CN104038302B - 适用于dwdm光传输系统的超精密时间频率传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法，方法步骤如下，a.首先建立超精密光纤授时系统的数学模型，b.在DWDM光传输系统主站到从站之间完全实现高精度时间频率同步；c.然后采用光纤时延在线监测技术进行DWDM光缆中的每根光纤的时延值的精准测量；d.将DWDM的每对光纤的传输时延不对称差值补偿到＜0.1ns；e.采用光纤时延在线监测技术以及光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，分割剥离光纤时延漂移和老化累积带来的负面影响。与现有技术相比，本发明解决了现有光同步数字体系、分组传送网等光通信网络中光纤时延的变化值不能自适应控制以及原有时间同步技术存在缺陷导致同步精度难以提高的问题。

Description

适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法

技术领域

本发明涉及超精密时间频率同步技术和光纤通信技术领域，尤其涉及一种适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法。

背景技术

目前光同步数字体系(SDH)和分组传送网(PTN)作为主要的传送网，在我国的通信、电力和国防行业中占有很大的比重。随着光通信系统向更高速、更大容量的方向发展，以及掺铒光纤放大器(EDFA)、密集波分复用(DWDM)等技术在光纤通信系统中的应用，光纤通信系统的速率和容量都得到了成倍的扩大。但是，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。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)已成为国内外时间频率研究领域的重要课题。2003年中国科学院国家授时中心在国内率先提出了利用光纤传递高精度时间的设想并开展了相关的研究工作。2006年国网电力科学研究院与华东电网公司联合开展了《利用SDH光通信网络传递高精度标准时间项目》的研究工作。国内开展的关于时间频率同步技术的大部分研究工作都是针对SDH网络的，其精度一般只能达到百纳秒(ns)级。SDH光传输设备在传递时间频率基准上存在较多的缺陷，例如由于SDH光传输设备内没有对时间同步精度提出具体要求，每台设备的传输实际时延值误差变化较大且无监测校正补偿手段，同时还存在光纤链路不对称误差。由于SDH光传输设备的网元时钟单元只按照G.813规范要求设计，其再现性没有要求，故其误差达几十微秒～100微秒，用来传递超精密时间频率基准是不可能的。此外，由于环境温度的变化和光纤的老化，会引起光纤时延产生极其缓慢的变化和漂移累积，会对高精度时间频率同步带来严重的负面影响并造成恶性循环。光纤时延值受温度影响产生日波动、月漂移、年漂移以及光纤和终端设备的老化等都会引入时延值变化造成负面影响，是超精密授时系统必须考虑的因素。上述难以逾越的技术瓶颈造成现有的SDH、PTN通信网络的光纤时延的变化值不能自适应控制，原有时间同步技术存在的缺陷使同步精度无法再提高，尤其是当密集波分复用(DWDM)技术在光纤通信系统中应用时，高精度的时间同步问题更是无法解决。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，且适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法，方法步骤如下，

a.首先针对密集波分复用DWDM光传输系统，建立超精密光纤授时系统的数学模型：

$E_s=E_o+\frac{\mathrm{\Δf}}{F_o}+\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{xy}}\left(t\right)+{\mathrm{\ΔT}}_l\left(t\right)+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{\λi}}\left(t\right)+\mathrm{\φ}\left(t\right)---\left(1\right)$

公式(1)中，前三项是与频率同步效果有关；第四项ΔT_xy(t)是主站和从站之间的两根光纤传输时延的不对称差值；第五项ΔT_l(t)是光缆随温度变化引入的日波动、月漂移累积、年漂移累积和老化的随机变化值；第六项ΔT_λi(t)是不同波长之间的时延差值；第七项φ(t)是随机抖动噪声；

b.然后利用DWDM光网络中的单根光纤，结合高精度时间频率传递设备以及单纤复用器，在DWDM光传输系统主站到从站之间完全实现高精度时间频率同步；

c.在完成和实现了步骤b之后，然后采用光纤时延在线监测技术进行DWDM光缆中的每根光纤的时延值的精准测量，单次误差＜0.07ns；

d.在双纤双向DWDM光传输系统中，不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值可以精确计算出来，误差＜0.1ns，并且通过硬件将DWDM的每对光纤的传输时延不对称差值补偿到＜0.1ns；

e.最后针对光纤时延的日波动、月漂移累积、年漂移累积和老化漂移累积，采用光纤时延在线监测技术以及光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，分割剥离光纤时延漂移和老化累积带来的负面影响，使光纤时延值标准化、标称化，并将其控制在±1ns～±5ns范围内变化；

