高精度分布式光纖時間同步系統的製作方法
2023-06-04 21:33:41 2
高精度分布式光纖時間同步系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高精度分布式光纖時間同步系統，包括：光纖時間同步中心、無源光分配網絡和多個光纖時間同步單元，所述的光纖時間同步中心位於無源光分配網絡的合路端，所述的各光纖時間同步單元分別位於無源光分配網絡的各分路端。本發明以無源光分配網絡和時分多址接入技術實現點對多點的連接與連接控制，利用雙向時間比對方法實現點與點之間的高精度時間比對，從而實現高精度分布式的時間同步。
【專利說明】局精度分布式光纖時間同步系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖時頻傳遞技術領統，具體是一種高精度分布式光纖雙向時間比對系統。
【背景技術】
[0002]高精度的時間同步技術在衛星導航、航空航天、深空探測、地質測繪、通信、電力傳輸和科學研究與計量等領域有著重要的應用價值。目前傳統高精度時間同步技術主要有GPS共視、衛星雙時間比對等。GPS共視法所需的設備相對簡單，成本低，但精度難以達到納秒量級。衛星雙向時間比對能實現高精度的時間同步，可以達到亞納秒量級，但需要利用專用衛星通信鏈路。由於自由空間鏈路的穩定性不好、容易受到幹擾，其精度很難進一步提高，而且存在安全性及設備昂貴等問題。
[0003]光纖通路具有比自由空間通路穩定性高(特別是在短時間內尺度上)、損耗低、受外界環境影響小、帶寬高等優點。上世紀八十年代就引起了研究者的關注。隨著光纖通信、光網絡技術的迅猛發展，以及對時間同步精度等要求的提高，基於光纖的時間同步引起了越來越多的研究者的關注，取得了相當大的進展，並已得到部分應用。
[0004]目前，主要有兩種利用光纖進行時間同步的方法。一種是基於光纖同步數字系列(SDH Synchronous Digital Hierarchy)鏈路與設備,通過在SDH時隙中插入時間信息實現時間同步。該方法可以直接利用傳統的SDH設備，但由於物理鏈路的不對稱性和SDH設備中指針調整的不確定性，目前報導的同步精度在幾十納秒。另一種光纖時間同步方法是直接基於底層的全光通道和專用的時間同步設備進行雙向時間比對。該方法能有效保證了物理鏈路的對稱性，已有同步精度優於I納秒的實驗報導。
[0005]現有文獻報導的光纖時間同步方案基本都是點對點的。在很多實際應用中，如導航定位站內多個設備的同步，需要點對多點的分布式高精度時間同步。美國深空網內採用了一種基於電分配器和點到點光纖鏈路的分布式時間同步方案。但是電分配器需要光/電/光轉換和電的處理，而且是有源設備，不僅會引入額外的不穩定性，而且維護、管理困難。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種高精度分布式光纖雙向時間同步系統，實現多個光纖時間同步單元對上行鏈路的分時復用，避免數據衝突。
[0007]本發明的技術解決方案如下:
[0008]一種高精度分布式光纖時間同步系統，其特點在於，包括:光纖時間同步中心、無源光分配網絡和多個光纖時間同步單元，所述的光纖時間同步中心位於無源光分配網絡的合路端，所述的各光纖時間同步單元分別位於無源光分配網絡的各分路端。
[0009]所述的光纖時間同步中心包括:中心控制與處理模塊、中心時間編解碼模塊、中心時間間隔測試模塊、中心光收發模塊和定時器；
[0010]所述的中心控制與處理模塊，用於控制中心時間編解碼模塊、中心時間間隔測試模塊、中心光收發模塊以及定時器，完成時分多址的點對多點連接控制、分時雙向時間比對控制、系統狀態的監測與維護。
