CN109039517A - 基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法及系统，采用一波长光信号双向半双工的方式来实时测量主、从节点间的时间偏差，并根据补偿算法得到实时补偿值并用于对从节点通过另一波长光信号接收的频率信号进行时延补偿，达到从节点的频率信号与主节点的频率信号保持高精度同步的目的，从而实现多节点高精度频率同步的目的。采用相同波长光信号双向半双工的方式来测量主、从节点间的时间偏差，可以消除传统测量方法中不同波长双向传输过程中由于温度等环境因素引起的时延不对称性，从而提高主、从节点间的时间偏差测量的精度。

Description

基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法及系统。

背景技术

随着通信、导航、天文观测、电力和交通系统、科学研究的不断发展，对频率信号的同步质量也要求越来越高，并且对多节点高精度频率同步的需求也更强烈。比如天文观测中，天文望远镜的天线阵列需要高稳定的频率信号来保证接收的同步；多基地雷达站点间也需要高精度的频率同步来提高探测的精度。

光纤具有带宽高、损耗低、传输距离远、抗干扰强等优点，逐渐成为一种较佳的传输介质应用在时频同步网络。但是光纤链路对外界环境变化尤为敏感，当受到外界温度、机械扰动等因素影响时，光信号在光纤中传递的光程变化带来比较大的光纤时延(光纤时延的温度系数约为30ps/℃·km)，光纤时延引起被传递频率信号的相位变化，导致被传递的频率信号准确度、稳定度劣化。因此为提高基于光纤网络的频率同步精度，就需要对频率信号在光纤链路传输过程中产生的相位变化进行实时监控，并及时进行补偿。

传统的做法是在传递的光链路中串入大动态范围高精度的可调光延迟器件能补偿由于环境等因素造成的相位变化。但是可调光延迟线的体积大、补偿速度慢，这不利于实际工程应用。

由此可知，现有技术存在以下技术问题：

一、由于光纤链路易受环境影响，导致光信号通过光纤的光程变化，从而引起频率同步信号通过光纤传递的时延变化。

二、由于光信号在光纤链路中的时延与环境变化(特别是温度)和光纤长度相关，当温度变化越大，受温度影响的光纤长度越长，信号通过光纤传递的时延变化也越大，需要补偿的时延也越大，但是信号时延补偿器件的补偿范围有限不能满足所有的时延补偿需求。

三、光纤链路中通常采用不同波长的光信号来双向传输来测量主、从间的时间偏差，但是不同波长的光信号在相同光纤中传输时受温度等环境因素变化带来的时延变化是不同的，因此不同波长光信号双向传输信号的时延存在不对称性，这种不对称性会对主、从节点间的时间偏差的测量精度带来不利影响。

四、对于多节点的频率同步，通常由主节点通过多节点串行组成的传输网络向各个从节点传递频率同步信号，各个从节点都接收主节点的频率同步信号，这样所有的从节点都与主节点保持同步，从而实现多节点的频率同步。但是主、从节点间经过节点数会影响同步的精度，经过的节点越多，同步精度将越低。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法及系统，用于实现无光纤放大器的光纤网络覆盖范围内多节点高精度的频率同步。

一方面，本发明通过下述技术方案实现：

基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、主节点设备将频率信号通过波长为λ_F的光信号连续发送到光纤网络，波长为λ_F的光信号经过光纤网络传输到网络中所有从节点；

步骤二、所有从节点设备从光纤网络中接收并从波长为λ_F的光信号中恢复出第一频率信号；

步骤三、主、从节点设备间采用波长为λ_T的光信号进行半双工通信，每次通信，从节点设备至少需要完成1次主、从节点设备间的时间偏差测量；

步骤四、从节点设备根据每次测量的时间偏差数据，计算出时延补偿值用于控制高精度时延补偿器对第一频率信号进行时延补偿，使得补偿后得到的第二频率信号与主节点设备的频率信号保持高精度同步。

