JP2010206327A - 光多重伝送システム、精密時刻同期装置、伝送制御信号生成装置、及び光多重伝送システムにおける精密時刻同期方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳに頼ることなく、１マイクロ秒以下の精度の精度時刻同期を可能とし、ＧＰＳの利用が困難な室内や地下街等での小型基地局の普及を促進する。
【解決手段】親局装置（ＯＬＴ１０）と１以上の子局装置（ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃ）とが双方向通信を行う光多重伝送システムは、親局装置は、子局装置までの伝送に要する伝送遅延時間を通知して同期タイミングを与える伝送制御信号（同期パケット）を配信する時刻同期タイミング生成手段を備え、子局装置は、伝送制御信号の受信を契機に、親局装置から通知される精密時刻情報を遅延時間で補正して自身の時刻情報を較正する時刻較正手段、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光多重伝送システム、精密時刻同期装置、伝送制御信号生成装置、及び光多重伝送システムにおける精密時刻同期方法に関し、特に、アクセス系に非同期式の高速光通信ネットワークを用いた事業用電気通信設備において、通信ノードの大部分を精密に時刻同期させる技術に関する。

図１２は、一般的な事業用携帯通信のセル配置を示した図である。時分割多重多元接続（ＴＤＭ：Time Division Multiplex）を例示すれば、基地局と移動局との送受信タイミング、及び各移動局に割り当てられた送受信タイミングが正確に守られていなければシステム的に正常に動作しないため、基地局側がこれらのタイミング管理を行っている。
ここで、図１２に示されるように、複数の基地局９０ａ〜９０ｅが存在し、個々の通信領域（セル）が重複している場合を考えると、これら基地局９０ａ〜９０ｅ間でも上記した送受信タイミングがすべて同期していなければ相互干渉を引き起こし、もしくはハンドオーバが正常に機能しなくなるといった不具合が生じる。なお、図１２中、符号９１〜９９は携帯電話等の各移動局を示す。

我が国では、離島等の避地や地下街等の閉鎖空間を除けば、携帯通信事業者毎の大部分の基地局の通信領域は重なっているため、結局のところ大部分の基地局の動作は絶対時刻に同期している必要がある。必要とされる同期精度は、ＴＤＭの場合で数マイクロ秒以内とされており、さらに高度化された方式では１マイクロ秒以下の非常な高精度を求められている。同期を全国規模で精密に維持することは、即ち同期信号を如何に正確に配信するかにかかっている。無線制御局からの基幹系及びアクセス系の多重回線が同期式の伝送網で構築されている場合は、系統同期している各端局装置からクロック信号を適宜抽出することである程度実現できたが、近年、その使い勝手の良さから普及しつつある非同期式の多重伝送方式の場合、網同期の概念自体が存在しておらず、したがって、網側から正確なクロック信号を得ることが困難な状況にある（例えば、非特許文献１参照）。

「毎正秒パケット到着時間（ＰＡＩ）に基づいた時刻同期方式」町澤朗彦他、ＮｉＣＴ（情報通信研究機構） ＜インターネットＵＲＬ＞ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ２．ｎｉｃｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｗ／ｗ１１４／ｔｓｐ／ｒｅｓｅｒｃｈ／ｌａｂ０３／ｎｉｃｔ．ｐｄｆ（２００９年２月１２日閲覧）

前記問題点の解決策として、各基地局にＧＰＳ（Global Positioning System）受信機を設け、ＧＰＳ衛星から送信される衛星搭載電子時計に基づいた非常に正確な絶対時刻を利用する方法が普及している。ＧＰＳ衛星からの電波が常時安定的に受信できる立地条件であれば、これが最も簡単で確実な方法である。

ところが、近年普及しつつある高速大容量の携帯通信では広い無線周波数帯域を必要とする。また、電波資源のひっ迫より利用可能な周波数帯域は益々高くなり、屋外に設けられた基地局からの電波を屋内まで十分に浸透させるのが困難になっている。一方で、携帯端末をオフィス等の屋内や地下街等の閉鎖空間でも使えるようにする社会的需要も高まっており、それに応じて小型の基地局をこのような空間に設置する事例が現れている。

