测量非对称光纤链路传输时延的方法

测量非对称光纤链路传输时延的方法
【专利摘要】本发明涉及光纤通信和时间频率同步技术领域，尤其是涉及测量非对称光纤链路传输时延的方法，通过在主站设备和从站设备之间的上行和下行光纤中发送不同波长的光信号，来测量主站设备和从站设备之间上行和下行光纤的长度，然后计算出主站设备和从站设备之间的时间偏差，再对时间偏差进行修正和补偿，从而实现主站设备和从站设备的时间同步。该方法针对非对称光纤链路存在的传输时延差值问题，提出了一种新的测量方法，通过采用修正系数的方法，提高了非对称光纤链路传输时延的测量精度；使IEEE 1588时间同步技术能够应用于包含了光放大器的光纤链路中，解决了光通信系统中光纤链路非对称时延的测量问题。
【专利说明】
测量非对称光纤链路传输时延的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤通信和时间频率同步技术领域，尤其是涉及非对称光纤链路传输 时延的测量。
【背景技术】
[0002] 目前，在分组传送网（PTN，Packet Transport Network)中，普遍米用IEEE1588协 议将时间同步信号传递到网络中的各个节点设备，从而实现整个通信网络的时间同步。 IEEE 1588是替代GPS/GL0NASS/北斗卫星等卫星授时系统解决通信网络时间同步问题的主 要技术手段。IEEE1588协议的全称是"网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准"，它 是一种适用于多点通信的分布式控制系统的精确时间协议(Precision Time Protocol， PTP)。采用精确时间协议(PTP)，时间同步精度可以达到亚微秒量级。
[0003] IEEE 1588作为一种主从同步系统，在系统的同步过程中，主时钟周期性发布ΡΤΡ 时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算 出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与 主设备时间一致的频率和相位。IEEE1588可以同时实现频率同步和时间同步，时间传递的 精度保证主要依赖于链路的对称性。
[0004] IEEE 1588实现时间同步的前提是链路必须满足对称性，即主站和从站之间传递 时间信号的两根光纤的长度必须相等。但是，现网的实际情况往往不能满足链路对称性的 假设。因为在现有的光纤网络中，即使是同一条光缆，其中不同的纤芯的长度是不同的，因 此，光纤通信中双向收发的两根光纤的长度一般是非对称的。由于两根光纤的长度不相同， 导致光纤传输时延不相等，因此存在非对称性时延。物理上长度为1米的光纤，传输时延大 约为5ns(纳秒）。实际测试数据表明，光纤长度的非对称性导致的时延误差在100ms(毫秒） 以上的概率非常大，光纤链路的非对称性严重影响了 IEEE 1588的同步精度。
[0005] 为了解决IEEE 1588时钟同步技术存在的光纤链路不对称带来的非对称时延问 题，必须对光纤链路的非对称时延值进行精确测量，对非对称光纤链路引入的时延偏差进 行补偿，从而消除因光纤链路不对称而造成的时间同步误差。但是，快速准确地测量出光纤 链路非对称性时延是工程中的一个难题。目前采用的解决方法主要有光时域反射仪(0TDR) 测试、IEEE 1588测试仪表、光纤倒换测试法等，不过现有的方法都存在各自的缺陷。例如使 用标准的光时域反射仪表(0TDR)测试法，直接测量发射光纤链路的长度和接收光纤链路的 长度，然后计算出光纤链路的不对称差值。这种测量方法，纯粹依靠人工手动操作，不仅测 试效率低下，而且当光纤中有熔接头时，测量的光纤长度不准确。使用IEEE 1588专用测试 仪表，先人工手动的方式测量出光纤传输链路实际的非对称时延值，然后再对非对称时延 进行补偿。这种方法不仅需要架设GPS接收天线，而且当光纤链路发生变化时，无法自动测 量出非对称时延的变化，从而影响了时间同步的精度。光纤倒换的方法利用光开关，先测试 第一根光纤的时延，再测试第二根光纤的时延。这种方法非常局限，只适用于没有光放大器 的链路。综上所述，现有的光纤链路非对称时延的测量方法都存在着各自的不足，适用范围 有限，尤其是不能适用于具有光放大器的场合，而为了实现远距离的光纤传输，目前的光通 信网中普遍采用了光放大器。因此，如何实现对具有光放大器的光纤链路进行非对称时延 的精确测量是光通信网络实现时间同步亟待解决的问题。
