REDES DE SINCRONISMO Ing. Pablo Varela

Agenda • Introducción • Motivos del Sincronismo • Aplicaciones

• Clasificación de Redes de Sincronismo • Redes Plesíocronas • Redes Sincrónicas

• Sincronismo de nueva generación • Proyecto de referencia

Introducción Objetivo: • Distribución de información de tiempo y frecuencia.

Como: • Se emplea una red de relojes extendidos sobre un área

geográficamente amplia. • Se sincroniza tiempo y frecuencia de todos los relojes de la red utilizando capacidad de los enlaces de la red.

PORQUÉ SE REQUIERE SINCRONÍA • Aumento en las velocidades de transmisión. • Aumento en las demandas de servicios de los usuarios. • Necesidad de integrar múltiples tecnologías

• Facilita la comunicación efectiva • Entre diferentes sistemas telecom • Entre diferentes operadores • En las interconexiones de redes (POP: Point of Presense) • Provee calidad de servicio en redes inalámbricas • Handover o Handoff (“Cesión”) entre BTSs (base

transceiver stations) • Previene diafonía (cross-talk) en redes inalámbricas al sincronizar portadoras en forma precisa

¿Que sucede en ausencia de sincronía? • El ancho de banda de transmisión no se alcanza; • Los operadores no son capaces de interconectarse correctamente en los POPs; • Niveles inaceptables de corrimientos de bits; • Niveles inaceptables de movimientos de punteros; • No se realizaría el handover entre celdas en una red móvil.

¿Que sucede en ausencia de sincronía? Técnicos

• • • • • •

General Voz Facsimile Datos Video SONET / SDH

Llamadas perdidas / Caída de enlaces “Clicks” audibles Distorsión / “manchas” Corrupción / Pérdidas / Retransmisiones Distorsión / tramas congeladas Movimiento excesivo de punteros Errores en los límites con redes PDH

Políticos

•

Problemas con la Interoperabilidad

Financieros

• • •

Clientes Operaciones Ingresos

Aumento de costos / Pérdida de clientes Aumento de costos de mantenimiento Más Bajos

Aplicaciones • Establecer referencias de tiempo como UTC (Universal • •

• •

Time Coordination) Sincronización de relojes en redes que requieren multiplexado de tiempo (redes TDMA) Sistema GPS Televisión Digital Sincronización de Celdas (Telefonía Móvil)

Clasificación

Redes Plesiocronas • Cada nodo tiene un reloj • No hay señal de control que coordine la operación entre

estos relojes

Redes Plesiocronas • Frecuencias de relojes corren libres causando un error

creciente de tiempo. • Se requieren calibraciones periódicas. • El período entre actualizaciones es función de la calidad de los relojes y diferencia de tiempo tolerable en la red.

Redes Sincrónicas • Los relojes de una red síncrona están enganchados en

fase y frecuencia

Master/Slave

Mutuamente Sincrónicas

Redes Sincrónicas- Centralizadas • Se compone de: • Reloj central Maestro (“Master”) • Relojes remotos Esclavos (“Slaves”)

• Los relojes slave están directamente subordinados al

master. • Es decir, el oscilador del slave se dice disciplinado respecto de la señal de referencia proveniente del Master.

Redes Sincrónicas - Descentralizadas • Se basan en el principio de sincronización mutua • Todos los relojes de la red contribuyen a la determinación

de tiempo y frecuencia.

Operación - Master Slave

• Principios del PLL (Phase Locked Loop) • Circuito de lazo cerrado. • El VCO se alimenta de la señal error, Ve(t) filtrada y

amplificada. • El resultado es que frecuencia fo es próxima a fi.

Relojes • Parámetros de funcionamiento Precisión: Dada por la diferencia fraccional de frecuencia en un momento dado.

Relojes • Parámetros de funcionamiento Estabilidad: Expresa la variación de la frecuencia en función del tiempo.

Relojes: Precisión vs Estabilidad •

Precisión de Frecuencia Medición de largo plazo basada en la acumulación de fase PROMEDIO sobre el tiempo, usualmente expresada en offset fraccional de frecuencia

• Estabilidad de Frecuencia Medición de corto a mediano plazo basada en los cambios de fase sobre el tiempo, usualmente expresado como jitter, wander, y transientes de fase.

