CN103427976B - 高精度分布式光纤时间同步方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度分布式光纤时间同步方法，依次包括预同步和双向时间比对：所述的预同步是指时间同步中心收到同步开始指令时，依次与各时间同步单元进行预同步；所述的双向时间比对是指在每两个定时信号之间，时间同步中心通过无源光分配网络以时分多址的方式与各预同步的时间同步单元进行双向时间比对，同时动态调整时间同步单元的定时信号，避免相邻节点的冲突。本发明在双向时间比对、无源光分配网络的基础上，通过时分多址接入技术，实现基于全光通路和无源光器件的点对多点的高精度、连续双向时间比对。

Description

高精度分布式光纤时间同步方法

技术领域

本发明涉及光纤时频传递技术领域，具体是一种高精度分布式光纤时间同步方法。

背景技术

高精度的时间同步技术在卫星导航、航空航天、深空探测、地质测绘、通信、电力传输和科学研究与计量等领域有着重要的应用价值。目前传统高精度时间同步技术主要由GPS共视、卫星双时间比对等。GPS共视法所需的设备相对简单，成本低，但精度难以达到纳秒量级。卫星双向时间比对能实现高精度的时间同步，可以达到亚纳秒量级，但需要利用专用卫星通信链路，由于自由空间链路的稳定性不好、容易受到干扰，其精度很难进一步提高，而且存在安全性及设备昂贵等问题。

光纤通路具有比自由空间通路稳定性高(特别是在短时间内尺度上)、损耗低、受外界环境影响小、带宽高等优点。上世纪八十年代就引起了研究者的关注。随着光纤通信、光网络技术的迅猛发展，以及对时间同步精度等要求的提高，基于光纤的时间同步引起了越来越多的研究者的关注，取得了相当大的进展，并已得到部分应用。

目前，主要有两种利用光纤进行时间同步的方法。一种是基于光纤同步数字系列(SDH：Synchronous Digital Hierarchy)链路与设备，通过在SDH时隙中插入时间信息实现时间同步。该方法可以直接利用传 统的SDH设备，但由于物理链路的不对性和SDH设备中指针调整的不确定性，目前报道的同步精度在几十纳秒。另一种光纤时间同步方法是直接基于底层的全光通道和专用的时间同步设备进行双向时间比对。该方法能有效保证了物理链路的对称性，已有同步精度优于1纳秒的实验报道。

现有文献报道的光纤时间同步方案基本都是点对点的。在很多实际应用中，如导航定位站内，需要点对多点的分布式高精度时间同步。美国深空网内采用了一种基于电分配器和点到点光纤链路的分布式时间同步方案。但是电分配器需要光/电/光转换和电的处理，而且是有源设备，不仅会引入额外的不稳定性，而且维护、管理困难。

我们已经申请一种高精度分布式光纤双向时间同步方法与装置的专利，但是该方法中每个时间同步单元与时间同步中心的双向时间比对是不连续的。在非比对期间，时间同步的精度受限于同步单元本地钟的性能或者钟差预测算法的准确性。本发明提出了一种连续的分布式光纤时间同步方法，可保证在各时间同步单元与时间同步中心的不间断比对，进一步提高时间同步的精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术以及工作的不足，提供一种高精度分布式连续光纤双向时间同步方法，在双向时间比对、无源光分配网络的基础上，通过及以时分多址接入技术，实现基于全光通路和无源光器件的点对多点的高精度、连续双向时间比对。

一种高精度分布式光纤时间同步方法，其特点在于，依次包括预同 步和双向时间比对：

所述的预同步是指时间同步中心收到同步开始指令时，依次与各时间同步单元进行预同步；

所述的双向时间比对是指在每两个定时信号之间，时间同步中心通过无源光分配网络以时分多址的方式与各预同步的时间同步单元进行双向时间比对，同时动态调整时间同步单元的定时信号，避免相邻节点的冲突。

