高精度分布式光纤时间同步系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度分布式光纤时间同步系统，包括：光纤时间同步中心、无源光分配网络和多个光纤时间同步单元，所述的光纤时间同步中心位于无源光分配网络的合路端，所述的各光纤时间同步单元分别位于无源光分配网络的各分路端。本发明以无源光分配网络和时分多址接入技术实现点对多点的连接与连接控制，利用双向时间比对方法实现点与点之间的高精度时间比对，从而实现高精度分布式的时间同步。
【专利说明】局精度分布式光纤时间同步系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤时频传递技术领统，具体是一种高精度分布式光纤双向时间比对系统。
【背景技术】
[0002]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有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。卫星双向时间比对能实现高精度的时间同步，可以达到亚纳秒量级，但需要利用专用卫星通信链路。由于自由空间链路的稳定性不好、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。
[0003]光纤通路具有比自由空间通路稳定性高(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。
[0004]目前，主要有两种利用光纤进行时间同步的方法。一种是基于光纤同步数字系列(SDH Synchronous Digital Hierarchy)链路与设备,通过在SDH时隙中插入时间信息实现时间同步。该方法可以直接利用传统的SDH设备，但由于物理链路的不对称性和SDH设备中指针调整的不确定性，目前报道的同步精度在几十纳秒。另一种光纤时间同步方法是直接基于底层的全光通道和专用的时间同步设备进行双向时间比对。该方法能有效保证了物理链路的对称性，已有同步精度优于I纳秒的实验报道。
[0005]现有文献报道的光纤时间同步方案基本都是点对点的。在很多实际应用中，如导航定位站内多个设备的同步，需要点对多点的分布式高精度时间同步。美国深空网内采用了一种基于电分配器和点到点光纤链路的分布式时间同步方案。但是电分配器需要光/电/光转换和电的处理，而且是有源设备，不仅会引入额外的不稳定性，而且维护、管理困难。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高精度分布式光纤双向时间同步系统，实现多个光纤时间同步单元对上行链路的分时复用，避免数据冲突。
[0007]本发明的技术解决方案如下:
[0008]一种高精度分布式光纤时间同步系统，其特点在于，包括:光纤时间同步中心、无源光分配网络和多个光纤时间同步单元，所述的光纤时间同步中心位于无源光分配网络的合路端，所述的各光纤时间同步单元分别位于无源光分配网络的各分路端。
[0009]所述的光纤时间同步中心包括:中心控制与处理模块、中心时间编解码模块、中心时间间隔测试模块、中心光收发模块和定时器；
[0010]所述的中心控制与处理模块，用于控制中心时间编解码模块、中心时间间隔测试模块、中心光收发模块以及定时器，完成时分多址的点对多点连接控制、分时双向时间比对控制、系统状态的监测与维护。
[0011]所述的中心时间编解码模块，光纤时间同步中心的中心控制与处理模块控制时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码，编码功能将来自中心时频标准的定时信号(如lpps、IOpps等)和时间信息、控制信息、双向比对测试结果以及当前光纤时间同步单元的地址编码到下行时间同步码中输出给光收发模块；解码功能从来自光纤时间同步单元的时间码中解码出相应的定时信号、时间信息、以及光纤时间同步单元的地址，将定时信号传给时间间隔测试模块，将光纤时间同步单元的地址和时间信息传递给中心控制与处理模块。
[0012]所述的中心时间间隔测试模块，光纤时间同步中心的中心控制与处理模块控制时间间隔测试模块，用于测试中心时间编解码模块输出的定时信号与中心时频标准定时信号间的时间差；
[0013]所述的中心光收发模块，光纤时间同步中心的中心控制与处理模块控制光收发模块的工作状态，用于将来自上行光纤通路的光信号转换电信号，并恢复成时间码后传给中心时间编解码模块；以及将中心时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上沿下行光纤通路，并经无源光分配网络发送至光纤时间同步单元；
[0014]所述的定时器，光纤时间同步中心的中心控制与处理模块控制定时器的开关，用于完成光纤时间同步中心的中心控制与处理模块记录各个光纤时间同步单元达到光纤时间同步中心的时刻。