Relojes: Precisión vs Estabilidad Precisa y NO Estable

Precisa y Estable +1x10-11

+1x10-11

+1x10-12

+1x10-12

-FO

-FO

-1x10-11

-1x10-11

-1x10-12

-1x10-12

Time

NO Precisa pero Estable

Time

NO Precisa y NO Estable

+1x10-11

+1x10-11

+1x10-12

+1x10-12

-FO

-FO

-1x10-11

-1x10-11

-1x10-12

-1x10-12

Time Time

Tipos de Relojes:Estratos ESTRATO

PRECISION

HOLDOVER

RELOJ

1+

1x10-15

N/A

Masa de Hidrógeno

1

1x10-11

N/A

2

1x10-8

1x10-10/día

3

1x10-6

3.7x10-7/día

4

1x10-5

N/A

PRC – Primary Referece Clock

Patrón de Cesio o GPS (PRC) Osciladores de Rubidio (PRC) Osciladores de Cristal Cuarzo (Esclavo) Osciladores implementados con circuitos

Mediciones: Time Interval Error (TIE) Signal Under Test

14

9

18

17

20

Time Delay

o

9

10

5

o

o

10

o

o

o o

0

Observation Time

Mediciones: Time Interval Error (TIE) Time Delay x

x(t0 +S ) TIE x (t0 )

S t0

t0+S

t

TIE (t0, S) = x(t0 + S) - x(t0)

Wander: Componentes bajas de frecuencia < 10Hz Jitter: Componentes altas de frecuencia > 10Hz

Mediciones: Maximum Time Interval Error (MTIE)

n  j 1   MTIE( S )  max max ( xi )  min ( xi ) i j j 1  i j  N  n 1 n  j 1

MEDICIONES:MTIE • Se utiliza la gráfica del TIE como referencia • Describe la inestabilidad de la fase a largo plazo • Detecta corrimientos de reloj pero no da información del

comportamiento espectral de las desviaciones • Se utiliza tradicionalmente para medir la estabilidad de los

relojes • Es la desviación máxima en tiempo (valor pico a pico) de una

señal con respecto a una referencia dentro de un intervalo de tiempo s

Mediciones: MTIE para un PRC (ITU-T G.811) 100000

MTIE (nonoseconds)

10000

1000

100 -11

10

slope

10

1 0.01

0.1

1

10

100

1000

Observation time (seconds)

10000

100000

1000000

10000000

Mediciones: MTIE(ITU-T G.823) 10000

5330 2000 1000

MTIE (nsec) 100

25 10 0.1

0.1

1

10

2.5

100

200

1000

2000

Observation Interval  (sec)

10000

100000

100000

Mediciones: TDEV (Time Devitation) • Provee información del contenido espectral de la desviación

de fase (Wander) • Es una medida de la variación del error de fase contra el tiempo de integración (valor estadístico). Se utiliza la gráfica del TIE como referencia

Mediciones: TDEV

Ejemplo de set de mediciones Señal bajo prueba

Contador

Grabador como Una PC

PRS

Despliegue Red Sincronismo: Regeneración de Reloj

Stratum One

PRS SSU

N.E.

Ext Timed N.E.

N.E.

Ext Timed N.E.

N.E.

N.E.

SSU

SSU – Sinchronization Supply Unit NE – Network Element

N.E.

SSU ST2 Rubidium

4

5

6

7

COMMS – CONTROL

GPS

INPUT - E1

GPS

BP

INPUT - E1

8

9 10 11

12

Qz

3

E1 OUTPUT

2

E1 OUTPUT

1

Rb

SSU-Sinchronization Supply Unit

- Los input puede ser: E1s de la red SDH, GPS, señales de un PRC, E1,2MHz,5MHz,10MHz. - Los outputs de un SSU en general son E1s o señales de 2MHz

Redes de sincronismo NG (New Generation) Preámbulo •

Las redes ethernet/ip desplazan a las tecnologías de transporte tradicionales PDH,SDH.

