动态高精度时频同步网

技术领域

本发明属于光纤时频信号处理、精密测量领域，具体涉及一种动态高精度时频同步网。

背景技术

光纤高精度时频传递是指将时间和频率基准以光纤为介质进行无损地传递，时间频率标准的产生和传递对国民经济、国防建设和日常生活起着至关重要的作用。在未来的通信网中，兼容时频信息与数据信号的传递，各网络节点高精度时频同步无疑是必然的发展方向。目前基于光纤传输的点对点时频同步精度可以达到飞秒级甚至阿秒级，但现有的数据通信网络OTN所采用的IEEE1588v2协议却只能达到亚纳秒级的同步精度。因此，急需一种高精度时频同步网，使得网络内各节点不仅能实现高速率数据通信，还能获得高精度的时频同步。

现有技术中的高精度光纤时频信号同步网络，公开号为CN201710016495.0的一种高精度光纤时频信号同步网络，包括光纤，N个交换机和M个时频信号源，每个交换机和时频信号源都是一个网络节点，总共形成N+M个网络节点，其中每个时频信号源与相邻的两个交换机通过光纤连接，而每个交换机通过至少三路不同的光纤与其它不同的交换机或者时频信号源连接。该网络采用光纤作为时频信号同步网络的传输介质，整个网络内时频信号同源同步的精度非常高，同时将光纤链路稳定和时频信号的传输分开，可以实现时频信号的透明传输和网络的保护倒换。但是，该技术方案存在以下问题：

1.原有技术方案所构建的网络是一个时频同步的网络，很难与现存的高速数据通信网结合，该方案采用少量时频专用数据标签的进行数据传递，传输速率慢。

2.原有技术方案所构建的网络受交换机设计限制，很难处理复杂的网络拓扑和巨大的时频同步节点数，且随着时频同步节点数量增加，需要大量定制交换机，成本大大增加。

3.原有技术所构建的网络拓扑是一层结构，相距较远的时频信号需要经过多个交换机才能到达目标节点，同步效率低。

4.原有技术所构建的网络没有设计全光时/频/相中继，在实现远距离的时/频/相同步的方案里需要光-电-光的转换，增加信号处理延时。

5.原有技术方案中高精度光纤时频信号同步网络中交换机未提及相位信息。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种动态高精度时频同步网，实现了一种兼容高精度时频传递与现有高速数据通信的同步网络，网络架构分层，能高效处理复杂、长距离的网络拓扑，使得每一个网络节点获取更高的时间同步信息。

所述的动态高精度时频同步网包括：动态时/频/相基准交换机，动态时/频/相核心交换机和动态时/频/相边缘交换机；每种交换机分别有若干个，每个交换机作为一个网络节点通过至少两条光纤链路与其它网络节点连接，构成分层的网状网。

所述的分层网状网具体包括两层网络架构，第一层是各个核心交换机之间连接构成网络枢纽节点，负责网络流量的宏观梳理，处理复杂的网络拓扑和大量的波长数；第二层是由基准交换机和边缘交换机构成网络边缘节点，基准交换机负责提供时/频/相基准；边缘交换机负责较近距离的信息传递，处理相对较少的波长数，以及简单的拓扑结构。

在每个核心交换机周围都分布有不同数量的基准交换机和边缘交换机，基准交换机数量为0或1，边缘交换机数量大于等于2；以每个核心交换机为中心，连接的基准交换机和边缘交换机为半径，共同构成各核心交换机对应的覆盖范围区域。

对于时/频/相同步的每个覆盖范围区域，若该范围区域的基准交换机数量为1，该范围区域内所有交换机节点都与该基准交换机同步；若基准交换机数量为0，该范围区域内所有交换机节点通过核心交换机与其他拥有基准交换机的范围区域内的核心交换机通信，以达到与其他区域内基准交换机同步。

所述的动态时/频/相边缘交换机由DWDM(密集波分复用器)，主控板，光开关，可调谐波长转发器，数据收发模块和时/频/相收发模块构成。

DWDM实现光信号的分束与合束；

光开关包括两种：直通光路中的光开关负责选取上下行的波长；上下行光路中的光开关负责分发时/频/相信号与数据信号。

进一步所述的光开关均由主控板控制，根据网络信息传递需求设定。

可调谐波长转发器为可选设备，对于数据信号所在波长的上下路，使用可调谐波长转发器提高客户终端设备的灵活性；对于时/频/相信号所在波长的上下路，不进行波长转换，保证信号质量。

