CN104506269A - 基于环回法的高精度光纤双向时间传递方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种基于环回法的高精度光纤双向时间传递方法与系统，包括步骤：第一光纤时间同步单元通过光纤链路向第二光纤时间单元发送该时间码；第二光纤时间同步单元将恢复出的第一光纤时间同步单元的定时信息延时后，编码到时间码中并发送给第一光纤时间同步单元；第一光纤时间同步单元恢复出的第二光纤时间同步单元的定时信息与第一光纤时间同步单元本地定时信息的钟差τ，并将其编到时间码中与本地定时信息一起发给第二光纤时间同步单元；第二光纤时间同步单元计算传输时延补偿。

Description

基于环回法的高精度光纤双向时间传递方法与系统

技术领域

本发明涉及光纤时间频率传递技术领域，具体是一种基于环回法的高精度光纤双向时间传递方法与系统。

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。卫星双向时间比对的精度可以达到亚纳秒量级，但利用专用卫星的自由空间链路的稳定性(尤其是短期稳定性)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。

基于光纤通路的高精度时间传递主要有环回法(Round-trip)时间传递和双向时间比对两种方式。Round-trip时间传递方式中，通过远端返回的信号实现链路时延的锁定，再标定出传输链路的时延，从而实现时间的传递。波兰AGH理工大学报道了基于该方案的420公里光纤时间和频率传递实验，时间传递的精度分别达到1ps/d[1]。基于类似方案，法国的激光物理实验室(LPL)报道了采用德国TimeTech公司卫星双向时间比对调制/解调器(SATRE)的540公里时间和光载波频率传递实验，时间传递的精度分别达到50ps/s[1]。基于WDM全光通路的双向时间比对方式类似于卫星双向时间比对，通过两端同时向对方发送本地定时信息(1PPS)，利用通路的对称性消除链路时延，得到两地的钟差。捷克教育科研网(CESNET)报道了基于该方案的744公里单纤双向时间比对实验，平均时间500秒的稳定度达8.7ps[3]。瑞典SP技术研究所利用其国内的WDM光网络进行了560公里的双向时间比对，并与载波相位的同步结果进行了比较，相差<1ns。

为了抑制后向瑞利散射和菲涅耳反射对传输信号的信噪比，上述两种方案均采用双向WDM传输方式(即两个方向采用不同的发送波长)，存在光纤色散效应引起的双向不对称性，而且距离越长，不对称性越大，限制了基于长距离双向时间比对的精度。对于round-trip来说，由于实际网络中不同链路上的光纤色散特性的差异，当进行数千公里长距离时间传递时很难对链路延时进行准确的标定。德国PTB采用TimeTech公司的SATRE进行了73公里的双向时间比对实验[4]。该方法采用扩频编码技术，可以实现同波长同纤双向时间比对。但高精度的扩频编码/解码技术复杂，成本很高。

[1]P.Krehlik,A.Czubla,et al.,Dissemination oftime and RF frequency via a stabilized fibre optic link over adistance of 420km,Metrologia,50(2):133-145,2013.

[2]Lopez,Olivier,et al."Simultaneous remote transfer of accuratetiming and optical frequency over a public fiber network."Applied Physics B110.1(2013):3-6.

[3]V.Smotlacha,A.Kuna and W.Mache,Time transfer using fiberlinks,Proc.24th European Frequency and Time Forum,Noordwijk,The Netherlands,2010.