[0011]所述的中心時間編解碼模塊，光纖時間同步中心的中心控制與處理模塊控制時間編解碼模塊，用於完成時間碼的編碼和解碼，編碼功能將來自中心時頻標準的定時信號(如lpps、IOpps等)和時間信息、控制信息、雙向比對測試結果以及當前光纖時間同步單元的地址編碼到下行時間同步碼中輸出給光收發模塊；解碼功能從來自光纖時間同步單元的時間碼中解碼出相應的定時信號、時間信息、以及光纖時間同步單元的地址，將定時信號傳給時間間隔測試模塊，將光纖時間同步單元的地址和時間信息傳遞給中心控制與處理模塊。
[0012]所述的中心時間間隔測試模塊，光纖時間同步中心的中心控制與處理模塊控制時間間隔測試模塊，用於測試中心時間編解碼模塊輸出的定時信號與中心時頻標準定時信號間的時間差；
[0013]所述的中心光收發模塊，光纖時間同步中心的中心控制與處理模塊控制光收發模塊的工作狀態，用於將來自上行光纖通路的光信號轉換電信號，並恢復成時間碼後傳給中心時間編解碼模塊；以及將中心時間編解碼模塊輸出的時間碼調製到光信號上沿下行光纖通路，並經無源光分配網絡發送至光纖時間同步單元；
[0014]所述的定時器，光纖時間同步中心的中心控制與處理模塊控制定時器的開關，用於完成光纖時間同步中心的中心控制與處理模塊記錄各個光纖時間同步單元達到光纖時間同步中心的時刻。
[0015]所述的無源分配光網絡包括無源光分路器、光纖和雙向光放大器。
[0016]所述的光纖時間同步單元包括:時間編解碼模塊、光收發模塊、控制與處理模塊、時間間隔測試模塊、光開關和定時信息調整模塊；
[0017]所述的控制與處理模塊，控制時間編解碼模塊、時間間隔測試模塊、光收發模塊光開關以及定時信息調整單元，用於完成與光纖時間同步中心的連接控制、分時雙向時間比對控制、以及鐘差計算。
[0018]所述的時間編解碼模塊，光纖時間同步單元的控制與處理模塊控制時間編解碼模塊，用於完成時間碼的編碼和解碼功能。編碼功能將來自本地用戶時鐘的定時信號、時間信息、本光纖時間同步單元的地址編碼輸出給光收發模塊；解碼功能從來自光纖時間同步中心的時間碼中解碼出相應的定時信號、時間信息、當前光纖時間同步單元的地址以及光纖時間同步中心測試的時延差等；
[0019]所述的時間間隔測試模塊，控制與處理模塊控制時間間隔測試模塊，用於測試時間編解碼模塊輸出的定時信號與本地時頻標準輸出的定時信號間的時間差。
[0020]所述的光收發模塊，控制與處理模塊控制光收發模塊工作狀態，用於將來自下行光纖通路的光信號轉換電信號，恢復成時間碼傳給時間編解碼模塊；以及將時間碼調製到光信號上沿上行光纖通路發送；
[0021]所述的光開關模塊，控制與處理模塊控制光開關的通斷，用於上行數據的開關控制。
[0022]所述的定時信息調整模塊，控制與處理模塊控制定時信息調整模塊，用於本地定時信息的調整，防止上行傳輸時間碼在鏈路中衝突。
[0023]與現有技術相比，本發明的有益效果如下:[0024](I)採用無源光網絡結構，易於管理和維護；
[0025](2)克服傳輸鏈路的不對稱性；
[0026](3)分布式網絡中不需要光/電/光轉換和電的處理，採用無源光器件，不會引入額外的不穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明高精度分布式光纖雙向時間同步系統的實施例的結構示意圖；
[0028]圖2是本發明高精度分布式光纖雙向時間同步系統實施例的工作過程示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖給出本發明的一個具體實施例子。本實施例以本發明的技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和和具體的工作流程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0030]圖1是本發明高精度分布式光纖雙向時間同步系統的實施例的結構示意圖，如圖所示，其中，光分路器和光纖構成一個IXN的無源光分配網絡2。光纖時間同步中心I位於無源光分配網絡2的合路端。N個光纖時間同步單元3分別位於無源光分配網絡2的N個分路端。系統在光纖時間同步中心I的控制下完成分布式雙向時間比對。具體包括:
