利用光纤数字同步传送网

    时间是一个基本物理量。以铯原子钟为代表的时间基准的准确度已达到10-15量级。但是，如何将高精度的时刻值传送到应用界面并使之和标准时间同步并未得到很好的解决。目前，时间同步的技术有若干种，但是每一种技术各有千秋，时问同步准确度差异较大，如表1所示。

    表1 各种常用的时间同步技术

    目前，在光纤通信网络上主要使用同步数字体系(SDH)作为传输方式，它有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块(STM)，并具有块状帧结构，允许安排丰富的开销比特。如图1(a)所示，如果修改现有的SDH设备，加入时间和频率保持单元与测量单元，就可以用STM的开销比特来传递时间，而且不受指针调整的影响。周外的研究也证实了上述方法的可行性。

    但目前许多通信设备并不具备STM线路的接口，仍在大量使用符合G.70x标准的2.048Mbit/sE1接口，只将时间信息传送至STM界面，无疑局限了时间同步的适用范闱。用2.048Mbit/s支路传递时间信号虽因指针调整会出现相位抖动(TU-12一次指针调整会引起8UI约3.90625μs的抖动)，但辅以硬件极低通滤波电路和软件算法滤除部分高频抖动，完全可以满足一些应用的需求。同时，利用2.048 Mbit/s支路的勤务比特(Sa)或一个时隙传送时间信号，既不影响其他时隙的话音或数据业务，也无须修改现有的SDH设备，实用性强。这种新的时间传递技术在国外尚无相关报导，是国家项目“利用光纤网络传送高精度同步信号”的一部分。经样机实验数据初步证实，陔方法的时间同步不确定度在±5μs左右，并可望进一步降低误差至百纳秒级。本文着重阐述了利用光纤SDH网络2.048 Mbit/s接口传递时问信号的原理和实现方法。

    一、时间信号传递模式

    下面以主从同步方式为例，讨论在SDH网络2.048Mbit/s接口上构建时间同步节点的方法。

    1．时间信号的加载方式

    ITU-TG.704建议给出2.048Mbit/s基本帧结构，如图1所示。按传输顺序连续256比特组成一个基本帧，基本帧内各比特依次被编为第1～256比特。基本帧标称重复频率fBF=8000Hz。

    图1 2.048Mbit/s基本帧结构

    一个基本帧内的256个比特自第1比特开始依次按每8比特构成一个时隙(TSn)，共32个时隙，将此32个时隙依次标为TS0，TS1，TS2，……，TS31。每个时隙中的8个比特依次被编为TSn内第1～8比特。基本帧内的第1～8比特(Ts0)用于基本帧定位和勤务。基本帧定位信号与勤务信号按基本帧传输顺序交替出现。如果需要对基本帧序进行编号，规定含有基本帧定位信号的帧依次编号取“O”和偶数(即取2n，其中：n=0，1，2，3，…)，无帧定位信号而含有勤务信号的基本帧依次编号取奇数(即取2n+1，其中：n=0，1，2，3，…)。每个时隙的承载能力为64kbit/s。

    图2 使用2.048Mbit/s帧的一个时隙传递时间信号

    如图2所示，数据收发设备A、B之间经由SDH网络传送着2.048Mbit/s帧结构的业务流，假定时隙x为空闲信道，时问同步节点就利用该时隙来传送时间信号。

    假设A、B之间的2.048Mbit/s数据流中有空闲时隙TSx。来自B的数据流通过从节点时，在空闲时隙x中写入时间同步请求信息；然后经由SDH网络传送至时问同步主节点，主节点提取时隙回送到从节点，从节点获得时问同步所需的必要信息，完成一次请求一应答过程。

    2．相位差测量算法

    相位差测量算法用来测量主节点与从节点时问标准函数的相位差。如图3所示，网中上半部分是主节点产生的时问标准函数f角频率为ω1)、主节点发送到从节点的2.048Mbit/s数据帧和主节点接收到的来自从节点的数据帧。图中下半部分是从节点产生的时问标准函数(角频率为ω2)、从节点发送到主节点的2.048Mbit/s数据帧和从节点接收到的来自主节点的数据帧。

