測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法

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測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法
【專利摘要】本發明涉及光纖通信和時間頻率同步技術領域，尤其是涉及測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法，通過在主站設備和從站設備之間的上行和下行光纖中發送不同波長的光信號，來測量主站設備和從站設備之間上行和下行光纖的長度，然后計算出主站設備和從站設備之間的時間偏差，再對時間偏差進行修正和補償，從而實現主站設備和從站設備的時間同步。該方法針對非對稱光纖鏈路存在的傳輸時延差值問題，提出了一種新的測量方法，通過采用修正系數的方法，提高了非對稱光纖鏈路傳輸時延的測量精度；使IEEE 1588時間同步技術能夠應用于包含了光放大器的光纖鏈路中，解決了光通信系統中光纖鏈路非對稱時延的測量問題。
【專利說明】
測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及光纖通信和時間頻率同步技術領域，尤其是涉及非對稱光纖鏈路傳輸時延的測量。
【背景技術】
[0002] 目前，在分組傳送網（PTN，Packet Transport Network)中，普遍米用IEEE1588協議將時間同步信號傳遞到網絡中的各個節點設備，從而實現整個通信網絡的時間同步。 IEEE 1588是替代GPS/GL0NASS/北斗衛星等衛星授時系統解決通信網絡時間同步問題的主要技術手段。IEEE1588協議的全稱是"網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準"，它是一種適用于多點通信的分布式控制系統的精確時間協議(Precision Time Protocol， PTP)。采用精確時間協議(PTP)，時間同步精度可以達到亞微秒量級。
[0003] IEEE 1588作為一種主從同步系統，在系統的同步過程中，主時鐘周期性發布ΡΤΡ 時間同步協議及時間信息，從時鐘端口接收主時鐘端口發來的時間戳信息，系統據此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調整本地時間，使從設備時間保持與主設備時間一致的頻率和相位。IEEE1588可以同時實現頻率同步和時間同步，時間傳遞的精度保證主要依賴于鏈路的對稱性。
[0004] IEEE 1588實現時間同步的前提是鏈路必須滿足對稱性，即主站和從站之間傳遞時間信號的兩根光纖的長度必須相等。但是，現網的實際情況往往不能滿足鏈路對稱性的假設。因為在現有的光纖網絡中，即使是同一條光纜，其中不同的纖芯的長度是不同的，因此，光纖通信中雙向收發的兩根光纖的長度一般是非對稱的。由于兩根光纖的長度不相同，導致光纖傳輸時延不相等，因此存在非對稱性時延。物理上長度為1米的光纖，傳輸時延大約為5ns(納秒）。實際測試數據表明，光纖長度的非對稱性導致的時延誤差在100ms(毫秒）以上的概率非常大，光纖鏈路的非對稱性嚴重影響了 IEEE 1588的同步精度。
[0005] 為了解決IEEE 1588時鐘同步技術存在的光纖鏈路不對稱帶來的非對稱時延問題，必須對光纖鏈路的非對稱時延值進行精確測量，對非對稱光纖鏈路引入的時延偏差進行補償，從而消除因光纖鏈路不對稱而造成的時間同步誤差。但是，快速準確地測量出光纖鏈路非對稱性時延是工程中的一個難題。目前采用的解決方法主要有光時域反射儀(0TDR) 測試、IEEE 1588測試儀表、光纖倒換測試法等，不過現有的方法都存在各自的缺陷。例如使用標準的光時域反射儀表(0TDR)測試法，直接測量發射光纖鏈路的長度和接收光纖鏈路的長度，然后計算出光纖鏈路的不對稱差值。這種測量方法，純粹依靠人工手動操作，不僅測試效率低下，而且當光纖中有熔接頭時，測量的光纖長度不準確。使用IEEE 1588專用測試儀表，先人工手動的方式測量出光纖傳輸鏈路實際的非對稱時延值，然后再對非對稱時延進行補償。這種方法不僅需要架設GPS接收天線，而且當光纖鏈路發生變化時，無法自動測量出非對稱時延的變化，從而影響了時間同步的精度。光纖倒換的方法利用光開關，先測試第一根光纖的時延，再測試第二根光纖的時延。這種方法非常局限，只適用于沒有光放大器的鏈路。綜上所述，現有的光纖鏈路非對稱時延的測量方法都存在著各自的不足，適用范圍有限，尤其是不能適用于具有光放大器的場合，而為了實現遠距離的光纖傳輸，目前的光通信網中普遍采用了光放大器。因此，如何實現對具有光放大器的光纖鏈路進行非對稱時延的精確測量是光通信網絡實現時間同步亟待解決的問題。
