Sincronización de la red de transmisión para servicios críticos
La transmisión óptica es un proceso clave para proporcionar la red de sincronización óptima para servicios críticos. Durante más de 30 años, los operadores han proporcionado Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH) y Jerarquía Digital Síncrona (SDH) confiables para servicios críticos. Sin embargo, en el futuro, los servicios críticos de la red inteligente se implementarán sobre la base de las tecnologías de Perfil de Transporte de Conmutación de Etiquetas Multiprotocolo (MPLS-TP) y OTN Líquido, que son similares a la Multiplexación por División de Tiempo (TDM) tradicional sobre SDH.
La mayoría de los operadores de redes de transmisión proporcionan una plataforma (POTN/MS-OTN o Liquid OTN) que incluye modulación por código de pulsos (PCM), SDH, MPLS-TP y funciones de red de transporte óptico (OTN) en el mismo dispositivo, para cubrir la mayoría de los servicios de media y baja tensión, así como para ampliar e implementar nuevas infraestructuras de comunicaciones. La plataforma de sistema propuesta debe integrar tecnologías SDH, MPLS-TP y multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) para garantizar redes de alta calidad y alta fiabilidad para servicios de producción, así como redes de gran ancho de banda y alta eficiencia para servicios de paquetes.
Las redes SDH y las redes ópticas síncronas (SONET), que suelen implementar las empresas de transmisión de redes, suelen estar diseñadas para transportar información entre un centro de control de servicios públicos y todos los sitios remotos. La información se utiliza para gestionar la capacidad, supervisar y controlar el sistema, facturar a los clientes y permitir las comunicaciones del personal. El tráfico suele transportarse a través de circuitos TDM, como T1/E1, RS-232, X.21 y E&M. Estas redes TDM (SDH y SONET) garantizan una alta fiabilidad mediante mecanismos como un anillo unidireccional conmutado por ruta (UPSR), que permite que una red de comunicaciones de servicios públicos cambie de canal en menos de 50 ms en caso de fallo.
Con SDH/SONET, los circuitos se establecen utilizando una configuración estática, un método que se aplica en muchas redes de comunicaciones de servicios públicos. SDH ofrece las mejores características de latencia y fluctuación de servicio basadas en la arquitectura TDM. Sin embargo, se requiere la sincronización del reloj del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) tradicional para proporcionar una fuente de tiempo sincrónica para las subestaciones de la red inteligente. Por lo tanto, se requiere una actualización tecnológica para proteger las inversiones existentes y minimizar los riesgos.
Una red de comunicaciones POTN/MS-OTN incorpora tecnologías de última generación para permitir que una empresa de servicios públicos implemente redes IP de alta disponibilidad y preparadas para el futuro, que continúan respaldando las aplicaciones TDM y heredadas existentes, al tiempo que brindan una ruta de migración sin inconvenientes a los servicios IP, Ethernet y MPLS-TP. Esta nueva red MS-OTN maximiza la rentabilidad y la eficiencia sin afectar la confiabilidad, y permite la implementación de nuevos dispositivos y aplicaciones que pueden mejorar las operaciones y la eficiencia del flujo de trabajo. Una red MS-OTN de alta disponibilidad es ideal para respaldar tanto las operaciones críticas que vienen con una red SDH como todos los demás requisitos de comunicaciones corporativas de una red MPLS-TP.
La figura anterior muestra la estructura de red de un dispositivo de transmisión que admite IEEE 1588v2.
Para las interfaces IP (MPLS-TP y Ethernet IP L2), IEEE 1588v2 requiere que todos los dispositivos de una red admitan el protocolo IEEE 1588v2.
Un dispositivo de transmisión puede admitir IEEE 1588v2 solo cuando un canal de reloj aislado (como OSC) y una placa o dispositivo de reloj están disponibles en la red. La placa de reloj proporciona todas las funciones del dispositivo IP y el canal de reloj aislado proporciona enrutamiento de red para transmitir mensajes IEEE 1588v2. Los estándares MS-OTN tradicionales admiten este diseño a través de un canal de supervisión óptica (OSC).
