單纖特高精度時間傳遞方法
【專利摘要】為解決現有光纖通信網絡時間頻率同步技術存在的對光纖傳輸時延的緩慢變化無法控制和不能解決極其緩慢的時延漂移和漂移累積等問題，本發(fā)明提出一種單纖特高精度時間傳遞方法，在同一根光纖的兩端分別連接單纖雙向光收發(fā)模塊、時延處理模塊和主時間同步設備或從時間同步設備，并在主時間同步設備側連接有銫原子鐘；采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償。本發(fā)明的有益技術效果是解決了現有技術不能消除光纖傳輸時延隨著時間、溫度、光纖老化等極其緩慢的變化而產生的漂移和漂移累積等問題，可以將時間同步精度控制在±5ns的范圍之內，可以任意形式組網，且具有良好的市場前景和顯著的經濟效益。
【專利說明】單纖特高精度時間傳遞方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到光纖通信網絡時間頻率同步技術，特別涉及到一種單纖特高精度時間傳遞方法。
【背景技術】
[0002]隨著光纖通信技術的不斷發(fā)展，極其精準的時間頻率同步技術(< Ins、(1E-13 /天，即比現有的時間頻率精度高100倍)已成為全世界時間頻率研究的前沿課題。而目前運行的時間頻率同步網，由于時間頻率信號在光纖通信網絡傳遞的過程中損傷較大，因此，很難實現特高精度的時間頻率同步。目前，光同步數字體系SDH網絡作為傳送網，在我國的通信、電力和國防行業(yè)中占有很大的比重，因此，國內開展的關于時間頻率同步技術的很多研究工作都是針對SDH網絡的。國內對基于SDH的時間同步技術的研究已經開展了許多工作，發(fā)表的文獻包括《現代電信科技》的“利用SDH實現高精度時間同步”；《電力系統通信》的“SDH光通信系統El通道時間傳遞特性測試分析”；《華東電力》的“SDH系統傳遞時間技術的研究”;《現代電子技術》的“基于SDH傳輸體制的時統信號傳輸特性研究”等。這類技術主要采用了利用SDH的業(yè)務通道或者開銷通道來傳遞時間信號的方法，但是，由于SDH網元固有的指針調整、雙向時延非對稱等因素，這類方法難以實現高精度時間信號的傳遞。為了進一步提高時間傳遞的精度，國內也提出了一些有益的方法并取得了相關的發(fā)明專利。例如，公布號為CN101977105A，名稱為“一種時間延遲不對稱差值自動動態(tài)補償方法”的發(fā)明專利。采用該專利所述的方法可以使主站至從站的UTC時刻相對偏差維
持在在^Et;+Cp1(T) (ns )之內，但專利所述方法在實際應用中除了誤差較大外，還存在著對
光纖傳輸時延的緩慢變化(指松耦合等效濾波帶內的漂移)無法控制的現象，以及實現自動動態(tài)補償的電路比較復雜等缺陷。又如，公布號為CN102916743A，名稱為“一種時間延遲不對稱差值精準測量的方法”的發(fā)明專利。該專利通過三維時間坐標點算法，在實驗室摸擬實驗中，可以使主站至從站同步精度達到相對頻率偏差< ±5E-14 /天和E0< ±2ns /天，相對時間間隔偏差< ±20ns /天。但是，該方法存在著光纖時延的變化較大(< ±20ns /天)，且不能解決由于光纖時延隨溫度變化產生日波動、月波動、年波動和光纖老化漂移導致的極其緩慢的時延漂移和漂移累積的問題。
[0003]顯然，現有光纖通信網絡時間頻率同步技術存在著由于SDH網元固有的指針調整、雙向時延非對稱等因素，難以實現高精度時間信號的傳遞，以及對光纖傳輸時延的緩慢變化無法控制，實現自動動態(tài)補償的電路比較復雜和不能解決極其緩慢的時延漂移和漂移累積等問題。

【發(fā)明內容】

[0004]為解決現有光纖通信網絡時間頻率同步技術存在的由于SDH網元固有的指針調整、雙向時延非對稱等因素，難以實現高精度時間信號的傳遞，以及對光纖傳輸時延的緩慢變化無法控制，實現自動動態(tài)補償的電路比較復雜和不能解決極其緩慢的時延漂移和漂移累積等問題，本發(fā)明提出一種單纖特高精度時間傳遞方法。本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法在同一根光纖的兩端分別連接單纖雙向光收發(fā)模塊、時延處理模塊和主時間同步設備或從時間同步設備，并在主時間同步設備側連接有銫原子鐘；采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償；其中，
[0005]主時間同步設備跟蹤銫原子鐘，其跟蹤精度為±lns ;將帶有時間信號的IPPS幀頭信號調制/解調到單纖雙向光收發(fā)模塊上；并進行總時延測量和時間信號雙向比對；