作为优选，步骤c中，将DWDM光传输系统中每根光纤的时延值全部精准测出，以其中时延最大的那根光纤为基准，将其余光纤的时延值都补偿到与最大时延的那根光纤的时延值相同，使任意两根光纤的不对称差值ΔT_xy(t)≤0.1ns，使主站和从站之间的两根光纤传输时延的不对称差值ΔT_xy(t)≤0.1ns；

作为优选，步骤d中，在光纤长度恒定时，时延是固定的非线性的，先将DWDM光传输系统不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值计算出来，再根据时延不对称差值计算出相应的光纤长度，利用每个波长在分波器接口的尾纤修正补偿，将DWDM光传输系统的不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值补偿到＜0.1ns，使两波之间的差值ΔT_λi(t)＜0.1ns；

作为优选，所述随机抖动噪声φ(t)，通过智能化滤除和多次重复测量，用平均值和均方值技术处理后从站的本底噪声输出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)解决了现有光同步数字体系(SDH)、分组传送网(PTN)等光通信网络中光纤时延的变化值不能自适应控制以及原有时间同步技术存在缺陷导致同步精度难以提高的问题，可以为光同步通信网络提供比现有同步网络精度至少高100倍的时间频率基准。

(2)使得DWDM光传输系统的每条光缆中的每根光纤时延值可以精密测量，并且能精准自动补偿为一恒定时延值。在多芯光缆中(例如48芯或者24芯)选用单根光纤和光缆中的某一对光纤(△Txy≤0.1ns)的某个波长λ_t就可以组成超精密授时全光网同步系统，构建基于DWDM大容量光传输系统的超精密时间频率传递系统，进一步使终端基站的空中接口均能获得≤±10ns～±20ns/天的精密时间基准。

(3)将本发明的方法用于密集波分复用(DWDM)光传输系统可以将每个波的时延固定为一恒定值，并且长期维持在如下的范围内：

相对频率偏差≤±5E-14/天

相对相位偏差≤±5ns/天

相对时间间隔偏差≤1ns

(4)如果进一步对光端机的发送接收时延Ta_发、Tb_发、Ta_收、Tb_收的一致性进行严格控制或补偿，使其误差≤0.1ns，并且将光中继器OR_发与OR_收的时延误差也控制或补偿至≤0.1ns，同时将零时延自适应输入输出接口技术集成应用，超精密(≤1ns)时间同步也不难实现。也就是说，通过将公式(1)中各方面的误差控制在＜0.1ns～1ns，就可以实现1ns的超精密授时。

附图说明

图1为本发明所述的采用高精度时间频率传递设备测量DWDM光纤骨干网每根光纤时延值的示意图；

图2为本发明所述的80波DWDM光传输系统超精密授时全光网同步系统示意图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1，一种适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法，具体的实施方法和步骤如下：

a.首先针对密集波分复用DWDM光传输系统，建立超精密光纤授时系统的数学模型：

$E_s=E_o+\frac{\mathrm{\Δf}}{F_o}+\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{xy}}\left(t\right)+{\mathrm{\ΔT}}_l\left(t\right)+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{\λi}}\left(t\right)+\mathrm{\φ}\left(t\right)---\left(1\right)$

公式(1)中，前三项是与频率同步效果有关；第四项ΔT_xy(t)是主站和从站之间的两根光纤传输时延的不对称差值；第五项ΔT_l(t)是光缆随温度变化引入的日波动、月漂移累积、年漂移累积和老化的随机变化值；第六项ΔT_λi(t)是不同波长之间的时延差值；第七项φ(t)是随机抖动噪声；

b.然后利用DWDM光网络中的单根光纤，结合高精度时间频率传递设备以及单纤复用器，在DWDM光传输系统主站到从站之间完全实现高精度时间频率同步；如图1所示，采用高精度时间频率传递设备和单纤复用器测量1#光纤的精确时延值。分别在主站A(内置高等级铯原子时钟或工业级铯原子时钟)和从站B(内置工业级铯原子时钟或铷原子时钟、DCXO、VCXO)配置相应的高精度时间频率传递设备和单纤复用器完成单纤传递超精密时间频率基准，使从站B时钟获得：

