CN103546224B - 单纤特高精度时间传递方法 - Google Patents

Abstract

为解决现有光纤通信网络时间频率同步技术存在的对光纤传输时延的缓慢变化无法控制和不能解决极其缓慢的时延漂移和漂移累积等问题，本发明提出一种单纤特高精度时间传递方法，在同一根光纤的两端分别连接单纤双向光收发模块、时延处理模块和主时间同步设备或从时间同步设备，并在主时间同步设备侧连接有铯原子钟；采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿。本发明的有益技术效果是解决了现有技术不能消除光纤传输时延随着时间、温度、光纤老化等极其缓慢的变化而产生的漂移和漂移累积等问题，可以将时间同步精度控制在±5ns的范围之内，可以任意形式组网，且具有良好的市场前景和显著的经济效益。

Description

单纤特高精度时间传递方法

技术领域

本发明涉及到光纤通信网络时间频率同步技术，特别涉及到一种单纤特高精度时间传递方法。

背景技术

随着光纤通信技术的不断发展，极其精准的时间频率同步技术（≤1ns、≤1E-13／天，即比现有的时间频率精度高100倍）已成为全世界时间频率研究的前沿课题。而目前运行的时间频率同步网，由于时间频率信号在光纤通信网络传递的过程中损伤较大，因此，很难实现特高精度的时间频率同步。目前，光同步数字体系SDH网络作为传送网，在我国的通信、电力和国防行业中占有很大的比重，因此，国内开展的关于时间频率同步技术的很多研究工作都是针对SDH网络的。国内对基于SDH的时间同步技术的研究已经开展了许多工作，发表的文献包括《现代电信科技》的“利用SDH实现高精度时间同步”；《电力系统通信》的“SDH光通信系统E1通道时间传递特性测试分析”；《华东电力》的“SDH系统传递时间技术的研究”；《现代电子技术》的“基于SDH传输体制的时统信号传输特性研究”等。这类技术主要采用了利用SDH的业务通道或者开销通道来传递时间信号的方法，但是，由于SDH网元固有的指针调整、双向时延非对称等因素，这类方法难以实现高精度时间信号的传递。为了进一步提高时间传递的精度，国内也提出了一些有益的方法并取得了相关的发明专利。例如，公布号为CN101977105A，名称为“一种时间延迟不对称差值自动动态补偿方法”的发明专利。采用该专利所述的方法可以使主站至从站的UTC时刻相对偏差维持在（ns）之内，但专利所述方法在实际应用中除了误差较大外，还存在着对光纤传输时延的缓慢变化（指松耦合等效滤波带内的漂移）无法控制的现象，以及实现自动动态补偿的电路比较复杂等缺陷。又如，公布号为CN102916743A，名称为“一种时间延迟不对称差值精准测量的方法”的发明专利。该专利通过三维时间坐标点算法，在实验室摸拟实验中，可以使主站至从站同步精度达到相对频率偏差≤±5E-14／天和E0≤±2ns／天，相对时间间隔偏差≤±20ns／天。但是，该方法存在着光纤时延的变化较大（≤±20ns／天），且不能解决由于光纤时延随温度变化产生日波动、月波动、年波动和光纤老化漂移导致的极其缓慢的时延漂移和漂移累积的问题。

显然，现有光纤通信网络时间频率同步技术存在着由于SDH网元固有的指针调整、双向时延非对称等因素，难以实现高精度时间信号的传递，以及对光纤传输时延的缓慢变化无法控制，实现自动动态补偿的电路比较复杂和不能解决极其缓慢的时延漂移和漂移累积等问题。

发明内容

为解决现有光纤通信网络时间频率同步技术存在的由于SDH网元固有的指针调整、双向时延非对称等因素，难以实现高精度时间信号的传递，以及对光纤传输时延的缓慢变化无法控制，实现自动动态补偿的电路比较复杂和不能解决极其缓慢的时延漂移和漂移累积等问题，本发明提出一种单纤特高精度时间传递方法。本发明单纤特高精度时间传递方法在同一根光纤的两端分别连接单纤双向光收发模块、时延处理模块和主时间同步设备或从时间同步设备，并在主时间同步设备侧连接有铯原子钟；采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿；其中，