优选的，所述主节点设备采用时分复用的机制与各个从节点设备进行通信。

优选的，所述从节点设备采用高精度时延补偿器对第一频率信号进行时延补偿时，要求高精度时延补偿器的动态补偿范围应大于第一频率信号1个周期值。

优选的，所述第一频率信号的频率为f，在时间间隔ΔT内，各个从节点设备中最大时延变化值为ΔD_max，则主节点设备轮训每个从节点设备的频率应大于以保证各个从节点设备接收的第一频率信号在两次轮训间隔时间内最大时延变化小于第一频率的1个周期。

优选的，所述步骤三中，从节点设备测量主、从节点设备间时间偏差实现过程如下：

步骤3.1主节点设备将轮训从节点设备的特征数据和时间数据组成Sync报文，并将Sync报文通过主设备的光纤口发送到光纤网络中；其中Sync报文发送时刻主节点设备的时间为T1，T1随Sync报文一同发送或者临时缓存；

步骤3.2各个从节点设备都接收主节点设备发出的Sync报文，并根据从节点设备的特征数据识别是否为本机数据，若识别为非本机数据，则直接丢弃；若为本机数据，则接收Sync报文数据，并记录Sync报文到达本机的时间为T2；

步骤3.3从节点设备接收到属于本机的Sync报文后，立即生成含有本机特征数据的Req报文并发送到光纤接口，从节点设备记录Req报文发送的时间为T3；

步骤3.4主节点设备接收并解析Req报文数据，并记录Req报文接收时刻的时间为T4，然后向发出Req报文的从节点设备发送Resp报文，该Resp报文包含从节点设备的特征数据、T4和T1数据；

步骤3.5从节点设备接收到属于本机的Resp报文后，解析出Resp报文中时间数据T4和T1，这样从节点设备就收集了计算主、从节点设备时间偏差的所有时间数据，然后根据主、从节点设备间的时间偏差计算公式计算出时间偏差数据offset：

步骤3.6主节点设备与1个从节点设备间完成1次从、主设备间的时间偏差测量，每次轮训1个从节点设备需要完成至少1次时间偏差测量；主节点设备与1个从节点设备完成通信后，按照3.1～3.5的步骤与其他从节点设备进行通信。

优选的，所述步骤四中，时延补偿值计算过程如下：

步骤4.1当主节点设备稳定工作，且从节点设备正常接收主节点设备的频率信号后，将时延补偿值设置于高精度时延补偿器有效动态补偿范围的中间值，从节点设备完成第1次测量值，如果该第1次测量值为第一频率信号周期的整数倍，则该第1次测量值直接作为第一测量值；否则需要通过时延补偿的方式使第1次测量值为第一频率信号周期的整数倍后作为第一测量值；

步骤4.2从节点设备稳定工作后，除第一测量值外，从节点设备其他每次测量值作为第二测量值，每当得到第二测量值时，用第二测量值减去第一测量值即可得到时延补偿值，若该时延补偿值加上当前高精度时延补偿器的时延补偿值超过时延补偿器的有效动态补偿范围，则加上或减去第一频率信号的周期值作为时延补偿值并作用于高精度时延补偿器，完成1次时延补偿；若该时延补偿值加上当前高精度时延补偿器的时延补偿值在时延补偿器的有效动态补偿范围内，则采用该时延补偿值直接作用于时延补偿器，完成1次时延补偿。

另一方面，为了实现上述高精度频率同步方法，本发明还提出了基于光纤网络的多节点高精度频率同步系统，该系统至少包括1个主节点设备和1个以上从节点设备，所述主节点设备与从节点设备之间通过光纤网络连接。

优选的，所述主节点设备包括时间核单元、测量控制单元、频率传输单元及波分复用器；频率信号分别送到频率传输单元和时间核单元，所述时间核单元为测量控制单元提供主设备的实时时间数据；所述测量控制单元通过波长为λ_T的光信号与各个从节点进行通信；所述频率传递单元将频率信号调制到波长为λ_F的光信号，波分复用器用于将波长为λ_T的光信号与波长为λ_F的光信号复用或解复用。