与主站时钟比对相对频率偏差优于：±5E-14/天；

与主站时钟比对相对相位偏差优于：±5ns/天；

与主站时钟比对相对时间间隔偏差优于：＜1ns/天；

c.在完成和实现了步骤b之后，然后采用光纤时延在线监测技术进行DWDM光缆中的每根光纤的时延值的精准测量，单次误差＜0.07ns；

将DWDM光传输系统中每根光纤的时延值全部精准测出，以其中时延最大的那根光纤为基准，将其余光纤的时延值都补偿到与最大时延的那根光纤的时延值相同，使任意两根光纤的不对称差值ΔT_xy(t)≤0.1ns，使主站和从站之间的两根光纤传输时延的不对称差值ΔT_xy(t)≤0.1ns；

采用上述方法，利用单纤传递的超精密时间频率基准以及高精度时间频率传递设备(内置高精度光纤时延测量单元)，可以对DWDM光传输网的每条光缆中的每根光纤的传输时延值进行精确测量(误差＜0.1ns)，测量示意图如图1所示。图1中的2#光纤、3#光纤以及N#光纤传输的时延值均可精确测量；

d.在双纤双向DWDM光传输系统中，不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值可以精确计算出来，误差＜0.1ns，并且通过硬件将DWDM的每对光纤的传输时延不对称差值补偿到＜0.1ns；

在光纤长度恒定时，时延是固定的非线性的，先将DWDM光传输系统不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值计算出来，再根据时延不对称差值计算出相应的光纤长度，利用每个波长在分波器接口的尾纤修正补偿，将DWDM光传输系统的不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值补偿到＜0.1ns，使两波之间的差值ΔT_λi(t)＜0.1ns

e.最后针对光纤时延的日波动、月漂移累积、年漂移累积和老化漂移累积，采用光纤时延在线监测技术以及光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，分割剥离光纤时延漂移和老化累积带来的负面影响，使光纤时延值标准化、标称化，并将其控制在±1ns～±5ns范围内变化。

所述随机抖动噪声φ(t)，通过智能化滤除和多次重复测量，用平均值和均方值技术处理后从站的本底噪声输出。

针对DWDM光传输系统实现超精密授时，提供采用DWDM光网络传递超精密时间频率基准的解决方案，解决现有的光同步数字体系(SDH)、分组传送网(PTN)等光通信网络的光纤时延的变化值不能自适应控制以及原有时间同步技术存在缺陷使同步精度难以提高的问题。充分利用光纤传递技术的优势，通过采用内置超精密时间测量单元的高精度时间频率传递设备来实现主站时钟与从站时钟的双向比对和返回校验验证，并对光纤时延进行在线监测，结合光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，剥离和分割光纤时延值的日波动、月漂移累积、年漂移累积和老化(包括终端设备的时延变化和光器件的老化等)，实现了智能化、标准化和标称化，长久地将光纤时延值牢牢地控制在规定的范围内。本发明从传输时延的光路硬件通道(即传输介质物理层面)将光纤的时延值和全波长的每波误差值经过多项专利技术集成应用，使其恒定于一个标准化、标称化的固定值。。

采用本发明所述方法实现DWDM光传输系统的超精密时间同步系统，以80波(每波传输2.5G，传输总容量200G)DWDM光传输系统为例，如图2所示。图2中：OTU是波长转换器(波长λi，i＝1～80)，SDH设备是2.5G光同步数字体系(华为技术有限公司OSN2500SDH设备)，TWOTFT是高精度时间频率传递设备(成都泰富通信有限公司生产)。

在DWDM光传输系统中，为了实现DWDM光传输系统的超精密时间同步系统，还可以选择两个波长作为专用信道，以确保整个系统的稳定可靠地运行。

λs—光监控信道，该信道专门用于管理DWDM设备；

λt—超精密时间频率基准信道，该信道专门用于传递超精密时间频率基准。

首先利用带有超精密双向比对和环回测量光纤时延功能的高精度时间频率传递设备TWOTFT，将两个方向光缆中的每根光纤的不对称时延差值进行精确测量和补偿。例如图2中所用的48芯光缆的1#和2#光纤，这两根光纤的不对称差是△Txy，在较短的那根光纤上增加一段尾纤使1#与2#光纤的△Txy≤0.1ns。如果条件允许可将48芯光纤时延值全部精准测出，以其中时延值最大的那根光纤为基准，将其余47芯光纤的时延值都补偿到与最大时延的那根光纤的时延值相同，使任意两根光纤的不对称差值△Txy≤0.1ns，也就是使公式(1)中的△Txy≤0.1ns。