数据收发模块基于现有光传输网协议(OTN)，完成正常的数据通信，实现通信网功能。

时/频/相收发模块既可以从时/频/相基准交换机得到高精度时/频/相同步信号，也可以按需求与其他非基准交换机进行时/频/相信号的交互。

动态时/频/相基准交换机与动态时/频/相边缘交换机结构类似，包括DWDM，主控板，光开关，可调谐波长转发器，数据收发模块和时/频/相基准模块。

动态时/频/相核心交换机结构包括2M个DWDM，N个光路梳理光开关矩阵，1个上下路信号梳理光开关矩阵，主控板，可调谐波长转发器，数据收发模块和时/频/相收发模块。因此，动态时/频/相核心交换机拥有M路输入端，M路输出端和M*N路本地上下路端；N为交换机可处理的最大波长通道数。

DWDM将光信号分束与合束；

每个光路梳理光开关矩阵对由各路输入端口输入，经DWDM分束的信号选择直通或上下行，当选择直通时，将信号输出给目标端口；当选择上下行时，将信号转发给上下路信号梳理光开关矩阵。

上下路信号梳理光开关矩阵将上下路的数据信号与时/频/相信号分离，分别转发到数据收发模块和时/频/相收发模块。

进一步所述光开关矩阵均由主控板控制。

所述的动态高精度时频同步网还包括时/频/相中继，用于核心交换机之间信号的远距离传输中，再生数据信号与时/频/相信号。

所述的中继由DWDM，光开关，主控板，时/频/相信号再生器和数据信号再生器构成。

光开关由主控板控制，用以分离时/频/相信号与数据信号；时/频/相信号再生器和数据信号再生器分别负责时/频/相信号与数据信号的再生，根据具体应用环境情况选择是否需要数据与时/频/相信息再生。

时/频/相信号再生器中DWDM将光信号分束，光开关分离开时/频/相信号与数据信号，分别进入数据信号再生器与时/频/相信号再生器中再生，最后合束传向下一个网络节点。

进一步，所述的交换机与中继的主控板通过控制光开关矩阵，控制交换机中的直通、上下行和转发状态，以实现网络节点间信息传递路径的选择。因此，当网络出现节点的增减时，不需要大量更换网络设备，只需驱动主控板改变交换机光开关矩阵的状态，即可实现节点间通信路径的重构，动态地进行网络连接。

所述的数据与时/频/相信号分别使用不同的波长通道在本地交换机中传递，具体过程如下：

若本地交换机为边缘交换机与基准交换机，对于输入而言，输入的光信号包含发往本地交换机与发往它地交换机的信息。首先，DWDM对输入的光信号分束，直通路径上的光开关将发往本地交换机的信号对应波长的光下行，将发往它地交换机的信号对应波长的光直通，下行光中数据或时/频/相信号经上下行路径上的光开关转发到对应的模块。

对于输出而言，本地交换机中的数据收发模块和时/频/相收发模块输出包含数据或时/频/相信息的光信号，光信号波长与其目的地址相对应，经上下行路径上的光开关进行转发，选择输出信号波长对应的直通路径的光开关作为转发目标，最后，将经DWDM与直通路径的光信号合束输出到光纤路径上。

若本地交换机为核心交换机，对于输入而言，有M路光信号输入，每路包含N个波长通道，包含发往本地交换机与发往它地交换机的信息。首先，M个DWDM对输入的每路光信号进行分束，分别入射对应N个波长通道的N块光路梳理光开关矩阵，这些光开关矩阵将发往本地交换机的信号对应波长的光下行，将发往它地交换机信号对应波长的光直通，下行光中数据或时/频/相信号经上下路信号梳理光开关矩阵转发到对应的收发模块。

对于输出而言，本地交换机中的数据收发模块和时/频/相收发模块输出包含数据或时频信息的光信号，光信号波长与其目的地址相对应，经上下路信号梳理光开关矩阵进行转发，选择输出信号波长对应的光路梳理光开关矩阵的指定光开关矩阵输入端口作为转发目标，根据输入端口，光路梳理光开关矩阵将上行信号转发到对应的交换机输出端口，经DWDM与直通光信号合束输出到光纤路径上。

本发明的优点在于：

1)、一种动态高精度时频同步网，可实现全网范围内时/频/相信号与数据信息的可靠传输。

2)、一种动态高精度时频同步网，为两层结构，信息传递效率更高。

3)、一种动态高精度时频同步网，设计了专用的时/频/相中继器，支持更远距离的时/频/相传递与数据信息的传输。

4)、一种动态高精度时频同步网，网络光路和网络节点可以按照网络需求和网络更新动态建立和拆除，实现了网络动态可重构。

5)、一种动态高精度时频同步网，网络中交换机节点的时/频/相同步考虑了Sagnac效应的影响，同步精度更高。

附图说明

图1为本发明一种动态高精度时频同步网的拓扑图。

图2为本发明采用的动态时/频/相边缘交换机结构图；

图3为本发明采用的动态时/频/相基准交换机结构图；

图4为本发明采用的动态时/频/相核心交换机结构图；

图5为本发明采用的动态时/频/相中继结构图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明为一种动态高精度时频同步网，将时/频/相交换机作为网络节点，通过光纤链路进行网络节点之间的连接；交换机中包含受交换机内主控板控制的光开关，能够快速更新网络节点间信号的传递路径，实现网络动态可重构；该网络将时频信号和数据通信的传输通过波分复用的方式分开进行，可以实现节点间高精度时频传递与高速数据通信。

