高精度长距离分布式光纤时间传递方法与系统与流程

本发明涉及一种光纤时间频率传递领域的光纤时间传递方法与系统，具体是一种高精度长距离分布式光纤时间传递方法与系统。

背景技术：

高精度的时间传递技术在卫星导航、航空航天、深空探测、地质测绘、基本物理量测量等领域有着重要的应用价值。目前基于卫星的时间传递技术，如GPS共视法(CV)、双向卫星时间传递(TWSTFT)，可以达到ns量级的时间传递精度。随着光钟等更高性能钟源的发明和投入运行，这些技术已经不能满足科学研究和社会发展的需求。一种理论不确定度可以优于100ps的基于卫星激光测距原理的天基时间传递技术(T2L2)目前也还在发展中。上述天基时间传递技术虽然已经相当成熟或者可行性得到了验证，但它们自身存在着体系复杂、成本昂贵、实现周期长、安全性差、可靠性差等缺点。光纤传输具有低损耗、大容量、高速、高稳定、安全可靠的优势，在通信领域已经得到了广泛的应用。基于光纤的时间传递是实现高精度长距离时间传递的有效途径。高精度光纤时间传递面临着光纤传输链路传输时延随温度、应力和传输波长等因素变化而变化的问题。为了实现高精度的时间传递，目前普遍采用同纤双向传输方案。对于长距离双向光纤时间传递而言，为了补偿光信号的衰减，必须进行双向放大。波兰AGH理工大学提出了一种单纤双向光放大器[参见P.Krehlik,A.Czubla,Buczek,and M.Lipioski,"Dissemination of time and RF frequency via a stabilized fibre optic link over a distance of 420km,"Metrologia,vol.50,pp.133-145,2013.1]。通过将单向EDFA两端的隔离器换作滤波器实现单纤双向放大，保证了光纤时间传递链路传输时延的双向对称性，但瑞利散射等噪声由放大器双向传输性导致的多次光放大会严重恶化信噪比，限制了总的光纤传输链路长度[参见and J. "Bidirectional Optical Amplification in Long-Distance Two-Way Fiber-Optic Time and Frequency Transfer Systems,"Instrumentation and Measurement,vol.62,pp.253-262,2013.]。日本国家计量院NMIJ[参见M.Amemiya,M.Imae,Y.Fujii,T.Suzuyama,F.-L.Hong,and M.Takamoto,"Precise frequency comparison system using bidirectional optical amplifiers,"Instrumentation and Measurement,IEEE Transactions on,vol.59,pp.631-640,2010]提出了一种面向波分复用(WDM)光纤时间传递方案的双向光放大方案。利用WDM将两个方向的波长分开，分别插入隔离器，再合波的方法来抑制瑞利散射等噪声的多次放大。该方案信噪比的提高是以双向传输时延不对称为代价的，需要对放大器双向传输时延的不对称性进行标定，且标定的总误差随着放大器个数的增加线性增加；捷克CESNET[参见J.V.Smotlacha,and J.Radil,"All optical two-way time transfer in strongly heterogeneous networks,"in Proc.of SPIE,2014,pp.92020S-92020S-6.]等采用分布式的拉曼放大器对双向传输的时间信号进行光放大，尽管可以保证链路传输时延的双向对称性，但瑞利散射等噪声也会得到多次光放大，同时还存在泵浦功率高、效率低且依赖输入光信号的偏振方向等问题。之前我们提出了两种双向光放大方案[参见张浩；吴龟灵；陈建平,"单纤双向时分复用光放大装置,"申请号：CN201610216342.6，2016.；吴龟灵；张浩；陈建平,"高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置,"申请号：CN201610073321.3,2016.6]，可以最大程度地保证链路对称性，有效避免瑞利散射等噪声的多次放大对光纤时间传性能的影响。

对于分布式光纤时间传递，波兰AGH理工大学[参见P.Krehlik,L.Sliwczynski,L.Buczek,and M.Lipinski,"Multipoint dissemination of RF frequency in fiber optic link with stabilized propagation delay,"IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,vol.60,pp.1804-1810,2013.]提出在主链路中插入2×2光耦合器，耦合出部分前向和后向传递的光信号用于分布式时间传递。但这会减少主链路传递光信号的功率，同时还会恶化主链路时间传递的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，为基于同纤同波双向时分复用的光纤时间传递方案，提供一种高精度长距离分布式光纤时间传递方法与系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种高精度长距离分布式光纤时间传递系统，其特征在于，包括：第一钟源、第一光纤时间传递单元、N个中继与用户单元、M个双向光放大单元、第二光纤时间传递单元和第二钟源；其中，第一钟源通过电连接与第一光纤时间传递单元相连；第一光纤时间传递单元、N个中继与用户单元、M个双向光放大单元和第二光纤时间传递单元间通过光纤连接成单纤双向串连通路，第一光纤时间传递单元和第二光纤时间传递单元分别位于单纤双向串连通路的一端，N个中继与用户单元、M个双向光放大单元在串连通路上的顺序是任意的；第二光纤时间传递单元通过电的连接和第二钟源相连；

第一钟源输出的定时信号通过第一光纤时间传递单元发送，沿单纤双向串连通路，经过N个中继与用户单元的光-电-光中继，以及M个双向光放大单元的光放大到达第二光纤时间传递单元；第二钟源的定时信号通过第二光纤时间传递单元发送，沿单纤双向串连通路，反向经过N个中继与用户单元的光-电-光中继，以及M个双向光放大单元的光放大到达第一光纤时间传递单元；第一光纤时间传递单元测得来自第二光纤时间传递单元的定时信号与第一钟源定时信号的时间间隔，并通过光纤通路发送给各中继与用户单元、以及第二光纤时间传递单元；第二光纤时间传递单元测得来自第一光纤时间传递单元的定时信号与第二钟源定时信号的时间间隔，并通过光纤通路发送给各中继与用户单元、以及第二光纤时间传递单元；第一光纤时间传递单元、设定的中继与用户单元、第二光纤时间传递单元根据接收及测得的时间间隔信息得到各单元本地定时信号与第一钟源的时间差，实现高精度分布式时间传递。