80波不同波长(λ1～λn)的光信号所经过的光路都是1#和2#光纤，由于其不对称差值误差≤0.1ns，故其每个波长λi与λi+1之间的时延值误差也是一个定值。根据这个定值在分波器尾纤接口进行补偿修正，使△λi(t)＝λi+1－λi≤0.1ns，从而保障每个波长(λ1～λn)的光路传输时延值也是相同的(误差≤0.1ns)。

TWOTFT高精度时间频率传输设备利用单纤双向比对和返回校验验证解决了SDH和PTN等光传输网络在信息交互过程中难以克服的多种时延问题，并通过将硬件电路(光纤介质和光端机的激光器件老化等)的随机变化量转变为平稳随机过程的三点归一算法，使DWDM光传输系统也实现逐段(指每个中继段)固有恒定标称时延值。换句话说，就是将时间频率周期、时间间隔、空间(光纤长度)时延都标称化，如下表1所示：

表1光纤长度与标称时延和标称时码的对应关系

光缆距离	500km	1000km	2000km	4000km
					标称时延	2.5ms	5.0ms	10.0ms	20.0ms
标称时码	400PPS	200PPS	100PPS	50PPS

对于DWDM光传输系统，首先利用A站→B之间的光缆中剩余的单根光纤，通过TWOTFT高精度时间频率传递设备和单纤复用器的配合使用，在A站→B站之间完全实现高精度时间频率同步，然后再完成DWDM光传输系统光缆中的每根光纤的精准测量。

通过DWDM光传输系统与TWOTFT高精度时间频率设备相结合，可以实现从A站→B站的DWDM光传输系统的光缆中每根光纤的时延值的精准测量(误差＜0.1ns)。

如果需要使光缆中的所有光纤时延值之间的不对称差值误差＜0.1ns，那么需要以这条光缆中光纤时延值最大的那根光纤为基准，在B站输入接口或者分波器输出接口通过调整尾纤接入长度来实现。根据光缆中每根光纤与那根最大时延光纤的误差值按照公式(3)计算出它应该补偿的尾纤长度来完成时延的修正和补偿，使整条光缆中的每根光纤之间的时延误差＜0.1ns。

T_λimax-T_λimin＝ΔTxymax (2)

ΔTxymax/4.8976195ns＝ΔLmax(误差＜1mm) (3)

式中ΔTxymax是最大时延差值，ΔLmax是最大尾纤长度。

最后通过光纤时延在线监测和恒定锁相和均衡补偿来解决DWDM光传输系统A站→B站光纤的时延变化和老化漂移。如图2所示，将DWDM光传输系统的2#光纤的波长λt接入高精度时间频率传递设备TWOTFT，实现对2#光纤时延的日波动、月漂移和老化累积、年漂移和老化累积的变化进行在线监测。同理，按图2所示，将DWDM光传输系统的2#光纤和3#光纤的λt同时连接到TWOTFT高精度时间频率传递设备的光纤接入端口，就可以实现这一对光纤的时延变化和老化的在线监测和监控，再通过三点归一算法对光纤时延进行自动锁定和均衡补偿，就实现了成功剥离分割光纤时延漂移和老化累积带来的负面影响。如果这条光缆有8对光纤用于DWDM光传输系统，那么它们的时延变化和老化均能进行在线监测和监控。

对于DWDM光传输系统，还可以实现全波长时延恒定标称化补偿同步。例如，DWDM光传输系统如果选用1530nm～1600nm波段的波长λ，那么根据有关资料，不同的波长经过100km光纤传输的时延值，如下表2所示：

表2DWDM系统不同波长传输100km的时延值

λ(nm)	100km时延值(ns)
		1300.00	489540.95
1527.22	489724.68
		1530.22	489730.11
1550.00	489761.00
		1550.12	489761.29
1550.52	489761.95
		1598.04	489847.50

