Introducción

Aunque el jitter y el wander están estrechamente relacionados, sus efectos en redes y dispositivos son muy distintos. La fluctuación de fase provoca directamente errores de bits en las entradas de los dispositivos mediante el mecanismo de cierre de ojos, que a su vez provocan la pérdida de paquetes. La fluctuación de fase no afecta a la etapa de entrada, pero sí a la capacidad de la función de reloj interno para bloquear y seguir la referencia de flujo ascendente. Por lo tanto, afecta a la distribución de las referencias de reloj en las redes.

Esta nota esta dirigida a los ingenieros de laboratorio y los que trabajan sobre el terreno que no estén familiarizados con las complejidades del jitter y el wander, y también para disipar algunos malentendidos y evitar interpretaciones erróneas sobre la configuración de las mediciones, la implementación y el cumplimiento de las normas.

Como tecnología importante para la transmisión digital en la red troncal móvil, el desarrollo de Synchronous Ethernet síncrona (SyncE) ha añadido a Ethernet la distribución de la capa física y la sincronización de Ethernet. Sin embargo, no está exenta de problemas. Como ocurre con otras tecnologías de transmisión de transmisión, el jitter y el wander amenazan con la calidad y la fiabilidad de los servicios de datos y de datos y vídeo de gran ancho de banda, especialmente en las redes móviles.

Las normas internacionales acordadas para el jitter y el wander son claramente esenciales para la interoperabilidad de los equipos y las redes. Y la necesidad de medir la fluctuación de fase ha llevado recientemente al UIT-T a añadir límites de rendimiento para redes y relojes de equipo Ethernet (EEC) a su norma G.8262. La norma IEEE 802.3 existente para Ethernet se mantiene como norma complementaria de fluctuación de fase, pero es sólo es relevante para las pruebas a nivel de componente, no en equipos de red o redes. Las normas del UIT-T contienen ahora los límites y las máscaras de fluctuación de fase y de fluctuación que rigen el rendimiento de la red, lo que refuerza que las pruebas adecuadas según G.8262 son vitales e inevitables.

La medición de la fluctuación de fase proporciona información crucial sobre la calidad de la sincronización, especialmente vital en la de la red de retorno móvil. Estas mediciones de vagabundeo son igualmente importantes independientemente de si la sincronización se lleva a cabo en la capa física en SyncE, o en la capa de paquetes en IEEE 1588v2. Además de establecer el cumplimiento de las normas estándares, los resultados de wander pueden ayudar a diagnosticar problemas de sincronización.

Con esto en mente, Spirent ha creado este informe técnico para los ingenieros en el laboratorio y para aquellos en el campo que que no estén familiarizados con las complejidades del jitter y la fluctuación, y también para disipar algunos malentendidos y evitar interpretaciones erróneas sobre la configuración de las mediciones, la implementación y el cumplimiento de las normas.

¿Qué es el jitter y el wander?

El jitter y el wander son variaciones en los instantes de la señal de telecomunicaciones causadas por diversos mecanismos, que van desde el comportamiento de los componentes y el ruido hasta la acción inherente de la red. Cualquier dispositivo de red digital que procesa datos o señales de reloj puede potencialmente sincronizar erróneamente la señal transmitida e inducir efectos de fluctuación y efectos de fluctuación en la red.

El término “jitter” también se utiliza de forma más general, por ejemplo para describir las variaciones del tiempo de llegada de las tramas Ethernet o de los paquetes IP.

Esta nota técnica sólo describe el caso específico de la variaciones de tiempo de la señal de la capa física.

Todos los dispositivos de red generan cierto grado de fluctuación y, por lo tanto, la red tiene que funcionar en su presencia. Cuando el jitter es excesivo, se producen errores de bit y el rendimiento de la red se ve afectado. Incluso si la fluctuación en sí misma no causa errores de bit, reduce el margen de ruido del sistema, haciéndolo más propenso a los errores.

Los efectos del jitter vistos en un osciloscopio se muestran a la derecha.

Las variaciones de alta velocidad (variaciones de fase superiores a 10 Hz) en la sincronización de la señal a través de un sistema se denominan jitter. Bajo variaciones de baja velocidad en una señal o reloj (10 Hz hasta micro-Hertz) se denominan wander. El punto de ruptura de 10 Hz es una convención de larga data en las telecomunicaciones.