优选的，所述从节点设备包括频率接收单元、偏差测量单元、时间核单元、补偿计算单元、高精度时延补偿器及波分复用器；所述频率接收单元用于接收波长为λ_F的光信号，波长为λ_T的光信号送到偏差测量单元，所述频率接收单元从波长为λ_F的光信号中恢复出第一频率信号，第一频率信号通过高精度时延补偿器进行时延补偿后得到第二频率信号，第二频率信号驱动时间核运行从节点设备的时间，为偏差测量单元提供从节点设备的实时时间数据，偏差测量单元实现主、从节点设备间时间偏差的测量，补偿计算单元根据偏差测量单元测量得到的时间偏差，计算得到时延补偿值用于控制高精度时延补偿器对第一频率信号进行时延补偿，使得补偿后的第二频率信号与主节点设备的频率信号保持高精度同步，波分复用器用于将波长为λ_T的光信号与波长为λ_F的光信号复用或解复用。

优选的，所述主节点设备通过时分复用的机制与各个从节点进行通信，并采用半双工通信方式与从节点进行数据帧交互。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明采用“树形”光纤网络结构用于多节点高精度频率同步，利用时分复用机制实现主、从节点设备时间偏差的测量，并通过时延补偿算法来实现对从节点设备接收频率信号的补偿，达到与主节点设备的频率信号高精度同步。

本发明采用点对点的同步测量机制，减少了中间节点设备，能有效提高测量的精度；采用时分复用机制提高了主节点设备的效率、降低了主节点的硬件复杂度，满足无光纤放大器的光纤网络覆盖范围内、多节点高精度频率同步信号传递网络的应用需求

本发明采用同波长双向半双工的时间偏差测量机制，能有效的提高时间偏差的测量精度，进而提高补偿的精度，最终提高从节点的频率同步精度。

本发明采用的时延补偿控制方法，可降低对高精度时延补偿器件的有效动态范围的要求，节省应用成本、提升性能、便于应用。

本发明中充分利用频率信号具备周期性的特点，在时延变化1个周期内即进行时延控制，保证时延补偿的有效性，从而降低了对时延补偿器件的有效动态补偿范围的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的主、从节点间高精度频率同步实现示意图。

图3为本发明使用的时分复用测量机制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，其中光纤网络由无源光分配器及单光纤组成的“树形”网络，该网络中至少包含1个主节点和1个以上的从节点。其实现多节点频率同步的主要过程如下：

1)主节点设备将频率信号通过波长为λ_F的光信号连续向光纤网络发出，波长为λ_F的光信号经过光纤网络传输到网络中所有从节点；

2)所有从节点都从光纤链路中波长为λ_F的光信号中恢复出第一频率信号，第一频率信号经过高精度时延器件后为第二频率信号；

3)主、从节点设备间都采用波长为λ_T的光信号进行双向半双通信，每次通信至少需要完成1次主、从节点设备间的时间偏差测量。采用同波长半双工的双向比对测量机制能有效消除双向传输链路的时延不对称性，且受温度等环境因素带来的影响最小，从而达到提高时间偏差测量精度的目的，最终实现从节点与主节点设备间达到高精度的频率同步；

4)主节点设备采用时分复用的机制与各个从节点设备进行通信；

5)从节点设备采用高精度时延补偿器件来控制第一频率信号的时延，要求高精度时延器件的动态补偿范围应大于第一频率信号1个周期值；

6)第一频率信号的频率为f，在时间间隔ΔT内，各个从设备中最大时延变化值为ΔD_max，则主节点设备轮训每个从节点的频率应大于以保证各个从节点设备接收的第一频率信号在两次轮训间隔时间内最大时延变化小于第一频率信号的1个周期；