Las redes Liquid OTN de próxima generación admiten servicios de baja velocidad, desde 2 Mbit/s hasta 100 Mbit/s, y reducen en gran medida la latencia al transformarse de un mapeo multinivel de PCM, SDH y OTN a un mapeo directo de Liquid OTN. Al igual que SDH, Liquid OTN ofrece las mejores características de latencia y fluctuación de servicio basadas en la arquitectura TDM.
Diseño de arquitectura de sincronización de red para una red inteligente
Para proporcionar una fuente de tiempo sincrónica para subestaciones de redes inteligentes, toda una red de transporte WDM/OTN e IP debe soportar la sincronización de reloj; en una red de comunicaciones de redes inteligentes, la sincronización de tiempo debe implementarse estrictamente entre subestaciones. Existen múltiples soluciones de sincronización de tiempo en la industria, incluidas GPS e IEEE 1588v2.
Sincronización de reloj GPS tradicional:
• Alto costo: Se debe configurar un sistema GPS en cada estación base.
• Alta tasa de fallas: solo se configura una tarjeta satelital para cada estación base y no hay ningún canal de protección disponible.
• Poca capacidad de mantenimiento: si el GPS falla, el hardware debe reemplazarse en el sitio y no se puede realizar mantenimiento remoto.
Sincronización de reloj IEEE 1588v2:
• Bajo costo: solo es necesario configurar dos dispositivos GPS para implementar la sincronización del reloj en toda la red.
• Alta disponibilidad: se admite protección de reloj de extremo a extremo.
Si bien ofrece ventajas obvias, IEEE 1588v2 exige que todos los dispositivos de una red admitan el protocolo IEEE 1588v2. De lo contrario, cuando solo se implementa una transmisión de tiempo transparente simple, el rendimiento del reloj puede no cumplir con los requisitos de reloj de alta precisión de una red inalámbrica.
Implementación de IEEE 1588v2 en dispositivos IP
La figura siguiente muestra la estructura de hardware de un conmutador modular compatible con IEEE 1588v2. El conmutador modular solo es compatible con IEEE 1588v2 cuando se configuran una unidad de procesamiento principal (MPU), que proporciona una tarjeta auxiliar de reloj, y una tarjeta de línea que proporciona una función de reloj. Las tarjetas se pueden clasificar en dos tipos diferentes: circuito integrado específico de la aplicación (ASIC) y procesador de red Ethernet (ENP). Una tarjeta ASIC proporciona un módulo lógico de matriz de puertas programables en campo (FPGA) para procesar mensajes IEEE 1588v2; una tarjeta ENP utiliza directamente un chip ENP para procesar mensajes IEEE 1588v2.
Estructura de hardware de un conmutador que admite IEEE 1588v2.
Nota: Si se introduce la señal de reloj externa, el dispositivo funcionará en estado maestro. El proceso de sincronización horaria es el siguiente:
La información de tiempo externa se envía al módulo lógico FPGA en la subtarjeta de reloj a través del puerto de reloj externo. La subtarjeta de reloj actualiza su hora de reloj local en función de la hora externa. La subtarjeta de reloj envía la información de tiempo al módulo lógico FPGA en la tarjeta ASIC o a la tarjeta ENP. El módulo lógico FPGA o la tarjeta ENP actualiza la hora del reloj local después de recibir la información de tiempo, implementando la sincronización de tiempo entre el reloj NE y el reloj externo.
El proceso de sincronización de tiempo basado en IEEE 1588v2 es el siguiente:
1. Se envía un mensaje IEEE 1588v2 a la capa física (PHY).
2. El motor 1588v2 del módulo lógico FPGA en la tarjeta ASIC, o el módulo 1588v2 en la tarjeta ENP, identifica el mensaje IEEE 1588v2 y agrega una marca de tiempo al mensaje según la hora local.
3. La marca de tiempo se envía al módulo lógico FPGA en la tarjeta auxiliar de reloj, a través del canal entre la tarjeta de línea y la tarjeta auxiliar de reloj. El módulo FPGA analiza la marca de tiempo y la envía al sistema de bucle de enganche de fase (PLL).
4. El sistema PLL calcula la diferencia de tiempo entre los dispositivos maestro y esclavo basándose en la información de la marca de tiempo y envía la información de diferencia de tiempo al módulo lógico FPGA local.