[0006] 现有的光通信系统普遍采用两根光纤来进行上行和下行方向的双向传输，例如光 同步数字体系（SDH)和分组传送网（PTN)以及波分复用系统(WDM)。对于采用两根光纤进行 上行和下行双向传输的光通信系统，其上下行方向传输光信号的两根光纤的实际物理长度 并不相等。即使是同一条光缆中的两根光纤，其实际的长度也是不相等的，因此光信号在两 根长度不同的光纤中传输的时延是不同的，存在着因光纤链路的非对称性带来的非对称时 延。在双纤双向传输的光通信系统中，如果采用IEEE 1588时间同步技术对网络中各节点设 备进行时间同步，那么必然存在着非对称时延差值，使各节点设备的时间同步精度受到影 响。在实际工程中，为了增大光通信系统的传输距离，普遍采用了光放大器来延长传输距 离。由于光纤链路中增加了光放大器，导致光纤链路的非对称时延的测量变得非常困难。

【发明内容】

[0007] 针对现有的测试方法不能适用于具有光放大器的非对称光纤链路，本发明的目的 就是为了解决IEEE 1588不适用于非对称光纤链路的问题，提出一种测量非对称光纤链路 时延的方法，该方法也适用于测量具有光放大器的非对称光纤链路的时延。
[0008] 本发明采用的具体技术方案是:对于双纤双向传输的光通信系统，测量非对称光 纤链路传输时延的方法为:通过在主站设备和从站设备之间的上行和下行光纤中发送不同 波长的光信号，来测量主站设备和从站设备之间上行和下行光纤的长度，然后计算出主站 设备和从站设备之间的时间偏差，再对时间偏差进行修正和补偿，从而实现主站设备和从 站设备的时间同步。
[0009] 具体的步骤如下：
[0010] 设双向传输的两条光纤链路的长度不相等；主站设备（Master)到从站设备 (Slave)的光纤A的长度为La，从站设备(Slave)到主站设备(Master)的光纤B的长度为Lb;
[0011] 步骤一、主站设备分别采用两个不同的波长λ?和λ2向从站设备发送光信号，光信 号经过光纤Α后到达从站设备，从站设备测量出两个不同波长的光信号到达的时间差值Δ Ta，波长λ?和λ2的每公里光纤长度时延差值为idiff，计算出光纤A的长度La等于：
[0012]
[0013] Δ Τα的测量方法为：
[0014] 主站设备先以波长λ?向从站设备发送光信号，然后再以波长λ2向从站设备发送光 ?目号，可得：
[0015]
[0016]
[0017]式中是主站设备第一次发送时间报文的时刻，^是从站设备第一次接收时间报 文的时刻;t3是主站设备第二次发送时间报文的时刻;t4是从站设备第二次接收时间报文的 时刻;是波长为λ?的光信号经由光纤A传输的时延;是波长为λ2的光信号经由光纤A 传输的时延;of f set为主站设备和从站设备之间的时间偏差；
[0018] 两个不同波长的光信号到达的时间差值为：
[0019]
[0020] 步骤二、从站设备分别采用两个不同的波长λ?和λ2向主站设备发送光信号，光信 号经过光纤Β后到达主站设备，主站设备测量出两个不同波长的光信号到达的时间差值Δ Τ Β，类似地，可以计算出光纤Β的长度Lb等于：
[0021]
[0022] Δ TB的测量方法与Δ Τα的测量方法相同。
[0023] ΛΤβ的测量方法为：
[0024] 从站设备先以波长λ?向主站设备发送光信号，然后再以波长λ2向主站设备发送光 ?目号，可得：
[0025]
[0026]
[0027] 式中t5是从站设备第一次发送时间报文的时刻，U是主站设备第一次接收时间报 文的时刻;t7是从站设备第二次发送时间报文的时刻，t 8是主站设备第二次接收时间报文的 时刻;是波长为λ?的光信号经由光纤B传输的时延;Df是波长为λ2的光信号经由光纤B 传输的时延；
[0028] 两个不同波长的光信号到达的时间差值为：
[0029]

[0030] 步骤三、主站设备先以波长λ?问从站设备友送光信号，从站设备收到后再以波长λ 1向主站设备转发光信号;然后，主站设备又以波长λ2向从站设备发送光信号，从站设备收 到后再以波长λ2向主站设备转发光信号。通过主站到从站环回的方式，测量出两个不同波 长的光信号到达的时间差值A Tab，如图3所示。类似地，可以计算出光纤Α和光纤Β的总长度 Lab等于.