[0006]從時間同步設備能實現鐘的鎖相跟蹤，實現特高精度時間同步，以及時間信號的編解碼；
[0007]時延處理模塊能夠測定信號傳輸時延，進行傳輸時延的動態(tài)補償，消除波長不同造成的不對稱差值；
[0008]另外，通過短時間內進行多次重復測量及補償濾除光纖傳遞過程中引入的抖動噪聲；通過間斷性的總時延測試去除由于溫度和老化而產生的時延偏差。
[0009]進一步的，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法單纖雙向光收發(fā)模塊的適用波長為850nm ~2000nm。
[0010]進一步的，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，包括以下步驟:
[0011](I)將主時間同步設備M跟蹤銫原子鐘，其跟蹤精度為±lns ;將帶有時間信號的IPPS幀頭信號調制/解調到單纖雙向光收發(fā)模塊上；
[0012](2)從時間同步設備S進行頻率同步，其跟蹤精度為1E-13/天；
[0013](3)測定總時延值，并通過下式計算主從時延Tab，主站通過移相網絡將時間信息提前TAB，由此，同步時間精度可達到±5ns ；
[0014]C- Tab + Tba -( Tass + Taba^ + Tbsr ) +( Tbss + Tbai^ + Tasr )(I)
[0015]式中，Tab為主站到從站的時延，Tba為從站到主站的時延，Tass為主站設備內發(fā)送時延，tAB;'為主站到從站的光纖傳輸時延，Tbsk為從站設備內接收時延，Tbss為從站設備內發(fā)送
時延，tBAI1為從站到主站的光纖傳輸時延，Tase為主站設備內接收時延；所述主站包括主時間同步設備M、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備S、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊；
[0016](4)從站長時間地進行頻率同步和時間同步，確保能夠得到準確的IPPS信號。
[0017]進一步的，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法通過短時間內進行多次重復測量及補償濾除光纖傳遞過程中引入的抖動噪聲，包括采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，并在I秒內進行80次以上的測量。
[0018]進一步的，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法通過間斷性的總時延測試去除由于溫度和老化而產生的時延偏差，包括采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，且間隔時間為500秒以上。
[0019]進一步的，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法將主站和二個以上的從站兩兩連接形成環(huán)型網，并在路由設置中增加路由算法使得時間同步信息源選擇最短路徑且設置直達路由；所述主站包括主時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述直達路由是指將主、從站之間的中間設備設置為只實現光/電/光的直通。
[0020]進一步的，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法將主站和二個以上的從站串聯連接形成鏈型網，并在路由設置中增加路由算法使得時間同步信息源選擇主站且設置直達路由；所述主站包括主時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述直達路由是指將主、從站之間的中間設備設置為只實現光/電/光的直通。
[0021]本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法的有益技術效果是解決了現有技術不能消除光纖傳輸時延隨著時間、溫度、光纖老化等極其緩慢的變化而產生的漂移和漂移累積等問題，可以將時間同步精度控制在±5ns的范圍之內，可以任意形式組網，且具有良好的市場前景和顯著的經濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]附圖1是本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法點到點結構示意圖；