所述的动态高精度时频同步网如图1所示，包括：动态时/频/相基准交换机，动态时/频/相核心交换机和动态时/频/相边缘交换机；每种交换机分别有若干个，每个交换机作为一个网络节点通过至少两条光纤链路与其它网络节点连接，构成分层的网状网。

所述的分层网状网具体包括两层网络架构，第一层是各个核心交换机之间连接构成网络枢纽节点，负责网络流量的宏观梳理，处理复杂的网络拓扑和大量的波长数；第二层是由基准交换机和边缘交换机构成网络边缘节点，基准交换机包含原子钟，负责在一定的距离范围内提供时/频/相基准，该范围内所有交换机节点都与该基准交换机同步；基准节点不唯一，且分布在网络各处，实现时/频/相基准在整个网络的全覆盖以及全网高精度时/频/相同步。

边缘交换机负责较近距离的信息传递，处理相对较少的波长数，以及简单的拓扑结构，如环形拓扑、简单的网状拓扑、线性拓扑等。

普遍的，所述动态高精度时频同步网覆盖的范围可以分为若干块区域，每块区域内的网络节点由一个核心交换机、0或1个基准交换机和至少2个边缘交换机组成；每个核心交换机与周围的基准交换机和边缘交换机相连接，构成以核心交换机为中心，对应的覆盖范围区域。

对于时/频/相同步的每个覆盖范围区域，若该范围区域的基准交换机数量为1，该范围区域内所有交换机节点都与本区域里的基准交换机同步；若基准交换机数量为0，该范围区域内所有交换机节点通过核心交换机与其它拥有基准交换机的范围区域内的核心交换机通信，以达到与其它区域内基准交换机同步。

进一步，所述的动态高精度时频同步网中传输的信息包括：时/频/相信号、数据信息和监控信息，通过波分复用在同根光纤中传递；分别用于时频同步、数据通信和保护倒换。对于信号传递，区域内的通信在区域内各交换机中进行，区域外的通信通过双方的核心交换机实现。

进一步，所述的数据信息除了包括传统高速数据信息，还包括与时/频/相同步相关的数据信息，如：Sagnac效应改正项、时延改正项、相位信息改正项、设备固定时延标校和经过的交换机编号等。

进一步，每个覆盖范围区域内的核心交换机既可以与本区域内的其他交换机进行信息的传递，同时也能与其他覆盖范围区域的核心交换机进行通信。

所述的动态时/频/相边缘交换机，如图2所示，由DWDM(密集波分复用器)，主控板，光开关，可调谐波长转发器，数据收发模块和时/频/相收发模块构成。

DWDM实现光信号的分束与合束；

光开关包括两种：直通光路中的光开关负责选取上下行的波长；上下行光路中的光开关负责分发时/频/相信号与数据信号。

进一步所述的光开关均由主控板控制，根据网络信息传递需求设定。

可调谐波长转发器为可选设备，对于数据信号所在波长的上下路，使用可调谐波长转发器提高客户终端设备的灵活性；对于时/频/相信号所在波长的上下路，不进行波长转换，保证信号质量。

数据收发模块基于现有光传输网协议(OTN)，完成正常的数据通信，实现通信网功能。

时/频/相收发模块既可以从时/频/相基准交换机得到高精度时/频/相同步信号，也可以按需求与其他非基准交换机进行时/频/相信号的交互。

动态时/频/相基准交换机与动态时/频/相边缘交换机结构类似，如图3所示，包括DWDM，主控板，光开关，可调谐波长转发器，数据收发模块和时/频/相基准模块。

动态时/频/相核心交换机是动态时/频/相边缘交换机的放大版，拥有更多的密集波分复用器和光开关，可以完成数据信号或时/频/相信号从任意端口任意波长进入从任意端口输出或在本地上下行。如图4所示，为核心交换机中信号传递的单向示意图，包括2M个DWDM，N个光路梳理光开关矩阵，1个上下路信号梳理光开关矩阵，主控板，可调谐波长转发器，数据收发模块和时/频/相收发模块；因此，动态时/频/相核心交换机拥有M路输入端，M路输出端和M*N路本地上下路端；N为交换机可处理的最大波长通道数。

DWDM将光信号分束与合束；

每个光路梳理光开关矩阵对由各路输入端口输入，经DWDM分束的信号选择直通或上下行，当选择直通时，将信号输出给目标端口；当选择上下行时，将信号转发给上下路信号梳理光开关矩阵。