[0006] 現有的光通信系統普遍采用兩根光纖來進行上行和下行方向的雙向傳輸，例如光同步數字體系（SDH)和分組傳送網（PTN)以及波分復用系統(WDM)。對于采用兩根光纖進行上行和下行雙向傳輸的光通信系統，其上下行方向傳輸光信號的兩根光纖的實際物理長度并不相等。即使是同一條光纜中的兩根光纖，其實際的長度也是不相等的，因此光信號在兩根長度不同的光纖中傳輸的時延是不同的，存在著因光纖鏈路的非對稱性帶來的非對稱時延。在雙纖雙向傳輸的光通信系統中，如果采用IEEE 1588時間同步技術對網絡中各節點設備進行時間同步，那么必然存在著非對稱時延差值，使各節點設備的時間同步精度受到影響。在實際工程中，為了增大光通信系統的傳輸距離，普遍采用了光放大器來延長傳輸距離。由于光纖鏈路中增加了光放大器，導致光纖鏈路的非對稱時延的測量變得非常困難。

【發明內容】

[0007] 針對現有的測試方法不能適用于具有光放大器的非對稱光纖鏈路，本發明的目的就是為了解決IEEE 1588不適用于非對稱光纖鏈路的問題，提出一種測量非對稱光纖鏈路時延的方法，該方法也適用于測量具有光放大器的非對稱光纖鏈路的時延。
[0008] 本發明采用的具體技術方案是:對于雙纖雙向傳輸的光通信系統，測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法為:通過在主站設備和從站設備之間的上行和下行光纖中發送不同波長的光信號，來測量主站設備和從站設備之間上行和下行光纖的長度，然后計算出主站設備和從站設備之間的時間偏差，再對時間偏差進行修正和補償，從而實現主站設備和從站設備的時間同步。
[0009] 具體的步驟如下：
[0010] 設雙向傳輸的兩條光纖鏈路的長度不相等；主站設備（Master)到從站設備 (Slave)的光纖A的長度為La，從站設備(Slave)到主站設備(Master)的光纖B的長度為Lb;
[0011] 步驟一、主站設備分別采用兩個不同的波長λ?和λ2向從站設備發送光信號，光信號經過光纖Α后到達從站設備，從站設備測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值Δ Ta，波長λ?和λ2的每公里光纖長度時延差值為idiff，計算出光纖A的長度La等于：
[0012]
[0013] Δ Τα的測量方法為：
[0014] 主站設備先以波長λ?向從站設備發送光信號，然后再以波長λ2向從站設備發送光 ?目號，可得：
[0015]
[0016]
[0017]式中是主站設備第一次發送時間報文的時刻，^是從站設備第一次接收時間報文的時刻;t3是主站設備第二次發送時間報文的時刻;t4是從站設備第二次接收時間報文的時刻;是波長為λ?的光信號經由光纖A傳輸的時延;是波長為λ2的光信號經由光纖A 傳輸的時延;of f set為主站設備和從站設備之間的時間偏差；
[0018] 兩個不同波長的光信號到達的時間差值為：
[0019]
[0020] 步驟二、從站設備分別采用兩個不同的波長λ?和λ2向主站設備發送光信號，光信號經過光纖Β后到達主站設備，主站設備測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值Δ Τ Β，類似地，可以計算出光纖Β的長度Lb等于：
[0021]
[0022] Δ TB的測量方法與Δ Τα的測量方法相同。
[0023] ΛΤβ的測量方法為：
[0024] 從站設備先以波長λ?向主站設備發送光信號，然后再以波長λ2向主站設備發送光 ?目號，可得：
[0025]
[0026]
[0027] 式中t5是從站設備第一次發送時間報文的時刻，U是主站設備第一次接收時間報文的時刻;t7是從站設備第二次發送時間報文的時刻，t 8是主站設備第二次接收時間報文的時刻;是波長為λ?的光信號經由光纖B傳輸的時延;Df是波長為λ2的光信號經由光纖B 傳輸的時延；
[0028] 兩個不同波長的光信號到達的時間差值為：
[0029]

[0030] 步驟三、主站設備先以波長λ?問從站設備友送光信號，從站設備收到后再以波長λ 1向主站設備轉發光信號;然后，主站設備又以波長λ2向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長λ2向主站設備轉發光信號。通過主站到從站環回的方式，測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值A Tab，如圖3所示。類似地，可以計算出光纖Α和光纖Β的總長度 Lab等于.