主时间同步设备跟踪铯原子钟，其跟踪精度为±1ns；将带有时间信号的1PPS帧头信号调制/解调到单纤双向光收发模块上；并进行总时延测量和时间信号双向比对；

从时间同步设备能实现钟的锁相跟踪，实现特高精度时间同步，以及时间信号的编解码；

时延处理模块能够测定信号传输时延，进行传输时延的动态补偿，消除波长不同造成的不对称差值；

另外，通过短时间内进行多次重复测量及补偿滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声；通过间断性的总时延测试去除由于温度和老化而产生的时延偏差。

进一步的，本发明单纤特高精度时间传递方法单纤双向光收发模块的适用波长为850nm～2000nm。

进一步的，本发明单纤特高精度时间传递方法采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，包括以下步骤：

（1）将主时间同步设备M跟踪铯原子钟，其跟踪精度为±1ns；将带有时间信号的1PPS帧头信号调制/解调到单纤双向光收发模块上；

（2）从时间同步设备S进行频率同步，其跟踪精度为1E-13/天；

（3）测定总时延值，并通过下式计算主从时延T_AB，主站通过移相网络将时间信息提前T_AB，由此，同步时间精度可达到±5ns；

$C=T_{\mathrm{AB}}+T_{\mathrm{BA}}=(T_{\mathrm{ASS}}+T_{\mathrm{AB}{\mathrm{\λ}}_1}+T_{\mathrm{BSR}})+(T_{\mathrm{BSS}}+T_{\mathrm{BA}{\mathrm{\λ}}_2}+T_{\mathrm{ASR}})---\left(1\right)$

式中，T_AB为主站到从站的时延，T_BA为从站到主站的时延，T_ASS为主站设备内发送时延，为主站到从站的光纤传输时延，T_BSR为从站设备内接收时延，T_BSS为从站设备内发送时延，为从站到主站的光纤传输时延，T_ASR为主站设备内接收时延；所述主站包括主时间同步设备M、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备S、时延处理模块和单纤双向光收发模块；

（4）从站长时间地进行频率同步和时间同步，确保能够得到准确的1PPS信号。

进一步的，本发明单纤特高精度时间传递方法通过短时间内进行多次重复测量及补偿滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声，包括采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，并在1秒内进行80次以上的测量。

进一步的，本发明单纤特高精度时间传递方法通过间断性的总时延测试去除由于温度和老化而产生的时延偏差，包括采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，且间隔时间为500秒以上。

进一步的，本发明单纤特高精度时间传递方法将主站和二个以上的从站两两连接形成环型网，并在路由设置中增加路由算法使得时间同步信息源选择最短路径且设置直达路由；所述主站包括主时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述直达路由是指将主、从站之间的中间设备设置为只实现光/电/光的直通。

进一步的，本发明单纤特高精度时间传递方法将主站和二个以上的从站串联连接形成链型网，并在路由设置中增加路由算法使得时间同步信息源选择主站且设置直达路由；所述主站包括主时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述直达路由是指将主、从站之间的中间设备设置为只实现光/电/光的直通。

本发明单纤特高精度时间传递方法的有益技术效果是解决了现有技术不能消除光纤传输时延随着时间、温度、光纤老化等极其缓慢的变化而产生的漂移和漂移累积等问题，可以将时间同步精度控制在±5ns的范围之内，可以任意形式组网，且具有良好的市场前景和显著的经济效益。

附图说明

附图1是本发明单纤特高精度时间传递方法点到点结构示意图；

附图2是本发明单纤特高精度时间传递方法环型网结构示意图；

附图3是本发明单纤特高精度时间传递方法链型网结构示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明单纤特高精度时间传递方法作进一步的说明。

具体实施方式

附图1是本发明单纤特高精度时间传递方法点到点结构示意图，图中，1为主时间同步设备，2为从时间同步设备，3为单纤双向光收发模块，4为时延处理模块，5为铯原子钟，M为主站，S为从站。由图可知，本发明单纤特高精度时间传递方法在同一根光纤的两端分别连接单纤双向光收发模块3、时延处理模块4和主时间同步设备1或从时间同步设备2，并在主时间同步设备1侧连接有铯原子钟5；采用主、从时间同步设备（1，2）之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿；其中，

主时间同步设备跟踪铯原子钟，其跟踪精度为±1ns；将带有时间信号的1PPS帧头信号调制/解调到单纤双向光收发模块上；并进行总时延测量和时间信号双向比对；

从时间同步设备能实现钟的锁相跟踪，实现特高精度时间同步，以及时间信号的编解码；

时延处理模块能够测定信号传输时延，进行传输时延的动态补偿，消除波长不同造成的不对称差值；

另外，通过短时间内进行多次重复测量及补偿滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声；通过间断性的总时延测试去除由于温度和老化而产生的时延偏差。

