CN106034003B - 基于双纤传递超精密时间频率信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及时间同步技术领域，本发明公开了一种基于双纤传递超精密时间频率信号的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、在网元设备的每个主站和从站均设置超精密时间频率传递单元，所述超精密时间频率传递单元比对主站时钟和从站时钟，分别得到收、发两根光纤的传输时延T₁和T₂；步骤二、判断两根光纤的传输时延差是否大于设定的阈值，是，则进入步骤三启动光纤时延均衡补偿模块，否则完成；步骤三、判断T₁和T₂的大小，光纤时延均衡补偿模块对T₁和T₂中时延小的值进行补偿，使得T₁和T₂的差值小于或者等于设定的阈值。通过在每个网元都配置超精密时间频率传递单元，从而检测出收、发两根光纤的时延，当时延差大于设定的阈值时，进行补偿，从而提高时间传递的精度。

Description

基于双纤传递超精密时间频率信号的方法

技术领域

本发明涉及光通信及时间同步技术领域，尤其涉及一种基于双纤传递超精密时间频率信号的方法。

背景技术

国内对于光纤时间传递的设想和研究最早是由国家授时中心于2003年提出的，提出了可以用光纤TV信道或者扩频技术进行超精密的光纤时间传递。华东电网公司和国网电力科学研究院联合2006年在国内率先开展了利用SDH光通信网络传递超精密标准时间和利用SDH光通信网实现电网时间统一系统的研究工作。信息产业部(现归为工业和信息化部)电信研究院和中国科学院国家授时中心也对使用SDH业务传递时间频率信息进行了研究，其时间同步不确定度在±5μs(微秒)左右。国内基于SDH光通信网的超精密地面授时的研究，多集中在利用SDH的E1业务信道进行地面授时信号的传递，缺乏对SDH网元时钟特性的深入研究，尤其是在长距离、多节点、网元时钟故障等情况下的授时精度和保障精度、以及同步效果的检测方面存在不足。

国外在20世纪80年代后期就开始研究利用光纤来传递时间信息进行时间同步。日本电力研究所在2000年提出利用SDH的段开销中的DCC通道来实现标准时间传递，通过在SDH传输设备和时钟供给设备上附加时间同步设备，在有四个节点的实验网络中达到了微秒量级的精度。欧洲时间频率论坛在90年代提出利用SDH的段开销SOH来实现标准时间的地面传递，使用双向时间传递技术，时间精度实验室可达亚毫微秒量级。国内外的研究工作虽然都取得了长足的进步，但是还存在一些关键的技术问题没有解决，其中包括：(1)利用SDH网授时存在着光纤物理链路不对称性和指针调整等因素，使得授时精度不高，所以无法实现纳秒(ns)级的超精密时间信号的传递；(2)基于SDH传送网的时间传输系统，时间信息可以嵌入SDH的业务，也可以嵌入SDH的复用段开销字节(MSOH)，然而，这两种方式都无法同时满足长距离和超精密的要求。在SDH网络上可以利用业务信道或者开销信道来传送时间信号。第一种方法是利用SDH的业务信道传递时间信号，时间信号在起始节点通过SDH业务信道送进分插复用设备(ADM)，经过映射、定位、复用等过程，装载进STM-N信号进行传输。在接收端通过一系列逆变换，还原出时间信号。第二种方法是通过SDH帧结构中预留的开销字节传递时间信号。时间信号在起始点插入到开销信道进行传输，在目的节点将开销信号还原得到时间信号。上述两种方法虽然都可以通过SDH网络传递时间信号，但是大量的实验数据表明，由于SDH映射时的码速调整和定位时的指针调整都会引入抖动，上述方法不仅时间传递精确度不高，只能达到几十微秒，而且传输距离也受限，无法满足远距离传输的要求。这是因为SDH网元虽然能够以频率同步的方式收发数据，但是每个网元在处理数据时引入的时延并不相同，而且随着传输链路上SDH网元数量的增加，时间传递误差还会进一步加大。因此，上述两种方法都没有从根本上解决SDH超精密时间频率信号传递的问题，存在一定的缺陷并且有较大的误差。在分组传送网(PTN)中，普遍采用IEEE 1588v2协议来提高时间基准的传递精度，可以使时间传递精度达到几十纳秒。但是，IEEE 1588v2的理论基础是假定传递时间信号的两根光纤的长度相同，从而建立的传输时延计算和时延补偿的数学模型，但这种假设是不符合实际情况的。因为在实际情况下，双向传递时间信号的两根光纤的长度往往并不相同，导致了时延非对称差值难以补偿，影响了时间信号的传递精度。