所述的第一光纤时间传递单元由第一时间编解码模块、第一时间间隔测量模块、第一光收发模块、第一光开关模块、第一双向复用模块和第一控制与处理模块组成；

所述的第一时间编解码模块，用于将来自第一钟源的时间信号、第一控制与处理模块的控制与状态信息编入时间码，输出给第一光收发模块；对来自第一光收发模块的时间信号进行解码，将提取出的定时信号输出给第一时间间隔测量模块，提取出来自第二光纤时间传递单元的测量时间间隔、控制与状态信息输出给第一控制与处理模块；

所述的第一时间间隔测量模块接收来自第一时间编解码模块和第一钟源的定时信号，以及第一控制与处理模块的控制信号，测试两个输入定时信号间的时间间隔，并将测得的时间间隔输出给第一控制与处理模块；

所述的第一光收发模块将第一时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上发送至第一光开关模块；同时将来自第一双向复用模块的光信号转换为电信号，传给第一时间编解码模块；

所述的第一光开关模块接收来自第一光收发模块的光信号，以及第一控制与处理模块的控制信号，将第一光收发模块的光信号发送到第一双向复用模块；

所述的第一双向复用模块，将来自第一光开关模块的光信号输入光纤通路中，同时将来自同一光纤通路的光信号输出给第一光收发模块；

所述的第一控制与处理模块，接收所述的第一时间编解码模块输入的时间间隔、控制与状态信息，以及第一时间间隔测量模块输入的时间间隔，计算第一钟源和第二钟源的钟差；向第一时间编解码模块发送时间编码与解码控制信号、用于单纤双向串连通路接入与维护的状态与控制信息，向第一光纤时间间隔测量模块发送控制与配置信息控制其时间间隔的测量及读取，向第一光开关模块发送控制信号控制光开关的打开和关闭。

所述的第二光纤时间传递单元由第二时间编解码模块、定时信号调整模块、第二光收发模块、第二光开关模块、第二双向复用模块、第二控制与处理模块和第二时间间隔测量模块组成；

所述的第二时间编解码模块，将来自定时信号调整模块的定时信号、第二控制与处理模块的控制与状态信息编入时间码，输出给第二光收发模块；对来自第二光收发模块的时间信号进行解码，将提取出的定时信号分别输出给定时信号调整模块和第二时间间隔测量模块，提取出来自第一光纤时间传递单元的测量时间间隔、控制与状态信息输出给第二控制与处理模块；

所述的定时信号调整模块，接收来自第二时间编解码模块的定时信号，对其进行时延调整，将时延调整后的定时信号分别输出给第二时间编解码模块和第二时间间隔测量模块；

所述的第二光收发模块，将第二时间编解码模块输出的时间码调制到光信号上发送给第二光开关模块；同时将来自第二双向复用模块的光信号转换为电信号，传给第二时间编解码模块；

所述的第二光开关模块接收来自第二光收发模块的光信号，以及第二控制与处理模块的控制信号，将第二光收发模块的光信号发送到第二双向复用模块；

所述的第二双向复用模块，将来自第二光开关模块的光信号输入光纤通路中，并将来自同一光纤通路的光信号输出给第二光收发模块；

所述的第二控制与处理模块，接收所述的第二时间编解码模块输入的时间间隔、控制与状态信息，以及第二时间间隔测量模块输入的时间间隔，计算第一钟源和第二钟源的钟差；向第二时间编解码模块发送时间编码与解码控制信号，向第二光纤时间间隔测量模块发送控制与配置信息控制其进行时间间隔的测量及读取，向第二光开关模块发送控制信号控制光开关的打开和关闭。

所述的第二时间间隔测量模块接收来自第二时间编解码模块和第二钟源的定时信号，测试两个输入定时信号间的时间间隔；并接收第二时间编解码模块解码输出的定时信号和定时信号调整模块输出的定时信号，测试二者之间的时间间隔；将测得的时间间隔输出给第二控制与处理模块；

所述的中继与用户单元有三种工作模式：

模式一，中继与用户单元对前向和后向传递的光信号进行光-电-光中继；

模式二，中继与用户单元对前向和后向传递的光信号进行光-电-光中继，并实现各单元本地钟源定时信息与第一钟源的同步；

模式三，中继与用户单元对前向和后向传递的光信号进行光-电-光中继，并输出与第一钟源同步的定时信号。

工作在模式一的中继与用户单元包括：2×2光开关、光电转换及信号处理模块、电光转换模块、解码模块和控制模块；

所述2×2光开关的端口1和端口2分别与光纤通路的前向输入和后向输入相连，端口3和端口4分别与光电转换及信号处理模块和电光转换模块相连；在控制模块输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口1的前向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块，并将电光转换模块输入到端口4的光信号输出到端口2；在控制模块输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口2的后向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块，将电光转换模块输入到端口4的光信号输出到端口1；

所述光电转换及信号处理模块将来自2×2光开关端口3的光信号转换为电信号，并对信号做处理后输入电光转换模块和解码模块；

所述电光转换模块将来自光电转换及信号处理模块的电信号转换为光信号，并输入2×2光开关的端口4；

所述解码模块接收光电转换及信号处理模块输入的时间码，并进行解码，将从时间码中提取出的信息，输出给控制模块；

所述控制模块接收解码模块输入的信息，并据此，向2×2光开关输出状态控制信号。

所述的高精度长距离分布式光纤时间传递系统，其特征在于，工作在模式二的中继与用户单元包括：2×2光开关、光电转换及信号处理模块、电光转换模块、解码模块、控制模块、时间间隔测量模块和本地钟源；

