JP2006503480A - タイムスタンプを使用して非同期ネットワークの通信端末同士を同期化させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、正規の光ファイバラインであるかの如く非同期イーサネットＭＡＮの使用を可能し、そのクラウド環境の不確定性を排除する。本発明は、２つの端末ノード間での非同期ネットワークにわたるリアルタイム同期データパケットの伝送を同期化する新たな方法を提供する。同期化処理は、端末ノードのＴＤＭ装置と非同期ネットワークとの間を接続する中間通信装置内で実施される。各通信装置は、階層２／３／３ｅ／４／４ｅパルス発生器によって作動されるローカルクロックを備える。ローカルクロック同期化は、非同期ネットワークを介するタイムスタンプパケットの送信に基づく。上記基準に基づき、内部デジタルＰＬＬは、階層２／３／３ｅ／４／４ｅ精度規格にしたがってデータ伝送信号内のジッタ／ワンダを軽減できる。その後、ＤＰＬＬのデータ結果は処理され、受信端末のローカルクロックにより使用される。

Description

発明の背景

１．発明の範囲
この発明は、非同期パケットネットワークにわたるリアルタイムデータストリームの同期化に関し、特に、イーサネットおよびＩＰ光ネットワークにわたるデータおよびタイミングの同期化に関する。

２．背景
当業者は、インターネットの成長により、更なるコアネットワーク容量に対する今までに例がない需要が形成されてきていることを認識している。インターネットの拡張可能で且つ分配型の性質は、ユーザ、ホスト、リンク、既存のアプリケーションおよび新たに生じたアプリケーションを含む全ての領域において、インターネットの成長に寄与し続けている。

インターネットユーザが高いリンク速度で接続し、使用時間が増大し続けているため、トラフィック量の急激な増大を招いている。

今日のメトロポリタン・エリア・ネットワーク（ＭＡＮ）はＳＯＮＥＴ光リングに基づいている。当初は音声を運ぶように設計されたＳＯＮＥＴプロトコルは、もはやデータ中心となってきている世界の要求に対応することができない。激しいペースで増加する新たなパケットに基づくトラフィックのための最も適した通信の典型例は、イーサネットである。

計算ネットワーク環境が進化し、伝送速度が急激に速くなってきたが、依然としてイーサネットネットワークアーキテクチャが支配的である。かつては１０Ｍｂ／ｓの通信速度が従来技術と見なされたが、今日では、イーサネットローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）が最大で１０Ｇｂｐｓ、２０Ｇｂｐｓ以上の速度で送信できる。

これは、最大で１０ギガビット／秒以上の速度でデジタルデータを送信できる光ファイバ技術の発達に起因している。このチャンネル間技術は、様々なコンピュータシステムと光ファイバまたはファイバチャンネル互換導電（銅）ケーブルとの結合を含んでおり、これにより、比較的長い距離にわたって離間されたマシン同士の間でデータ伝送を行なうことができる。

既存のスイッチおよびルータは、未加工の光データを用いてリアルタイム同時ネットワークを効率的に形成するために必要なポート密度も性能も与えない。

ＴＤＭ（時分割多重化）ネットワークの主な特徴のうちの１つは、時間同期化（そのタイムスロット多重化方法の当然の要件）である。公衆電話網（ＰＳＴＮ）またはＳＯＮＥＴ／ＳＤＨネットワークにおいて、クロックマスターは、ネットワークノードの全てを同期化するためのための主要な時間基準を与える（時間規律）。このマスタークロックは、極めて長い期間精度の一部分（１０^−１１）を有する。この基準時間は、その精度が階層１と称されており、階層２精度をもって二次ネットワークノードに対する基準クロックを与える。そして、これらは、階層３Ｅノードに対する時間基準を与えた後、階層３ノードに対する時間基準を与える。時間同期化におけるこの階層は、ＴＤＭネットワーク全体の適切な機能に不可欠である。

１０ギガビットの光ネットワークは、リアルタイム同期データを伝送できない。これは、このネットワークが全てイーサネットクラウド内の各ルータからの最善の努力に基づいているためであり、純粋パケット化ネットワークの性質が安定な或いは予期された遅延を確保できないからである。この現在の状況により、良質な電話音声伝送を形成することができない。

光ネットワークがリアルタイムデータ伝送を行なうことを妨げる主要な不利益のうちの１つは、ネットワークに接続された受信端末からのクロック周波数と送信端末からのクロック周波数との間での同期化の欠如である。ＴＤＭ用途において、送信器および受信器は、共通の時間基準を共有しなければならず、あるいは、少なくともマスター／スレーブチェーンにおいて互いに同期がとられなければならならず、そうでない場合には、ＴＤＭ接続を行なうことができない。

