[发明专利]光纤时间传递系统和传递方法

权利要求书

1.一种高精度大范围光纤时间传递系统的时间传递方法，其特征在于，利用高精度大范围光纤时间传递系统(1)实现，该系统包括：主钟(1-1)、主时间传递单元(1-2)、光分配网络(1-3)和若干从时间传递单元(1-4)；所述的光分配网络(1-3)由若干光分/合路器(1-5)、若干双向光电光中继单元(1-6)、若干中间时间传递单元(1-7)、若干双向光放大单元(1-8)和若干光纤链路组成，所述的双向光电光中继单元(1-6)、中间时间传递单元(1-7)和双向光放大单元(1-8)通过光纤链路进行连接，每个双向光电光中继单元(1-6)对前向和后向的光信号进行光电光中继，每个中间时间传递单元(1-7)对前向和后向的光信号进行光电光中继并解码得到光纤链路中的定时信号，每个双向光放大单元(1-8)对前向和后向的光信号进行光放大；所述主时间传递单元(1-2)与主钟(1-1)相连，同时与光分配网络(1-3)的合路端连接；各从时间传递单元(1-4)与所述的光分配网络(1-3)的分路端连接；在光分配网络(1-3)中，所述的双向光电光中继单元(1-6)和双向光放大单元(1-8)的位置、顺序和数量是任意的；所述的主钟(1-1)的定时信号通过主时间传递单元(1-2)发送，经过光分配网络(1-3)发送给各中间时间传递单元(1-7)和各从时间传递单元(1-4)；所述的各从时间传递单元(1-4)将来自主时间传递单元(1-2)的定时信号进行延时之后通过光分配网络(1-3)沿原光纤链路反向发送给主时间传递单元(1-2)，并测得来自主时间传递单元(1-2)的定时信号与延时之后的定时信号的时间间隔；所述的主时间传递单元(1-2)分别测得来自各从时间传递单元(1-4)的定时信号与主钟(1-1)定时信号的时间间隔，并通过光分配网络(1-3)发送给各中间时间传递单元(1-7)和各从时间传递单元(1-4)；所述的各中间时间传递单元(1-7)测量来自主时间传递单元(1-2)的定时信号与来自从时间传递单元(1-4)的定时信号的时间间隔；所述的各从时间传递单元(1-4)和各中间时间传递单元(1-7)根据从主时间传递单元(1-2)接收到的时间间隔和本地测得的时间间隔得到各单元与主钟(1-1)的钟差，实现点对多点皮秒量级的高精度大范围光纤时间传递；该方法包括小容量静态时间传递模式和大容量动态时间传递模式；

所述的小容量静态时间传递模式，包括下列步骤：

1)系统启动前，对各从时间传递单元进行编号并分配地址信息，计算各从时间传递单元的定时信号延迟时间T_di＝(2T_M+ΔT)×i，i为从时间传递单元的编号，T_M为光分配网络中最大的主时间传递单元与从时间传递单元传输时延，测量得到，ΔT为保证系统稳定可靠工作设置的冗余值；

2)当主时间传递单元(1-2)检测到主钟输入的定时信号时，启动光信号发送，通过光纤链路向光分配网络发送包含主钟定时信号以及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；

3)在每条光纤链路中，双向光电光中继单元对到达的前向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的前向光信号进行光放大；

4)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出前向定时信号以及对到达的前向光信号进行光电光中继；

5)第i从时间传递单元对来自主时间传递单元的时间码进行解码提取出定时信号，将解码出的定时信号延迟时间T_di后，将延迟后的定时信号以及第i从时间传递单元地址信息编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，反向发送到同一光纤链路，发送完成后关闭光信号发送；

6)在每条链路中，双向光电光中继单元对到达的后向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的后向光信号进行光放大；

7)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出后向定时信号和从时间传递单元地址信息，测量接收到前向定时信号与接收到来自各从时间传递单元的后向定时信号的时间间隔T_M，将各从时间传递单元地址信息及测得的对应时间间隔T_M进行保存，同时对到达的后向光信号进行光电光中继；

8)主时间传递单元(1-2)接收来自各从时间传递单元的时间码，并从时间码中解码得到各从时间传递单元的后向定时信号和地址信息；测量主钟的定时信号与解码得到的来自各从时间传递单元的后向定时信的时间间隔T_AB；将各从时间传递单元地址信息及对应测得的时间间隔T_AB进行保存；