所述2×2光开关的端口1和端口2分别与光纤通路的前向输入和后向输入相连，端口3和端口4分别与光电转换及信号处理模块和电光转换模块相连；在控制模块输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口1的前向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块，并将电光转换模块输入到端口4的光信号输出到端口2；在控制模块输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口2的后向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块，将电光转换模块输入到端口4的光信号输出到端口1；

所述光电转换及信号处理模块将来自2×2光开关端口3的光信号转换为电信号，并对信号做处理后输入电光转换模块和解码模块；

所述电光转换模块将来自光电转换及信号处理模块的电信号转换为光信号，并输入2×2光开关的端口4；

所述解码模块接收光电转换及信号处理模块输入的时间码，并进行解码，将从时间码中提取出的信息输出给控制模块，并将提取出的定时信号输出给时间间隔测量模块；

所述控制模块接收解码模块输入的信息，以及时间间隔测量模块输入的时间间隔；根据接收的信息，计算本地钟源与第一钟源的钟差、并使其与第一钟源同步，向2×2光开关输出状态控制信号，向时间间隔测量模块发送控制与配置信息，向本地钟源(4-7)发送时间同步控制信号；

所述的时间间隔测量模块接收解码模块输入的前向和后向定时信号以及本地钟源输入的定时信号，测量前向和后向定时信号间的时间间隔，以及前向定时信号和本地钟源的定时信号之间的时间间隔；并在控制模块输入的控制信号控制下，把测量时间间隔输出给控制模块；

所述本地钟源将本地定时信号输出给时间间隔测量模块，并接收控制模块输入的控制信号，输出与第一钟源同步的定时信号。

作在模式三的中继与用户单元包括：2×2光开关、光电转换及信号处理模块、电光转换模块、解码模块、控制模块、时间间隔测量模块和定时调整模块；

所述2×2光开关的端口1和端口2分别与光纤通路的前向输入和后向输入相连，端口3和端口4分别与光电转换及信号处理模块和电光转换模块相连；在控制模块输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口1的前向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块，并将电光转换模块输入到端口4的光信号输出到端口2；在控制模块输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口2的后向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块，将电光转换模块输入到端口4的光信号输出到端口1；

所述光电转换及信号处理模块将来自2×2光开关端口3的光信号转换为电信号，并对信号做处理后输入电光转换模块和解码模块；

所述电光转换模块将来自光电转换及信号处理模块的电信号转换为光信号，并输入2×2光开关的端口4；

所述解码模块接收光电转换及信号处理模块输入的时间码，并进行解码，将从时间码中提取出的信息输出给控制模块，并将提取出的定时信号输出给时间间隔测量模块和定时调整模块；

所述控制模块接收解码模块输入的信息，以及时间间隔测量模块输入的时间间隔；根据接收的信息，对定时调整模块进行调整并输出与第一钟源同步的定时信号，向2×2光开关输出状态控制信号，向时间间隔测量模块发送控制与配置信息；

所述的时间间隔测量模块接收解码模块输入的前向和后向定时信号，测量前向和后向定时信号间的时间间隔，并在控制模块输入的控制信号控制下，把测量时间间隔输出给控制模块；

所述定时调整模块接收控制模块输入的控制信号，对解码模块输入的前向定时信号进行时延调整，输出与第一钟源同步的定时信号。

另一方面，本发明还提供了一种高精度长距离分布式光纤时间传递系统的时间传递方法，包括下列步骤：

1)时序同步：

当第一光纤时间传递单元检测到第一钟源输入的本地定时信号时，启动光信号发送，向单纤双向通路发送包含本地定时信号、控制与状态信息的时间码的光信号，发送完成后关闭光信号发送；

第i(i＝1、2、……、N)中继与用户单元：启动后，2×2光开关的状态初始化并保持为前向传输，来自第一光纤时间传递单元的光信号经光电转换及信号处理后分为两路。一路经解码进行时间信号的识别，根据识别出时间信号的时刻t_fi，确定下一次将2×2光开关设置为前向传输的时刻t_fi1<t_fi+T-t_s1和后向传输的时刻t_bi1≥t_fi1+τ_c+t_s1，其中T为被传递的定时信号的周期，τ_c为传递的时间码长度，t_s1为2×2光开关的切换时间；在到达设置时刻t_fi1时，将2×2光开关设置并保持在前向传输状态；在到达设置时刻t_bi1时，将2×2光开关设置并保持在后向传输。经光电转换及信号处理后的另一路前向传输信号经电光转换后，由2×2光开关输出，经光纤传输给下一个单元；

第j(j＝1、2、……、M)双向光放大单元：对前向光信号的光放大；

第二光纤时间传递单元将接收到的来自第一光纤时间传递单元的定时信号延迟τ_d≥τ_c+t_s后，编码到时间码中，t_s为启动光信号发送的时间，启动光信号发送，通过光纤通路向第一光纤时间传递单元发送时间码，其余时间关闭光信号发送；

第i中继与用户单元：对到达的后向传输的光信号进行光-电-光中继；

第j双向光放大单元：对到达的后向传输的光信号进行光放大；

当第一光纤时间传递单元接收到第二光纤时间传递单元发送的时间码时，确认时序同步成功；

2)长距离分布式光纤时间传递：

①当第一光纤时间传递单元检测到第一钟源的本地定时信号时，启动光信号发送，通过光纤通路向第二光纤时间单元发送包含本地定时信号、本地测得的时间间隔T_AB以及控制与状态信息的时间码，发送完成后关闭光信号发送；