このような同期化の欠如は、幾つかの要因によって生じる。非同期ネットワーク内でのデータパケット伝送は、ジッタおよびワンダとして知られるランダム遅延を伴う。用語「ジッタ（ｊｉｔｔｅｒ）」は、例えば１０Ｈｚの周波数を超えるパルス位置変調周波数等の短期間の信号変動を表わすために使用される。用語「ワンダ（ｗａｎｄｅｒ）」は、重要なデジタル信号特性（例えばゼロレベル交差）におけるそれらの理想的な時間位置からの長期間の信号変動を表わすために使用され、１０Ｈｚを下回るパルス位置変調周波数に適用される。

「ジッタ」は一般に付加的なガウス雑音によるものであり、これに対し、ワンダは一般にゆっくりと変化する環境条件に起因する。

従来の方法およびシステムは、位相ロックループ（ＰＬＬ）と称される方法を使用することにより、前述した欠陥を解消する（例えば、米国特許第６，２４６，７３８号）。

ＩＰネットワークにわたってＴＤＭをエミュレートする際にこのランダム性を解消する他の手法は、バッファ（ＦＩＦＯ）を使用することにより入力データの全てを片付けることである。この手法は、適切な時間基準が利用できることを前提としている。しかしながら、殆どの場合、当初の時間基準情報をもはや利用することができない。バッファを空にする平均時間は、バッファを満たす平均速度と同じでなければならない。そうでなければ、データを失ってしまう。

他の要因は、パケットスリップまたはデータパケットの損失として既知である。この問題は、１０ギガビット光ネットワーク等の高速データ転送ネットワークに関連する場合に更に深刻となる。順序がバラバラにデータパケットが到達すると、受信装置のクロック周波数と送信装置のクロック周波数との間にかなりの差が生じる。この場合、当初の伝送（ネットワークによって生じる＋ジッタおよび−ワンダ）のための基準としてクロック周波数を使用することにより、入力パケットレートにしたがってクロック周波数を回復させようとすると、失なわれたパケットの結果である不正確な周波数が生じる。百万個のパケットからたった１つだけパケットが失われた場合であっても、１ＰＰＭ（１×１０^−６）の周波数エラーが生じる。一方、ビットレート同期は、１×１０^−１２精度規格を満たさなければならない。

米国特許第５，７９０，５３８に提案される従来の解決策は、主に、データパケットの実損失の問題およびこれらのパケットの回復方法を扱う。

ここでは、各エッジ端末に対して原子時計やＧＰＳ受信器等の時間基準を与えることにより、同期情報を送受信する必要性からＩＰネットワークを解放することが提案された。このような提案では、何らの解決にもならず、かえって費用がかかる。入力データは、ルーティング障害、温度作用、ネットワーク遅延等によって影響される特定の瞬間クロックレートを有する（実際のワンダにしたがって）。ＧＰＳクロック（原子標準と同じくらい正確である）等の外部クロックを使用することによりそのデータを抽出しようとする場合には、データが異なる平均周波数で到達する。スリップおよび不正確の問題並びにデータ損失は依然として変わらない。ローカルクロックは、その時の入力データの変化する平均を表わさなければならない。この種のクロックは、ネットワークの自由度をもって管理することができる「ブリージングネットワーククロック」と呼ばれるが、時間規律が１つの中心位置に設定され、通常は最も正確なクロックであるコアスイッチに設定される。この正確なクロックも上流側の良好なクロックに固定される。

また、ＳＯＮＥＴを介するＰＢＸへの既存のリンクを使用して最も近いＰＳＴＮからのクロックデータを検索することを基本とする他の解決策もある。このような解決策は、２つの競合するネットワークを必要とし、ＰＳＴＮがネットワークの両側で同じであるという前提に基づいている。これは、特に広域ＩＰネットワークにおいては、非常に危険な前提である。しかしながら、この前提が正しい場合であっても、コストがかなり高くなる。これは、顧客が２つの（時として４つの場合もある）異なるサプライヤおよびネットワークの使用代金を支払わなければならないからである。