5. El módulo lógico FPGA local calibra la hora local después de recibir la información de diferencia horaria enviada por el sistema PLL.
6. El sistema PLL envía la información de tiempo al módulo lógico FPGA en la tarjeta ASIC o a la tarjeta ENP.
7. El módulo lógico FPGA o la tarjeta ENP actualiza la hora del reloj local después de recibir la información de hora, implementando la sincronización horaria entre el reloj del Elemento de Red (NE) y el reloj externo.
Implementación de IEEE 1588v2 por parte de OSC en dispositivos de transmisión
La siguiente figura muestra la estructura de red de un dispositivo de transmisión que admite IEEE 1588v2, que se puede implementar en una red SDH/MS-OTN/Liquid OTN.
Enfoque de compensación de asimetría MS-OTN: OSC bidireccional de fibra única resuelve el retraso asimétrico.
• Los paquetes IEEE 1588v2 se transmiten a través de la misma fibra (OSC) para resolver el problema de retraso asimétrico.
• El OSC bidireccional de fibra única puede adaptarse a múltiples esquemas de protección. No se requiere compensación de asimetría después de la conmutación de protección.
• Después de reparar o cambiar la fibra, no es necesaria la compensación de asimetría.
Si la placa de reloj ST2 es un módulo de hardware que implementa el protocolo IEEE 1588v2, la placa de reloj ST2 transmite paquetes de protocolo IEEE 1588v2 a la placa de la unidad de interfaz de fibra (FIU), y la información de sincronización IEEE 1588v2 comparte la fibra con los datos de servicio. El proceso completo es el siguiente:
1. La información IEEE 1588v2 de la placa de reloj se envía a la placa FIU IEEE 1588v2.
2. La placa FIU transmite estos mensajes 1588v2 a la fibra de red a través de los canales de 1491 nm y 1511 nm, que están definidos en el estándar MS-OTN.
3. La información IEEE 1588v2 se transmite a través de la misma fibra para garantizar un retraso asimétrico.
4. Como se muestra en la siguiente red, el hardware salto a salto admite IEEE 1588v2 e implementa sincronización de tiempo entre el reloj del dispositivo de estructura de transmisión y el reloj externo.
Rendimiento IEEE 1588v2
• Normalmente, los enrutadores y dispositivos MS-OTN pueden garantizar un error de tiempo de menos de ±30 ns por dispositivo de un puerto Ethernet a otro.
• En algunos escenarios, los subracks MS-OTN están ubicados en el mismo sitio y el error de tiempo total es inferior a ±30 ns.
• El error de tiempo de los dispositivos de microondas es menor a ±50 ns de un puerto de frecuencia intermedia (IF) a otro.
La red en sí no necesita implementar la sincronización de reloj. Para proporcionar señales de reloj para una red PTN/SDH e implementar la sincronización de reloj, la red MS-OTN necesita obtener las fuentes de reloj activas y de reserva del sistema de suministro de tiempo integrado en el edificio (BITS).
La red PTN/SDH puede implementar la sincronización del reloj accediendo a la fuente de reloj de la red MS-OTN y luego proporcionando información de reloj para que las estaciones base logren la sincronización.
Sincronización de frecuencia
• La arquitectura de la red de sincronización se especifica en ITU-T G.803.
• La información de sincronización se transmite a través de la red mediante conexiones de red de sincronización, que transmiten señales en diferentes niveles de sincronización. Cada conexión de red de sincronización se proporciona mediante una o más conexiones de enlace de sincronización, cada una de las cuales está respaldada por una ruta PDH sincronizada, una ruta de sección multiplexada SDH, una ruta OTN OTU, una ruta OTN OSC o una ruta de medios físicos IEEE 802.3.
• Algunas de estas rutas PDH sincronizadas, rutas de sección multiplexada SDH, rutas OTN OTU, rutas OTN OSC o rutas de medios físicos IEEE 802.3 contienen un canal de comunicación, un mensaje de estado de sincronización (SSM), un marcador de tiempo (TM), un canal de mensajes de sincronización OTN (OSMC) o un canal de mensajes de sincronización Ethernet (ESMC), que transporta un identificador de nivel de calidad. Este identificador de nivel de calidad se puede utilizar para seleccionar la señal de referencia entrante de nivel de sincronización más alto de un conjunto de referencias de sincronización designadas disponibles en el NE.