还包括比对结束，当时间同步中心接收到结束指令后或双向时间比对达到精度时，进入比对结束过程，完成比对结束操作。

所述的时间同步中心收到同步开始指令时，依次与各时间同步单元进行预同步，具体步骤如下：

①对各时间同步单元依次编号，将第一个时间同步单元作为当前时间同步单元；

②当时间同步中心检测到本地定时信号时，通过无源光网络向所有时间同步单元广播包含当前时间同步单元地址的连接请求，同时启动第一定时器；

③各时间同步单元从接收到的连接请求中提取当前时间同步单元的地址，并与各自的时间同步单元的地址进行比较：

如果当前时间同步单元的地址与本时间同步单元的地址相同，该时间同步单元打开光发射模块，并在检测到本地定时信号时向时间同步中心发送连接确认，否则，继续监听；

④当时间同步中心在第一定时器到期时，还没有收到当前时间同步 单元回复的连接确认，则重置第一定时器，并检查时间同步中心该时间同步单元的在线状态记录：

如果该时间同步单元的在线状态记录标志为在线，则向管理中心发送“时间同步单元丢失”告警，并将其在线状态记录标志为不在线，并转到步骤⑥；

⑤当时间同步中心在第一定时器到期前，接收到当前时间同步单元回复的连接确认，时间同步中心确认与时间同步单元的连接，重置第一定时器，并记录当前时间同步单元连接确认信号到达时间同步中心的时间t_i，i为时间同步单元的编号，如果t_i值大于当前时间同步单元定时信号周期的值，则只记录t_i减去定时信号周期的值，同时检查时间同步中心的该时间同步单元在线状态记录，如果该时间同步单元的在线状态记录标志为不在线，将其在线状态记录标志为在线，并通知管理中心“发现新时间同步单元”；

⑥时间同步中心对当前时间同步单元的编号进行判断，如果当前时间同步单元是最后一个时间同步单元，则转到步骤⑦；否则，将下一个时间同步单元设为当前时间同步单元，并返回步骤②；

⑦检查所有时间同步单元连接确认信号到达时间同步中心的时间t_i，如果t_i和t_j之间的关系为|t_j-t_i|<Δt，i,j＝1,2,…,N且i≠j，Δt为时间同步中心分配给每个时间同步单元时隙长度，时间同步中心按一定顺序计算需要调整定时信号时间同步单元定时信号的调整量，相应定时信号的调整量为Δt_i＝t_i+(Δt-|t_j-t_i|)；否则调整量为零。

⑧时间同步中心计算出各时间同步单元的本地定时信号需要的调整 量Δt_i之后，通过无源光网络广播给所有时间同步单元；各时间同步单元根据接收到的本单元的定时信号调整量Δt_i来调整本地的定时信号。

步骤⑦中所述的按一定顺序是指时间同步单元编号从大到小或者从小到大的顺序。

在每两个定时信号之间，时间同步中心通过无源光分配网络以时分多址的方式与各预同步的时间同步单元进行双向时间比对，具体步骤如下：

时间同步中心在本地定时信号有效时，通过无源光分配网广播携带定时信号、时间信息的时间码给各个时间同步单元；

各时间同步单元在本地定时信号有效时，打开光发射模块发送相应的时间码给时间同步中心，其余时间关闭光发射模块；

时间同步中心测量本地定时信号与接收到的定时信号间的差值，并根据指定的时间同步顺序，确定测量的差值与各时间同步单元的对应关系；

各时间同步单元测量本地定时信号与从时间同步中心接收到的定时信号间的差值，根据测量的差值以及本地定时信号的调整量，依据双向时间比对原理，计算时间同步中心与各时间同步单元的钟差。