このような空間ではＧＰＳ衛星からの電波を必要十分な信号強度で受信し難く、つまり同期信号を得ることが困難な状況にある。
従来は他に有効な手段が無いため、建屋の屋上等のＧＰＳアンテナまで長い同軸ケーブルや信号ケーブルを敷設することで対処していたが、その工事上の手間が、このような室内型の小型基地局を普及させる大きな妨げとなっていた。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、親局装置と子局装置との間の送受信信号のみで自身の時刻情報を較正することができる光多重伝送システム、精密時刻同期装置、伝送制御信号生成装置、及び光多重伝送システムにおける精密時刻同期方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の光多重伝送システムは、親局装置（例えば、ＯＬＴ１０）と１以上の子局装置（例えば、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃ）とが双方向通信を行う光多重伝送システムであって、前記親局装置は、前記子局装置までの伝送に要する伝送遅延時間を通知して同期タイミングを与える伝送制御信号（例えば、同期パケット）を配信する時刻同期タイミング生成手段を備え、前記子局装置は、前記伝送制御信号の受信を契機に、前記親局装置から通知される精密時刻情報を前記伝送遅延時間で補正して自身の時刻情報を較正する時刻較正手段、を備えたものである。さらに前記子局装置は、前記時刻較正手段により、自身が有する基準時計の時刻設定を前記伝送制御信号の受信を契機に較正することもできる。

また、本発明の精密時刻同期装置は、子局装置に内蔵され、親局装置との双方向通信に用いられる精密時刻同期装置であって、前記親局装置から子局装置を経て、伝送遅延時間と時刻同期タイミングとを含む伝送制御信号を受信し、前記伝送制御信号の受信を契機に、前記親局装置から通知される精密時刻情報を前記遅延時間で補正して時刻情報を較正する時刻較正手段、を備えたものである。

また、本発明の伝送制御信号生成装置は、１以上の子局装置との双方向通信に用いられる伝送信号生成装置であって、前記伝送制御信号の中に精密時刻情報を埋め込み、前記各子局装置に配信する時刻同期タイミング生成手段、を備えたものである。

また、本発明の伝送制御信号生成装置は、親局装置と１以上の子局装置とが双方向通信を行う光多重伝送システムにおける伝送制御信号生成装置であって、前記親局装置と子局装置との間で交換される情報フレームの時刻同期プロトコルにしたがい前記子局装置に精密時刻情報を配信する時刻同期タイミング生成手段、を備えたものである。

また、本発明の光多重伝送システムにおける精密時刻同期方法は、親局装置と１以上の子局装置とが双方向通信を行う光多重伝送システムにおける精密時刻同期方法であって、前記親局装置が、前記子局装置までの伝送に要する伝送遅延時間を通知して同期タイミングを与える伝送制御信号を配信するステップと、前記子局装置が、前記伝送制御信号の受信を契機に、前記親局装置から通知される精密時刻情報を前記遅延時間で補正して前記子局装置の時刻情報を較正するステップと、を有するものである。

本発明によれば、親局装置と子局装置との間の送受信信号のみで自身の時刻情報を較正することができる。これにより、ＧＰＳに頼ることなく、１マイクロ秒以下の精度の時刻同期を可能とし、ＧＰＳの利用が困難な室内や地下街等での小型基地局の普及を促進することができる。

本発明の第１実施形態に係る光多重伝送システムのシステム構成の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光多重伝送システムによるレンジングシーケンスを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る伝送制御信号生成装置の内部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る精密時刻同期装置の内部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る伝送制御信号生成装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る伝送制御信号生成装置が生成する同期メッセージのデータフォーマットの一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る精密時刻同期装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る精密時刻同期装置の時刻較正動作の一例を示すタイミング図である。 本発明の第２実施形態に係る光多重伝送システムのシステム構成の一例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光多重伝送システムのシステム構成の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態乃至第３実施形態に係る光多重伝送システムの応用例を示す図である。 一般的な事業用携帯通信のセル配置を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光多重伝送システムのシステム構成の一例を示す図であり、ここでは、非同期の多重伝送方式としてＧＥ−ＰＯＮ（Gigabit Ethernet-Passive Optical Network）の適用を想定している。