本发明单纤特高精度时间传递方法采用单纤双向光收发模块和单根光纤实现双向传输，而不使用传统的光同步数字体系SDH传递时间，只需占用光纤传输网络中的一根光纤，保证了物理上的光纤长度高度对称。利用光纤时延在线监测技术，结合光纤时延自动锁定和动态补偿技术，将光纤时延的变化恒定地锁定和控制在±5ns的范围之内，从而实现了特高精度的时间传递。显然，本发明单纤特高精度时间传递方法单纤双向光收发模块的适用波长为850nm～2000nm。

本发明单纤特高精度时间传递方法采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，包括以下步骤：

（1）将主时间同步设备跟踪铯原子钟，其跟踪精度为±1ns；将带有时间信号的1PPS帧头信号调制/解调到单纤双向光收发模块上；在本实施例中，发射光波长为1550nm，接收光波长为1310nm。

（2）从时间同步设备进行频率同步，其跟踪精度为1E-13/天；

（3）测定总时延值，并通过下式计算主从时延T_AB，主站通过移相网络将时间信息提前T_AB，由此，同步时间精度可达到±5ns；

$C=T_{\mathrm{AB}}+T_{\mathrm{BA}}=(T_{\mathrm{ASS}}+T_{\mathrm{AB}{\mathrm{\λ}}_1}+T_{\mathrm{BSR}})+(T_{\mathrm{BSS}}+T_{\mathrm{BA}{\mathrm{\λ}}_2}+T_{\mathrm{ASR}})---\left(1\right)$

式中，T_AB为主站到从站的时延，T_BA为从站到主站的时延，T_ASS为主站设备内发送时延，为主站到从站的光纤传输时延，T_BSR为从站设备内接收时延，T_BSS为从站设备内发送时延，为从站到主站的光纤传输时延，T_ASR为主站设备内接收时延；所述主站包括主时间同步设备M、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备S、时延处理模块和单纤双向光收发模块。通过对公式（1）的分析可以发现，主站或从站设备收发时延可以通过控制设备PCB走线等方式将设备内部的收发时间做成一致，而且可以是恒定值（不超过20ns）。由于光纤传输时延受温度和光纤老化等的影响， 会不断地变化。温度变化的影响可以转化为长度对时延的影响，在单根光纤的情况下，光纤的老化对收发的影响近似对称。存在的问题是如何解决波长不同造成光纤线路的不对称时延值。根据G.652光纤中，群速度或群时延与波长的关系可以得到任意波长的群时延，通过时延处理模块可以将由于波长不同造成的不对称差值去除掉。通过在短时间内进行多次重复测量及补偿可以有效地滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声。通过间断性的总时延测试，能够去除由于温度和老化而产生的时延偏差。由上述可知，可以在任何时刻都能够精准地测量出主、从站之间的时延T_AB和T_BA值，然后通过时延处理模块可以将波长不对称差值去掉。因此，本发明单纤特高精度时间传递方法通过短时间内进行多次重复测量及补偿滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声，包括采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，并在1秒内进行80次以上的测量。本发明单纤特高精度时间传递方法通过间断性的总时延测试去除由于温度和老化而产生的时延偏差，包括采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，且间隔时间为500秒以上。

（4）从站长时间地进行频率同步和时间同步，确保能够得到准确的1PPS信号。

附图2是本发明单纤特高精度时间传递方法环型网结构示意图，图中，1为主时间同步设备，2为从时间同步设备，3为单纤双向光收发模块，4为时延处理模块，5为铯原子钟，M为主站，S1为第一从站，S2为第二从站。由图可知，本发明单纤特高精度时间传递方法将主站和二个以上的从站两两连接形成环型网，并在路由设置中增加路由算法使得时间同步信息源选择最短路径且设置直达路由；所述主站包括主时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述直达路由是指将主、从站之间的中间设备设置为只实现光/电/光的直通。如图2所示，S1可以直接和M进行时间同步，也可以和S2进行时间同步；同样S2可以和M同步，也可以和S1进行时间同步，由此组成一个双向时间同步网。同时，在路由设置中增加路由算法使得时间同步信息源选择最短路径，这样S1会同步时间源M，S2也会同步时间源M，能够减少经过多级传递而造成的累积误差。一旦M和S1的光纤断裂，S1会自动切换到同步S2的时间源，以确保光纤链路出现问题时，不会影响时间同步设备的正常输出。另外，如果从M到S2中间有10台时间同步设备，那么从M到S2要经过十级传递。如果采用逐级同步的话，时间到S2最大时间累积误差为±16ns。而采用直达路由，通过网管配置，将主、从站之间的中间设备设置为只实现光/电/光的直通，由此，保证从站S2的时间同步精度也能够达到±5ns。