[0031]一種高精度分布式光纖時間同步系統，包括:光纖時間同步中心1、無源光分配網絡2和多個光纖時間同步單元3，所述的光纖時間同步中心位於無源光分配網絡的合路端，所述的各光纖時間同步單元分別位於無源光分配網絡的各分路端。
[0032]所述的光纖時間同步中心I包括:中心控制與處理模塊1-1、中心時間編解碼模塊1-2、中心時間間隔測試模塊1-3、中心光收發模塊1-4和定時器1-5 ；
[0033]所述的中心控制與處理模塊，用於控制中心時間編解碼模塊、中心時間間隔測試模塊、中心光收發模塊以及定時器，完成時分多址的點對多點連接控制、分時雙向時間比對控制、系統狀態的監測與維護；
[0034]所述的中心時間編解碼模塊，用於完成時間碼的編碼和解碼，
[0035]所述的編碼是指將來自中心時頻標準的定時信號和時間信息、控制信息、雙向比對測試結果以及當前光纖時間同步單元的地址編碼到下行時間同步碼中，並輸出給中心光收發模塊；
[0036]所述的解碼是指從來自光纖時間同步單元的時間碼中解碼出相應的定時信號、時間信息、以及光纖時間同步單元的地址，並將定時信號傳輸給中心時間間隔測試模塊，將光纖時間同步單元的地址和時間信息傳輸給中心控制與處理模塊；
[0037]所述的中心時間間隔測試模塊，用於測試光纖時間同步中心時間編解碼模塊輸出的定時信號與中心時頻標準定時信號間的時間差；
[0038]所述的中心光收發模塊，用於將來自上行光纖通路的光信號轉換電信號，並恢復成時間碼後傳給中心時間編解碼模塊；以及將中心時間編解碼模塊輸出的時間碼調製到光信號上沿下行光纖通路，並經無源光分配網絡發送至光纖時間同步單元；
[0039]所述的定時器，用於完成光纖時間同步中心的中心控制與處理模塊記錄各個光纖時間同步單元達到光纖時間同步中心的時刻。[0040]所述的無源分配光網絡2包括無源光分路器2-1、光纖和雙向光放大器2-2。
[0041]所述的光纖時間同步單元3包括:時間編解碼模塊3-3、光收發模塊3-2、控制與處理模塊3-5、時間間隔測試模塊3-4、光開關3-1和定時信息調整模塊3-6 ；
[0042]所述的控制與處理模塊，時間編解碼模塊、時間間隔測試模塊、光收發模塊、光開關以及定時信息調整模塊，用於完成與光纖時間同步中心的連接控制、分時雙向時間比對控制、以及鐘差計算；
[0043]所述的時間編解碼模塊，用於完成時間碼的編碼和解碼；
[0044]所述的編碼是指將來自本地用戶時鐘的定時信號、時間信息、本光纖時間同步單元的地址編碼傳輸出給光收發模塊；
[0045]所述的解碼是指從來自光纖時間同步中心的時間碼中解碼出相應的定時信號、時間信息、當前光纖時間同步單元的地址以及光纖時間同步中心測試的時延差；
[0046]所述的時間間隔測試模塊，用於測試時間編解碼模塊輸出的定時信號與本地時頻標準輸出的定時信號間的時間差；
[0047]所述的光收發模塊，用於將來自下行光纖通路的光信號轉換電信號，恢復成時間碼傳給時間編解碼模塊；以及將時間碼調製到光信號上沿上行光纖通路發送；
[0048]所述的光開關模塊，用於上行數據的開關控制。
[0049]所述的定時信息調整，用於本地定時信息的調整，防止上行傳輸時間碼在鏈路中衝突。
[0050]具體實現過程如下:
[0051]當中心控制與處理模塊1-1在接收到時間同步指令後時，進入預同步階段:將第一個光纖時間同步單元3設為當前光纖時間同步單元，使能中心時間編解碼模塊1-2並將當前光纖時間同步單元的地址傳送給中心時間編解碼模塊1-2。中心時間編解碼模塊1-2編碼產生包含當前光纖時間同步單元地址的連接請求，並在檢測到本地定時信號時，將連接請求通過中心光收發模塊1-4發送到無源光分配網絡2，中心控制與處理模塊1-1啟動定時器1-5。