9)当主时间传递单元检测到主钟输入的定时信号时，通过光纤链路向光分配网络广播发送携带主钟定时信号、保存的各从时间传递单元地址信息及对应测得的时间间隔、控制与状态信息的时间码，发送完成后关闭光信号发送；

10)在每条链路中，双向光电光中继单元对到达的前向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的前向光信号进行光放大；

11)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出前向定时信号、携带的各从时间传递单元地址信息和主时间传递单元测得的各时间间隔T_AB，将地址信息及对应的时间间隔进行保存，同时对到达的前向光信号进行光电光中继；中间时间传递单元根据保存的地址信息对应的时间间隔T_AB和T_M按公式(1)计算接收到的前向定时信号与主钟的钟差：

其中，和为主时间传递单元的发送时延和接收时延，和为该中间时间传递单元的发送时延和接收时延，通过设备标定得到；

12)第i从时间传递单元对来自主时间传递单元的时间码进行解码，提取出定时信号以及主时间传递单元测得的对应第i从时间传递单元的时间间隔T_ABi，将解码出的定时信号延迟时间T_di后将延迟后的定时信号以及第i从时间传递单元地址信息编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，反向发送到同一光纤链路，发送完成后关闭光信号发送；同时第i从时间传递单元按公式(2)计算接收到的定时信号与主钟定时信号的钟差：

其中，和为主时间传递单元的发送时延和接收时延，和为本从时间传递单元的发送时延和接收时延，通过设备标定得到；

13)返回步骤(6)，检测到主时间传递单元停止工作后进入步骤14)；

14)结束；

所述的大容量动态时间传递模式包括下列步骤：

1)系统启动前，主时间传递单元(1-2)设置从时间传递单元识别窗口t₀和各从时间传递单元比对窗口起始值t及比对窗口宽度Δt，将识别窗口t₀、比对窗口起始值t及比对窗口宽度Δt的值进行保存；

2)当主时间传递单元(1-2)检测到主钟(1-1)输入的定时信号时，启动光信号发送，通过光纤链路向光分配网络发送包含主钟定时信号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；

3)在光纤链路中，双向光电光中继单元对到达的前向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的前向光信号进行光放大；

4)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出前向定时信号以及对到达的前向光信号进行光电光中继；

5)各从时间传递单元对来自主时间传递单元的时间码进行解码提取出定时信号，将解码出的定时信号随机延迟时间T_d＝τ_c×n后，将延迟后的定时信号以及本单元地址信息编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，反向发送到同一光纤链路，发送完成后关闭光信号发送；其中，τ_c为传递的时间码长度，n为不大于(t₀-2T_abm)/τ_c的随机整数，T_abm为光分配网络中测量得到的最大的单向链路传输时延；

6)在每条链路中，双向光电光中继单元对到达的后向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的后向光信号进行光放大；

7)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出后向定时信号和从时间传递单元地址信息，测量接收到前向定时信号与接收到来自各从时间传递单元的后向定时信号的时间间隔T_M，将各从时间传递单元地址信息及测得的对应时间间隔T_M进行保存，同时对到达的后向光信号进行光电光中继；

8)主时间传递单元对成功接收的从时间传递单元时间码进行解码，得到来自从时间传递单元的后向定时信号和地址信息；测量主钟的定时信号与解码得到的来自各从时间传递单元的后向定时信号的时间间隔T_AB；将各从时间传递单元地址信息及对应测得的时间间隔T_AB进行保存；主时间传递单元根据分配的各从时间传递单元比对窗口t计算已经保存地址信息的从时间传递单元对应定时信号的时延调整量Δτ＝t-T_AB，并将时延调整量进行保存；

9)当主时间传递单元检测到主钟输入的定时信号时，通过光纤链路向光分配网络广播发送携带主钟定时信号、本地保存的从时间传递单元地址信息及对应测得的时间间隔和时延调整量、控制与状态信息的时间码，发送完成后关闭光信号发送；

10)在每条链路中，双向光电光中继单元对到达的前向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的前向光信号进行光放大；