对各时间同步单元的定时信号进行动态调整，避免相邻节点的冲突，具体步骤如下：

时间同步中心接收到每个时间同步单元的时间码到达时间同步中心之后，计算实际到达时间t′₁与预定到达时间t₁差值Δt₁＝t′₁-t₁，并将这个差值编码在下行的时间码中，广播给所有时间同步单元，相应时间同步单元收到下行的时间码后，提取差值，调整本地的定时信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，在双向时间比对、无源光分配网络的基础上，通过及以时分多址接入技术，实现基于全光通路和无源光器件的点对多点的高精度、连续双向时间比对。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图2是实施例的工作过程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图2是实施例的工作过程示意图，假设定时信号为1PPS(one pulse per second)。当时间同步中心收到指令时，光纤时间同步中心首先进行预同步，光纤时间同步中心对各时间同步单元依次编号，将时间同步单元1作为当前时间同步单元，时间同步中心在检测到本地定时信号时，通过无源光网络向所有时间同步单元广播包含时间同步单元1地址的连接请求，并启动第一定时器。时间同步单元1接收到的连接请求后，在检测到本地定时信号时返回连接确认信号给时间同步中心，在定时器1到期前时间同步中心记录连接确认信号到达时间同步中心的时间t₁，并重置第一定时器。然后继续向下一个时间同步单元2发送连接请求，同样记录连接确认信号到达时间同步中心的时间t₂，接着继续向下一个时间同步单元发送连接请求。直到时间同步中心向时间同步单元N发送连接请求，时间同步中心收到连接确认信号应该在时间同步中心发送连接请求信号之后的第二秒内，根据第一定时器记录连接确认信号到达时间同步中心的时间t′_N，这里的t′_N大于定时信号的周期(1秒)。为了能够有效的比较所有时间同步单元连接确认信号到达时间同步中心时间，只记 录t_N＝t′_N-1的值。

在时间同步中心在依次与各个时间同步单元的连接请求与确认后，记录各个时间同步单元的连接确认信号到达时间同步中心的时间t_i。时间同步中心检查每个时间同步单元的连接确认信号到达时间同步中心的时间t_i，检测t_i相互之间的关系，如果检测t_i相互之间的关系不满足|t_j-t_i|≥Δt，i,j＝1,2,…,N且i≠j，时间同步中心按时间同步单元编号从大到小的顺序计算需要调整定时信号时间同步单元定时信号的调整量，相应定时信号的调整量为Δt_i＝t_i+(Δt-|t_j-t_i|)；否则调整量为零，也即不需要调整。本实例时间同步单元1和时间同步单元2定时信号到达定时中心的时刻相同，即t₁＝t₂，如图2中1和2所示时刻，其他时间同步单元连接确认信号到达时间同步中心的时刻都满足时隙分配的要求，时间同步中心按时间同步单元编号从大到小的顺序计算出时间同步单元2需要调整的时间量为Δt₂＝t₂+Δt。时间同步中心在计算出需要调整本地定时信号的时间同步单元定时信号调整量之后，通过无源光网络广播的给所有时间同步单元定时信号调整请求，并携带相应的调整量Δt_i，时间同步单元在收到调整请求之后，根据收到的调整量Δt_i调整本地的定时信号。本例中需要调整时间同步单元2本地定时信号，时间同步单元2根据Δt₂调整本地定时信号，其他时间同步单元的延时调整量都为0，时间同步单元2的延时调整如图2中3所示。在所有时间同步单元的定时信号调整完毕之后，进行双向时间比对。

在双向时间比对阶段，时间同步中心在本地定时信号有效时，通过无源光分配网广播携带定时信号、时间信息等的时间码给各个时间同步单元；同时，各时间同步单元在本地定时信号有效时打开光发射模块发送相应的时间码给时间同步中心，在其他时间关闭光发射模块。时间同步中心测量本地定时信号与接收到的定时信号间的差值，并根据指定的时间同步顺序，确定测量的差值与各时间同步单元的对应关系。各时间同步单元测量本地定时信号与从时间同步中心接收到的定时信号间的差值。根据测量的差值以及本地定时信号的调整量，依据双向时间比对原 理，即可计算时间同步中心与各时间同步单元的钟差。

由于两地时钟存在的微小频偏、传输路径延时等的动态变化，在双向时间比对阶段，可能需要对各个时间同步单元的定时信号进行调整,以避免相邻节点的冲突。时间同步中心接收到每个时间同步单元的时间码到达时间同步中心之后，计算实际到达时间t′₁与预定到达时间t₁差值Δt₁＝t′₁-t₁，并将这个差值编码在下行的时间码中，广播给所有时间同步单元，相应时间同步单元收到下行的时间码后，提取差值，调整本地的定时信号

在接收到结束指示或比对达到精度时，进入比对结束阶段，完成比对结束操作；否则，继续进行双向时间比对。

Claims (2)