[0052]光纖時間同步單元3的光收發模塊3-2將接收到的連接請求恢復成電信號傳給時間編解碼模塊3-3。時間編解碼模塊3-3從連接請求時間碼中提取當前光纖時間同步單元的地址，並將它傳輸給控制與處理模塊3-5。控制與處理模塊3-5將獲得的當前光纖時間同步單元的地址與本光纖時間同步單元已編碼的地址進行比較:如果當前光纖時間同步單元的地址與本光纖時間同步單元的地址不同，則控制與處理模塊3-5繼續監聽。如果當前光纖時間同步單元的地址與本光纖時間同步單元的地址相同，則控制與處理模塊3-5打開光開關3-1的發射使能，同時，使能時間編解碼模塊3-3編碼產生連接確認，並在控制與處理模塊3-5檢測到本地定時信號時，經光收發模塊3-2通過無源光分配網絡2將連接確認發送給光纖時間同步中心I的中心光收發模塊1-4，發送完連接確認後關閉光開關3-1的發送使能。連接確認依次經中心光收發模塊1-4和中心時間編解碼模塊1-2到達中心控制與處理模塊1-1。中心控制與處理模塊1-1確認與當前光纖時間同步單元的連接，在定時器1-5到期前光纖時間同步中心中心控制與處理模塊1-1記錄連接確認信號到達光纖時間同步中心的時間t' i，並重置定時器1-5。然後光纖時間同步中心I繼續向下一個光纖時間同步單元發送連接請求，同樣記錄連接確認信號到達光纖時間同步中心的時間t' 2,接著繼續向下一個光纖時間同步單元發送連接請求，直到光纖時間同步中心I在依次與各個光纖時間同步單元的連接請求與確認後，中心控制與處理模塊1-1根據各個光纖時間同步單元的連接確認信號到達光纖時間同步中心的時間t' i，檢查t' 1是否大於1，如果t/ i大於1，則ti = t' 1-1，；否則，ti = t' i。中心控制與處理模塊1-1檢測ti相互之間的關係,如果檢測ti相互之間的關係不滿足Itj-til≥At，i，j = 1,2,…，N且i關j，光纖時間同步中心控制與處理模塊1-1按光纖時間同步單元編號從大到小的順序計算需要調整定時信息光纖時間同步單元定時信息的調整量，相應定時信息的調整量為Ati =\+(八卜|\_-\|)。光纖時間同步中心控制與處理模塊1-1在計算出需要調整本地定時信息的光纖時間同步單元定時信息調整量之後，使能中心時間編解碼模塊1-2並將需要調整定時信息光纖時間同步單元的地址和相應光纖時間同步單元定時信息調整量傳送給中心時間編解碼模塊1_2。中心時間編解碼模塊1-2編碼廣生包含需要調整定時彳目息光纖時間同步單元的地址和相應光纖時間同步單元定時信息調整量，並在檢測到本地定時信號時將連接請求通過光收發模塊1-4發送到無源光分配網絡2。光纖時間同步單元在收到調整請求之後，根據收到的調整量Ati通過定時信息調整模塊調整本地的定時信息。在所有光纖時間同步單元的定時信息調整完畢之後，進入雙向時間比對階段。
[0053]在雙向時間比對階段，光纖時間同步中心I的中心時間編解碼模塊1-2產生包含時頻標準定時信號、時間信息以及雙向比對測試結果的時間碼，並在收到連接確認後的每一個本地定時信號開始時刻發送給當前光纖時間同步單元；同時，在定時信息有效時光纖時間同步單元i控制與處理模塊打開光開關，光纖時間同步單元i的時間編解碼模塊產生包含用戶時鐘定時信號和時間信息的時間碼，發送給光纖時間同步中心I。光纖時間同步中心I和光纖時間同步單元i在收到對方的時間碼後，由各自的時間編解碼模塊從時間碼中提取出定時信號和時間信息，並通過各自的時間間隔測試模塊測試出提取出的定時信號與各自本地時鐘定時信號的時延差。光纖時間同步中心I時間間隔測試模塊1-3測得的時延差經時間編解碼模塊1-2編碼在下行時間同步碼中發送給相應的光纖時間同步單元i。光纖時間同步單元i利用本地測的時延差和和從光纖時間同步中心接收到的時延差計算鐘差，並將計算的鐘差和恢復出的定時信號輸出給本地用戶時鐘，使之與光纖時間同步中心同步。