②第i中继与用户单元：在设置的前向传输时刻t_fi1，将2×2光开关设置并保持在前向传输状态，使前向传输的光信号通过光-电-光中继向下一级传输；同时，根据接收到前向传输信号的时刻t_fi，确定下一次将2×2光开关设置为前向传输的时刻t_fi1<t_fi+T-t_s1和后向传输的时刻t_bi1≥t_fi1+τ_c+t_s1；第i中继与用户单元若超过设定的时间阈值接收不到前向定时信号，则恢复初始化状态，将2×2光开关的设置并保持为前向传输状态，返回时序同步阶段；

如果第i中继与用户单元工作在模式二或模式三，则第i中继与用户单元从前向传输的信号中解码出前向定时信号及T_AB；

③第j双向光放大单元：对前向传递光信号的光放大；第j双向光放大单元若超过设定的时间阈值，失去对前向定时信号的跟踪，则恢复初始化状态，返回时序同步阶段；

④第二光纤时间传递单元从接收到的由第一光纤时间传递单元发送的时间码中提取出定时信号，测量接收的第一光纤时间传递单元定时信号与第二光纤时间传递单元的定时信号的差值T_BA；同时，将接收到的从第一光纤时间传递单元发送的定时信号延迟一个固定时间τ_d后，启动光信号发送，将所述的时间差值T_BA及τ_d编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，发送到同一光纤通路，发送完成后关闭光信号发送；第二光纤时间传递单元若超过设定的时间阈值接收不到第一光纤时间传递单元发送的定时信号，则恢复初始化状态，返回时序同步阶段。

第二光纤时间传递单元根据式(1)计算第一钟源与第二钟源的钟差：

${\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{12}=\frac{1}{2}\&lsqb;(T_{AB}-2T_{BA}-{\mathrm{\&tau;}}_d)+({\mathrm{\&tau;}}_A^T-{\mathrm{\&tau;}}_A^R+{\mathrm{\&tau;}}_B^R-{\mathrm{\&tau;}}_B^T)\&rsqb;---\left(5\right)$

其中，和第一光纤时间传递单元的发送和接收时延，和是第二光纤时间传递单元的发送和接收时延，通过设备标定得到；

⑤第i中继与用户单元：在设置的后向传输时刻t_bi1，将2×2光开关设置并保持在后向传输状态，使后向传输的光信号通过光-电-光中继向下一级传输；第i中继与用户单元若超过设定的时间阈值接收不到后向定时信号，则恢复初始化状态，将2×2光开关的设置并保持为前向传输状态，返回时序同步阶段；

如果第i中继与用户单元工作在模式二，则第i中继与用户单元从后向传输的信号中解码出后向定时信号，并输入时间间隔测量模块，时间间隔测量模块测试后向定时信号与步骤②中解码出的前向定时信号的时间间隔T_p、以及步骤②中解码出的前向定时信号和本地钟源的定时信号之间的时间间隔T_MA，根据下列公式(2)计算该中继与用户单元与第一钟源之间的钟差，实现分布式时间传递，

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}=\frac{1}{2}\&lsqb;(T_{AB}-T_p-2T_{MA})+({\mathrm{\&tau;}}_A^T+{\mathrm{\&tau;}}_M^R-{\mathrm{\&tau;}}_M^T-{\mathrm{\&tau;}}_A^R)\&rsqb;---\left(6\right)$

其中，和是第一光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到；和是第i中继与用户单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到；

如果第i中继与用户单元工作在模式三，则该中继与用户单元从后向传输的信号中解码出的后向定时信号，并输入时间间隔测量模块，测试出②中解码出的前向定时信号和后向定时信号的时间间隔T_p，根据公式(3)计算第i中继与用户单元接收的前向定时信号与第一钟源定时信号之间的钟差，并通过定时调整模块调整前向定时信号并输出，实现分布式时间传递，

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}=\frac{1}{2}\&lsqb;(T_{AB}-T_p)+({\mathrm{\&tau;}}_A^T+{\mathrm{\&tau;}}_M^R-{\mathrm{\&tau;}}_M^T-{\mathrm{\&tau;}}_A^R)\&rsqb;---\left(7\right)$

其中，和是第一光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到；和是第i中继与用户单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到；

⑥第j双向光放大单元：对后向传递光信号的光放大；第j双向光放大单元若超过设定的时间阈值，失去对后向定时信号的跟踪，则恢复初始化状态，返回时序同步阶段。

⑦第一光纤时间传递单元接收来自第二光纤时间传递单元的时间码，并从时间码中解码出定时信号、T_BA和τ_d，测量解码出的定时信号与步骤①发送的第一钟源的本地定时信号之间的时间差T_AB，返回①；第一光纤时间传递单元若超过设定的时间阈值接收不到第二光纤时间传递单元发送的定时信号，则恢复初始化状态，返回时序同步阶段；

第一光纤时间传递单元根据式(4)计算第一钟源与第二钟源的钟差：

${\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{12}=\frac{1}{2}\&lsqb;(T_{AB}-2T_{BA}-{\mathrm{\&tau;}}_d)+({\mathrm{\&tau;}}_A^T-{\mathrm{\&tau;}}_A^R+{\mathrm{\&tau;}}_B^R-{\mathrm{\&tau;}}_B^T)\&rsqb;---\left(8\right)$

其中，和是第一光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到，和是第二光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

以成熟的技术为基础，让双向时间信号通过同一路径来最大程度地保证主链路双向时延对称；通过光-电-光过程来有效避免瑞利散射等噪声的多次光放大对光纤时间传递稳定度的影响；通过中继与用户单元接收的双向定时信号时间间隔来实现分布式时间传递。