7)从节点设备根据每次测量的时间偏差数据，进行第一频率信号时延补偿值计算，计算过程如下：

a)当主节点设备稳定工作，且从节点设备正常接收主设备的频率信号后，将时延补偿值设置于高精度时延补偿器件有效动态补偿范围的中间值，从节点设备完成第1次测量值为第一测量值，该值应为第一频率信号周期的整数倍值，若非第一频率信号周期的整数倍值应通过时延补偿的方式使其为第一频率信号周期的整数倍值才能作为第一测量值；

b)从设备稳定工作后，除第一测量值外，其他每次测量值为第二测量值，每当得到第二测量值时，用第二测量值减去第一测量值即得到时延补偿值(带符号)，若时延补偿值加上当前时延补偿器的补偿值超过时延补偿器的有效动态补偿范围，则加上或减去第一频率信号的周期值(使需要执行的补偿值在时延补偿器的有效动态补偿范围内)作为补偿值作用于时延补偿器，完成1次时延补偿；若时延补偿值加上当前时延补偿器的补偿值在时延补偿器的有效动态补偿范围内，则直接计算值并作用于时延补偿器，完成1次时延补偿。

如图2所示，主节点设备与从节点设备通过光纤网络连接，频率同步信号从主节点设备传递到从节点设备，利用本发明提出的时间偏差测量方法来实时测量从节点设备接收到的频率信号与主节点设备的频率信号的时间偏差值，然后从节点设备根据时间偏差值计算出从节点设备接收的频率信号的时延变化值，并通过高精度时延补偿器件来对接收的频率信号进行时延补偿，最终实现从节点设备的频率信号与主节点设备的频率信号高精度同步。

主节点设备从设备外输入的频率信号或设备内部高稳定频率源的信号分别送到频率传输单元和时间核单元。其中时间核单元在频率信号的驱动下运行主设备的时间，为测量单元提供主设备的实时时间数据；频率传递单元将频率信号调制到波长为λ_F的光信号并发送到光纤网络。测量控制单元通过时分复用的机制利用波长为λ_T的光信号与各个从节点进行通信，并采用同波长双向半双工方式与从节点进行数据帧交互，最终高精度的实现主、从节点设备间时间偏差的测量。波分复用器件实现频率传递波长λ_F光信号与测量数据帧波长λ_T光信号的复用和解复用的功能。

从节点设备从波分复用器的中解复用出波长为λ_F光信号送到频率接收单元，波长为λ_T的光信号送到偏差测量单元，并将偏差测量单元发出的光信号复用到设备单光纤接口中并传达到光纤网络。频率接收单元从波长为λ_F的光信号中恢复出第一频率信号，第一频率信号经过高精度时延器后得到第二频率信号。第二频率信号驱动时间核运行从节点设备的时间，为偏差测量单元提供从节点设备的实时时间数据。偏侧测量单元从波长为λ_T的光信号中接收并识别出本机的数据帧，并通过与主节点设备进行数据帧交互，最终实现主、从节点设备间的时间偏差的高精度测量。补偿计算单元根据收集的主、从节点设备间的时间偏差数据进行第二频率信号与主节点设备间的稳定性监测，并根据监测结果计算出时延补偿值控制高精度时延补偿器对第一频率信号进行时延补偿，使补偿后的第二频率信号与主节点设备的频率信号保持高精度同步。

本实施例所述时分复用机制测量主、从节点设备间时间偏差的实现方法如图3所述，主节点设备采用时分复用的机制依次与各个从节点设备进行通信，每次通信中包含3种报文，即Sync报文、Req报文和Resp报文，其中Sync报文和Req报文用于进行主、从节点设备间的双向比对，并同Resp报文将主节点设备接收Req报文的时间信息传送到从节点设备，这样从节点设备就收集了计算主、从节点设备时间偏差的全部数据。处理过程如下：

1)主节点设备将轮训从节点设备的设备地址等特征数据和时间数据组成Sync报文，并将Sync报文通过主设备的光纤口发送到光纤网络中。其中Sync报文发送时刻主节点设备的时间为T1，该数据随Sync报文一同发送，也可临时缓存，待Resp报文一同发送。