[0023]附圖2是本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法環(huán)型網結構示意圖；
[0024]附圖3是本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法鏈型網結構示意圖。
[0025]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法作進一步的說明。
【具體實施方式】
[0026]附圖1是本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法點到點結構示意圖，圖中，I為主時間同步設備，2為從時間同步設備，3為單纖雙向光收發(fā)模塊，4為時延處理模塊，5為銫原子鐘，M為主站，S為從站。由圖可知，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法在同一根光纖的兩端分別連接單纖雙向光收發(fā)模塊3、時延處理模塊4和主時間同步設備I或從時間同步設備2，并在主時間同步設備I側連接有銫原子鐘5 ;采用主、從時間同步設備(1，2)之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償；其中，
[0027]主時間同步設備跟蹤銫原子鐘，其跟蹤精度為±lns ;將帶有時間信號的IPPS幀頭信號調制/解調到單纖雙向光收發(fā)模塊上；并進行總時延測量和時間信號雙向比對；
[0028]從時間同步設備能實現鐘的鎖相跟蹤，實現特高精度時間同步，以及時間信號的編解碼；
[0029]時延處理模塊能夠測定信號傳輸時延，進行傳輸時延的動態(tài)補償，消除波長不同造成的不對稱差值；
[0030]另外，通過短時間內進行多次重復測量及補償濾除光纖傳遞過程中引入的抖動噪聲；通過間斷性的總時延測試去除由于溫度和老化而產生的時延偏差。
[0031]本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法采用單纖雙向光收發(fā)模塊和單根光纖實現雙向傳輸，而不使用傳統的光同步數字體系SDH傳遞時間，只需占用光纖傳輸網絡中的一根光纖，保證了物理上的光纖長度高度對稱。利用光纖時延在線監(jiān)測技術，結合光纖時延自動鎖定和動態(tài)補償技術，將光纖時延的變化恒定地鎖定和控制在±5ns的范圍之內，從而實現了特高精度的時間傳遞。顯然，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法單纖雙向光收發(fā)模塊的適用波長為850nm~2000nm。
[0032]本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，包括以下步驟:
[0033](I)將主時間同步設備跟蹤銫原子鐘，其跟蹤精度為±lns ;將帶有時間信號的IPPS幀頭信號調制/解調到單纖雙向光收發(fā)模塊上；在本實施例中，發(fā)射光波長為1550nm，接收光波長為1310nm。
[0034](2)從時間同步設備進行頻率同步，其跟蹤精度為1E-13/天；
[0035](3)測定總時延值，并通過下式計算主從時延Tab，主站通過移相網絡將時間信息提前TAB，由此，同步時間精度可達到±5ns ；
[0036]C= Tab + Tba =(Tiss + Taba^ + Tbsr ) +(Tbss + ΤΒΑλι + Tasr )(I)
[0037]式中，Tab為主站到從站的時延，Tba為從站到主站的時延，Tass為主站設備內發(fā)送時延，tABAi為主站到從站的光纖傳輸時延,Tbsk為從站設備內接收時延，Tbss為從站設備內發(fā)送
時延，tBAA2為從站到主站的光纖傳輸時延，Tasr為主站設備內接收時延；所述主站包括主時
間同步設備M、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備S、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊。通過對公式(I)的分析可以發(fā)現，主站或從站設備收發(fā)時延可以通過控制設備PCB走線等方式將設備內部的收發(fā)時間做成一致，而且可以是恒定
值(不超過20ns)。由于光纖傳輸時延受溫度和光纖老化等的影響，Tabai和2；#會不斷地變