[0031]
[0032] Δ Tab的测量方法为：
[0033] 主站设备先以波长λ?向从站设备发送光信号，从站设备收到后再以波长λ?向主站 设备转发光信号，可得：
[0034]
[0035]
[0036]式中t9是主站设备第三次发送时间报文的时刻，t1Q是从站设备第三次接收时间报 文的时刻;tn是从站设备第三次发送时间报文的时刻，t12是主站设备第三次接收时间报文 的时刻；
[0037] 波长λ?的光信号环回的时间值为：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041] 主站设备再以波长λ2向从站设备发送光信号，从站设备收到后再以波长λ2向主站 设备转发光信号，可得：
[0042]
[0043]
[0044] 式中t13是主站设备第四次发送时间报文的时刻，t14是从站设备第四次接收时间 报文的时刻;t 15是从站设备第四次发送时间报文的时刻，t16是主站设备第四次接收时间报 文的时刻；
[0045] 波长λ2的光信号环回的时间值为：
[0046]
[0047]
[0048]步骤四、计算并修正主站设备和从站设备之间的非对称时延和时间偏差；
[0049]由于步骤三采用环回测试的方式，将主站设备(Master)发出的光信号通过从站设 备（Slave)返回到主站设备(Master)后进行精确比对，因此得到的光纤A和光纤B的总长度 的测量值与光纤A和光纤B的总长度的真实值//^非常接近，可以认为两者相等， ΛΒ AB 即有以下等式：
[0050]
[0051] 由于步骤一不是采用环回测试的方式，因此得到的光纤A长度的测量值if μ?% Λ
与光纤Α长度的真实值//之间存在偏差，即 A _ _
[0052] 同理，由于步骤二也不是采用环回测试的方式，因此得到的光纤B长度的测量值 € ^、光纤帐度的真实值/^之间也存在偏差，即￡：_~1^。 B B B B
[0053]因此，需要对光纤A长度的测量值和光纤B长度的测量值进行修正。由于光信号在 光纤中的传输时延与光纤的长度成正比，因此可以得到修正系数r:
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0059] 修正后的光纤A的传输时延为：
[0058]
[0060]
[0061]修正后的光纤B的传输时延为：
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 通过上述修正算法，计算出主站设备和从站设备之间的时间偏差的修正值 Modified_offset之后，在从站设备扣除修正后的时间偏差值Modif ied_offset，即可实现 从站设备与主站设备之间的时间同步。
[0066]本发明提供的测量非对称光纤链路传输时延的方法，针对非对称光纤链路存在的 传输时延差值问题，提出了一种新的测量方法，通过采用修正系数的方法，提高了非对称光 纤链路传输时延的测量精度;使IEEE 1588时间同步技术能够应用于包含了光放大器的光 纤链路中，解决了光通信系统中光纤链路非对称时延的测量问题。
【附图说明】
[0067]图1为本发明飞测量流程图；
[0068]图2为本发明测量Δ Τα的示意图；
[0069]图3为本发明测量ΔΤβ的示意图；
[0070]图4为本发明测量Δ Tab的示意图。
【具体实施方式】
[0071]下面对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作步骤，但本发明的保护范围不 限于下述的实施例。
[0072]为了便于理解，本实施例选择现有光通信系统中常用的1550nm和1310nm作为工作 波长。本发明实施例所述的测量非对称光纤链路时延的装置由主站设备和从站设备构成。 其中主站设备包括1550nm光发射器、1310nm光发射器、光接收器、计算处理单元;从站设备 与主站设备相同，也包括1550nm光发射器、1310nm光发射器、光接收器、计算处理单元。主站 设备和从站设备之间的光纤链路是现有的双纤双向光传输链路，并且光纤链路上还有光放 大器。
[0073]本发明米用的技术方案利用了不同波长的光信号在同一根光纤中传输时存在群 时延差，如表1所不。例如波长为1550nm的光信号和波长为13 lOnm的光信号传输lkm后，时延 差值为2.1414ns。即单位长度的时延差值为2.1414ns/km，如果能够测量出两点之间的时延 值，除以单位长度的时延差值，那么就可以得到两点之间的光纤链路的长度。
[0074] 表1不同波长的光信号传输lkm后的时延差和单程传输时延