ブロードコムホームネットワーキング（ＢＲＯＡＤＣＯＭ ＨＯＭＥＮＥＴＷＯＲＫＩＮＧ）社は、その国際特許出願国際公開公報第０１／４３３２５Ａ１号において、他の解決策を提案している。ブロードコムの出願は、特に家庭用電話回線ネットワーク提携（ＨＰＮＡ）に適合する、ＩＰネットワークにわたる音声通話を可能にするための同期プロトコルを取り入れている。このような２つの端末同士の間での同期策は、タイムスタンプメッセージおよびネットワークアクセス見込みジッタに基づいている。このようなプロトコル方法論は、最大で２５０マイクロ秒振幅の非同期ネットワークジッタ／ワンダを軽減するための完全な解決策を与えない。したがって、この解決策はリアルタイムデータ伝送の同期化を行なうことができず、特に、ブロードコム同期方法は、例えば低出力ジッタ（２５０マイクロ秒入力ジッタの場合であっても）、基準値にわたるヒットレススイッチ等の階層２／３／３ｅ／４／４ｅ環境の要件を満たさない。

したがって、本発明の主な目的は、従来の制限を回避するとともに、階層３／３ｅ環境の規格にしたがって非同期ネットワークにわたりリアルタイム同期データ伝送を行なうことである。

発明の概要

本発明においては、端末ノードのＴＤＭ装置と非同期ネットワークとの間を接続する中間通信装置を使用することにより、少なくとも２つの端末ノード間での非同期ネットワークにわたるリアルタイム同期データパケットの伝送を同期化する方法であって、上記通信装置が、非同期ネットワークを介する基準タイムスタンプパケットの送信を利用することにより、階層２／３／３ｅ／４／４ｅパルス発生器によって作動される内部ローカルクロックを同期化し、内部デジタルＰＬＬが、階層２／３／３ｅ／４／４ｅ精度規格にしたがってデータ伝送信号内のジッタ／ワンダを軽減するために使用される方法が提案される。

本発明のこれらの特徴および更なる特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら、単なる一例として与えられた以下の本発明の好ましい実施形態の説明を考慮することにより、更に明確に理解できよう。

好ましい実施形態の詳細な説明

本発明は、リアルタイム同期データ伝送を非同期ネットワーク内で可能にするための新たな方法論および実現方法を提供する。今日、メトロポリタン・エリア・ネットワーク（ＭＡＮ）は、ネットワークに接続された任意の２つの端末間で非同期データパケットの伝送を行なうことができる。データパケット伝送は体系付けられていない。受信端末に到達するデータパケットは、必ずしも送信された順序と同じではない。また、これらのパケットは、ここでは「ジッタ」と称される長さがランダムな時間遅延に晒される。ランダムな時間遅延は、データサブセット内のデータを送信するネットワークに固有のものである。各データパケットは、パケット毎に異なり得る全伝送時間をもって受信器に到達する場合がある。ネットワーク経路およびネットワークの混雑状態に応じて、伝送時間遅延はパケット間で大きく異なる。

本発明の主要な考え方は、非同期ネットワークエッジノードに接続される中間装置内に組み込まれる新たな通信モジュールを提供することである。これらのエッジノードは、ＣＴＥ装置（接続遠距離通信装置）であり、あるいは、「ピザボックス」というニックネームにより既知である。この装置は、非同期ネットワークとＴＤＭ通信装置との間を仲介するために指定され、それにより、体系付けられたデータパケット伝送を確保するとともに、ネットワーク障害および（変化する）遅延歪みの作用を除去する。

同期化を行なうため、各中間通信装置には、タイムスタンプデータパケットを生成するためのローカルクロックが設けられている。タイムスタンプパケットは、周期的な時間間隔で、非同期ネットワークを介して、中間装置の各対同士の間で送信される。新たなデータパケットを受けると、中間装置は、送信端末装置から受けたタイムスタンプにしたがってそのローカルクロックを同期化する。中間装置が３つ以上の端末間で同時に同期化を行なわなければならない場合、システムは、更なるローカルクロックを必要とする。すなわち、各パラレルセッション毎に１つのローカルクロックが必要になる。この種の実施例は、ローカルネットワークを扱い且つ複数の端末送信セッションを同期化しなければならないゲートウェイサーバに関するものである。したがって、新たに開始される送信セッション毎に、異なるローカルクロックが必要になる。

この同期化方法は、更に、２つの同期化ソースの同時解析をサポートし且つ２つの基準間のヒットレススイッチングを可能にする（関連する規格；ＧＲ−１２４４，ＧＲ−２５３等にしたがって）冗長機構を含む。

図１は、本発明を実行できる従来に係る環境を示している。メトロネットワークは、１０ｇｉｇｂｉｔ Ｇｂｐｓ以上でデータ伝送を行なうことができる光配線を介して、ローカルＰＢＸ装置と長距離コアネットワークとの間を接続する