図１に示されるように、ＧＥ−ＰＯＮは、親局装置（以下、ＯＬＴ１０と称する）と複数の子局装置（以下、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃと称する）とが、途中で光学的に枝分れした光ファイバケーブル３０で接続され構成されるものであり、その分岐数は、最大６４分岐程度である。また、伝送距離（光ファイバケーブルの距離）は、概ね２０ｋｍ以内であって、ＯＬＴ１０とＯＮＵ２０ａ〜２０ｃとの間で１Ｇｂｐｓのイーサネット（登録商標）フレームを伝送することができる。

ＯＬＴ１０からＯＮＵ２０ａ〜２０ｃまで（以下、下りと称する）は、時分割多重された一連の同報的信号で、また、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃからＯＬＴ１０まで（以下、上りと称する）は、個々のＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに割り当てられた送信タイミングによる個別バースト的信号で伝送される。

ＧＥ−ＰＯＮは、イーサネットフレームをそのまま送ることを特徴とするためフレームの長さは可変長であり、そのために同期信号を挿入することは元々考えられていない。ＧＥ−ＰＯＮは、上りと下りとが光信号の波長多重による全二重通信方式であるが、上記のように下りの通信がいわば同報的な伝送方式であるのに対して、上りの通信は各ネットワーク機器からのアップリンク信号がタイミング的に衝突する恐れや、伝送距離の違いにより減衰度合いが異なる光信号にＯＬＴ１０の受光信号処理回路が追従する能力的な制約から、各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに割り当てられる送信タイミングにおいては比較的長い時間のガードタイムの確保が必要となる。

このような方式的な制約より、伝送されるべきイーサネットフレームには、各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃへ動的に割り当てられた送受信タイミングが来るまでの待ち行列に応じて伝送遅延（以下、レイテンシと称する）が発生し、それは、下りが５０マイクロ秒程度以内であり、上りは数ミリ秒にもおよぶことが知られている。また、このレイテンシは定常的なものではなく時々刻々と変動するため、結局のところイーサネットフレームの到達時間は大きな揺らぎを有している。

このため、イーサネットフレームに時刻同期のプロトコルをのせる方式では、例えば、一般的なＮＴＰ（Network Time Protocol）の場合は、ミリ秒オーダの精度が実用上の限界で、１マイクロ秒以下の精密同期は到底不可能である。ＬＡＮ（Local Area Network）の環境ではＩＥＥＥ１５８８で規定されたプロトコルを用いて通信を行うことで精密時刻同期を実現し得るが、ＧＥ−ＰＯＮでは、レイテンシの揺らぎ、及び上り下りの非対称さから適用困難なのが実情である。

ところで、ＧＥ−ＰＯＮでは、ＯＬＴ１０から各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃへの送信タイミングの割り当てに際し、光信号の伝送遅延を考慮したタイミング補正を行っている。
具体的には、ＧＥ−ＰＯＮ内に新規ＯＮＵが追加された場合等の運用管理プロセスにおいて、「レンジング」と呼ばれる処理が行われる。レンジングシーケンスが図２に示されている。

図２では、簡略化のため、例えば、ＯＮＵ＃１（２０ａ）とＯＮＵ＃２（２０ｂ）の２つのＯＮＵが、１０ｋｍから２０ｋｍの距離内に存在するものとしている。
まず、ＯＬＴ１０は、上り受信入力にレンジングウインドウと呼ばれるタイミングの窓を開く（ステップＳ６０１）。次に、ＯＬＴ１０は、宛先ＯＮＵを指定して距離測定パケットを送信する（ステップＳ６０２）。ＯＬＴ１０からの距離測定パケットを受け取ったＯＮＵ＃１（２０ａ）とＯＮＵ＃２（２０ｂ）とは、即座に距離測定パケットを返送する（ステップＳ６０３）。

ＯＮＵ＃１（２０ａ）、ＯＮＵ＃２（２０ｂ）から距離測定パケットを受信（ステップＳ６０４）したＯＬＴ１０は、その往復に要した時間からＯＮＵ＃１（２０ａ）、ＯＮＵ＃２（２０ｂ）の距離を推定して記憶するとともに、ＯＮＵ＃１（２０ａ）、ＯＮＵ＃２（２０ｂ）に対して送信開始タイミングを指定して送信許可信号を付与する（ステップＳ６０５）。
これを受けたＯＮＵ＃１（２０ａ）、ＯＮＵ＃２（２０ｂ）は、自局に割り当てられた送信開始タイミングでイーサネットフレームの送信を行う。（ステップＳ６０６）