[0015]所述的无源分配光网络包括无源光分路器、光纤和双向光放大器。
[0016]所述的光纤时间同步单元包括:时间编解码模块、光收发模块、控制与处理模块、时间间隔测试模块、光开关和定时信息调整模块；
[0017]所述的控制与处理模块，控制时间编解码模块、时间间隔测试模块、光收发模块光开关以及定时信息调整单元，用于完成与光纤时间同步中心的连接控制、分时双向时间比对控制、以及钟差计算。
[0018]所述的时间编解码模块，光纤时间同步单元的控制与处理模块控制时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码功能。编码功能将来自本地用户时钟的定时信号、时间信息、本光纤时间同步单元的地址编码输出给光收发模块；解码功能从来自光纤时间同步中心的时间码中解码出相应的定时信号、时间信息、当前光纤时间同步单元的地址以及光纤时间同步中心测试的时延差等；
[0019]所述的时间间隔测试模块，控制与处理模块控制时间间隔测试模块，用于测试时间编解码模块输出的定时信号与本地时频标准输出的定时信号间的时间差。
[0020]所述的光收发模块，控制与处理模块控制光收发模块工作状态，用于将来自下行光纤通路的光信号转换电信号，恢复成时间码传给时间编解码模块；以及将时间码调制到光信号上沿上行光纤通路发送；
[0021]所述的光开关模块，控制与处理模块控制光开关的通断，用于上行数据的开关控制。
[0022]所述的定时信息调整模块，控制与处理模块控制定时信息调整模块，用于本地定时信息的调整，防止上行传输时间码在链路中冲突。
[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:[0024](I)采用无源光网络结构，易于管理和维护；
[0025](2)克服传输链路的不对称性；
[0026](3)分布式网络中不需要光/电/光转换和电的处理，采用无源光器件，不会引入额外的不稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明高精度分布式光纤双向时间同步系统的实施例的结构示意图；
[0028]图2是本发明高精度分布式光纤双向时间同步系统实施例的工作过程示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图给出本发明的一个具体实施例子。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。
[0030]图1是本发明高精度分布式光纤双向时间同步系统的实施例的结构示意图，如图所示，其中，光分路器和光纤构成一个IXN的无源光分配网络2。光纤时间同步中心I位于无源光分配网络2的合路端。N个光纤时间同步单元3分别位于无源光分配网络2的N个分路端。系统在光纤时间同步中心I的控制下完成分布式双向时间比对。具体包括:
[0031]一种高精度分布式光纤时间同步系统，包括:光纤时间同步中心1、无源光分配网络2和多个光纤时间同步单元3，所述的光纤时间同步中心位于无源光分配网络的合路端，所述的各光纤时间同步单元分别位于无源光分配网络的各分路端。
[0032]所述的光纤时间同步中心I包括:中心控制与处理模块1-1、中心时间编解码模块1-2、中心时间间隔测试模块1-3、中心光收发模块1-4和定时器1-5 ；
[0033]所述的中心控制与处理模块，用于控制中心时间编解码模块、中心时间间隔测试模块、中心光收发模块以及定时器，完成时分多址的点对多点连接控制、分时双向时间比对控制、系统状态的监测与维护；
[0034]所述的中心时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码，
[0035]所述的编码是指将来自中心时频标准的定时信号和时间信息、控制信息、双向比对测试结果以及当前光纤时间同步单元的地址编码到下行时间同步码中，并输出给中心光收发模块；
[0036]所述的解码是指从来自光纤时间同步单元的时间码中解码出相应的定时信号、时间信息、以及光纤时间同步单元的地址，并将定时信号传输给中心时间间隔测试模块，将光纤时间同步单元的地址和时间信息传输给中心控制与处理模块；
[0037]所述的中心时间间隔测试模块，用于测试光纤时间同步中心时间编解码模块输出的定时信号与中心时频标准定时信号间的时间差；
[0038]所述的中心光收发模块，用于将来自上行光纤通路的光信号转换电信号，并恢复成时间码后传给中心时间编解码模块；以及将中心时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上沿下行光纤通路，并经无源光分配网络发送至光纤时间同步单元；
[0039]所述的定时器，用于完成光纤时间同步中心的中心控制与处理模块记录各个光纤时间同步单元达到光纤时间同步中心的时刻。[0040]所述的无源分配光网络2包括无源光分路器2-1、光纤和双向光放大器2-2。