[4]D.Piester,M.Rost,M.Fujieda,et al.,Remote atomic clocksynchronization via satellites and optical fibers,Adv.RadioSci.,9(1):1-7,2011

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种突破后向瑞利散射噪声和色散限制的高精度时分复用光纤双向时间比对方法与系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于环回法(Round-trip)的高精度光纤双向时间传递方法，包括：通过第一光纤时间同步单元在本地定时信息有效时向第二光纤时间同步单元发送携带本地定时信息(如：1PPS，5PPS，10PPS)、Round-trip测量的时时间差和时间信息的时间码；第二光纤时间同步单元检测第一时间同步单元发送过来的定时信息，检测到的定时信息分为两路：一路经延时调整后编码到时间码中发送给第一光纤时间同步单元；另一路经过传输时延补偿与第一光纤时间同步单元定时信息同步，完成时间的传递。传输时延补偿量根据第一光纤时间同步单元Round-trip测量的时间差和第二光纤时间同步单元延时调整量计算得到。

具体步骤如下：

①当第一光纤时间同步单元检测到本地定时信息时，通过光纤链路向第二光纤时间单元发送携带本地定时信息(如：1PPS，5PPS，10PPS)、Round-trip测量的时间差和时间信息的时间码；

②第二光纤时间同步单元检测第一时间同步单元发送过来的定时信息，检测到的定时信息分为两路：一路经调整量为τ_B+τ_M(时间码的时长为τ_B，预留时分复用的冗余时间τ_M)后，编入时间码发给第一光纤时间同步单元；另一路经过传输时延补偿输出与第一光纤时间同步单元定时信息同步的定时信息。传输时延补偿量为其中_τ为第一光纤时间同步单元测量的Round-trip时间差、τ_d为第二光纤时间同步单元延时调整量、为第一光纤时间同步单元发送链路时延、为第一光纤时间同步单元接收链路时延、为第二光纤时间同步单元发送链路时延，为第二光纤时间同步单元接收链路时延。

本发明另一方面提供了一种基于环回法的高精度光纤双向时间传递系统，包括第一时间同步单元、双向光纤链路、第二时间同步单元。第一光纤时间单元与第二光纤时间单元通过光纤链路按基于环回法的高精度光纤双向时间传递方法所述的方法进行双向时间传递。

第一时间同步单元由第一光纤时间编解码模块、第一光收发模块、第一控制与处理模块、第一时间间隔测量模块、第一光开关模块和双向复用模块(如：环形器、耦合器)组成。第一控制与处理模块，用于控制第一时间编解码模块完成时间码的编码与解码、控制第一时间间隔测试模块测量本地定时信息与从第二时间同步单元接收到的定时信息间的时间差、控制第一光开关模块开关发送到光纤链路中的光信号；第一时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码；第一时间间隔测试模块，用于测试第一光纤时间同步单元时间编解码模块解码输出的定时信号与第一时间同步单元本地定时信号间的时间差；第一光收发模块，用于将来自光纤链路的光信号转换为电信号，传给第一时间编解码模块；以及将第一时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上，并发送至第一双向复用模块；第一光开关模块，用于第一光收发模块发送到光纤链路中光信号的开关控制；第一双向复用模块，用于使第一光收发模块通过同一根光纤发送和接收光信号。

第二时间同步单元由第二光纤时间编解码模块、第二光收发模块、第二控制与处理模块、时延调整模块、时延补偿模块、第二时间间隔测量模块、第二光开关模块和双向复用模块(如：环形器、耦合器)组成。第二控制与处理模块，用于控制第二时间编解码模块完成时间码的编码与解码、控制第二时间间隔测试模块测量本地定时信息与从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息间的时间差、控制第二光开关模块发送到光纤链路中的光信号的开关；第二时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码；第二时间间隔测试模块，用于测量第二光纤时间同步单元时间编解码模块解码输出的定时信号与经时延调整模块调整后的定时信号间的时间差；第二光收发模块，用于将来自光纤链路的光信号转换为电信号，传给第二时间编解码模块；以及将第二时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上，并发送至第二双向复用模块；第二光开关模块，用于第二光收发模块发送到光纤链路中光信号的开关控制；第二双向复用模块，用于使第二光收发模块通过同一根光纤发送和接收光信号；时延调整模块，用于调整从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息完成双向时间复用；时延补偿模块，用于调整从第一光纤时间同步单元接收到的定时信息。实现传输时延补偿，使之与第一光纤时间同步单元本地定时信息同步。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，在Round-trip时间传递的基础上，通过结合时分复用技术，有效的克服了光纤的后向散射对双向时间传递精度的影响，同时提高双向时间传递时延的对称性。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图2是实施例的光纤时间传递工作过程示意图。