2)各个从节点设备都接收主节点设备发出的Sync报文，并根据从设备地址等特征数据识别是否为本机数据，若识别为非本机数据，则直接丢弃；若为本机数据，则接收Sync报文数据，并记录Sync报文到达本机的时间为T2。

3)从节点设备接收到属于本机的Sync报文后，立即生成含有本机设备地址等特征数据的Req报文并发送到光纤接口，从节点设备记录Req报文发送的时间为T3。

4)主节点设备接收并解析Req报文数据，并记录Req报文接收时刻的时间为T4，然后向发出Req报文的从节点设备发送Resp报文，该报文包含从节点设备的设备地址等特征数据、T4和T1数据。

5)从节点设备接收到属于本机的Resp报文后，解析出Resp报文中时间数据T4和T1，这样从节点设备就收集了计算主、从节点设备时间偏差的所有时间数据，即T1、T2、T3和T4，然后根据从、主节点设备间的时间偏差计算公式就可计算出时间偏差数据(offset)。

6)主节点设备与1个从节点设备间完成1次从、主设备间的时间偏差测量，每次轮训1个从节点设备需要完成至少1次时间偏差测量。主节点设备与1个从节点设备完成通信后，按照1)～5)的步骤与其他从节点设备进行通信。

从节点设备每次与主节点设备进行时间偏差测量后，根据时延补偿算法计算出时延补偿值并用于控制高精度时延补偿器件实现对从时钟接收频率信号的补偿，最终实现从节点设备与主节点设备的频率高精度同步。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、主节点设备将频率信号通过波长为λ_F的光信号连续发送到光纤网络，波长为λ_F的光信号经过光纤网络传输到网络中所有从节点；

步骤二、所有从节点设备从光纤网络中接收并从波长为λ_F的光信号中恢复出第一频率信号；

步骤三、主、从节点设备间采用波长为λ_T的光信号进行半双工通信，每次通信，从节点设备至少需要完成1次主、从节点设备间的时间偏差测量；

步骤四、从节点设备根据每次测量的时间偏差数据，计算出时延补偿值用于控制高精度时延补偿器对第一频率信号进行时延补偿，使得补偿后得到的第二频率信号与主节点设备的频率信号保持高精度同步。

2.根据权利要求1所述的基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法，其特征在于，所述主节点设备采用时分复用的机制与各个从节点设备进行通信。

3.根据权利要求1所述的基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法，其特征在于，所述从节点设备采用高精度时延补偿器对第一频率信号进行时延补偿时，要求高精度时延补偿器的动态补偿范围应大于第一频率信号1个周期值。

4.根据权利要求3所述的基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法，其特征在于，所述第一频率信号的频率为f，在时间间隔ΔT内，各个从节点设备中最大时延变化值为ΔD_max，则主节点设备轮训每个从节点设备的频率应大于以保证各个从节点设备接收的第一频率信号在两次轮训间隔时间内最大时延变化小于第一频率的1个周期。

5.根据权利要求1所述的基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法，其特征在于，所述步骤三中，从节点设备测量主、从节点设备间时间偏差实现过程如下：

步骤3.1主节点设备将轮训从节点设备的特征数据和时间数据组成Sync报文，并将Sync报文通过主设备的光纤口发送到光纤网络中；其中Sync报文发送时刻主节点设备的时间为T1，T1随Sync报文一同发送或者临时缓存；

步骤3.2各个从节点设备都接收主节点设备发出的Sync报文，并根据从节点设备的特征数据识别是否为本机数据，若识别为非本机数据，则直接丢弃；若为本机数据，则接收Sync报文数据，并记录Sync报文到达本机的时间为T2；

步骤3.3从节点设备接收到属于本机的Sync报文后，立即生成含有本机特征数据的Req报文并发送到光纤接口，从节点设备记录Req报文发送的时间为T3；

步骤3.4主节点设备接收并解析Req报文数据，并记录Req报文接收时刻的时间为T4，然后向发出Req报文的从节点设备发送Resp报文，该Resp报文包含从节点设备的特征数据、T4和T1数据；