在光同步数字体系(SDH)中，两台SDH网元设备之间普遍采用双纤作为收发通道进行双向通信。对于从A→B的SDH网元设备之间的两根光纤，虽然是同一条光缆中的两根光纤，但是两根光纤的实际长度是不相等的，因此光信号在两根光纤中的传输时延是不同的。与此同时，光纤的传输时延还会随着环境温度的变化而变化，光纤的老化也会引起光纤传输时延值的变化。例如1000km的长途骨干光纤网络，温度上升1℃就有40ns的漂移累积变化，上升25℃就有＞1000ns的漂移累积变化。因此，光纤的传输时延和老化是影响超精密时间频率基准信号传递的主要原因。光纤时延值的日波动、月漂移累积、年漂移累积和老化等随机变化都会对光纤传递超精密时间频率信号产生负面影响，无法满足光纤传递的时间精度≤1微秒(μs)的技术指标，这意味着利用SDH光通信网络无法实现长距离双纤传递超精密时间频率基准。在分组传送网(PTN)中，由于采用IEEE 1588v2协议的理论基础是假定传递时间信号的两根光纤的长度相同，而实际情况下传递时间信号的两根光纤的长度并不相同，因此，存在着难以克服的时延非对称差值，无法提高时间基准信号的传递精度。

发明内容

针对现有技术中的时间频率信号传递方法存在因为两根光纤的长度不同以及老化等问题，导致传递精度差的技术问题，本发明公开了一种基于双纤传递超精密时间频率信号的方法。

本发明的发明目的通过下述技术方案来实现：本发明公开了一种基于双纤传递超精密时间频率信号的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、在网元设备的每个主站和从站均设置超精密时间频率传递单元，所述超精密时间频率传递单元比对主站时钟和从站时钟，分别得到收、发两根光纤的传输时延T₁和T₂；步骤二、判断两根光纤的传输时延差是否大于设定的阈值，是，则进入步骤三启动光纤时延均衡补偿模块，否则完成；步骤三、判断T₁和T₂的大小，光纤时延均衡补偿模块对T₁和T₂中时延小的值进行补偿，使得T₁和T₂的差值小于或者等于设定的阈值。通过在每个网元都配置超精密时间频率传递单元，从而检测出收、发两根光纤的时延，当时延差大于设定的阈值时进行补偿，从而提高时间频率信号传递的精度。

更进一步地，上述方法还包括：超精密时间频率传递单元通过在主从站分别测量传输时延，可分别得到两根光纤上的传输时间，进而得到两条光纤上的传输时延，同时采用返回校验验证，验证从站时钟的准确度，通过双向光纤将从站时钟信号返回至主站进行比对校验。

更进一步地，上述补偿具体为：对两根光纤的传输时延差值的修正，加长了10m的光纤，则补偿模块应减小50ns。

更进一步地，上述方法还包括当时延差大于设定的时间阈值时，先用尾纤进行补偿，然后采用光纤时延均衡补偿模块进行补偿。

更进一步地，上述还包括当T₁和T₂的差值小于或者等于设定的阈值之后，人工将两根光纤连接在SDH的光接口上。

更进一步地，上述方法还包括选用不同步长的光纤时延均衡补偿模块，将光纤时延变化控制在±2ns/年～±10ns/年。

更进一步地，上述方法用于实现对SDH设备时钟(SEC)的时间同步。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果是：通过在每个网元都配置超精密时间频率传递单元，从而检测出收、发两根光纤的时延，当时延差大于设定的阈值时，进行补偿，从而提高时间频率信号传递的精度。

附图说明

图1为SDH双纤传递超精密时间频率信号示意图。

图2为某城市的光纤的温度随时间变化的日波动曲线。

图3为采用长度为100km的架空光缆，其相位随温度变化的日波动曲线图。

图4为100km长度的光纤温度随时间变化的理论图。

图5为100km长度的光纤随温度变化的理论相位偏离曲线图。

图6为常温下A站时间间隔偏差。

图7为变温下A站时间间隔偏差。

图8为常温下B站时间间隔偏差。

图9为变温下B站时间间隔偏差。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种基于双纤传递超精密时间频率信号的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、在网元设备的每个主站和从站均设置超精密时间频率传递单元，所述超精密时间频率传递单元比对主站时钟和从站时钟，分别得到收、发两根光纤的传输时延T₁和T₂；步骤二、判断两根光纤的传输时延差是否大于设定的阈值，是，则进入步骤三启动光纤时延均衡补偿模块，否则完成；步骤三、判断T₁和T₂的大小，光纤时延均衡补偿模块对T₁和T₂中时延小的值进行补偿，使得T₁和T₂的差值小于或者等于设定的阈值。通过在每个网元都配置超精密时间频率传递单元，从而检测出收、发两根光纤的时延，当时延差大于设定的阈值时，进行补偿，从而提高时间频率信号传递的精度。