図２は、遠距離通信ネトワーク内での本発明のシステムおよび方法の適用例を示している。ＰＢＸ（構内交換機）Ａ１またはマルチプレクサＡ２またはインターネットサーバＡ３等のエッジネットワークノードは、メトロポリタン非同期ネットワークＣを介して互いに接続されている。ＣＴＥ装置Ｂは、ネットワークエッジノード（Ａ１，Ａ２，Ａ３）間での同期データ伝送を可能にするための中間装置である。

図３は、中間装置Ｂ内に設けられる送信モジュールのブロック図を示している。スプリッタユニット１０は、ネットワークのストリーミングデータフローと干渉することなく装置ＢによるＴＤＭデータ信号の入力をルート付けるための装置入力インタフェースに関連付けられている。階層２／３／３ｅ／４／４ｅ周波数発生器１４は、タイムスタンプを生成するための正確なクロックレートをユニット１２に供給する。データトランシーバユニット１６は、タイムスタンプパケットを受けるとともに、これらのタイムスタンプパケットを非同期ネットワークＣに対して送信する準備をする。タイムスタンプデータパケットは、周期的な間隔で、ネットワーク内の全ての動作端末に対して送信される。

送信の流れが図４に示されている。周波数発生器は、階層２／３／３ｅ／４／４ｅ規格にしたがって、一定の速度でクロックパルスを連続的に形成する。このクロックは、タイムスタンプ発生器モジュールのための基準として使用される。

図５は、装置Ｂ内に設けられる受信モジュールを示している。受信部の入力インタフェースに関連付けられたスプリッタ２０は、エッジノード装置（Ａ１，Ａ２，Ａ３）へ方向付けられるデータフローと干渉することなく、入力データ信号をネットワークＣから装置Ｂの受信ユニットへとルート付ける。タイムスタンプ検出器２２およびデータパケット検出器は、入力パケットをフィルタ処理して、データパケットを送信する対応する送信局の関連するタイムスタンプを識別する。全てのタイムスタンプがローカルタイムスタンプ発生器２４で生成され、ローカルタイムスタンプ発生器２４の基準クロックは後述するＤＰＬＬの出力クロックである。ＤＰＬＬの要求を満たして関連する階層規格に従うためにタイムスタンプの分解能およびパケット伝送速度が規定される。

２つのタイムスタンプ（ローカルおよびリモート）間の差がユニット２６で計算され（実際の往復遅延の計算もこの方法で行なわれ）、その出力がＤＰＬＬ（ユニット２８）に供給される。ＤＰＬＬは、ユニット２６の出力データにしたがって、受信されたデータ／タイムスタンプパケットの入力信号を処理することによりジッタの蓄積を軽減し、ネットワーク同期化要件に適合させる。ネットワークノード毎に予期されるジッタは、±２５０マイクロ秒の値である（ＭＰＬＳが未だに作動していない場合）。

ＤＰＬＬは、階層２／３／３ｅ／４／４ｅ精度規格にしたがって、ジッタとワンダとの干渉を減らすようにプログラムされる。

ＤＰＬＬ処理の出力結果は、対応するリモートタイムスタンプ発生器にしたがってローカルタイムパルスを調整するためにローカルタイムスタンプ発生器２４に戻される。

本発明によって提案される同期化方法は、ユーザのＴＤＭ通信装置において或いはメトロポリタンネットワークコンポーネントにおいて変更を何ら必要としない。また、この同期化方法はイーサネットテレメトリックで使用できる。

以上の説明は多くの特殊性を含むが、これらは本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、むしろ、好ましい実施形態の例示として解釈されるべきである。当業者であれば、その範囲内にある他の可能な変形例を想起できる。したがって、本発明の範囲は、図示の実施形態によって決定されるべきではなく、添付の請求の範囲およびその法的に均等なものによって決定されるべきである。

従来のネットワーク環境を示している。 本発明が実行される環境を示している。 本発明に係る送信同期モジュールを示すブロック図である。 タイムスタンプ送信のプロセスを示すフローチャートである。 本発明に係る受信／同期モジュールを示すブロック図である。 タイムスタンプ機構にしたがった同期化プロセスを示すフローチャートである。

Claims (15)