1.一种高精度分布式光纤时间同步方法，依次包括预同步和双向时间比对：所述的预同步是指时间同步中心收到同步开始指令时，依次与各时间同步单元进行预同步；所述的双向时间比对是指在每两个定时信号之间，时间同步中心通过无源光分配网络以时分多址的方式与各预同步的时间同步单元进行双向时间比对，同时动态调整时间同步单元的定时信号，避免相邻节点的冲突；其特征在于，所述的时间同步中心收到同步开始指令时，依次与各时间同步单元进行预同步，具体步骤如下：

①对各时间同步单元依次编号，将第一个时间同步单元作为当前时间同步单元；

②当时间同步中心检测到本地定时信号时，通过无源光网络向所有时间同步单元广播包含当前时间同步单元地址的连接请求，同时启动第一定时器；

③各时间同步单元从接收到的连接请求中提取当前时间同步单元的地址，并与各自的时间同步单元的地址进行比较：

如果当前时间同步单元的地址与本时间同步单元的地址相同，该时间同步单元打开光发射模块，并在检测到本地定时信号时向时间同步中心发送连接确认，否则，继续监听；

④当时间同步中心在第一定时器到期时，还没有收到当前时间同步单元回复的连接确认，则重置第一定时器，并检查时间同步中心的该时间同步单元的在线状态记录：

如果该时间同步单元的在线状态记录标志为在线，则向管理中心发送“时间同步单元丢失”告警，并将其在线状态记录标志为不在线，并转到步骤⑥；

⑤当时间同步中心在第一定时器到期前，接收到当前时间同步单元回复的连接确认，时间同步中心确认与时间同步单元的连接，重置第一定时器，并记录当前时间同步单元连接确认信号到达时间同步中心的时间t_i，i为时间同步单元的编号，如果t_i值大于当前时间同步单元定时信号周期的值，则只记录t_i减去定时信号周期的值，同时检查时间同步中心的该时间同步单元在线状态记录，如果该时间同步单元的在线状态记录标志为不在线，将其在线状态记录标志为在线，并通知管理中心“发现新时间同步单元”；

⑥时间同步中心对当前时间同步单元的编号进行判断，如果当前时间同步单元是最后一个时间同步单元，则转到步骤⑦；否则，将下一个时间同步单元设为当前时间同步单元，并返回步骤②；

⑦检查所有时间同步单元连接确认信号到达时间同步中心的时间t_i，如果t_i和t_j之间的关系为|t_j-t_i|<Δt，i,j＝1,2,…,N且i≠j，Δt为时间同步中心分配给每个时间同步单元时隙长度，时间同步中心按一定顺序计算需要调整定时信号时间同步单元定时信号的调整量，相应定时信号的调整量为Δt_i＝t_i+(Δt-|t_j-t_i|)；否则调整量为零；

⑧时间同步中心计算出各时间同步单元的本地定时信号需要的调整量Δt_i之后，通过无源光网络广播给所有时间同步单元的定时信号；各时间同步单元根据接收到的本单元的定时信号调整量Δt_i来调整本地的定时信号；

在每两个定时信号之间，时间同步中心通过无源光分配网络以时分多址的方式与各预同步的时间同步单元进行双向时间比对，具体步骤如下：

时间同步中心在本地定时信号有效时，通过无源光分配网广播携带定时信号和时间信息的时间码给各个时间同步单元；

各时间同步单元在本地定时信号有效时，打开光发射模块发送相应的时间码给时间同步中心，其余时间关闭光发射模块；

时间同步中心测量本地定时信号与接收到的定时信号间的差值，并根据指定的时间同步顺序，确定测量的差值与各时间同步单元的对应关系；

各时间同步单元测量本地定时信号与从时间同步中心接收到的定时信号间的差值，根据测量的差值以及本地定时信号的调整量，依据双向时间比对原理，计算时间同步中心与各时间同步单元的钟差；

对各时间同步单元的定时信号进行动态调整，避免相邻节点的冲突，具体步骤如下：

时间同步中心接收到每个时间同步单元的时间码到达时间同步中心之后，计算实际到达时间t′₁与预定到达时间t₁差值Δt₁＝t′₁-t₁，并将这个差值编码在下行的时间码中，广播给所有时间同步单元，相应时间同步单元收到下行的时间码后，提取差值，调整本地的定时信号。

2.根据权利要求1所述的高精度分布式光纤时间同步方法，其特征在于，步骤⑦中所述的按一定顺序是指时间同步单元编号从大到小或者从小到大的顺序。