[0041]所述的光纤时间同步单元3包括:时间编解码模块3-3、光收发模块3-2、控制与处理模块3-5、时间间隔测试模块3-4、光开关3-1和定时信息调整模块3-6 ；
[0042]所述的控制与处理模块，时间编解码模块、时间间隔测试模块、光收发模块、光开关以及定时信息调整模块，用于完成与光纤时间同步中心的连接控制、分时双向时间比对控制、以及钟差计算；
[0043]所述的时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码；
[0044]所述的编码是指将来自本地用户时钟的定时信号、时间信息、本光纤时间同步单元的地址编码传输出给光收发模块；
[0045]所述的解码是指从来自光纤时间同步中心的时间码中解码出相应的定时信号、时间信息、当前光纤时间同步单元的地址以及光纤时间同步中心测试的时延差；
[0046]所述的时间间隔测试模块，用于测试时间编解码模块输出的定时信号与本地时频标准输出的定时信号间的时间差；
[0047]所述的光收发模块，用于将来自下行光纤通路的光信号转换电信号，恢复成时间码传给时间编解码模块；以及将时间码调制到光信号上沿上行光纤通路发送；
[0048]所述的光开关模块，用于上行数据的开关控制。
[0049]所述的定时信息调整，用于本地定时信息的调整，防止上行传输时间码在链路中冲突。
[0050]具体实现过程如下:
[0051]当中心控制与处理模块1-1在接收到时间同步指令后时，进入预同步阶段:将第一个光纤时间同步单元3设为当前光纤时间同步单元，使能中心时间编解码模块1-2并将当前光纤时间同步单元的地址传送给中心时间编解码模块1-2。中心时间编解码模块1-2编码产生包含当前光纤时间同步单元地址的连接请求，并在检测到本地定时信号时，将连接请求通过中心光收发模块1-4发送到无源光分配网络2，中心控制与处理模块1-1启动定时器1-5。
[0052]光纤时间同步单元3的光收发模块3-2将接收到的连接请求恢复成电信号传给时间编解码模块3-3。时间编解码模块3-3从连接请求时间码中提取当前光纤时间同步单元的地址，并将它传输给控制与处理模块3-5。控制与处理模块3-5将获得的当前光纤时间同步单元的地址与本光纤时间同步单元已编码的地址进行比较:如果当前光纤时间同步单元的地址与本光纤时间同步单元的地址不同，则控制与处理模块3-5继续监听。如果当前光纤时间同步单元的地址与本光纤时间同步单元的地址相同，则控制与处理模块3-5打开光开关3-1的发射使能，同时，使能时间编解码模块3-3编码产生连接确认，并在控制与处理模块3-5检测到本地定时信号时，经光收发模块3-2通过无源光分配网络2将连接确认发送给光纤时间同步中心I的中心光收发模块1-4，发送完连接确认后关闭光开关3-1的发送使能。连接确认依次经中心光收发模块1-4和中心时间编解码模块1-2到达中心控制与处理模块1-1。中心控制与处理模块1-1确认与当前光纤时间同步单元的连接，在定时器1-5到期前光纤时间同步中心中心控制与处理模块1-1记录连接确认信号到达光纤时间同步中心的时间t' i，并重置定时器1-5。然后光纤时间同步中心I继续向下一个光纤时间同步单元发送连接请求，同样记录连接确认信号到达光纤时间同步中心的时间t' 2,接着继续向下一个光纤时间同步单元发送连接请求，直到光纤时间同步中心I在依次与各个光纤时间同步单元的连接请求与确认后，中心控制与处理模块1-1根据各个光纤时间同步单元的连接确认信号到达光纤时间同步中心的时间t' i，检查t' 1是否大于1，如果t/ i大于1，则ti = t' 1-1，；否则，ti = t' i。中心控制与处理模块1-1检测ti相互之间的关系,如果检测ti相互之间的关系不满足Itj-til≥At，i，j = 1,2,…，N且i关j，光纤时间同步中心控制与处理模块1-1按光纤时间同步单元编号从大到小的顺序计算需要调整定时信息光纤时间同步单元定时信息的调整量，相应定时信息的调整量为Ati =\+(八卜|\_-\|)。光纤时间同步中心控制与处理模块1-1在计算出需要调整本地定时信息的光纤时间同步单元定时信息调整量之后，使能中心时间编解码模块1-2并将需要调整定时信息光纤时间同步单元的地址和相应光纤时间同步单元定时信息调整量传送给中心时间编解码模块1_2。中心时间编解码模块1-2编码广生包含需要调整定时彳目息光纤时间同步单元的地址和相应光纤时间同步单元定时信息调整量，并在检测到本地定时信号时将连接请求通过光收发模块1-4发送到无源光分配网络2。光纤时间同步单元在收到调整请求之后，根据收到的调整量Ati通过定时信息调整模块调整本地的定时信息。在所有光纤时间同步单元的定时信息调整完毕之后，进入双向时间比对阶段。