如图1所示的本发明的SDH双纤传递超精密时间频率信号示意图。其中A1为主站的超精密时间频率传递单元(可以采用型号为TWOTFT的超精密时间频率传递单元)，A2为主站的SDH网元设备(在本实施例中为分插复用器ADM，型号为SDH的光传输设备TranSmart-SCT600)，A3为主站SDH网元设备的同步时钟源(SEC):即SDH网元时钟的简称(SDHEquipment Slave Clocks)，原有SEC(网元时钟)精度不高，通过加入本专利设备A1和A4(图1中的A1和A4)后，能将两站间时间和频率同步精度提高。A4为从站的超精密时间频率传递单元(可与主站设备相同型号，也可以不同)，A5为从站的SDH网元设备(可与主站设备相同型号，也可以不同)，A6为从站SDH网元设备的同步时钟源(SEC)。主站和从站之间通过两根光纤连接，一根光纤(1#光纤)传送由主站到从站的STM-N光信号，另一根光纤(2#光纤)传送由从站到主站的STM-N光信号。

基于以上的结构，本发明的具体步骤如下：

在SDH(或PTN)网元设备的所有站点，配置超精密时间频率传递单元，该设备通过在主从站分别测量传输时延，可得到两根光纤上分别的传输时间，进而得到两条光纤上的时延差，同时采用返回校验验证，验证从站时钟的准确度，通过双向光纤将从站时钟信号返回至主站进行比对校验。并且对光纤时延进行在线监测以及自动锁定和均衡补偿。

补偿的意图是完成对两根光纤时延差值的修正，补偿网络是用于因加入传输节点(对传递单元和光纤等)而引起的时延变化量进行修正，例如加长了10m的光纤，则补偿网络应减小4.897ns/m×10m≈50ns。

更进一步地，上述方法还包括光纤时延测量完成，当完成两根光纤时延差异补偿后，将此刻的传输延迟量作为标准量，即锁定此时的传输延迟。通过上述锁定的方法消除时延的波动和异常变化。

超精密时间频率传递单元通过E1接口(或以太网接口)与SDH(或PTN)设备的网元时钟接口相连接。E1,即以太网接口，在超精密时间频率传递单元中都具有，用于与SDH和PTN设备接驳，其中E1接口用于连接SDH设备，以太网接口用于连接PTN设备相连接。

利用每个SDH(或PTN)站点配置的超精密时间频率传递单元分别测量出一对光纤中的两根光纤的时延值，然后采用尾纤(尾纤补偿和补偿网络的补偿都是对传输不对称的补偿，尾纤属于“硬补偿”，即补偿量是固定的；如10m的尾纤提供4.897ns/m×10m≈50ns的补偿量；而补偿网络属于“软补偿”，即可动态调节补偿量；两者的区别是，尾纤补偿用于时延误差较大的情况(超过1ms(毫秒))，补偿网络用于小于1ms(毫秒)的时延变化)。将两根光纤的时延差值进行补偿，使其满足＜0.1ns，再将两根光纤人工连接在SDH的光接口上，在两站之间形成超精密时间频率传递环路。

为了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SDH(或PTN)设备的时延变化和光器件的老化等对光纤时延产生的负面影响，在每个SDH(或PTN)站点配置不同步长的数字程控“零衰耗”光纤时延均衡补偿网络，即可将光纤时延变化控制在预定的范围之内，实现了基于SDH(或PTN)双纤的超精密时间频率的传递。例如：选用1ns～5ns不同步长(步长是指系统内数字量化的最小刻度，主要由器件的等级和价格因素决定)的数字程控“零衰耗”光纤时延均衡补偿网络，可以分别将光纤时延变化控制在±2ns/年～±10ns/年的范围内。通过设置不同等级的步长，即可控制内置的计数器翻转时间间隔，从而达到度量不同时间间隔的效果，如2ns步长的计数器可实现对2ns以上时间变化量的测量，进而实现控制；而10ns步长的计数器就只能分辨10ns以上的时间变化量，因此也只能做出10ns“尺度”的控制。