[0031]
[0032] Δ Tab的測量方法為：
[0033] 主站設備先以波長λ?向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長λ?向主站設備轉發光信號，可得：
[0034]
[0035]
[0036]式中t9是主站設備第三次發送時間報文的時刻，t1Q是從站設備第三次接收時間報文的時刻;tn是從站設備第三次發送時間報文的時刻，t12是主站設備第三次接收時間報文的時刻；
[0037] 波長λ?的光信號環回的時間值為：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041] 主站設備再以波長λ2向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長λ2向主站設備轉發光信號，可得：
[0042]
[0043]
[0044] 式中t13是主站設備第四次發送時間報文的時刻，t14是從站設備第四次接收時間報文的時刻;t 15是從站設備第四次發送時間報文的時刻，t16是主站設備第四次接收時間報文的時刻；
[0045] 波長λ2的光信號環回的時間值為：
[0046]
[0047]
[0048]步驟四、計算并修正主站設備和從站設備之間的非對稱時延和時間偏差；
[0049]由于步驟三采用環回測試的方式，將主站設備(Master)發出的光信號通過從站設備（Slave)返回到主站設備(Master)后進行精確比對，因此得到的光纖A和光纖B的總長度的測量值與光纖A和光纖B的總長度的真實值//^非常接近，可以認為兩者相等， ΛΒ AB 即有以下等式：
[0050]
[0051] 由于步驟一不是采用環回測試的方式，因此得到的光纖A長度的測量值if μ?% Λ
與光纖Α長度的真實值//之間存在偏差，即 A _ _
[0052] 同理，由于步驟二也不是采用環回測試的方式，因此得到的光纖B長度的測量值 € ^、光纖帳度的真實值/^之間也存在偏差，即￡：_~1^。 B B B B
[0053]因此，需要對光纖A長度的測量值和光纖B長度的測量值進行修正。由于光信號在光纖中的傳輸時延與光纖的長度成正比，因此可以得到修正系數r:
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0059] 修正后的光纖A的傳輸時延為：
[0058]
[0060]
[0061]修正后的光纖B的傳輸時延為：
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 通過上述修正算法，計算出主站設備和從站設備之間的時間偏差的修正值 Modified_offset之后，在從站設備扣除修正后的時間偏差值Modif ied_offset，即可實現從站設備與主站設備之間的時間同步。
[0066]本發明提供的測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法，針對非對稱光纖鏈路存在的傳輸時延差值問題，提出了一種新的測量方法，通過采用修正系數的方法，提高了非對稱光纖鏈路傳輸時延的測量精度;使IEEE 1588時間同步技術能夠應用于包含了光放大器的光纖鏈路中，解決了光通信系統中光纖鏈路非對稱時延的測量問題。
【附圖說明】
[0067]圖1為本發明飛測量流程圖；
[0068]圖2為本發明測量Δ Τα的示意圖；
[0069]圖3為本發明測量ΔΤβ的示意圖；
[0070]圖4為本發明測量Δ Tab的示意圖。
【具體實施方式】
[0071]下面對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作步驟，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0072]為了便于理解，本實施例選擇現有光通信系統中常用的1550nm和1310nm作為工作波長。本發明實施例所述的測量非對稱光纖鏈路時延的裝置由主站設備和從站設備構成。其中主站設備包括1550nm光發射器、1310nm光發射器、光接收器、計算處理單元;從站設備與主站設備相同，也包括1550nm光發射器、1310nm光發射器、光接收器、計算處理單元。主站設備和從站設備之間的光纖鏈路是現有的雙纖雙向光傳輸鏈路，并且光纖鏈路上還有光放大器。
[0073]本發明米用的技術方案利用了不同波長的光信號在同一根光纖中傳輸時存在群時延差，如表1所不。例如波長為1550nm的光信號和波長為13 lOnm的光信號傳輸lkm后，時延差值為2.1414ns。即單位長度的時延差值為2.1414ns/km，如果能夠測量出兩點之間的時延值，除以單位長度的時延差值，那么就可以得到兩點之間的光纖鏈路的長度。
[0074] 表1不同波長的光信號傳輸lkm后的時延差和單程傳輸時延
[0075]
[0076] 本發明提供的測量光纖鏈路非對稱性時延的方法，包括以下步驟：