附图说明

图1是本发明具体实施例结构示意图；

图2是本发明具体实施例第一光纤时间传递单元结构示意图；

图3是本发明具体实施例第二光纤时间传递单元结构示意图；

图4是本发明具体实施例中继与用户单元(模式一)结构示意图；

图5是本发明具体实施例中继与用户单元(模式二)结构示意图；

图6是本发明具体实施例中继与用户单元(模式三)结构示意图；

图7是本发明具体实施例(中继与用户单元模式一)时序图；

图8是本发明具体实施例(中继与用户单元模式二)时序图；

图9是本发明具体实施例(中继与用户单元模式三)时序图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个具体实施例子。本实施例给出了本发明的详细实施方式和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中，高精度长距离分布式光纤时间传递系统(如图1所示)包括：第一钟源、第一光纤时间传递单元1、N个中继与用户单元、M个双向光放大单元、第二光纤时间传递单元2和第二钟源；其中，第一钟源通过电连接与第一光纤时间传递单元相连；第一光纤时间传递单元、N个中继与用户单元、M个双向光放大单元和第二光纤时间传递单元间通过光纤连接成单纤双向串连通路，第一光纤时间传递单元和第二光纤时间传递单元分别位于单纤双向串连通路的一端，N个中继与用户单元、M个双向光放大单元在串连通路上的顺序是任意的；第二光纤时间传递单元通过电的连接和第二钟源相连；双向光放大单元采用包含2×2光开关和单向光放大器的双向光放大器【参见：吴龟灵，张浩，陈建平,"高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置,"申请号：CN201610073321.3,2016.】。从第一光纤时间传递单元到第二光纤时间传递单元的传输方向为前向；从第二光纤时间传递单元到第一光纤时间传递单元的传输方向为后向。前向和后向光信号在光纤通路中分时传输。传递的定时信号为1PPS，时间码长度约为6μs。实施例中，第一光纤时间传递单元和第二光纤时间传递单元内光信号的发送与关闭分别由最大响应时间为1ms的1×1机械光开关来控制(如图2、图3所示)。中继与用户单元内2×2光开关采用切换时间为1ms的机械光开关(如图4、图5、图6所示)，其前向传输状态是指所述2×2光开关的端口1与端口3、端口2与端口4处于连通状态，其后向传输状态是指所述2×2光开关的端口1与端口4、端口2与端口3处于连通状态。

如图2所示，第一光纤时间传递单元1由第一时间编解码模块1-1、第一时间间隔测量模块1-2、第一光收发模块1-3、第一光开关模块1-4、第一双向复用模块1-5和第一控制与处理模块1-6组成；

所述第一时间编解码模块1-1将来自第一钟源的时间信号、第一控制与处理模块1-6 的控制与状态信息编入时间码，输出给第一光收发模块1-3；对来自第一光收发模块1-3的时间信号进行解码，提取出定时信号输出给第一时间间隔测量模块1-2，提取出来自第二光纤时间传递单元的测量时间间隔、控制与状态信息输出给第一控制与处理模块1-6；

所述的第一时间间隔测量模块1-2接收来自第一时间编解码模块1-1和第一钟源的定时信号，以及第一控制与处理模块1-6的控制信号，测试两个输入定时信号间的时间间隔，并将测得的时间间隔输出给第一控制与处理模块1-6；

所述的第一光收发模块1-3将第一时间编解码模块1-1输出的时间码调制到光信号上发送至第一光开关模块1-4；同时将来自第一双向复用模块1-5的光信号转换为电信号，传给第一时间编解码模块1-1；

所述的第一光开关模块1-4接收来自第一光收发模块1-3的光信号，以及第一控制与处理模块1-6的控制信号，将第一光收发模块1-3的光信号发送到第一双向复用模块1-5；

所述的第一双向复用模块1-5，将来自第一光开关模块1-4的光信号输入单纤双向串连通路中，同时将来自同一单纤双向串连通路的光信号输出给第一光收发模块1-3；

所述的第一控制与处理模块1-6，接收所述的第一时间编解码模块1-1输入的时间间隔、控制与状态信息，以及第一时间间隔测量模块1-2输入的时间间隔，计算第一钟源和第二钟源的钟差；向第一时间编解码模块1-1发送时间编码与解码控制信号、用于光纤链路接入与维护的状态与控制信息，向第一光纤时间间隔测量模块1-2发送控制与配置信息控制其时间间隔的测量及读取，向第一光开关模块1-4发送控制信号控制光开关的打开和关闭。

如图3所示，所述的第二光纤时间传递单元由第二时间编解码模块2-1、定时信号调整模块2-2、第二光收发模块2-3、第二光开关模块2-4、第二双向复用模块2-5、第二控制与处理模块2-6和第二时间间隔测量模块2-7组成；

所述的第二时间编解码模块2-1，将来自定时信号调整模块2-2的定时信号、第二控制与处理模块2-6的控制与状态信息编入时间码，输出给第二光收发模块2-3；对来自第二光收发模块2-3的时间信号进行解码，将提取出的定时信号分别输出给定时信号调整模块2-2和第二时间间隔测量模块2-7，提取出来自第一光纤时间传递单元的测量时间间隔、控制与状态信息输出给第二控制与处理模块2-6；

所述的定时信号调整模块2-2，接收来自第二时间编解码模块2-1的定时信号，对其进行时延调整，将时延调整后的定时信号分别输出给第二时间编解码模块2-1和第二时间间隔测量模块2-7；

所述的第二光收发模块2-3，将第二时间编解码模块2-1输出的时间码调制到光信号上发送给第二光开关模块2-4；同时将来自第二双向复用模块2-5的光信号转换为电信号，传给第二时间编解码模块2-1；

所述的第二光开关模块2-4接收来自第二光收发模块2-3的光信号，以及第二控制与处理模块2-6的控制信号，将第二光收发模块2-3的光信号发送到第二双向复用模块2-5；