上下路信号梳理光开关矩阵将上下路的数据信号与时/频/相信号分离，分别转发到数据收发模块和时/频/相收发模块。

进一步所述光开关矩阵均由主控板控制，用户通过主控板设计、更新交换机的转发规则，使得光路是重构的，网络是动态可变的。

在上下光路中，本核心交换机还使用了可调谐波长转发器，对于数据信号所在波长的上下路，使用可调谐波长转发器能够提高客户终端设备的灵活性，对于时/频/相信号所在波长的上下路，不进行波长转换，保证信号质量。

数据收发模块基于现有光传输网协议(OTN)，完成正常的数据通信。

时/频/相收发模块负责与其他交换机节点进行时/频/相信号的交互，这既可以是从时/频/相基准交换机得到高精度时/频/相同步信号，也可以按需求与其他非基准交换机交互。

所述的动态高精度时频同步网还包括时/频/相中继，用于信号的远距离传输中，再生数据信号与时/频/相信号，增加传输距离，降低建网成本。

所述的中继如图5所示，由DWDM，光开关，主控板，时/频/相信号再生器和数据信号再生器构成。

DWDM将光信号分束与合束；光开关由主控板控制，用以分离时/频/相信号与数据信号；时/频/相信号再生器和数据信号再生器分别负责时/频/相信号与数据信号的再生，根据具体应用环境情况选择是否需要数据与时/频/相信息再生。

时/频/相信号再生器中DWDM将光信号分束，光开关分离开时/频/相信号与数据信号，分别进入数据信号再生器与时/频/相信号再生器中再生，最后合束传向下一个网络节点。

进一步，所述的动态时/频/相核心交换机和动态时/频/相边缘交换机内都包含数据收发模块和时/频/相收发模块，经过交换机的光信号有选择地上下行，实现时/频/相信号或数据信号与网络的相通。

进一步，所述的核心交换机与边缘交换机的主控板能动态地控制光开关，进一步控制交换机中的直通、上下行和转发状态，以实现网络节点间信息传递路径的选择。因此，当网络出现节点的增减时，不需要大量更换网络设备，只需驱动主控板改变光开关的状态，即可实现节点间通信路径的重构，动态地进行网络连接，无须预先规划和配置适当的设备，网络中光路能按照网络需求动态建立和拆除，具有很高的灵活性。

所述的数据与时/频/相信号分别使用不同的波长通道在本地交换机中传递，具体过程如下：

若本地交换机为边缘交换机与基准交换机，对于输入而言，输入的光信号包含发往本地交换机与发往它地交换机的信息。首先，DWDM对输入的光信号分束，直通路径上的光开关将发往本地交换机的信号对应波长的光下行，将发往它地交换机的信号对应波长的光直通，下行光中数据或时/频/相信号经上下行路径上的光开关转发到对应的模块。

对于输出而言，本地交换机中的数据收发模块和时/频/相收发模块输出包含数据或时/频/相信息的光信号，光信号波长与其目的地址相对应，经上下行路径上的光开关进行转发，选择输出信号波长对应的直通路径的光开关作为转发目标，最后，将经DWDM与直通路径的光信号合束输出到光纤路径上。

若本地交换机为核心交换机，对于输入而言，有M路光信号输入，每路包含N个波长通道，包含发往本地交换机与发往它地交换机的信息。首先，M个DWDM对输入的每路光信号进行分束，分别入射对应N个波长通道的N块光路梳理光开关矩阵，这些光开关矩阵将发往本地交换机的信号对应波长的光下行，将发往它地交换机信号对应波长的光直通，下行光中数据或时/频/相信号经上下路信号梳理光开关矩阵转发到对应的收发模块。

对于输出而言，本地交换机中的数据收发模块和时/频/相收发模块输出包含数据或时频信息的光信号，光信号波长与其目的地址相对应，经上下路信号梳理光开关矩阵进行转发，选择输出信号波长对应的光路梳理光开关矩阵的指定光开关矩阵输入端口作为转发目标，根据输入端口，光路梳理光开关矩阵将上行信号转发到对应的交换机输出端口，经DWDM与直通光信号合束输出到光纤路径上。

本发明所述的动态高精度时频同步网，在具体传输过程中，对于远距离的信息传递，本地时/频/相交换机会将光信号转发给该区域的时/频/相核心交换机，再由核心交换机传递给目标区域的核心交换机；若传输距离过大，则需要使用时/频/相中继器再生。目标区域核心交换机再将光信号分配给当地边缘交换机。

对于近距离的信息传递，光信号可直接从本地边缘/基准交换机转发到目标边缘/基准交换机，或者通过该区域核心交换机梳理转发到目标边缘交换机。这样，便可以实现时/频/相信号与数据信号在全网区域内的可靠传输，达到全节点高精度时/频/相同步和高速率数据通信。