[0054]由於兩地時鐘存在的微小頻偏、傳輸路徑延時等的動態變化，在雙向時間比對階段，可能需要對各個光纖時間同步單元i的定時信息進行調整，以避免相鄰節點的衝突。光纖時間同步中心控制與處理模塊1-ι接收到每個光纖時間同步單元的時間碼到達光纖時間同步中心之後，計算實際到達時間t' A與預定到達時間扒差值AtA = t' A_tA，並將這個差值編碼在下行的時間碼中，廣播給所有光纖時間同步單元，相應光纖時間同步單元收到下行的時間碼後，提取差值，調整本地的定時信息
[0055]在接收到結束指示或比對達到精度時，進入比對結束階段，完成比對結束操作；否則，繼續進行雙向時間比對。
【權利要求】
1.一種高精度分布式光纖時間同步系統，其特徵在於，包括:光纖時間同步中心、無源光分配網絡和多個光纖時間同步單元，所述的光纖時間同步中心位於無源光分配網絡的合路端，所述的各光纖時間同步單元分別位於無源光分配網絡的各分路端。
2.根據權利要求1所述的高精度分布式光纖時間同步系統，其特徵在於，所述的光纖時間同步中心包括:中心控制與處理模塊、中心時間編解碼模塊、中心時間間隔測試模塊、中心光收發模塊和定時器； 所述的中心控制與處理模塊，用於控制中心時間編解碼模塊、中心時間間隔測試模塊、中心光收發模塊以及定時器，完成時分多址的點對多點連接控制、分時雙向時間比對控制、系統狀態的監測與維護； 所述的中心時間編解碼模塊，用於完成時間碼的編碼和解碼， 所述的編碼是指將來自中心時頻標準的定時信號和時間信息、控制信息、雙向比對測試結果以及當前光纖時間同步單元的地址編碼到下行時間同步碼中，並輸出給中心光收發模塊； 所述的解碼是指從來自光纖時間同步單元的時間碼中解碼出相應的定時信號、時間信息、以及光纖時間同步單兀的地址，並將定時信號傳輸給中心時間間隔測試模塊，將光纖時間同步單元的地址和時間信息傳輸給中心控制與處理模塊； 所述的中心時間間隔測試模塊，用於測試光纖時間同步中心時間編解碼模塊輸出的定時信號與中心時頻標準定時信號間的時間差； 所述的中心光收發模塊，用於將來自上行光纖通路的光信號轉換電信號，並恢復成時間碼後傳給中心時間編解碼模塊；以及將中心時間編解碼模塊輸出的時間碼調製到光信號上沿下行光纖通路，並經無源光分配網絡發送至光纖時間同步單元； 所述的定時器，用於完成光纖時間同步中心的中心控制與處理模塊記錄各個光纖時間同步單元達到光纖時間同步中心的時刻。
3.根據權利要求1所述的高精度分布式光纖時間同步系統，其特徵在於，所述的無源分配光網絡包括無源光分路器、光纖和雙向光放大器。
4.根據權利要求1所述的高精度分布式光纖時間同步系統，其特徵在於，所述的光纖時間同步單元包括:時間編解碼模塊、光收發模塊、控制與處理模塊、時間間隔測試模塊、光開關和定時信息調整模塊； 所述的控制與處理模塊，控制時間編解碼模塊、時間間隔測試模塊、光收發模塊、光開關以及定時信息調整模塊，用於完成與光纖時間同步中心的連接控制、分時雙向時間比對控制、以及鐘差計算； 所述的時間編解碼模塊，用於完成時間碼的編碼和解碼； 所述的編碼是指將來自本地用戶時鐘的定時信號、時間信息、本光纖時間同步單元的地址編碼傳輸出給光收發模塊； 所述的解碼是指從來自光纖時間同步中心的時間碼中解碼出相應的定時信號、時間信息、當前光纖時間同步單元的地址以及光纖時間同步中心測試的時間差； 所述的時間間隔測試模塊，用於測試時間編解碼模塊輸出的定時信號與本地時頻標準輸出的定時信號間的時間差； 所述的光收發模塊，用 於將來自下行光纖通路的光信號轉換電信號，恢復成時間碼傳給時間編解碼模塊；以及將時間碼調製到光信號上沿上行光纖通路發送； 所述的光開關模塊，用於上行數據的開關控制。 所述的定時信息調整模塊，用於本地定時信息的調整，防止上行傳輸時間碼在鏈路中衝突。
【文檔編號】H04J3/16GK103812593SQ201410060009
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月21日 優先權日:2014年2月21日
【發明者】胡亮, 吳龜靈, 江少平, 陳建平 申請人:上海交通大學