    设θ(t)是从节点时间标准函数的相位函数，0≤θ(t)＜2π；φ(t)是从节点时间标准函数的相位函数，0≤φ(t)＜2π。

    则

    θ(t1)是从节点向主节点发送第i帧时刻t1的从节点时间标准函数的相位；

    θ(t2)是主节点收到第j帧时刻t2的主节点时间标准函数的相位；

    θ(t3)是主节点向主节点发送第i帧时刻t3的从节点时间标准函数的相位；

    θ(t4)是从节点收到第j帧时刻t4的从节点时间标准函数的相位；

    δ1和δ2分别是第i帧和第j帧的传输时延；

    θe是主节点超前从节点时间标准函数的相位差。

    设α为t1与t4时刻的相位差，得

    　α=2nπ+θ(t4)-θ(t1)

    β为t2与t4时刻的相位差，得

    　β=2mπ+φ(t3)-φ(t2)

    可得环路时延（1）

    设δ2=pδ1

    　得　（2）

    在(2)式中，θ(t)是在从节点测量的，φ(t)是在主节点测量的。因此，θe所能达到的准确度取决于上述参数中准确度最低的一个。这是影响时间同步性能的一个因素。

    3．时间同步信息编码格式

    为了使用2.048Mbit/s帧中一个时隙传送时间同步信息，要按照某种约定的格式进行。下面讨论一种简单的时间信息编码方式，如表2所示。

    表2 一种时间同步信息的编码方式

    在这种编码方式中，信息头是一个事先约定的字节，如“7F”。功能字由8比特构成，可用于节点编号、信息编号、信息有效性识别等多种用途，依具体应用而定。信息　由24比特构成，由从节点写入θ(t1)的值；　　由24比特构成，由主节点写入φ(t2)的值；由24比特构成，由主节点写入φ(t3)的值； 由24比特构成，由从节点写入θ(t4)的值。这种编码方式含有计算主从节点时间标准函数相位差的必要信息和时间信息。

    二、实验环境和实验结果

    1．实验环境

    实验环境如图4所示，主节点以高性能的铯钟为频率源，从节点以普通的无温度补偿的品振为频率源，主、从节点输出时问标准函数1PPS信号。时间间隔分析仪用来测量从节点IPPS相对于主节点的相位变化。

    具体的实验条件如表3所示。

    表3 实验条件

    2．实验结果

    各项测试的结果见表4。通过分析可以发现，在一定的误差范围内，从节点保持了与主节点的时间同步。从节点的1PPS的相位偏差、时问间隔偏差和频率偏差都在零点附近摆动，摆动幅度反映了同步误差的大小。

    表4 测试结果一览表

    三、结论与应用展望

    本文论述的时间同步方法的可行性已为实验所证实，但在整个实验过程中也发现了一些问题。首先，从样机实验数据可以看出，主、从节点同步后，存在大约±5μs的相位误差。实验数据反映了没有环路滤波器的情况，如果在系统内加入高阶数字极低通滤波器，会在很大程度上滤除包括指引调整带来的各种抖动，平滑相位偏差。其次，相位调整步长若采取动态算法，依据不同大小的相位偏差及时地取最佳值，也可以在一定程度上降低同步后的相位抖动。目前，项目组正在准备采取以上措施，可望将误差降至百纳秒级，接近导航卫星系统的刚伺传递精度。由于通信路由的选择直接决定时间同步信息的传送时延，为了减小误差，获取准确的路由参数非常关键。项目组除了在实验室作短距离的测试外，还将在实际的传输网络上继续试验，研究网络拓扑与时问同步精度的关系，最终使通信网内的传输、交换等设备通过该项技术直接或间接地追溯到国家标准时间，实现整个通信网络的时间同步。

    我国光纤网络目前已具备相当的规模，到2000年9月已形成以SDH2.5Gbit/s为主的“八纵八横”的省级光纤传输网络，还有近60万公里的本地刚及农话光纤网络，20多万公里的接人刚光纤网络，覆盖中国的绝大部分行政村以上的地区。电信运营商企业还在不断扩建和优化这一网络。纵横贯通的光缆干线为新兴的光纤时间传递技术提供了广阔的舞台。

    对于电信运营企业，在交换机房配置时问同步设备，可随时检查交换设备的内部时问，提高计时的准确度，解决囚异地时差造成的各种计费纠纷；或者直接使交换设备与时间同步系统接口，完成时间的自动调校。这种同步系统还呵应用到目前各大运营企业普遍使用的七号信令集中监控系统中，实现整个监控网内各信令采集点完全时间同步，在信令集中监控的基础上与账务系统配合实现计时计费集中监控。随着光纤时间同步网络的完善和健全，相信也会有越来越多的新应用、新业务不断发展起来。