[0075]
[0076] 本发明提供的测量光纤链路非对称性时延的方法，包括以下步骤：
[0077] 步骤一、主站设备分别采用1550nm和1310nm两个不同的波长向从站设备发送光信 号，光信号经过光纤A后到达从站设备，从站设备测量出两个不同波长的光信号到达的时间 差值ΔΤα。由表1可知，1550nm和1310nm两个不同波长每公里光纤长度的时延差值为 2.1414ns ,闵此，可以计筧出光纴A的长度La等干：
[0078]
[0079] Δ Τα的测量方法如图2所示。
[0080] 如图2所示，主站设备先以波长λ?向从站设备发送光信号，然后再以波长λ2向从站 设备发送光信号，可得：
[0081]
[0082]
[0083]式中t是主站(Master)设备第一次发送时间报文的时刻，t2是从站设备(Slave)第 一次接收时间报文的时刻;t3是主站(Master)设备第二次发送时间报文的时刻;t4是从站设 备（Slave)第二次接收时间报文的时刻；是波长为λ?的光信号经由光纤A传输的时延； 是波长为λ2的光信号经由光纤A传输的时延;offset为主站设备和从站设备之间的时间 偏差。
[0084] 两个不同波长的光信号到达的时间差值为：
[0085] _
[0086] 步骤二、从站设备然后分别采用1550nm和1310nm两个不同的波长向主站设备发送 光信号，光信号经过光纤B后到达主站设备，主站设备测量出两个不同波长的光信号到达的 时间差值A TB。类似地，可以计算出光纤B的长度Lb等于：
[0087]
[0088] ΔΤβ的测量方法如图3所示。
[0089] 如图3所示，从站设备先以波长λ?向主站设备发送光信号，然后再以波长λ2向主站 设备发送光信号，可得：
[0090]
[0091]
[0092] 式中t5是从站设备(Slave)第一次发送时间报文的时刻，t6是主站(Master)设备第 一次接收时间报文的时刻；t 7是从站设备（Slave)第二次发送时间报文的时刻，t8是主站 (Master)设备第二次接收时间报文的时刻;是波长为λ?的光信号经由光纤B传输的时 延；是波长为λ2的光信号经由光纤Β传输的时延。
[0093] 两个不同波长的光信号到达的时间差值为：
[0094]
[0095]步骤三、主站设备先以波长1550nm向从站设备发送光信号，从站设备收到后再以 波长1550nm向主站设备转发光信号;然后，主站设备又以波长1310nm向从站设备发送光信 号，从站设备收到后再以波长1310nm向主站设备转发光信号。通过主站到从站环回的方式， 测量出两个不同波长的光信号到达的时间差值A Tab，如图3所示。类似地，可以计算出光纤A 和光纤B的总长度Lab等于：
[0096]
[0097] Δ Tab的测量方法如图4示。
[0098] 如图4所示，主站设备先以波长λ?向从站设备发送光信号，从站设备收到后再以波 长λ?向主站设备转发光信号，可得：
[0099]
[0100]
[0101]式中t9是主站设备第三次发送时间报文的时刻，t1Q是从站设备第三次接收时间报 文的时刻;tn是从站设备第三次发送时间报文的时刻，t12是主站设备第三次接收时间报文 的时刻。
[0102] 波长λ?的光信号环回的时间值为：
[0103]
[0104]
[0105]
[0106] 如图3所示，主站设备再以波长λ2向从站设备发送光信号，从站设备收到后再以波 长入2向主站设备转发光信号，可得：
[0107]
[0108]
[0109] 式中t13是主站设备第四次发送时间报文的时刻，t14是从站设备第四次接收时间 报文的时刻;t 15是从站设备第四次发送时间报文的时刻，t16是主站设备第四次接收时间报 文的时刻。
[0110] 波长λ2的光信号环回的时间值为：
[0111]
[0112] 因此可得，A7^=￡^-Z>fs (17)
[0113] 步骤四、计算并修正主站设备和从站设备之间的非对称时延和时间偏差，得到修 正后的时间偏差。
[0114]
[0115] 其中r为修正系数，M-：細/为修正后的光纤A的传输时延，M>邮 为修正后的光纤B的传输时延。
[0116] 在从站设备扣除修正后的时间偏差值ModifiecLoffset，即可实现从站设备与主 站设备之间的时间同步。
【主权项】