所述的第二双向复用模块2-5，将来自第二光开关模块2-4的光信号输入光纤通路中，并将来自同一光纤通路的光信号输出给第二光收发模块2-3；

所述的第二控制与处理模块2-6，接收所述的第二时间编解码模块2-1输入的时间间隔、控制与状态信息，以及第二时间间隔测量模块2-7输入的时间间隔，计算第一钟源和第二钟源的钟差；向第二时间编解码模块2-1发送时间编码与解码控制信号，向第二光纤时间间隔测量模块2-7发送控制与配置信息控制其进行时间间隔的测量及读取，向第二光开关模块2-4发送控制信号控制光开关的打开和关闭；

所述的第二时间间隔测量模块2-7接收来自第二时间编解码模块2-1和第二钟源的定时信号，测试两个输入定时信号间的时间间隔；并接收第二时间编解码模块2-1解码输出的定时信号和定时信号调整模块2-2输出的定时信号，测试二者之间的时间间隔；将测得的时间间隔输出给第二控制与处理模块2-6。

所述的中继与用户单元有三种工作模式：

模式一，中继与用户单元对前向和后向传递的光信号进行光-电-光中继；如图4所示，工作在模式一的中继与用户单元包括：2×2光开关3-1光电转换及信号处理模块3-2、电光转换模块3-3、解码模块3-4和控制模块3-5；

所述2×2光开关3-1的端口1和端口2分别与光纤通路的前向输入和后向输入相连，端口3和端口4分别与光电转换及信号处理模块3-2和电光转换模块3-3相连；在控制模块3-5输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口1的前向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块3-2，并将电光转换模块3-3输入到端口4的光信号输出到端口2；在控制模块3-5输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口2的后向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块3-2，将电光转换模块3-3输入到端口4的光信号输出到端口1；

所述光电转换及信号处理模块3-2将来自2×2光开关3-1端口3的光信号转换为电信号，并对信号做处理后输入电光转换模块3-3和解码模块3-4；

所述电光转换模块3-3将来自光电转换及信号处理模块3-2的电信号转换为光信号，并输入2×2光开关3-1的端口4；

所述解码模块3-4接收光电转换及信号处理模块3-2输入的时间码，并进行解码，将从时间码中提取出的信息，输出给控制模块3-5；

所述控制模块3-5接收解码模块3-4输入的信息，并据此，向2×2光开关3-1输出状态控制信号。

模式二，中继与用户单元对前向和后向传递的光信号进行光-电-光中继，并实现各单元本地钟源定时信息与第一钟源的同步；如图5所示，工作在模式二的中继与用户单元包括：2×2光开关4-1、光电转换及信号处理模块4-2、电光转换模块4-3、解码模块4-4、控制模块4-5、时间间隔测量模块4-6和本地钟源4-7；

所述2×2光开关4-1的端口1和端口2分别与光纤通路的前向输入和后向输入相连，端口3和端口4分别与光电转换及信号处理模块4-2和电光转换模块4-3相连；在控制模块4-5输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口1的前向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块4-2，并将电光转换模块4-3输入到端口4的光信号输出到端口2；在控制模块4-5输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口2的后向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块4-2，将电光转换模块4-3输入到端口4的光信号输出到端口1；

所述光电转换及信号处理模块4-2将来自2×2光开关4-1端口3的光信号转换为电信号，并对信号做处理后输入电光转换模块4-3和解码模块4-4；

所述电光转换模块4-3将来自光电转换及信号处理模块4-2的电信号转换为光信号，并输入2×2光开关4-1的端口4；

所述解码模块4-4接收光电转换及信号处理模块4-2输入的时间码，并进行解码，将从时间码中提取出的信息输出给控制模块4-5，并将提取出的定时信号输出给时间间隔测量模块4-6；

所述控制模块4-5接收解码模块4-4输入的信息，以及时间间隔测量模块4-6输入的时间间隔；根据接收的信息，计算本地钟源4-7与第一钟源的钟差、并使其与第一钟源同步，向2×2光开关4-1输出状态控制信号，向时间间隔测量模块4-6发送控制与配置信息，向本地钟源4-7发送时间同步控制信号；

所述的时间间隔测量模块4-6接收解码模块4-4输入的前向和后向定时信号以及本地钟源4-7输入的定时信号，测量前向和后向定时信号间的时间间隔，以及前向定时信号和本地钟源4-7的定时信号之间的时间间隔；并在控制模块4-5输入的控制信号控制下，把测量时间间隔输出给控制模块4-5；

所述本地钟源4-7将本地定时信号输出给时间间隔测量模块4-6，并接收控制模块4-5输入的控制信号，输出与第一钟源同步的定时信号。

模式三，中继与用户单元对前向和后向传递的光信号进行光-电-光中继，并输出与第一钟源同步的定时信号。如图6所示，工作在模式三的中继与用户单元包括：2×2光开关5-1、光电转换及信号处理模块5-2、电光转换模块5-3、解码模块5-4、控制模块5-5、时间间隔测量模块5-6和定时调整模块5-7；

所述2×2光开关5-1的端口1和端口2分别与光纤通路的前向输入和后向输入相连，端口3和端口4分别与光电转换及信号处理模块5-2和电光转换模块5-3相连；在控制模块5-5输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口1的前向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块5-2，并将电光转换模块5-3输入到端口4的光信号输出到端口2；在控制模块5-5输入的控制信号控制下，将光纤通路输入端口2的后向光信号，切换到端口3，输出给光电转换及信号处理模块5-2，将电光转换模块5-3输入到端口4的光信号输出到端口1；