在现有的光同步数字体系(SDH)和分组传送网(PTN)下，基于光纤时延在线监测技术，采用在SDH(或PTN)网元配置超精密时间频率传递单元以及在从站增加零衰耗可程控光纤时延均衡补偿网络的方法，即可完成对光纤传输时延的自动锁定及均衡补偿。基于SDH(或PTN)的双纤传递超精密时间频率基准参考信号，将时延变化牢牢控制在规定的范围内(比如±10ns)的同时，使光端机的Ta发、Tb发、Ta收、Tb收采用“时间基准落地定标”共视比对(或相对比对)技术修正补偿，用1PPS+E1使SEC时钟也与时间基准同步。本专利的方法除了可以完成对光纤传输时延的补偿外，也可实现对SEC设备的时间同步即可实现超精密的时间频率同步。

如图1构成基于SDH的双纤超精密时间频率基准传递环路后，可完成光纤时延值变化在线监测和控制性能实时测量。

某城市的光纤(以架空光缆为例)的温度随时间变化的日波动曲线如图2所示。在72小时中，光纤的温度在0～20度之间进行变化。

图3为采用长度为100km的架空光缆，其相位随温度变化的日波动曲线图。(此处的相位是1PPS(1秒脉冲信号)的上升沿信号；等同于时间传递的精度)

以图2和图3所示的光纤温度随时间的变化以及100km长度的光纤相位随温度的变化为基础，采用本发明所述方法在实验室进行环境仿真测试，光纤的温度变化从+22℃～+60℃～－40℃，100km长度的光纤温度随时间变化的理论图如图4所示。

图5为当温度变化从+22℃～+60℃～－40℃时，100km光纤随温度变化的理论相位偏离曲线。

经过实验室环境仿真测试结果表明，当环境温度变化范围从+22℃～+60℃～－40℃时，采用本发明的方法，将光纤的时延变化补偿后，超精密时间频率基准信号经过100km光纤从A站传递到B站，其时间偏差≤20ns(即≤±10ns)。

通过上述仿真试验，得到A、B两站在常温以及变温下的时间间隔偏差。图6为常温下A站时间间隔偏差，图7为变温下A站时间间隔偏差，图8为常温下B站时间间隔偏差，图9为变温下B站时间间隔偏差。从图中可以看出，A、B两站的时间间隔偏差都≤±10ns。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其它实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于双纤传递超精密时间频率信号的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、在网元设备的每个主站和从站均设置超精密时间频率传递单元，所述超精密时间频率传递单元比对主站时钟和从站时钟，分别得到收、发两根光纤的传输时延T₁和T₂；步骤二、判断两根光纤的传输时延差是否大于设定的阈值，是，则进入步骤三启动光纤时延均衡补偿模块，否则完成；步骤三、判断T₁和T₂的大小，光纤时延均衡补偿模块对T₁和T₂中时延小的值进行补偿，使得T₁和T₂的差值小于或者等于设定的阈值；所述方法还包括：超精密时间频率传递单元通过在主从站分别测量传输时延，可分别得到两根光纤上的传输时间，进而得到两条光纤上的传输时延，同时采用返回校验验证，验证从站时钟的准确度，通过双向光纤将从站时钟信号返回至主站进行比对校验；所述补偿是指当时延差大于设定的时间阈值时，先用尾纤进行补偿，然后采用光纤时延均衡补偿模块进行补偿。

2.如权利要求1所述的基于双纤传递超精密时间频率信号的方法，其特征在于所述补偿具体为：对两根光纤的传输时延差值的修正，加长了10m的光纤，则补偿模块的时延补偿值应减小50ns。

3.如权利要求1所述的基于双纤传递超精密时间频率信号的方法，其特征在于所述方法还包括当T₁和T₂的差值小于或者等于设定的阈值之后，人工将两根光纤连接在SDH或PTN的光接口上。

4.如权利要求1所述的基于双纤传递超精密时间频率信号的方法，其特征在于所述方法还包括选用不同步长的光纤时延均衡补偿模块，将光纤时延变化控制在±2ns/年～±10ns/年。

5.如权利要求1所述的基于双纤传递超精密时间频率信号的方法，其特征在于所述方法用于实现对SDH设备时钟SEC或PTN的时间同步。