1. 测量非对称光纤链路传输时延的方法，其特征在于，包括以下过程:通过在主站设备 和从站设备之间的上行和下行光纤中发送不同波长的光信号，来测量主站设备和从站设备 之间上行和下行光纤的长度，然后计算出主站设备和从站设备之间的时间偏差，再对时间 偏差进行修正和补偿，从而实现主站设备和从站设备的时间同步。2. 根据权利要求1所述的测量非对称光纤链路传输时延的方法，其特征在于，包括以下 步骤： 设双向传输的两条光纤链路的长度不相等;主站设备到从站设备的光纤A的长度为La， 从站设备到主站设备的光纤B的长度为Lb; 步骤一、主站设备分别采用两个不同的波长λ?和λ2向从站设备发送光信号，光信号经 过光纤A后到达从站设备，从站设备测量出两个不同波长的光信号到达的时间差值ΔΤα，波 长λ?和λ2的每公里光纤长度时延差值为Tdiff，计算出光纤A的长度La等于：步骤二、从站设备分别采用两个不同的波长λ?和λ2向主站设备发送光信号，光信号经 过光纤B后到达主站设备，主站设备测量出两个不同波长的光信号到达的时间差值ΔΤβ，计 算出光纤B的长度Lb等于：步骤三、主站设备先以波长λ?向从站设备发送光信号，从站设备收到后再以波长λ?向 主站设备转发光信号;然后，主站设备又以波长λ2向从站设备发送光信号，从站设备收到后 再以波长λ2向主站设备转发光信号;通过主站到从站环回的方式，测量出两个不同波长的 光信号到达的时间差值Δ Tab，计算出光纤A和光纤B的总长度Lab等于：步骤四、计算并修正主站设备和从站设备之间的非对称时延和时间偏差。3. 根据权利要求2所述的测量非对称光纤链路传输时延的方法，其特征在于，步骤一中 所述的Δ Ta的测量方法为： 主站设备先以波长λ?向从站设备发送光信号，然后再以波长λ2向从站设备发送光信 号，可得：式中t是主站设备第一次发送时间报文的时刻，t2是从站设备第一次接收时间报文的 时刻；t3是主站设备第二次发送时间报文的时刻；t4是从站设备第二次接收时间报文的时 亥是波长为λ?的光信号经由光纤A传输的时延;Df是波长为λ2的光信号经由光纤A传 输的时延;of f set为主站设备和从站设备之间的时间偏差； 两个不同波长的光信号到达的时间差值为：4. 根据权利要求2所述的测量非对称光纤链路传输时延的方法，其特征在于，步骤二中 所述的Δ Tb的测量方法为： 从站设备先以波长λ?向主站设备发送光信号，然后再以波长λ2向主站设备发送光信 号，可得：式中t5是从站设备第一次发送时间报文的时刻，U是主站设备第一次接收时间报文的 时刻；t7是从站设备第二次发送时间报文的时刻，t8是主站设备第二次接收时间报文的时 亥是波长为λ?的光信号经由光纤B传输的时延;是波长为λ2的光信号经由光纤B传 输的时延； 两个不同波长的光信号到达的时间差值为： 5. 根据权利要求2所述的测量非对称光纤链路传输时延的方法，其特征在于，步骤三中 所述的△ Tab的测量方法为： 主站设备先以波长λ?向从站设备发送光信号，从站设备收到后再以波长λ?向主站设备 转发光信号，可得：式中t9是主站设备第三次发送时间报文的时刻，t1Q是从站设备第三次接收时间报文的 时刻;tn是从站设备第三次发送时间报文的时刻，t12是主站设备第三次接收时间报文的时 刻； 波长λ 1的光信号环回的时间值为：主站设备再以波长λ2向从站设备发送光信号，从站设备收到后再以波长λ2向主站设备 转发光信号，可得：式中t13是主站设备第四次发送时间报文的时刻，t14是从站设备第四次接收时间报文的 时刻;t15是从站设备第四次发送时间报文的时刻，t16是主站设备第四次接收时间报文的时 刻； 波长λ2的光信号环回的时间值为：6.根据权利要求2所述的测量非对称光纤链路传输时延的方法，其特征在于，步骤四中 所述的修正主站设备和从站设备之间的非对称时延和时间偏差，包括以下过程：步骤三采用环回测试的方式，将主站设备发出的光信号通过从站设备返回到主站设备 后进行精确比对，因此得到的光纤A和光纤B的总长度的测量值与光纤A和光纤B的 AB 总长度的真实值/^7&非常接近，认为两者相等，即有以下等式： AR步骤一不是采用环回测试的方式，因此得到的光纤A长度的测量值与光纤A长 A 度的真实值f之间存在偏差，即 A A 同理，由于步骤二也不是采用环回测试的方式，因此得到的光纤B长度的测量值 ^? e as与光纤b长度的真实值gie之间也存在偏差，即尤__w . B B B B 对光纤A长度的测量值和光纤B长度的测量值进行修正;光信号在光纤中的传输时延与 光纤的长度成正比，得到修正系数r:修正后的光纤A的传输时延为：修正后的光纤B的传输时延为：修正后的时间偏差为：
【文档编号】H04J3/06GK105933085SQ201610270697
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】黄勤珍, 彭良福, 苗峰
【申请人】西南民族大学