mostrando os pontos de conexão dos sinais desincronismo entre os diversos elementos da Rede SDH e entre estes e o distribuidor de relógio (SSU ouSSU+PRC), caso exista um no site.Configuração dos Elementos de Rede, contendo os parâmetros dos blocos funcionais de sincronismo aserem configurados nos elementos de rede, detalhando tanto o caso de operação normal como o casode falha, e o uso ou não de funcionalidades do Protocolo SSM. Esta configuração geralmente é feitade 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 sincronismoem diversos pontos da rede de transporte avaliando a sua qualidade em relação a uma fonte dereferência com qualidade melhor ou equivalente ao(s) PRC(‘s) implantado(s) na rede. Este registro éimportante para verificar o resultado da implantação da rede em relação ao projetado, e paracomparações futuras decorrentes de falhas que provoquem degradação do sinal de sincronismo narede SDH. Como prática preventiva, pode ser elaborado ainda um procedimento de avaliaçãoperiódica do sinal de sincronismo em pontos pré–definidos da rede para acompanhar sua qualidade eeventual degradação ao longo do tempo.Registro de Atividades de Alteração ou Manutenção da Rede de Sincronismo, contendo um históricode todas as alterações efetuadas na rede (inserção ou retiradas de elementos de rede, aumento decapacidade, e etc.) e manutenções preventivas e de emergência realizadas. Este histórico possibilita apesquisa para rastrear eventuais falhas decorrentes das atividades realizadas, além de manter o Planode Sincronismo atualizado, já que estas atividades implicam na atualização do plano como um todo.

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 aidentificação 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 corpadronizada.

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Reservar Distribuidores Intermediários Digitais (DID’s) ou outros tipos de painéis de interconexãopara a distribuição dos sinais de sincronismo, sempre identificado–os com as etiquetas da corpadronizada.Adotar cabos da cor padrão para as conexões de sinais de sincronismo, identificado–os com asetiquetas da cor padronizada.Identificar os cabos ou cordões ópticos que conduzem o sinal de sincronismo através de circuitosSTM–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.825The control of jitter and wander within digital networks which are based on the synchronousdigital hierarchy (SDH)

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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 3. Qual é o Método de Sincronização utilizado na rede de Sincronismo?

Mestre-mestre

Por exceção

Meste-escravo

Nenhum dos anteriores

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