1. 端末ノードのＴＤＭ装置と非同期ネットワークとの間を接続する中間通信装置を使用することにより、少なくとも２つの端末ノード間での非同期ネットワークにわたるリアルタイム同期データパケットの伝送を同期化する方法であって、前記通信装置が、階層パルス発生器によって作動される内部ローカルクロックを備え、前記クロックが、非同期ネットワークを介する基準タイムスタンプパケットの送信を利用するとともに、階層精度規格にしたがってデータ伝送信号内のジッタ／ワンダを軽減する内部デジタルＰＬＬを使用することにより同期化される、方法。
2. 前記階層規格が階層２，３，３ｅ，４，４ｅを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ローカルクロックの同期化処理が、
   Ａ．同期化ネットワークを介して低い層でタイムスタンプを送信するステップと、
   Ｂ．非同期ネットワークからの入力データパケットを受信端末ノードで受信するステップと、
   Ｃ．対応する送信局のタイムスタンプパケットを識別するステップと、
   Ｄ．ネットワークから発生したリモートタイムスタンプとローカルタイムスタンプとの間の差を計算し、その結果をＤＰＬＬへの入力データとして使用するステップと、
   Ｅ．ＤＰＬＬを使用して、階層精度規格にしたがって、データ伝送信号内のジッタ／ワンダを軽減するステップと、
   Ｆ．ＤＰＬＬの出力結果を、次のタイムスタンプを生成するための新たな基準として使用するステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記タイムスタンプパケットが、ネットワーク内の全ての動作端末に対して周期的な間隔で送信され、各端末ノードから非同期ネットワークに接続された全ての動作端末ノードへと送信される、請求項１に記載の方法。
5. 前記タイムスタンプが規則的なデータパケット内で送信される、請求項１に記載の方法。
6. 前記非同期ネットワークが光ネットワークである、請求項１に記載の方法。
7. 様々な階層規格を満たすために極めて高いジッタ／ワンダジッタが減少される、請求項１に記載の方法。
8. 少なくとも２つのユーザ端末ノード間での非同期ネットワークにわたるリアルタイム同期データパケットの伝送を同期化するために、ＴＤＭ通信装置と非同期光ネットワークとの間を接続する中間通信装置内に設けられる受信／送信システムであって、
   Ａ．分類されたクロックパルスを各ＴＤＭスイッチ端末ノードに供給する少なくとも１つの階層クロックレート発生器と、
   Ｂ．階層クロックパルスにしたがってタイムスタンプパケットを生成するとともに、それを非同期ネットワークを介して送信するデータトランシーバユニットと、
   Ｃ．前記非同期ネットワークからの入力データパケットを受けるための受信ユニットと、
   Ｄ．対応する送信局の関連するタイムスタンプを識別するためのデータパケット検出器と、
   Ｅ．ローカルタイムスタンプとリモートタイムスタンプとの間の時間差を計算するための計算モジュールと、
   Ｆ．階層規格にしたがって出力信号を供給するために、前記計算結果に基づいて入力信号のジッタおよびワンダを軽減する高性能ＤＰＬＬユニットであって、ＤＰＬＬの出力が次のローカルタイムスタンプの生成のための基準を与える高性能ＤＰＬＬユニットと、
   を備える受信／送信システム。
9. 前記階層規格が階層２，３，３ｅ，４，４ｅを含む、請求項８に記載のシステム。
10. ２つの同期化ソースの同時解析をサポートし且つ２つの基準間のヒットレススイッチングを可能にする（関連する規格；ＧＲ−１２４４，ＧＲ−２５３等にしたがって）冗長機構を更に備える、請求項８に記載のシステム。
11. 前記タイムスタンプパケットが、ネットワーク内の全ての動作端末に対して周期的な間隔で送信され、各端末ノードから非同期ネットワークに接続された全ての動作端末ノードへと送信される、請求項８に記載のシステム。
12. 前記タイムスタンプが規則的なデータパケット内で送信される、請求項８に記載のシステム。
13. 前記非同期ネットワークが光ネットワークである、請求項８に記載のシステム。
14. 入力部においてジッタ／ワンダの振幅が大きいにもかかわらず、ジッタが、±２５０マイクロ秒の値を下回り、±１ナノ秒の値まで減少される、請求項８に記載のシステム。
15. 少なくとも２つの端末ノード間での非同期ネットワークにわたるリアルタイム同期データパケットの伝送を同期化するモジュールであって、ＴＤＭ装置と非同期光ネットワークとの間を接続する中間通信装置内に設けられる前期同期化するモジュールにおいて、前記各通信装置が、低い層のタイムスタンプパケットの送信を利用することにより同期化される階層パルス発生器に関連付けられた内部デジタルＰＬＬを有するモジュール。

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