所述光电转换及信号处理模块5-2将来自2×2光开关5-1端口3的光信号转换为电信号，并对信号做处理后输入电光转换模块5-3和解码模块5-4；

所述电光转换模块5-3将来自光电转换及信号处理模块5-2的电信号转换为光信号，并输入2×2光开关5-1的端口4；

所述解码模块5-4接收光电转换及信号处理模块5-2输入的时间码，并进行解码，将从时间码中提取出的信息输出给控制模块5-5，并将提取出的定时信号输出给时间间隔测量模块5-6和定时调整模块5-7；

所述控制模块5-5接收解码模块5-4输入的信息，以及时间间隔测量模块5-6输入的时间间隔；根据接收的信息，对定时调整模块5-7进行调整并输出与第一钟源同步的定时信号，向2×2光开关5-1输出状态控制信号，向时间间隔测量模块5-6发送控制与配置信息；

所述的时间间隔测量模块5-6接收解码模块5-4输入的前向和后向定时信号，测量前向和后向定时信号间的时间间隔，并在控制模块5-5输入的控制信号控制下，把测量时间间隔输出给控制模块5-5；

所述定时调整模块5-7接收控制模块5-5输入的控制信号，对解码模块5-4输入的前向定时信号进行时延调整，输出与第一钟源同步的定时信号。

高精度长距离分布式光纤时间传递方法，包括：时序同步过程和长距离分布式光纤时间传递过程，时序同步过程用于实现光纤时间传递系统中各单元的时序配置，实现基于双向时分复用的同纤同波传输。长距离分布式光纤时间传递过程，通过基于双向时分复用的同纤同波传输实现第二钟源、中继与用户单元和第一钟源的时间同步。

1)时序同步，具体包括：

第一光纤时间传递单元根据检测到第一钟源的本地1PPS到来的时刻t_m1，由光开关切换的最大响应时间为1ms，确定下一次打开光开关的时刻t_m11<t_m1+0.999。在到达t_m11时，第一光纤时间传递单元将光开关打开，把本地1PPS编入时间码，并通过光纤通路向第二光纤时间传递单元发送时间码。在完成时间码的发送之后关闭光开关。

第i(i＝1、2、……、N)中继与用户单元：启动后，其2×2光开关的状态初始化并保持为前向传输。沿前向传输的光信号到达第i中继与用户单元，依次经过2×2光开关的端口1和端口3，光电转换及信号处理模块后分为两路。一路经解码模块解码出定时信号，控制模块根据解码出定时信号的时刻t_fi，确定下一次将2×2光开关设置为前向传输的时刻t_fi1<t_fi+0.999和后向传输的时刻t_bi1≥t_fi1+0.001006。在到达设置时刻t_fi1时，将2×2光开关设置并保持在前向传输状态；在到达设置时刻t_bi1时，将2×2光开关设置并保持在后向传输。光电转换及信号处理模块输出的另一路信号经电光转换模块、2×2光开关的端口4和端口2、光纤通路进入下一级。

第j(j＝1、2、……、M)双向光放大单元：根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t_fj，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为前向传输的时刻t_fj1＝t_fj+0.9；在到达设置时刻t_fj1时，将第j双向光放大单元内部传输方向设置并保持为前向传输，使得第一光纤时间传递单元发送的时间码光放大后经光纤通路进入下一级。

第二光纤时间传递单元对接收到的来自第一光纤时间传递单元的1PPS延时10ms后编入时间码，并通过光纤通路发送到第一光纤时间传递单元。第二光纤时间传递单元在接收到来自第一光纤时间传递单元的1PPS后的5ms，将1×1光开关打开，并在时间码发送完成后关闭；

到达第i中继与用户单元的后向传输光信号，依次经过2×2光开关的端口2和端口3、光电转换模块、电光转换模块、2×2光开关1的端口4和端口1、光纤通路进入下一级。

第j双向光放大单元：根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t_bj，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为后向传输的时刻t_bj1＝t_bj+0.9；在到达设置时刻t_bj1时，将第j双向光放大单元内部传输方向设置并保持为后向传输，使得第二光纤时间传递单元发送的时间码光放大后经光纤传输链路进入下一级；

当第一光纤时间传递单元接收到第二光纤时间传递单元发送的时间码时，确认时序同步成功，进入长距离分布式光纤时间传递状态。

2)长距离分布式光纤时间传递，具体步骤如下(如图7所示)：

①第一光纤时间传递单元根据检测到第一钟源的本地1PPS到来的时刻t_m1，确定下一次打开光开关的时刻t_m11<t_m1+0.999。在到达t_m11时，第一光纤时间传递单元将光开关打开，把本地1PPS编入时间码，并通过光纤传输链路向第二光纤时间传递单元发送时间码。在完成时间码的发送之后关闭光开关。

②第i中继与用户单元：沿前向传输的光信号，依次经过2×2光开关的端口1和端口3，并在光电转换及放大模块中分为两路，一路经解码模块进入控制模块，控制模块根据此时刻t_fi，确定下一次将2×2光开关设置为前向传输的时刻t_fi1<t_fi+0.999和后向传输的时刻t_bi1≥t_fi1+0.01006。在到达设置时刻t_fi1时，将2×2光开关设置并保持在前向传输，使得另一路携带定时信号的前向信号经光电转换及信号处理模块后，依次经过电光转换模块、2×2光开关的端口4和端口2、光纤传输链路进入下一级。在到达设置时刻t_bi1时，将2×2光开关设置并保持在后向传输。第i中继与用户单元若超过设定的时间阈值(如100s)接收不到前向定时信号，则恢复初始化状态，将2×2光开关的设置并保持为前向传输状态，返回时序同步阶段；

如果工作在模式二(如图8所示)或模式三(如图9所示)，则该中继与用户单元从前向传输的信号中解码出前向定时信号及T_AB，并将解码出的前向定时信号输入时间间隔测量模块。