[0077] 步驟一、主站設備分別采用1550nm和1310nm兩個不同的波長向從站設備發送光信號，光信號經過光纖A后到達從站設備，從站設備測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值ΔΤα。由表1可知，1550nm和1310nm兩個不同波長每公里光纖長度的時延差值為 2.1414ns ,閔此，可以計筧出光纴A的長度La等干：
[0078]
[0079] Δ Τα的測量方法如圖2所示。
[0080] 如圖2所示，主站設備先以波長λ?向從站設備發送光信號，然后再以波長λ2向從站設備發送光信號，可得：
[0081]
[0082]
[0083]式中t是主站(Master)設備第一次發送時間報文的時刻，t2是從站設備(Slave)第一次接收時間報文的時刻;t3是主站(Master)設備第二次發送時間報文的時刻;t4是從站設備（Slave)第二次接收時間報文的時刻；是波長為λ?的光信號經由光纖A傳輸的時延；是波長為λ2的光信號經由光纖A傳輸的時延;offset為主站設備和從站設備之間的時間偏差。
[0084] 兩個不同波長的光信號到達的時間差值為：
[0085] _
[0086] 步驟二、從站設備然后分別采用1550nm和1310nm兩個不同的波長向主站設備發送光信號，光信號經過光纖B后到達主站設備，主站設備測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值A TB。類似地，可以計算出光纖B的長度Lb等于：
[0087]
[0088] ΔΤβ的測量方法如圖3所示。
[0089] 如圖3所示，從站設備先以波長λ?向主站設備發送光信號，然后再以波長λ2向主站設備發送光信號，可得：
[0090]
[0091]
[0092] 式中t5是從站設備(Slave)第一次發送時間報文的時刻，t6是主站(Master)設備第一次接收時間報文的時刻；t 7是從站設備（Slave)第二次發送時間報文的時刻，t8是主站 (Master)設備第二次接收時間報文的時刻;是波長為λ?的光信號經由光纖B傳輸的時延；是波長為λ2的光信號經由光纖Β傳輸的時延。
[0093] 兩個不同波長的光信號到達的時間差值為：
[0094]
[0095]步驟三、主站設備先以波長1550nm向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長1550nm向主站設備轉發光信號;然后，主站設備又以波長1310nm向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長1310nm向主站設備轉發光信號。通過主站到從站環回的方式，測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值A Tab，如圖3所示。類似地，可以計算出光纖A 和光纖B的總長度Lab等于：
[0096]
[0097] Δ Tab的測量方法如圖4示。
[0098] 如圖4所示，主站設備先以波長λ?向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長λ?向主站設備轉發光信號，可得：
[0099]
[0100]
[0101]式中t9是主站設備第三次發送時間報文的時刻，t1Q是從站設備第三次接收時間報文的時刻;tn是從站設備第三次發送時間報文的時刻，t12是主站設備第三次接收時間報文的時刻。
[0102] 波長λ?的光信號環回的時間值為：
[0103]
[0104]
[0105]
[0106] 如圖3所示，主站設備再以波長λ2向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長入2向主站設備轉發光信號，可得：
[0107]
[0108]
[0109] 式中t13是主站設備第四次發送時間報文的時刻，t14是從站設備第四次接收時間報文的時刻;t 15是從站設備第四次發送時間報文的時刻，t16是主站設備第四次接收時間報文的時刻。
[0110] 波長λ2的光信號環回的時間值為：
[0111]
[0112] 因此可得，A7^=￡^-Z>fs (17)
[0113] 步驟四、計算并修正主站設備和從站設備之間的非對稱時延和時間偏差，得到修正后的時間偏差。
[0114]
[0115] 其中r為修正系數，M-：細/為修正后的光纖A的傳輸時延，M>郵為修正后的光纖B的傳輸時延。
[0116] 在從站設備扣除修正后的時間偏差值ModifiecLoffset，即可實現從站設備與主站設備之間的時間同步。
【主權項】