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1为实施例的结构示意图，如图所示，双向光放大器和光纤构成光纤传递链路2。第一光纤时间同步单元1位于光纤链路2的一端，第二光纤时间同步单元3位于光纤链路2的另一端。

当第一光纤时间同步单元第一控制与处理模块1-1在检测到本地定时信息时，控制第一光纤时间编解码模块1-2进行时间码的编码。编码后的时间码携带第一光纤时间同步单元的定时信息、时间信息和第一光纤时间间隔测量模块1-3测得的round-trip时间差。同时，打开第一光开关模块1-5。编码后的时间码通过第一光收发模块1-4转换为光信号，光信号通过光纤链路2向第二光纤时间单元发送时间码，发送完时间码后第一控制与处理模块1-1控制第一光开关模块1-5关闭光开关。

第二光纤时间同步单元的第二控制与处理模块3-1控制时延调整模块3-6，延时调整从接收到的第一单元时间码中恢复出的定时信息，第二光纤时间同步单元延时调整量为τ_d(大于τ_B+τ_M，τ_B为时间码的时长，τ_M为预留时分复用的冗余时间)。第二光纤时间同步单元延时调整量τ_d由第二时间间隔测量模块3-3精确测量。当检测到从时延调整模块3-6输出的定时信息有效时，第二控制与处理模块3-1控制第二光纤时间编解码模块3-2编码携带第二光纤时间同步单元定时信息的时间码，并打开第二光开关模块3-5。编码后的时间码通过第二光收发模块3-4转换为光信号，通过光纤链路2发送给第一光纤时间单元。发送完时间码后第二控制与处理模块3-1控制第二光开关模块3-5关闭光开关。

第一光纤时间同步单元接收第二时间同步单元发送过来的时间码，并由第一时间编解码模块1-2恢复出第二光纤时间同步单元定时信息。第一时间间隔测量模块1-3测量恢复出的第二光纤时间同步单元的定时信息与第一光纤时间同步单元本地定时信息的时间差τ。在本地定时信息有效时，第一时间编解码模块1-2将时间差τ编到时间码中与本地定时信息一起发给第二光纤时间同步单元。

第二光纤时间同步单元第二控制与处理模块3-1根据来自第一光纤时间同步单元的时间码中携带的时间差τ、第二光纤时间同步单元延时调整量τ_d、第一光纤时间同步单元发送链路时延第一光纤时间同步单元接收链路时延第二光纤时间同步单元发送链路时延和第二光纤时间同步单元接收链路时延计算单向时间传输的时延第二控制与处理模块3-1根据计算的结果控制时延补偿模块3-8延时调整接收到的定时信息，使该定时信息与第一光纤时间同步单元本地定时信息同步，完成时间的传递。

Claims (3)

1.一种基于环回法的高精度光纤双向时间传递方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、当第一光纤时间同步单元检测到本地定时信息时，进行时间码的编码，并通过光纤链路向第二光纤时间单元发送该时间码；

步骤2、第二光纤时间同步单元接收第一时间同步单元发送过来的时间码，从中恢复出第一光纤时间同步单元的定时信息、第一光纤时间同步单元测量的时间差，将恢复出的第一光纤时间同步单元的定时信息延时τ_d后，编码到时间码中并发送给第一光纤时间同步单元；

步骤3、第一光纤时间同步单元接收第二时间同步单元发送过来的时间码，恢复出定时信息，测量恢复出的第二光纤时间同步单元的定时信息与第一光纤时间同步单元本地定时信息的时间差τ，并将其编到时间码中与本地定时信息一起发给第二光纤时间同步单元；