前記したレンジング処理により、各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃは、然るべきタイミングで上り送信を行うようになるため、イーサネットフレームの衝突を防ぐ仕組みとして機能する。ここで、タイミングに多少の揺らぎが含まれていてもガードタイム内に吸収され、システム的な悪影響は防げる仕組みになっている。
ＯＬＴ１０は、何らかの理由でＯＮＵ２０ａ〜２０ｃからの上り受信タイミングが許容範囲から逸脱していることを検出した場合、再度レンジング処理を起動し、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃの送信開始タイミングを再割り当てすることにより、常に伝送システム全体が適切に機能するよう管理している。

前記したレンジング処理により、ＧＥ−ＰＯＮ内部では、下りフレームに対する上りフレームの相対的な同期は常に維持されており、その精度は、十数ナノ秒の範囲に収まっている。しかしながら、従来、この機能はＧＥ−ＰＯＮの内部で閉じ、外部へは可変長のイーサネットフレームを伝送するためのインタフェースしか開放されていなかった。
これに対し、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃ側にバウンダリクロックやトランスペアレンシークロックと呼ばれる二次時計２００を設け、それをＯＬＴ１０側の非常に正確な一次時計１００に従属同期させることですべてのＯＮＵ２０ａ〜２０ｃを精密に時刻同期させることを可能にする。具体的には、ＯＬＴ１０からＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに対して同期パケットを送信すること、及び、それを受信したＯＮＵ２０ａ〜２０ｃが、予め通知されていた自局までの伝送遅延時間に応じた補正を加味した時刻合わせを行うことで実現する。

図３は、本実施形態に係る伝送制御信号生成装置の内部構成を示すブロック図であり、図１に示す光多重伝送システムのＯＬＴ１０に実装される。
図３に示されるように、ＯＬＴ１０に実装される伝送制御信号生成装置は、一次時計１００の他に、レンジング処理部１１と、同期メッセージ生成部１２と、メッセージバッファ１３と、伝送制御部１４とを備えて構成される。

レンジング処理部１１は、上記したレンジング処理を行うことで、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃとの間で個別の距離測定を行い、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃのそれぞれに対してデータ送信開始タイミングを通知する機能を有する。
同期メッセージ生成部１２は、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃのそれぞれに送信する伝送制御信号（同期メッセージ）の中に精密時刻情報を埋め込み、各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに配信する時刻同期タイミング生成手段として機能する。

なお、メッセージバッファ１３にはＯＮＵ２０ａ〜２０ｃのそれぞれに送信される同期メッセージが格納される。伝送制御部１４は、メッセージ送信タイミングを監視し、そのタイミング到来時、メッセージバッファ１３に格納された同期メッセージをＯＮＵ２０ａ〜２０ｃ送信する機能を持つ。

図４は、本実施形態に係る精密時刻同期装置の内部構成を示すブロック図であり、図１に示す光多重伝送システムのＯＮＵ２０ａ〜２０ｃのそれぞれに実装される。
図４に示されるように、精密時刻同期装置は、同期メッセージ受信部２１と、ヘッダ検出部２２と、フレーム抽出部２３と、時刻情報抽出部２４と、時刻同期制御部２５とを備えて構成される。

同期メッセージ受信部２１は、ＯＬＴ１０により送信される同期メッセージを受信してその同期メッセージをヘッダ検出部２２、及びフレーム抽出部２３に引き渡す。
ヘッダ検出部２２は、同期メッセージ受信部２１が受信した同期メッセージの中から時刻同期タイミング抽出用のＰＯＮヘッダを検出して時刻同期制御部２５に同期タイミングを設定する。フレーム抽出部２３は、データを抽出して不図示のルータ等、ＵＮＩ（User Network Interface）に転送する他、時刻情報抽出部２４に引き渡す。時刻情報抽出部２４は後述する同期メッセージの末尾１３バイトに含まれる時刻情報を抽出し、抽出された時刻情報を時刻同期制御部２５に設定する。