• Las conexiones de red de sincronización son unidireccionales y generalmente punto a multipunto. La norma ITU-T G.803 especifica una técnica de sincronización maestro-esclavo para sincronizar redes SDH y OTN, y la norma ITU-T G.8261 la especifica para redes de transporte de paquetes.
• La red del reloj de referencia principal (PRC) se conecta a la fuente de sincronización principal y a la fuente de sincronización de respaldo. Si falla la fuente de sincronización principal, se seleccionará la fuente de sincronización de respaldo.
Definiciones de los niveles de calidad de la fuente de reloj
• Las redes de transporte de paquetes y SDH en todo el mundo se basan en diferentes filosofías de sincronización, que la norma UIT-T G.8272 clasifica en las secciones I, II y III.
Solución de interconexión WAN para servicios de telecomunicaciones
Las redes de telecomunicaciones requieren redes MS-OTN e IP para implementar la sincronización de reloj. La sincronización de frecuencia es un requisito previo para la sincronización horaria y se puede implementar a través de SyncE e IEEE 1588v2. Existen dos soluciones combinadas para la sincronización horaria:
• SyncE + IEEE 1588v2: SyncE implementa la sincronización de frecuencia y IEEE 1588v2 implementa la sincronización de tiempo.
• IEEE 1588v2 + IEEE 1588v2: IEEE 1588v2 implementa sincronización de frecuencia y tiempo.
La sincronización horaria basada en IEEE 1588v2 se puede implementar en los modos de reloj de límite (BC) y reloj transparente (TC). Sin embargo, el modo TC tiene varias desventajas importantes:
1. Baja confiabilidad:
Los nodos TC no utilizan el algoritmo Best Master Clock (BMC). Por lo tanto, la protección de ruta IEEE 1588v2 solo se puede garantizar mediante la protección de ruta de servicio. Además, los nodos TC no admiten la conmutación automática de ruta en función del estado del enlace y el nivel de calidad.
2. Mantenimiento complejo:
• Falla de protocolo: los nodos TC no analizan los mensajes y no pueden detectar fallas de protocolo. Solo proporcionan canales de transmisión y calculan el tiempo de residencia.
• Falla de rendimiento: los nodos TC solo calculan el tiempo de residencia. Sin embargo, el tiempo de residencia cambia aleatoriamente y, como resultado, no se puede medir su precisión. Cuando ocurre una falla en un nodo BC o de Reloj Ordinario (OC) aguas abajo, no se puede localizar el NE defectuoso.
3. Alta carga de ancho de banda:
Los mensajes enviados por los nodos TC deben replicarse y transmitirse. Todos los mensajes Delay_Req/Delay_Resp enviados por los nodos TC E2E se agregan al nodo OC o BC ascendente, lo que consume un gran ancho de banda y provoca la pérdida de mensajes de servicio.
La solución de sincronización horaria SyncE + IEEE 1588v2 tiene las siguientes ventajas:
1. Buena compatibilidad y SyncE maduro: SyncE evolucionó a partir de SDH y se ha implementado ampliamente en redes activas. Además de las estaciones base, los operadores de redes fijas o los operadores integrados necesitan proporcionar servicios de sincronización para otros servicios o aplicaciones. Sin embargo, estos servicios pueden requerir solo sincronización de frecuencia, en lugar de sincronización de tiempo. Además, la cantidad de dispositivos compatibles con SyncE es mayor que la de dispositivos compatibles con IEEE 1588v2.
2. Mayor confiabilidad: en el modo de red SyncE + IEEE 1588v2, si falla la fuente de reloj IEEE 1588v2 o un enlace 1588v2, los NE pueden usar SyncE para mantener la precisión de tiempo. En el modo de red IEEE 1588v2 + IEEE 1588v2, si falla la fuente de reloj IEEE 1588v2, los NE deben confiar en sí mismos para mantener la precisión de tiempo. Sin embargo, la precisión de frecuencia de los NE es muy inferior a la precisión de sincronización de frecuencia proporcionada por SyncE.