化。溫度變化的影響可以轉化為長度對時延的影響，在單根光纖的情況下，光纖的老化對收發(fā)的影響近似對稱。存在的問題是如何解決波長不同造成光纖線路的不對稱時延值。根據G.652光纖中，群速度或群時延與波長的關系可以得到任意波長的群時延，通過時延處理模塊可以將由于波長不同造成的不對稱差值去除掉。通過在短時間內進行多次重復測量及補償可以有效地濾除光纖傳遞過程中引入的抖動噪聲。通過間斷性的總時延測試，能夠去除由于溫度和老化而產生的時延偏差。由上述可知，可以在任何時刻都能夠精準地測量出主、從站之間的時延Tab和Tba值，然后通過時延處理模塊可以將波長不對稱差值去掉。因此，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法通過短時間內進行多次重復測量及補償濾除光纖傳遞過程中引入的抖動噪聲，包括采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，并在I秒內進行80次以上的測量。本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法通過間斷性的總時延測試去除由于溫度和老化而產生的時延偏差，包括采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，且間隔時間為500秒以上。
[0038](4)從站長時間地進行頻率同步和時間同步，確保能夠得到準確的IPPS信號。
[0039]附圖2是本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法環(huán)型網結構示意圖，圖中，I為主時間同步設備，2為從時間同步設備，3為單纖雙向光收發(fā)模塊，4為時延處理模塊，5為銫原子鐘，M為主站，SI為第一從站，S2為第二從站。由圖可知，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法將主站和二個以上的從站兩兩連接形成環(huán)型網，并在路由設置中增加路由算法使得時間同步信息源選擇最短路徑且設置直達路由；所述主站包括主時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述直達路由是指將主、從站之間的中間設備設置為只實現光/電/光的直通。如圖2所示，SI可以直接和M進行時間同步，也可以和S2進行時間同步；同樣S2可以和M同步，也可以和SI進行時間同步，由此組成一個雙向時間同步網。同時，在路由設置中增加路由算法使得時間同步信息源選擇最短路徑，這樣SI會同步時間源M，S2也會同步時間源M，能夠減少經過多級傳遞而造成的累積誤差。一旦M和SI的光纖斷裂，SI會自動切換到同步S2的時間源，以確保光纖鏈路出現問題時，不會影響時間同步設備的正常輸出。另外，如果從M到S2中間有10臺時間同步設備，那么從M到S2要經過十級傳遞。如果采用逐級同步的話，時間到S2最大時間累積誤差為±16ns。而采用直達路由，通過網管配置，將主、從站之間的中間設備設置為只實現光/電/光的直通，由此，保證從站S2的時間同步精度也能夠達到±5ns。
[0040]附圖3是本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法鏈型網結構示意圖，圖中，I為主時間同步設備，2為從時間同步設備，3為單纖雙向光收發(fā)模塊，4為時延處理模塊，5為銫原子鐘，M為主站，SI為第一從站，S2為第二從站。由圖可知，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法將主站和二個以上的從站串聯連接形成鏈型網，并在路由設置中增加路由算法使得時間同步信息源選擇主站且設置直達路由；所述主站包括主時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述直達路由是指將主、從站之間的中間設備設置為只實現光/電/光的直通。如圖3所示，通過鏈型網組網，可以將高精度時間傳遞很遠，圖3中為兩級，實際網絡中可能會經過多級傳遞，使各級取得高精度的時間信息。同樣，鏈型網也可以通過設置直達路由的方式去除多級傳遞產生的抖動和漂移。
[0041]顯然，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法可以任意形式組網，包括鏈型網、樹型網、星型網和環(huán)型網，可以實現時間同步設備雙向保護倒換，確保設備輸出特高精度時間信
肩、O