步骤3.5从节点设备接收到属于本机的Resp报文后，解析出Resp报文中时间数据T4和T1，这样从节点设备就收集了计算主、从节点设备时间偏差的所有时间数据，然后根据主、从节点设备间的时间偏差计算公式计算出时间偏差数据offset：

步骤3.6主节点设备与1个从节点设备间完成1次从、主设备间的时间偏差测量，每次轮训1个从节点设备需要完成至少1次时间偏差测量；主节点设备与1个从节点设备完成通信后，按照3.1～3.5的步骤与其他从节点设备进行通信。

6.根据权利要求1所述的基于光纤网络的多节点高精度频率同步方法，其特征在于，所述步骤四中，时延补偿值计算过程如下：

步骤4.1当主节点设备稳定工作，且从节点设备正常接收主节点设备的频率信号后，将时延补偿值设置于高精度时延补偿器有效动态补偿范围的中间值，从节点设备完成第1次测量值，如果该第1次测量值为第一频率信号周期的整数倍，则该第1次测量值直接作为第一测量值；否则需要通过时延补偿的方式使第1次测量值为第一频率信号周期的整数倍后作为第一测量值；

步骤4.2从节点设备稳定工作后，除第一测量值外，从节点设备其他每次测量值作为第二测量值，每当得到第二测量值时，用第二测量值减去第一测量值即可得到时延补偿值，若该时延补偿值加上当前高精度时延补偿器的时延补偿值超过时延补偿器的有效动态补偿范围，则加上或减去第一频率信号的周期值作为时延补偿值并作用于高精度时延补偿器，完成1次时延补偿；若该时延补偿值加上当前高精度时延补偿器的时延补偿值在时延补偿器的有效动态补偿范围内，则采用该时延补偿值直接作用于时延补偿器，完成1次时延补偿。

7.基于光纤网络的多节点高精度频率同步系统，用于实现权利要求1-6任一项所述的高精度频率同步方法，其特征在于，该系统至少包括1个主节点设备和1个以上从节点设备，所述主节点设备与从节点设备之间通过光纤网络连接。

8.根据权利要求7所述的基于光纤网络的多节点高精度频率同步系统，其特征在于，所述主节点设备包括时间核单元、测量控制单元、频率传输单元及波分复用器；频率信号分别送到频率传输单元和时间核单元，所述时间核单元为测量控制单元提供主设备的实时时间数据；所述测量控制单元通过波长为λ_T的光信号与各个从节点进行通信；所述频率传递单元将频率信号调制到波长为λ_F的光信号，波分复用器用于将波长为λ_T的光信号与波长为λ_F的光信号复用或解复用。

9.根据权利要求7所述的基于光纤网络的多节点高精度频率同步系统，其特征在于，所述从节点设备包括频率接收单元、偏差测量单元、时间核单元、补偿计算单元、高精度时延补偿器及波分复用器；所述频率接收单元用于接收波长为λ_F的光信号，波长为λ_T的光信号送到偏差测量单元，所述频率接收单元从波长为λ_F的光信号中恢复出第一频率信号，第一频率信号通过高精度时延补偿器进行时延补偿后得到第二频率信号，第二频率信号驱动时间核运行从节点设备的时间，为偏差测量单元提供从节点设备的实时时间数据，偏差测量单元实现主、从节点设备间的时间偏差测量，补偿计算单元根据偏差测量单元测量得到的时间偏差，计算得到时延补偿值用于控制高精度时延补偿器对第一频率信号进行时延补偿，使得补偿后的第二频率信号与主节点设备的频率信号保持高精度同步，波分复用器用于将波长为λ_T的光信号与波长为λ_F的光信号复用或解复用。

10.根据权利要求7所述的基于光纤网络的多节点高精度频率同步系统，其特征在于，所述主节点设备通过时分复用的机制与各个从节点进行通信，并采用半双工通信方式与从节点进行数据帧交互。