時刻同期制御部２５は、ＯＬＴ１０から伝送遅延時間と時刻同期タイミングとを含む伝送制御信号（同期メッセージ）を受信し、当該伝送制御信号の受信を契機に、ＯＬＴ１０から通知される精密時刻情報を先に受信した遅延時間で補正して時刻情報を較正する時刻較正手段として機能する。
このため、時刻同期制御部２５は、ＶｃＴｃＸＯ２５１（電圧制御温度補償水晶発振器）と、インターバルタイマ２５２と、時刻情報レジスタ２５３と、遅延時間情報レジスタ２５４と、時刻情報較正部２５５とを備えて構成される。
なおＶｃＴｃＸＯの代りにＤｃＴｃＸＯ（数値制御温度補償水晶発信器）を用いれば全てデジタル的な数値制御で完結できるため、装置の小型化に寄与するものである。

ＶｃＴｃＸＯ２５１（電圧制御温度補償水晶発振器）は、水晶の圧電効果を利用して高い周波数精度の発振を起こす際に使用され、アナログ電圧で振動周波数を制御可能な受動素子である。インターバルタイマ２５２は、ＶｃＴｃＸＯ２５１により生成される周波数を入力とし、ＯＬＴ１０により送信され、ヘッダ検出部２２により検出される同期タイミングにより補正されたクロックをカウントする。また、時刻情報レジスタ２５３、及び遅延時間情報レジスタ２５４は、ＯＬＴ１０により送信され、時刻情報抽出部２４により抽出された時刻情報、及び遅延時間情報のそれぞれを記憶する。

時刻情報較正部２５５は、インターバルタイマ２５２により出力されるクロック、時刻情報レジスタ２５３、遅延時間情報レジスタ２５４のそれぞれに設定される時刻、遅延時間情報から、通知される精密時刻情報を遅延時間で補正し、ＶｃＴｃＸＯ２５１の発振周波数の最適化制御を行う機能を有する。

図５は、図３に示す伝送制御信号生成装置の動作を示すフローチャートである。
以下、図５のフローチャートを参照しながら図３に示す伝送制御信号生成装置の動作について詳細に説明する。

図５において、ＯＬＴ１０（伝送制御信号生成装置を含む）のレンジング処理部１１は、レンジング処理の起動時に各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃとの距離測定を行う（ステップＳ５０１）。その手順は図２を用いて説明したとおりである。次に、伝送制御部１４は、レンジング処理部１１による距離測定の結果を基に個々のＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに対し、同期メッセージ３００を送信して伝送遅延時間を個別通知する（ステップＳ５０２）、このとき、個々のＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに対して伝送遅延時間を通知して送信開始時間を指定する、そして伝送制御部１４はすべてのＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに対し、同期メッセージ生成部１２により生成される精密な時刻同期タイミング、及びその絶対時刻情報を同報送信する（ステップＳ５０３）。このことにより、すべてのＯＮＵ２０ａ〜２０ｃは、時刻同期タイミングを抽出し、二次時計の補正を行う時刻同期機能を実現することが可能になる。

図６に同期メッセージ３００（同期パケットともいう）のデータフォーマットの一例が示されている。ここに示す同期メッセージ３００の基本的なビットストリームは、ＩＥＥＥ８０２．３ａｈで定義されているとおりであるが、データ領域における未使用部分の末尾１３バイトを用いることで上述した時刻同期機能を実現させている。
図６に示されるように、同期メッセージ３００は、ＩＰＧ（Inter Packet Gap）、８バイトのプリアンブル、６バイトのＤＡ（Destination Address）、６バイトのＳＡ（Source Address）、２バイトのＴｙｐｅ（タイプ）、２バイトのＯＣ（Operation Code）、４バイトのＴＳ（Time Stamp）、４０バイトのデータ、４バイトのＦＣＳ（Frame Check Sequence）により構成される。

ここでは、ＤＡからＦＣＳに至る６４バイトの固定長Ｍａｃフレームが示され、このうち、ＳＡは、ＯＬＴ１０のＭＡＣアドレス、ＯＣは、ＩＥＥＥ８０２．３ａｈで規定される固定値“０ｘ８８０８”となっている。また、ＴＳでは、各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃへの上り送信タイミングとデータ長が指定される。
特徴的には、未定義領域Ｐａｄを含むデータフレーム中、４０バイトのデータの後半１３バイトに割り付けられた同期情報（Ｓｙｎｃ）であり、１バイトのフラグと、８バイトの時刻情報と、４バイトの遅延時間情報とを含む。ここで、フラグは、タイミング情報が埋め込まれていることを示す標識であり同期メッセージの一連番号も含まれている。タイミング情報とは、時刻情報と遅延時間情報との双方をいう。