1. 測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法，其特征在于，包括以下過程:通過在主站設備和從站設備之間的上行和下行光纖中發送不同波長的光信號，來測量主站設備和從站設備之間上行和下行光纖的長度，然后計算出主站設備和從站設備之間的時間偏差，再對時間偏差進行修正和補償，從而實現主站設備和從站設備的時間同步。2. 根據權利要求1所述的測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法，其特征在于，包括以下步驟：設雙向傳輸的兩條光纖鏈路的長度不相等;主站設備到從站設備的光纖A的長度為La，從站設備到主站設備的光纖B的長度為Lb; 步驟一、主站設備分別采用兩個不同的波長λ?和λ2向從站設備發送光信號，光信號經過光纖A后到達從站設備，從站設備測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值ΔΤα，波長λ?和λ2的每公里光纖長度時延差值為Tdiff，計算出光纖A的長度La等于：步驟二、從站設備分別采用兩個不同的波長λ?和λ2向主站設備發送光信號，光信號經過光纖B后到達主站設備，主站設備測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值ΔΤβ，計算出光纖B的長度Lb等于：步驟三、主站設備先以波長λ?向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長λ?向主站設備轉發光信號;然后，主站設備又以波長λ2向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長λ2向主站設備轉發光信號;通過主站到從站環回的方式，測量出兩個不同波長的光信號到達的時間差值Δ Tab，計算出光纖A和光纖B的總長度Lab等于：步驟四、計算并修正主站設備和從站設備之間的非對稱時延和時間偏差。3. 根據權利要求2所述的測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法，其特征在于，步驟一中所述的Δ Ta的測量方法為：主站設備先以波長λ?向從站設備發送光信號，然后再以波長λ2向從站設備發送光信號，可得：式中t是主站設備第一次發送時間報文的時刻，t2是從站設備第一次接收時間報文的時刻；t3是主站設備第二次發送時間報文的時刻；t4是從站設備第二次接收時間報文的時亥是波長為λ?的光信號經由光纖A傳輸的時延;Df是波長為λ2的光信號經由光纖A傳輸的時延;of f set為主站設備和從站設備之間的時間偏差；兩個不同波長的光信號到達的時間差值為：4. 根據權利要求2所述的測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法，其特征在于，步驟二中所述的Δ Tb的測量方法為：從站設備先以波長λ?向主站設備發送光信號，然后再以波長λ2向主站設備發送光信號，可得：式中t5是從站設備第一次發送時間報文的時刻，U是主站設備第一次接收時間報文的時刻；t7是從站設備第二次發送時間報文的時刻，t8是主站設備第二次接收時間報文的時亥是波長為λ?的光信號經由光纖B傳輸的時延;是波長為λ2的光信號經由光纖B傳輸的時延；兩個不同波長的光信號到達的時間差值為： 5. 根據權利要求2所述的測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法，其特征在于，步驟三中所述的△ Tab的測量方法為：主站設備先以波長λ?向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長λ?向主站設備轉發光信號，可得：式中t9是主站設備第三次發送時間報文的時刻，t1Q是從站設備第三次接收時間報文的時刻;tn是從站設備第三次發送時間報文的時刻，t12是主站設備第三次接收時間報文的時刻；波長λ 1的光信號環回的時間值為：主站設備再以波長λ2向從站設備發送光信號，從站設備收到后再以波長λ2向主站設備轉發光信號，可得：式中t13是主站設備第四次發送時間報文的時刻，t14是從站設備第四次接收時間報文的時刻;t15是從站設備第四次發送時間報文的時刻，t16是主站設備第四次接收時間報文的時刻；波長λ2的光信號環回的時間值為：6.根據權利要求2所述的測量非對稱光纖鏈路傳輸時延的方法，其特征在于，步驟四中所述的修正主站設備和從站設備之間的非對稱時延和時間偏差，包括以下過程：步驟三采用環回測試的方式，將主站設備發出的光信號通過從站設備返回到主站設備后進行精確比對，因此得到的光纖A和光纖B的總長度的測量值與光纖A和光纖B的 AB 總長度的真實值/^7&非常接近，認為兩者相等，即有以下等式： AR步驟一不是采用環回測試的方式，因此得到的光纖A長度的測量值與光纖A長 A 度的真實值f之間存在偏差，即 A A 同理，由于步驟二也不是采用環回測試的方式，因此得到的光纖B長度的測量值 ^? e as與光纖b長度的真實值gie之間也存在偏差，即尤__w . B B B B 對光纖A長度的測量值和光纖B長度的測量值進行修正;光信號在光纖中的傳輸時延與光纖的長度成正比，得到修正系數r:修正后的光纖A的傳輸時延為：修正后的光纖B的傳輸時延為：修正后的時間偏差為：
【文檔編號】H04J3/06GK105933085SQ201610270697
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】黃勤珍, 彭良福, 苗峰
【申請人】西南民族大學

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