在上述范围内每1nm波长间隔对应的100km光纤时延值误差1.80ns～1.83ns/nm.100km，例如λ＝1550.52与λ＝1550.00两者仅相差0.95ns。如果在DWDM光传输系统B站的λ＝1550.00的尾纤长度增长19mm(0.19×4.89761ns＝0.93ns)，那么1550.00nm与1550.52nm两个波之间的时延误差＜0.05ns。由于DWDM光传输系统选用的C波段1530.00nm～1560nm范围内线性性能较好，如果开通80波，将所有波的时延值都以λmax的时延值为基准，每波根据波长间隔大小逐个均衝修正使之与λmax相差＜0.05ns来计算应补偿的尾纤长度，这样80波的每两个波之间的时延值偏差都可以达到＜0.1ns。当然，还可以采用高精度时间频率传递设备TWOTFT来对光缆中的光纤2#光纤和3#光纤的所有80个波长进行复测和修正补偿，使80波的每波之间的时延值偏差达到＜0.1ns。采用高精度时间频率传递设备TWOTFT来对光缆中的每根光纤实现光纤时延变化和老化的在线监测和监控。根据不同终端设备对超精密时间频率基准的需求，可以选择配置步长为5ns的零衰耗数字程控光纤时延均衡补偿网络，将主站到从站的时延值牢牢地控制在≤±10ns/天，≤±10ns/月，≤±10ns/年的范围内；如果选择配置步长为1ns的零衰耗数字程控光纤时延均衡补偿网络，就可将主站到从站的时延值牢牢地控制在≤±2ns/天，≤±2ns/月，≤±2ns/年的范围内。

以上对本发明所提供的适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法，其特征在于：方法步骤如下，

a.首先针对密集波分复用DWDM光传输系统，建立超精密光纤授时系统的数学模型：

$E_s=E_o+\frac{\mathrm{\Δ}f}{F_o}+\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2+{\mathrm{\ΔT}}_{xy}\left(t\right)+{\mathrm{\ΔT}}_l\left(t\right)+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{\λ}i}\left(t\right)+\mathrm{\φ}\left(t\right)---\left(1\right)$

公式(1)中，前三项是与频率同步效果有关；第四项ΔT_xy(t)是主站和从站之间的两根光纤传输时延的不对称差值；第五项ΔT_l(t)是光缆随温度变化引入的日波动、月漂移累积、年漂移累积和老化的随机变化值；第六项ΔT_λi(t)是不同波长之间的时延差值；第七项φ(t)是随机抖动噪声；

b.然后利用DWDM光网络中的单根光纤，结合高精度时间频率传递设备以及单纤复用器，在DWDM光传输系统主站到从站之间完全实现高精度时间频率同步；

c.在完成和实现了步骤b之后，然后采用光纤时延在线监测技术进行DWDM光缆中的每根光纤的时延值的精准测量，单次误差＜0.07ns；

d.在双纤双向DWDM光传输系统中，不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值可以精确计算出来，误差＜0.1ns，并且通过硬件将DWDM的每对光纤的传输时延不对称差值补偿到＜0.1ns；

e.最后针对光纤时延的日波动、月漂移累积、年漂移累积和老化漂移累积，采用光纤时延在线监测技术以及光纤时延自动锁定和均衡补偿技术，分割剥离光纤时延漂移和老化累积带来的负面影响，使光纤时延值标准化、标称化，并将光纤时延控制在±1ns～±5ns范围内变化。

2.根据权利要求1所述的适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法，其特征在于：步骤c中，将DWDM光传输系统中每根光纤的时延值全部精准测出，以其中时延最大的那根光纤为基准，将其余光纤的时延值都补偿到与最大时延的那根光纤的时延值相同，使任意两根光纤的不对称差值ΔT_xy(t)≤0.1ns，使主站和从站之间的两根光纤传输时延的不对称差值ΔT_xy(t)≤0.1ns。

3.根据权利要求1所述的适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法，其特征在于：步骤d中，在光纤长度恒定时，时延是固定的非线性的，先将DWDM光传输系统不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值计算出来，再根据时延不对称差值计算出相应的光纤长度，利用每个波长在分波器接口的尾纤修正补偿，将DWDM光传输系统的不同波长λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_n的时延不对称差值补偿到＜0.1ns，使两波波长之间的时延差值ΔT_λi(t)＜0.1ns。

4.根据权利要求1所述的适用于DWDM光传输系统的超精密时间频率传递方法，其特征在于：所述随机抖动噪声φ(t)，通过智能化滤除和多次重复测量，用平均值和均方值技术处理后从站的本底噪声输出。