•

El transporte de sincronismo se debe hacer sobre redes de paquetes y no sobre tecnologías de conmutación de circuitos.

Tecnologías disponibles • SyncE (Synchronous Ethernet) Transmisión de información de reloj para recuperar frecuencia. • NTP (Network Time Protocol) Transmisión de estampas de tiempo, recuperación de tiempo y frecuencia.

• PTP (Precision Time Protocol) Transmisión de estampas de tiempo, recuperación de frecuencia, tiempo y fase.

SyncE (G.8264) • Tradicionalmente Ethernet transmite tramas en forma

asíncrona. • A pesar de esto Ethernet transmite información de reloj (Preámbulo) • Con este preámbulo no se logra la precisión buscada. • G.8264 define un mecanismo de transmisión de información de reloj precisa de forma de transmitir información de frecuencia (Como en SDH)

Sync E – Formato de Trama ESCM (Ethernet Sinchronization Channel Message)

SyncE

• Una

vez por segundo se transmite una trama conteniendo un SSM (Sinchronization Status Message), quien porta la calidad de reloj transmitida.

• Con la información de reloj, extraída directamente de la

capa 1, el nodo esclavo puede recuperar frecuencia y disciplinar su oscilador.

NTP • Network Time Protocol (NTP), es un protocolo para la

• •

•

•

sincronia de relojes de computadoras y equipos a una referencia de tiempo común sobre la red. Es una aplicación cliente servidor. NTP ha sido desplegado en centros de datos para soportar actividades operacionales como la facturacion y correlación de eventos. Ejemplo: IPTV, sincronización de Set-Top-Boxes Definido en RFC 1305 (v3-1992), RFC 5905 (v4-2010)

NTP

• El servidor bajo petición requiere la hora al servidor • El cliente estima cual es el tiempo de propagación desde el

servidor para determinar su offset respecto al la hora del servidor. • Una estimación del tiempo de propagación es la mitad del delay. Este modelo ajusta mejor si el camino es simétrico. • Se hace un estudio estadístico para elegir el mejor offset. • El servidor también es categorizado y puede ser descartado por un cliente.

Jerarquía NTP

Precision Time Protocol • Protocolo definido en el standard IEEE 1588v2.

• Surge en el ambiente industrial para sincronizar • •

• • •

automatismos. Actualmente hay tres perfiles, Default, Telecom y Power. Nos enfocaremos en el perfil Telecom. IEEE 1588v2, transmisión de frecuencia, tiempo y fase. Protocolo ampliamente usado para sincronización de radio bases móviles, 3G-Full IP, LTE. Es una aplicación cliente servidor

PTP-Precision Time Protocol

• 1588v2 es el mecanismo que especifica como son las

comunicaciones. • Dependiendo de los requerimientos de sincronismo del esclavo es que se debe distribuir, frecuencia, tiempo y fase. • A continuación un cuadro con los estándares de la ITU-T que especifica tales esquemas de distribución de frecuencia y tiempo y fase.

PTP-Funcionamiento Slave Clock

Switch/Router Layer

t1

Data At Slave Clock

Assume at an instant in time: Master clock value = 100 seconds Slave clock value = 150 seconds (the slave clock error = 50 seconds) One way path delay = 2 seconds Sync message is sent at t = 100 seconds

2s t2

t3

t4

t1 = 100 seconds t2 = 152 seconds (150+2)

t3 = 157 seconds (152+5)

For illustration, Delay_Req is sent 5 seconds after the Sync message is received: Round Trip Delay RTD = (t2 - t1) + (t4 - t3) RTD = (152 - 100) + (109 - 157) RTD = 4 seconds Slave clock error eliminated.

Time

Time

t4 = 109 seconds (100+2+2+5)

Slave Clock Error = (t2 - t1) - (RTD ÷ 2) = (152 - 100) - (4 ÷ 2) = 50 seconds Round trip error eliminated If the slave clock is adjusted by -50 seconds, the Master & Slave will be synchronized.

Comparación NTP vs NTP Feature

NTP

PTP

Peak time transfer error possible (accuracy at slave)

>0.5 milliseconds