步骤4、第二光纤时间同步单元从接收到的第一时间同步单元时间码中恢复出的第一光纤时间同步单元的定时信息进行传输延时补偿，得到与第一光纤时间同步单元本地定时信息同步的定时信息；第二光纤时间同步单元计算传输时延补偿的公式如下：

${\mathrm{\&tau;}}_{12}=(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_d)/2+({\mathrm{\&tau;}}_T^1+{\mathrm{\&tau;}}_R^2-({\mathrm{\&tau;}}_R^1+{\mathrm{\&tau;}}_T^2))/2$

其中，分别为第一光纤时间同步单元发送和接收链路时延，分别为第二光纤时间同步单元发送和接收链路时延，τ_d由第二光纤时间同步单元的时间间隔计数器测得；通过设备标定得到。

2.根据权利要求1所述的基于环回法的高精度光纤双向时间传递方法，其特征在于，所述的第一光纤时间同步单元的定时信息延时τ_d大于τ_B+τ_M，其中，τ_B为时间码的时长，τ_M为预留时分复用的冗余时间。

3.一种实施权利要求1所述的基于环回法的高精度光纤双向时间传递方法的高精度光纤时间同步系统，包括第一光纤时间同步单元(1)、光纤链路(2)和第二光纤时间同步单元(3)，其特征在于，

所述的第一光纤时间同步单元(1)由第一控制与处理模块(1-1)、第一光纤时间编解码模块(1-2)、第一光纤时间间隔测量模块(1-3)、第一光收发模块(1-4)、第一光开关模块(1-5)和第一双向复用模块(1-6)组成；

所述的第一控制与处理模块，用于控制第一光纤时间编解码模块完成时间码的编码与解码、控制第一光纤时间间隔测试模块测量本地定时信息与从第二光纤时间同步单元接收到的定时信息间的时间差、控制第一光开关模块实现发送到光纤链路中光信号的开关控制；

所述的第一光纤时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码；

所述的第一光纤时间间隔测试模块，用于测试第一光纤时间同步单元时间编解码模块解码输出的定时信号与第一光纤时间同步单元本地定时信号间的时间差；

所述的第一光收发模块，用于将来自光纤链路的光信号转换为电信号，传给第一光纤时间编解码模块；以及将第一光纤时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上，并发送至第一双向复用模块；

所述的第一光开关模块，用于第一光收发模块发送到光纤链路中光信号的开关控制；

所述的第一双向复用模块，使第一光收发模块通过第一光开关模块发送的光信号和从光纤链路中接收到的光信号复用在同一根光纤中传输；实现发送和接收光信号在同一根光纤上的双向传输；

所述的第二光纤时间同步单元(3)由第二控制与处理模块(3-1)、第二光纤时间编解码模块(3-2)、第二光纤时间间隔测量模块(3-3)第二光收发模块(3-4)、第二光开关模块(3-5)、时延调整模块(3-6)、时延补偿模块(3-8)和第二双向复用模块(3-7)组成；

所述的第二控制与处理模块，用于控制时延调整模块、第二光纤时间编解码模块、第二光纤时间间隔测试模块、第二光开关模块，完成与第一光纤时间同步单元的分时双向时间传递控制；以及计算钟差，并控制时延补偿模块，实现传输延迟的补偿；

所述的第二光纤时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码；

所述的第二光纤时间间隔测试模块，用于测试第二光纤时间编解码模块解码输出的定时信号与经时延调整模块调整后的定时信号间的时时间差；

所述的第二光收发模块，用于将来自光纤通路的光信号转换电信号，传给时间编解码模块；以及将时间码调制到光信号上沿光纤链路发送；

所述的第二光开关模块，用于第二光收发模块发送到光纤链路中光信号的开关控制；

所述的时延调整模块，在第二控制与处理模块的控制下调整本地定时信息的延时；

所述的时延补偿模块，在第二控制与处理模块的控制下调整接收到的第一光纤时间同步单元的定时信息的延时，补偿单向链路传输的时延；

所述的第二双向复用模块，用于实现发送和接收光信号在同一根光纤上的双向传输。