③第j双向光放大单元：根据检测到第一光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t_fj，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为前向传输的时刻t_fj1＝t_fj+0.9；在到达设置时刻t_fj1时，将第j双向光放大单元内部传输方向设置并保持为前向传输，使得第一光纤时间传递单元发送的时间码光放大后经光纤传输链路进入下一级。第j双向光放大单元若超过设定的时间阈值(如100s)，失去对前向定时信号的跟踪，则恢复初始化状态，返回时序同步阶段；

④第二光纤时间传递单元检测到从第一光纤时间传递单元发送的1PPS后，测量本地1PPS与接收到的从第一光纤时间传递单元发送的1PPS之间的差值T_BA，同时将接收到的从第一光纤时间传递单元发送的1PPS延迟约10ms，将此延迟后的1PPS和本地测量的时间差值T_BA及τ_d编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，通过光纤传输链路向第一光纤时间传递单元发送时间码；第二光纤时间传递单元在接收到来自第一光纤时间传递单元的1PPS后的5ms，将1×1光开关打开，并在时间码发送完成后关闭；第二光纤时间传递单元若超过设定的时间阈值(如100s)接收不到第一光纤时间传递单元发送的定时信号，则恢复初始化状态，返回时序同步阶段。

第二光纤时间传递单元根据式(9)计算第一钟源与第二钟源的钟差：

${\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{12}=\frac{1}{2}\&lsqb;(T_{AB}-2T_{BA}-{\mathrm{\&tau;}}_d)+({\mathrm{\&tau;}}_A^T-{\mathrm{\&tau;}}_A^R+{\mathrm{\&tau;}}_B^R-{\mathrm{\&tau;}}_B^T)\&rsqb;---\left(9\right)$

其中，和是第一光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到；和是第二光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到。

⑤第i中继与用户单元：在设置的后向传输时刻t_bi1，将2×2光开关设置并保持在后向传输状态，使后向传输的光信号通过光-电-光光-电-光中继向下一级传输；第i中继与用户单元若超过设定的时间阈值(如100s)接收不到后向定时信号，则恢复初始化状态，将2×2光开关的设置并保持为前向传输状态，返回时序同步阶段；

如果第i中继与用户单元工作在模式二(如图8所示)，则该中继与用户单元从后向传输的信号中解码出后向定时信号，并输入时间间隔测量模块，测试出前向定时信号和后向定时信号的时间间隔、以及前向定时信号和本地钟源的定时信号之间的时间间隔，根据公式(10)计算该中继与用户单元本地钟源与第一钟源之间的钟差，从而实现分布式时间传递。

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}=\frac{1}{2}\&lsqb;(T_{AB}-T_p-2T_{MA})+({\mathrm{\&tau;}}_A^T+{\mathrm{\&tau;}}_M^R-{\mathrm{\&tau;}}_M^T-{\mathrm{\&tau;}}_A^R)\&rsqb;---\left(10\right)$

其中，T_p为前向定时信号与后向定时信号之间的时间间隔；T_MA为前向定时信号与本地钟源的定时信号之间的时间间隔；和是第一光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到；和是第i中继与用户单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到。

如果第i中继与用户单元工作在模式三(如图9所示)，则该中继与用户单元从后向传输的信号中解码出的后向定时信号，并输入时间间隔测量模块，测试出前向定时信号和后向定时信号的时间间隔，根据公式(11)计算第i中继与用户单元接收的前向定时信号与第一钟源定时信号之间的钟差，并通过定时调整模块调整前向定时信号并输出，从而实现分布式时间传递。

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}=\frac{1}{2}\&lsqb;(T_{AB}-T_p)+({\mathrm{\&tau;}}_A^T+{\mathrm{\&tau;}}_M^R-{\mathrm{\&tau;}}_M^T-{\mathrm{\&tau;}}_A^R)\&rsqb;---\left(11\right)$

其中，T_p为前向定时信号与后向定时信号之间的时间间隔；和是第一光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到；和是第i中继与用户单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到

⑥第j双向光放大单元：根据检测到第二光纤时间传递单元发送的时间码的时刻t_bj，确定下一次切换2×2光开关状态使得内部传输方向为后向传输的时刻t_bj1＝t_bj+0.9；在到达设置时刻t_bj1时，将第j双向光放大单元内部传输方向设置并保持为后向传输，使得第二光纤时间传递单元发送的时间码光放大后经光纤传输链路进入下一级；第j双向光放大单元若超过设定的时间阈值(如100s)，失去对后向定时信号的跟踪，则恢复初始化状态，返回时序同步阶段；

⑦第一光纤时间传递单元测量步骤①发送的本地1PPS的时刻与从第二光纤时间传递单元接收到的1PPS之间的时间差值T_AB，并从时间码中解码出T_BA和τ_d。并在下一次检测到本地1PPS时将T_AB编入包含本地1PPS的时间码，通过光纤传输链路发送给第二光纤时间传递单元，其余时间关闭光信号发送；第一光纤时间传递单元若超过设定的时间阈值接收不到第二光纤时间传递单元发送的定时信号，则恢复初始化状态，返回时序同步阶段；

第一光纤时间传递单元根据式(12)计算第一钟源与第二钟源的钟差：

${\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{12}=\frac{1}{2}\&lsqb;(T_{AB}-2T_{BA}-{\mathrm{\&tau;}}_d)+({\mathrm{\&tau;}}_A^T-{\mathrm{\&tau;}}_A^R+{\mathrm{\&tau;}}_B^R-{\mathrm{\&tau;}}_B^T)\&rsqb;---\left(12\right)$

其中，和是第一光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到，和是第二光纤时间传递单元的发送和接收时延，可以通过设备标定得到。