La solución de sincronización horaria IEEE 1588v2 + IEEE 1588v2 (modo BC) tiene las siguientes ventajas:
1. Fácil planificación de red: IEEE 1588v2 puede implementar el cálculo automático de la ruta de sincronización a través de BMC, evitando bucles.
2. Fácil mantenimiento: la solución SyncE + IEEE 1588v2 utiliza diferentes protocolos de sincronización para lograr la sincronización de frecuencia y tiempo, ya que las rutas de sincronización de frecuencia y tiempo son diferentes. Mientras que la solución IEEE 1588v2 + IEEE 1588v2 utiliza el mismo protocolo para lograr la sincronización de frecuencia y tiempo, ya que las rutas de sincronización de frecuencia y tiempo son las mismas.
Sincronización de tiempo y frecuencia basada en IEEE 1588v2 (modo BC)
IEEE 1588v2 implementa la sincronización de frecuencia y tiempo en una red.
Dos dispositivos de suministro de sincronización integrado en el edificio (BITS) funcionan como OC para inyectar la fuente de reloj a los conmutadores. El algoritmo BMC se utiliza para determinar el reloj maestro (GMC) y todos los dispositivos en la ruta de sincronización deben admitir la función IEEE 1588v2.
Los conmutadores funcionan en modo BC y recuperan el tiempo salto a salto. Las estaciones base funcionan como OC y obtienen información de tiempo de los conmutadores. Solo se utiliza el algoritmo BMC para la sincronización; por lo tanto, las rutas de sincronización de frecuencia y tiempo son las mismas. Las velocidades mínimas de envío de mensajes Sync, Delay_Req/Delay_Resp y Announce son 128/s, 128/s y 8/s respectivamente.
La sincronización de los BC en toda la red es ventajosa porque cada sitio recupera el tiempo y la precisión de la sincronización se puede medir salto a salto, lo que facilita el mantenimiento y la localización de fallas. Además, el algoritmo BMC se utiliza en los BC para garantizar una conmutación rápida de la protección entre las fuentes de referencia BITS y las rutas de rastreo.
Sincronización de tiempo y frecuencia basada en IEEE 1588v2 (modo TC)
En el escenario de transmisión transparente, los dispositivos de red portadora actúan como TC y no requieren recuperación de tiempo, solo calculan el tiempo de residencia que tardan los mensajes IEEE 1588v2 en atravesar los TC. En el modo TC, el tiempo de los dispositivos de red portadora no es sincrónico con el de los BITS. Las estaciones base que actúan como OC esclavos recuperan el tiempo a través de los mensajes IEEE 1588v2 y sincronizan el tiempo con los BITS.
En el modo TC, los dispositivos de red portadora pueden transmitir de forma transparente la hora de diferentes dominios. Dos BITS pueden pertenecer a diferentes portadoras o dominios de tiempo, y la hora de las dos rutas puede ser diferente. Los dispositivos de red portadora no necesitan admitir el algoritmo BMC, que tiene pocos requisitos para el software del dispositivo.
Sin embargo, debido a que los nodos TC no recuperan el tiempo y solo calculan el tiempo de residencia variable, es difícil determinar la precisión del tiempo de residencia calculado. Por lo tanto, el mantenimiento y la localización de fallas se vuelven difíciles. Como los nodos TC no utilizan el algoritmo BMC, no pueden cambiar automáticamente a otra ruta cuando la ruta TC original en la red portadora es defectuosa. Se debe utilizar un protocolo de protección de capa de servicio distinto del protocolo IEEE 1588v2 para la protección de la ruta TC.
Sincronización de frecuencia basada en SyncE y sincronización de tiempo basada en IEEE 1588v2 (modo BC)
SyncE implementa la sincronización de frecuencia, mientras que IEEE 1588v2 implementa la sincronización de tiempo en una red.
Los BITS obtienen la fuente de reloj del GPS o BDS. Los dispositivos que requieren sincronización de frecuencia obtienen la fuente de reloj de referencia de la red SDH o la red SyncE implementada, mientras que los dispositivos que requieren sincronización de tiempo obtienen la fuente de reloj de referencia de los BITS. Como SSM y BMC son algoritmos diferentes, las rutas de sincronización de frecuencia y tiempo no son exactamente las mismas. Cuando falla un BITS, la red puede usar SyncE para mantener la precisión de tiempo.