11)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出前向定时信号、携带的各从时间传递单元地址信息和主时间传递单元测得的各时间间隔T_AB，将地址信息及对应的时间间隔进行保存，同时对到达的前向光信号进行光电光中继；若某从时间传递单元的地址信息在前向和后向传输中均被保存，则中间时间传递单元根据该地址信息对应的时间间隔T_AB和T_M计算接收到的前向定时信号与主钟的钟差：

其中，和为主时间传递单元的发送和接收时延，和为该中间时间传递单元的发送和接收时延，通过设备标定得到；

12)各从时间传递单元对来自主时间传递单元的时间码进行解码：

若接收到的时间码中不含有本从时间传递单元地址信息，则将解码出的定时信号随机延迟时间T_d＝τ_c×n，将延迟后的定时信号以及本单元地址信息编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，反向发送到同一光纤链路，发送完成后关闭光信号发送；

若接收到的时间码中包含有本从时间传递单元地址信息，提取本从时间传递单元对应的定时信息时延调整量Δτ、以及主时间传递单元测得的时间间隔T_AB、控制与状态信息，将接收到的定时信号延迟时间T_d+Δτ，将延迟后的定时信号以及本单元地址信息编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，反向发送到同一光纤链路，发送完成后关闭光信号发送；同时含有地址信息的从时间传递单元按下列公式计算接收到的定时信号与主钟定时信号的钟差：

其中，和为主时间传递单元的发送时延和接收时延，和为本从时间传递单元的发送时延和接收时延，通过设备标定得到；

13)在每条链路中，光电光中继单元对到达的后向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的后向光信号进行光放大；

14)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出后向定时信号和从时间传递单元地址信息，测量接收到前向定时信号与接收到来自各从时间传递单元的后向定时信号的时间间隔T_M′，将各从时间传递单元地址信息及对应测得的时间间隔T_M′进行保存，同时对到达的后向光信号进行光电光中继；

15)主时间传递单元对成功接收的从时间传递单元时间码进行解码，得到来自从时间传递单元的后向定时信号和地址信息；测量主钟的定时信号与解码得到的各定时信号的时间间隔T_AB’；

若本地已经保存该从时间传递单元地址信息，则更新该从时间传递单元对应时间间隔T_AB’，同时比较T_AB’与该从时间传递单元对应时隙t的大小，若满足t-δt≤T_AB’≤t+Δt+δt，则该从时间传递单元时延调整量Δt的值保持不变；若不满足t-δt≤T_AB’≤t+Δt+δt，则重新计算该从时间传递单元时延调整量的值Δτ＝t-T_AB’，并更新时延调整量的值，其中δt为系统允许的从时间传递单元定时信号偏移比对窗口的最大值；

若本地未保存该从时间传递单元地址信息，则认为识别到新的从时间传递单元，将该从时间传递单元地址信息及对应的时间间隔T_AB’进行保存，并根据设置的比对窗口t计算该地址信息对应从时间传递单元定时信号的时延调整量Δτ＝t-T_AB’，并将时延调整量进行保存；

若已经保存的从时间传递单元地址信息在收到的地址信息中不包含，则认为对应该地址信息的从时间传递单元从系统中删除，将该从时间传递单元对应地址信息、时间间隔T_AB’及定时信号时延调整量Δτ进行删除；

16)返回步骤9)，检测到主时间传递单元停止工作后进入步骤17)；

17)结束。

2.根据权利要求1所述的高精度大范围光纤时间传递系统的时间传递方法，其特征在于，该工作在小容量静态时间传递模式时，根据时间传递应用需求，在分配网络中人为添加或减少从时间传递单元时，系统自动识别并进行添加或删除从时间传递单元操作：

当系统中添加从时间传递单元时，记为第K+1从时间传递单元，第K+1从时间传递单元从接收到的时间码中提取出定时信号，同时，将接收到的定时信号延迟时间T_d(K+1)＝(2T_M+ΔT)×(K+1)后，启动光信号发送，将延迟后的定时信号以及第K+1从时间传递单元地址信息编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，反向发送到同一光纤链路，发送完成后关闭光信号发送；然后重复所述的小容量静态时间传递模式中步骤：6)～12)

当系统中删除从时间传递单元时，在连续几个测量周期内，主时间传递单元从接收到时间码中得不到删除从时间传递单元的后向定时信号和地址信息，则判别该从时间传递单元已从本系统删除，删除本地保存的该从时间传递单元的信息。