附图3是本发明单纤特高精度时间传递方法链型网结构示意图，图中，1为主时间同步设备，2为从时间同步设备，3为单纤双向光收发模块，4为时延处理模块，5为铯原子钟，M为主站，S1为第一从站，S2为第二从站。由图可知，本发明单纤特高精度时间传递方法将主站和二个以上的从站串联连接形成链型网，并在路由设置中增加路由算法使得时间同步信息源选择主站且设置直达路由；所述主站包括主时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述直达路由是指将主、从站之间的中间设备设置为只实现光/电/光的直通。如图3所示，通过链型网组网，可以将高精度时间传递很远，图3中为两级，实际网络中可能会经过多级传递，使各级取得高精度的时间信息。同样，链型网也可以通过设置直达路由的方式去除多级传递产生的抖动和漂移。

显然，本发明单纤特高精度时间传递方法可以任意形式组网，包括链型网、树型网、星型网和环型网，可以实现时间同步设备双向保护倒换，确保设备输出特高精度时间信息。

显然，本发明单纤特高精度时间传递方法的有益技术效果是解决了现有技术不能消除光纤传输时延随着时间、温度、光纤老化等极其缓慢的变化而产生的漂移和漂移累积等问题，可以将时间同步精度控制在±5ns的范围之内，可以任意形式组网，且具有良好的市场前景和显著的经济效益。

Claims (6)

1.一种单纤特高精度时间传递方法，其特征在于：在同一根光纤的两端分别连接单纤双向光收发模块、时延处理模块和主时间同步设备或从时间同步设备，并在主时间同步设备侧连接有铯原子钟；采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿；包括以下步骤：

(1)将主时间同步设备M跟踪铯原子钟，其跟踪精度为±1ns；将带有时间信号的1PPS帧头信号调制/解调到单纤双向光收发模块上；

(2)从时间同步设备S进行频率同步，其跟踪精度为1E-13/天；

(3)测定总时延值，并通过下式计算主从时延T_AB，主站通过移相网络将时间信息提前T_AB，由此，同步时间精度可达到±5ns；

$C=T_{AB}+T_{BA}=(T_{ASS}+T_{{\mathrm{AB\λ}}_1}+T_{BSR})+(T_{BSS}+T_{{\mathrm{BA\λ}}_2}+T_{ASR})---\left(1\right)$

式中，T_AB为主站到从站的时延，T_BA为从站到主站的时延，T_ASS为主站设备内发送时延，为主站到从站的光纤传输时延，T_BSR为从站设备内接收时延，T_BSS为从站设备内发送时延，为从站到主站的光纤传输时延，T_ASR为主站设备内接收时延；所述主站包括主时间同步设备M、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备S、时延处理模块和单纤双向光收发模块；

(4)从站长时间地进行频率同步和时间同步，确保能够得到准确的1PPS信号。

2.根据权利要求1所述单纤特高精度时间传递方法，其特征在于：单纤双向光收发模块的适用波长为850nm～2000nm。

3.根据权利要求1所述单纤特高精度时间传递方法，其特征在于：通过短时间内进行多次重复测量及补偿滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声，包括采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，并在1秒内进行80次以上的测量。

4.根据权利要求1所述单纤特高精度时间传递方法，其特征在于：通过间断性的总时延测试去除由于温度和老化而产生的时延偏差，包括采用主、从时间同步设备之间的光纤时延值及其变化值精准测出后再予以补偿，且间隔时间为500秒以上。

5.根据权利要求1所述单纤特高精度时间传递方法，其特征在于：将主站和二个以上的从站两两连接形成环型网，并在路由设置中增加路由算法使得时间同步信息源选择最短路径且设置直达路由；所述主站包括主时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述直达路由是指将主、从站之间的中间设备设置为只实现光/电/光的直通。

6.根据权利要求1所述单纤特高精度时间传递方法，其特征在于：将主站和二个以上的从站串联连接形成链型网，并在路由设置中增加路由算法使得时间同步信息源选择主站且设置直达路由；所述主站包括主时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述从站包括从时间同步设备、时延处理模块和单纤双向光收发模块，所述直达路由是指将主、从站之间的中间设备设置为只实现光/电/光的直通。