[0053]在双向时间比对阶段，光纤时间同步中心I的中心时间编解码模块1-2产生包含时频标准定时信号、时间信息以及双向比对测试结果的时间码，并在收到连接确认后的每一个本地定时信号开始时刻发送给当前光纤时间同步单元；同时，在定时信息有效时光纤时间同步单元i控制与处理模块打开光开关，光纤时间同步单元i的时间编解码模块产生包含用户时钟定时信号和时间信息的时间码，发送给光纤时间同步中心I。光纤时间同步中心I和光纤时间同步单元i在收到对方的时间码后，由各自的时间编解码模块从时间码中提取出定时信号和时间信息，并通过各自的时间间隔测试模块测试出提取出的定时信号与各自本地时钟定时信号的时延差。光纤时间同步中心I时间间隔测试模块1-3测得的时延差经时间编解码模块1-2编码在下行时间同步码中发送给相应的光纤时间同步单元i。光纤时间同步单元i利用本地测的时延差和和从光纤时间同步中心接收到的时延差计算钟差，并将计算的钟差和恢复出的定时信号输出给本地用户时钟，使之与光纤时间同步中心同步。
[0054]由于两地时钟存在的微小频偏、传输路径延时等的动态变化，在双向时间比对阶段，可能需要对各个光纤时间同步单元i的定时信息进行调整，以避免相邻节点的冲突。光纤时间同步中心控制与处理模块1-ι接收到每个光纤时间同步单元的时间码到达光纤时间同步中心之后，计算实际到达时间t' A与预定到达时间扒差值AtA = t' A_tA，并将这个差值编码在下行的时间码中，广播给所有光纤时间同步单元，相应光纤时间同步单元收到下行的时间码后，提取差值，调整本地的定时信息
[0055]在接收到结束指示或比对达到精度时，进入比对结束阶段，完成比对结束操作；否则，继续进行双向时间比对。
【权利要求】
1.一种高精度分布式光纤时间同步系统，其特征在于，包括:光纤时间同步中心、无源光分配网络和多个光纤时间同步单元，所述的光纤时间同步中心位于无源光分配网络的合路端，所述的各光纤时间同步单元分别位于无源光分配网络的各分路端。
2.根据权利要求1所述的高精度分布式光纤时间同步系统，其特征在于，所述的光纤时间同步中心包括:中心控制与处理模块、中心时间编解码模块、中心时间间隔测试模块、中心光收发模块和定时器； 所述的中心控制与处理模块，用于控制中心时间编解码模块、中心时间间隔测试模块、中心光收发模块以及定时器，完成时分多址的点对多点连接控制、分时双向时间比对控制、系统状态的监测与维护； 所述的中心时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码， 所述的编码是指将来自中心时频标准的定时信号和时间信息、控制信息、双向比对测试结果以及当前光纤时间同步单元的地址编码到下行时间同步码中，并输出给中心光收发模块； 所述的解码是指从来自光纤时间同步单元的时间码中解码出相应的定时信号、时间信息、以及光纤时间同步单兀的地址，并将定时信号传输给中心时间间隔测试模块，将光纤时间同步单元的地址和时间信息传输给中心控制与处理模块； 所述的中心时间间隔测试模块，用于测试光纤时间同步中心时间编解码模块输出的定时信号与中心时频标准定时信号间的时间差； 所述的中心光收发模块，用于将来自上行光纤通路的光信号转换电信号，并恢复成时间码后传给中心时间编解码模块；以及将中心时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上沿下行光纤通路，并经无源光分配网络发送至光纤时间同步单元； 所述的定时器，用于完成光纤时间同步中心的中心控制与处理模块记录各个光纤时间同步单元达到光纤时间同步中心的时刻。
3.根据权利要求1所述的高精度分布式光纤时间同步系统，其特征在于，所述的无源分配光网络包括无源光分路器、光纤和双向光放大器。
4.根据权利要求1所述的高精度分布式光纤时间同步系统，其特征在于，所述的光纤时间同步单元包括:时间编解码模块、光收发模块、控制与处理模块、时间间隔测试模块、光开关和定时信息调整模块； 所述的控制与处理模块，控制时间编解码模块、时间间隔测试模块、光收发模块、光开关以及定时信息调整模块，用于完成与光纤时间同步中心的连接控制、分时双向时间比对控制、以及钟差计算； 所述的时间编解码模块，用于完成时间码的编码和解码； 所述的编码是指将来自本地用户时钟的定时信号、时间信息、本光纤时间同步单元的地址编码传输出给光收发模块； 所述的解码是指从来自光纤时间同步中心的时间码中解码出相应的定时信号、时间信息、当前光纤时间同步单元的地址以及光纤时间同步中心测试的时间差； 所述的时间间隔测试模块，用于测试时间编解码模块输出的定时信号与本地时频标准输出的定时信号间的时间差； 所述的光收发模块，用 于将来自下行光纤通路的光信号转换电信号，恢复成时间码传给时间编解码模块；以及将时间码调制到光信号上沿上行光纤通路发送； 所述的光开关模块，用于上行数据的开关控制。 所述的定时信息调整模块，用于本地定时信息的调整，防止上行传输时间码在链路中冲突。
【文档编号】H04J3/16GK103812593SQ201410060009
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】胡亮, 吴龟灵, 江少平, 陈建平 申请人:上海交通大学