[0042]顯然，本發(fā)明單纖特高精度時間傳遞方法的有益技術效果是解決了現有技術不能消除光纖傳輸時延隨著時間、溫度、光纖老化等極其緩慢的變化而產生的漂移和漂移累積等問題，可以將時間同步精度控制在±5ns的范圍之內，可以任意形式組網，且具有良好的市場前景和顯著的經濟效益。
【權利要求】
1.一種單纖特高精度時間傳遞方法，其特征在于:在同一根光纖的兩端分別連接單纖雙向光收發(fā)模塊、時延處理模塊和主時間同步設備或從時間同步設備，并在主時間同步設備側連接有銫原子鐘；采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償；其中， 主時間同步設備跟蹤銫原子鐘，其跟蹤精度為±lnS ;將帶有時間信號的IPPS幀頭信號調制/解調到單纖雙向光收發(fā)模塊上；并進行總時延測量和時間信號雙向比對； 從時間同步設備能實現鐘的鎖相跟蹤，實現特高精度時間同步，以及時間信號的編解碼； 時延處理模塊能夠測定信號傳輸時延，進行傳輸時延的動態(tài)補償，消除波長不同造成的不對稱差值； 另外，通過短時間內進行多次重復測量及補償濾除光纖傳遞過程中引入的抖動噪聲；通過間斷性的總時延測試去除由于溫度和老化而產生的時延偏差。
2.根據權利要求1所述單纖特高精度時間傳遞方法，其特征在于:單纖雙向光收發(fā)模塊的適用波長為850nm~2000nm。
3.根據權利要求1所述單纖特高精度時間傳遞方法，其特征在于:采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，包括以下步驟: (1)將主時間同步設備M跟蹤銫原子鐘，其跟蹤精度為±lns;將帶有時間信號的IPPS幀頭信號調制/解調到單纖 雙向光收發(fā)模塊上； (2)從時間同步設備S進行頻率同步，其跟蹤精度為1E-13/天； (3)測定總時延值，并通過下式計算主從時延Tab，主站通過移相網絡將時間信息提前Tab,由此，同步時間精度可達到±5ns ；
C= TAB 十 TBA =( 1ASS + 1ABA1 十 1BSR ) +( TBSS + 1BAA2 + TASr)⑴ 式中，Tab為主站到從站的時延，Tba為從站到主站的時延，Tass為主站設備內發(fā)送時延， 為主站到從站的光纖傳輸時延，Tbsk為從站設備內接收時延，Tbss為從站設備內發(fā)送時延，1BU為從站到主站的光纖傳輸時延，Tase為主站設備內接收時延；所述主站包括主時間同步設備M、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備S、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊； (4)從站長時間地進行頻率同步和時間同步，確保能夠得到準確的IPPS信號。
4.根據權利要求1所述單纖特高精度時間傳遞方法，其特征在于:通過短時間內進行多次重復測量及補償濾除光纖傳遞過程中引入的抖動噪聲，包括采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，并在I秒內進行80次以上的測量。
5.根據權利要求1所述單纖特高精度時間傳遞方法，其特征在于:通過間斷性的總時延測試去除由于溫度和老化而產生的時延偏差，包括采用主、從時間同步設備之間的光纖時延值及其變化值精準測出后再予以補償，且間隔時間為500秒以上。
6.根據權利要求1所述單纖特高精度時間傳遞方法，其特征在于:將主站和二個以上的從站兩兩連接形成環(huán)型網，并在路由設置中增加路由算法使得時間同步信息源選擇最短路徑且設置直達路由；所述主站包括主時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述直達路由是指將主、從站之間的中間設備設置為只實現光/電/光的直通。
7.根據權利要求1所述單纖特高精度時間傳遞方法，其特征在于:將主站和二個以上的從站串聯連接形成鏈型網，并在路由設置中增加路由算法使得時間同步信息源選擇主站且設置直達路由；所述主站包括主時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述從站包括從時間同步設備、時延處理模塊和單纖雙向光收發(fā)模塊，所述直達路由是指將主、從站之間的中間設備 設置為只實現光/電/光的直通。
【文檔編號】H04J3/06GK103546224SQ201310473096
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權日:2013年10月11日
【發(fā)明者】李忠文, 李高峰, 孟志才, 李有生, 李琦, 彭良福 申請人:成都泰富通信有限公司