Aunque el jitter y el wander están estrechamente relacionados, sus efectos en las redes y los dispositivos son muy diferentes. El jitter provoca directamente errores de bit en las entradas de los dispositivos por el mecanismo de cierre de ojos mostrado anteriormente. Estos errores de bit resultan en paquetes perdidos. La fluctuación no afecta a la etapa de entrada, sino a la capacidad de la función de sincronización interna para bloquear y seguir la referencia de flujo ascendente. Por lo tanto, la desviación afecta a la distribución de las referencias de reloj en las redes.

Causas de la fluctuación de fase y de la fluctuación de fase

El jitter siempre está presente en el puerto de salida de cualquier elemento de red (NE), incluso si se origina una señal o una señal digital totalmente libre de jitter o se aplique un reloj a su entrada. Esto se conoce como generación de jitter (del dispositivo), jitter de salida (del dispositivo) o jitter intrínseco. El jitter intrínseco surge de:

• El comportamiento del oscilador del reloj: ruido, espuelas, diafonía y deriva
• Retraso dependiente del patrón en los codificadores y codificadores
• Dependencia del patrón del láser y del modulador

La desviación puede surgir en muchos puntos de una red, y se han desarrollado numerosas normas para normas para especificar la generación, la transferencia y los límites de tolerancia a la deambulación. La figura siguiente muestra la arquitectura de sincronización de SyncE, cuyo funcionamiento está cubierto por la norma UIT-T G.8262.

En cada uno de los dispositivos de reloj subordinados de una red el dispositivo se bloquea a la frecuencia del Reloj de Referencia primario (PRC) recuperando un reloj de la señal de capa física entrante. La acción de recuperación y regeneración de la referencia de reloj es una fuente importante de desviación en una red. La desviación también está causada por diferencias muy ligeras en los relojes de referencia entre de la red, o por cambios lentos en la fase relativa de dos señales de reloj debido a los cambios de temperatura.

También puede ser causada por el ruido de fase de muy baja frecuencia en un oscilador de reloj. Las categorías de ruido incluyen:

• Modulación de fase blanca, comúnmente asociada a etapas de amplificación
• Modulación de fase de parpadeo, comúnmente asociada con etapas de amplificación
• Modulación de frecuencia blanca, comúnmente encontrada en resonadores pasivos, por ejemplo, el Caesium Standard
• Modulación de frecuencia de parpadeo, que puede estar relacionada con la resonancia física
• Modulación de frecuencia de paseo aleatorio, que puede estar asociada a los golpes, las vibraciones o la temperatura

Los transitorios de fase pueden producirse cuando, por ejemplo, un reloj subordinado pierde su referencia de entrada y no se dispone de una copia de seguridad hasta pasado un tiempo.  Durante el periodo de conmutación, un error de fase puede acumularse.

Además, puede producirse una desviación de la frecuencia o un desfase cuando un reloj subordinado pierde todas las fuentes de referencia externas y entra en un modo de holdover. En este modo el reloj sigue funcionando con los datos de calibración construidos durante la operación normal de bloqueo. Durante un período de tiempo, el reloj subordinado puede eventualmente desarrollar una deriva de frecuencia. Otros factores como el envejecimiento la temperatura y las variaciones en el suministro de energía también pueden contribuir.

Normas UIT-T

Para garantizar la interoperabilidad entre dispositivos y minimizar la degradación de la señal debida al jitter y a la de la red, se han establecido normas internacionales.

Las normas del UIT-T (G.8261 y G.8262) especifican los límites de rendimiento de fluctuación de fase y de wander para las redes, los NE y EEC y suelen tomarse como un requisito mínimo.

Por ejemplo, la norma UIT-T G.8262 especifica las cantidades máximas de fluctuación de salida pico a pico (dentro de un ancho de banda) permitidas por un EEC. Esto es para asegurar que la cantidad de fluctuación nunca supere el nivel de tolerancia especificado para los siguientes EEC. En otras palabras, si el nivel de jitter es excesivo, los circuitos de entrada del EEC (circuitos de recuperación de reloj, etc.) pueden no haber sido diseñado o calificado para trabajar sin errores bajo tales condiciones.

Especificaciones de fluctuación de fase de SyncE en G.8262 (en relación con IEEE 802.3 y las especificaciones de SONET/SDH existentes)

Es un requisito primordial de SyncE que pueda ser conectarse a cualquier interfaz Ethernet definida según los requisitos de IEEE 802.3. SyncE se diferencia de la Ethernet no sincronizada sólo en su requisito adicional de transferir la temporización de la red. Aparte de la transferencia de temporización de red de la red, SyncE debe ser totalmente interoperable con Ethernet no síncrona (que actualmente tiene una enorme base instalada).

El anexo A de la norma UIT-T G.8261, subapartados A.2 y A.5, establece los requisitos de interoperabilidad entre las interfaces Ethernet diseñadas según IEEE 802.3 y las interfaces sincrónicas diseñadas según la norma UIT-T G.8262. (Véase G.8264, secciones 9.4.1 y 10.1, para una discusión adicional sobre la interoperabilidad de Ethernet y SyncE). En resumen, los requisitos de interoperabilidad separan el “nivel de puerto” del “nivel de reloj”. El nivel de puerto se refiere a la extracción de los datos y en este caso no hay diferencia entre las dos definiciones de interfaz y se requiere una interoperabilidad total. La diferencia se limita al nivel de reloj, en el que se requiere recuperar la temporización de la red desde la interfaz y poner a disposición esta temporización recuperada como referencia para otras salidas síncronas del equipo de equipo de red en el que reside. La temporización puede propagarse a través de una cadena de 20 relojes como en SDH, y esta es la principal diferencia con la Ethernet no sincrónica, en la que todos los puertos se cronometran a partir de osciladores de funcionamiento libre.

A la hora de definir la especificación Jitter de interfaces SyncE, la necesidad de interoperabilidad era un requisito esencial para la Comisión de Estudio del UIT-T 15, comité Q.13 (al que se le asignó la responsabilidad de esta especificación). IEEE 802.3 define un procedimiento para para probar el rendimiento de la fluctuación de fase de alta frecuencia de las interfaces Ethernet, tanto en términos de tolerancia como de generación de ruido. Las metodologías utilizadas en 802.3 son completamente diferentes al enfoque tradicional adoptado por el UIT-T para definir los parámetros de rendimiento del jitter.

Como no era posible traducir un enfoque en una especificación equivalente en el otro enfoque, dada la necesidad imperiosa de garantizar la interoperabilidad, se decidió especificar únicamente el jitter hasta la frecuencia de fluctuación que no se solapara con la especificación 802.3 y aplicar la especificación 802.3 para la parte restante del espectro. Por eso no hay especificación de generación de jitter en banda alta en G.8262 (es decir, por qué no tiene una estructura similar a las especificaciones de jitter de SONET/ SDH).

La tolerancia al jitter para las interfaces SyncE de 1 Gb/s se define hasta 50 kHz, y para las interfaces SyncE de 10 Gb/s hasta 40 kHz. Ampliar la especificación hasta más allá de esto podría dar lugar a problemas de interoperabilidad en el campo entre las interfaces Ethernet y SyncE.

La interoperabilidad es un requisito estipulado en G.8261 Anexo A, principalmente A.2 y A.5, que define la arquitectura de Ethernet síncrona. El comité {ITU-T, SG15, Q.13} utilizó especificaciones anteriores basadas en G.813 para guiar el desarrollo de los requisitos de jitter requisitos de fluctuación, de modo que todo el trabajo de simulación realizado para cadenas de reloj SDH pudiera reutilizarse para SyncE.

La cita pertinente de Jean-Loup Ferrant, Relator del SG15, Q.13 es: “Los delegados de la Cuestión 13 acordaron que la especificación no debería solapar los requisitos establecidos en IEEE 802.3, sino simplemente existir como una especificación adicional debido a la característica adicional de encadenamiento de relojes, que es la transferencia de temporización de la red”.

La naturaleza adicional y no solapada de las pruebas a G.8262 se ve respaldada por la secuencia implícita de las pruebas: Las pruebas de fluctuación de fase de IEEE 802.3 se realizan tanto en Ethernet y SyncE por parte de los proveedores de componentes, y las pruebas de ITU-T G.8262 son realizadas por los los proveedores de sistemas SyncE y los operadores de redes.