ＯＬＴ１０は、上記のように末尾１３バイトに同期情報（Ｓｙｎｃ）を埋め込んだ同期メッセージをＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに適当なタイミングで送信する。この適当なタイミングとは、第一に、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃの二次時計２００の偏差を許容範囲内に留める限界に対し十分な余裕を維持し得る限界時間（最長時間）の観点から導かれる。
具体的には、二次時計２００の時刻を刻む自律クロックの周波数偏差の度合いを考慮することになる。一般的なＶｃＴｃＸＯ２５１の場合、比較的安価な素子で１０のマイナス６乗程度の長期安定度（年間ドリフト量）を有しているため、所要の時刻同期精度に対する偏差がその１／１０程度を維持し得る間隔で同期を取り直すのが適当である。

なお、同期化のみならず、ＶｃＴｃＸＯ２５１の周波数最適化も行う場合、周囲温度や長期に亘るドリフト変動による偏差は最小化されるため短期的なドリフト成分だけが残ることになる。それにより、数秒、場合によって１分間程度は、自律クロックでの動作が期待できる。

第二に、ＧＥ−ＰＯＮにおける通信負荷の観点からの考察が必要である。網の通信負荷が重いときに必要以上の頻度で同期メッセージを送信することは本未転倒であり許されない。第三に、必要以上の頻度でＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに対して時刻同期を強いることは、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃ側に無用の処理負荷を与えることとなり、資源の最適配置の観点から好ましくない。

このような観点から時刻同期のための同期メッセージは、１秒〜数秒程度の間隔で送信するのが適当である。本発明の特徴として、可変長イーサネットフレームの合間を縫って非同期に送信することで全く問題無く機能する。
なお、同期メッセージは、本来ＧＥ−ＰＯＮのシステム管理用に用いられるものであり、その目的のために上記した以上の頻度で送信される場合が有り得る。その場合は、末尾１３バイトのフラグをＯＦＦしておけば、それはＩＥＥＥ８０２．３ａｈのままの同期メッセージであることを意味するため、時刻同期機能は無効になり、第三の観点についても満足するものである。

図７は、図４に示す本実施形態に係る精密時刻同期装置（ＯＮＵ２０に含まれる）の動作を示すフローチャートである。以下、図７のフローチャートを参照しながら図４に示す精密時刻同期装置の動作について詳細に説明する。

ＯＬＴ１０は、随時、レンジング処理により、各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃ迄の距離（遅延時間）を正確に把握している。ＯＬＴ１０は、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに対してＧａｔｅパケット（同期用パケット）を用いて下り遅延時間を通知し、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃはその遅延時間情報を記憶する。また、ＯＬＴ１０は、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃに対し、概ね１秒間隔程度の周期で図６に示す同期パケットを配信する。この同期パケットには上記したようにＯＬＴ１０側の正確な時刻情報が埋め込まれている。

例えば、ＯＮＵ２０ａが同期メッセージ受信部２１で同期パケット（同期メッセージ）を受信すると（ステップＳ７０１“Ｙｅｓ”）、その同期メッセージは、ヘッダ検出部２２、及びフレーム抽出部２３に引き渡される。
ヘッダ検出部２２は、同期メッセージ受信部２１が受信した同期メッセージの中から時刻同期タイミング抽出用のＰＯＮヘッダ（ＴＳ）を検出して時刻同期制御部２５のインターバルタイマ２５２に同期タイミングを設定する。フレーム抽出部２３は、同期メッセージの中からデータを抽出して時刻情報抽出部２４に引き渡す。時刻情報抽出部２４は、データの未定義部分に割り付けられた末尾１３バイトに含まれるタイミング情報（時刻同期タイミング）から時刻情報、及び遅延時間情報を抽出し、時刻同期制御部２５の時刻情報レジスタ２５３、遅延時間情報レジスタ２５４にそれぞれ設定する（ステップＳ７０２）。

続いて、ＯＮＵ２０ａは、時刻情報較正部２５５が、時刻同期タイミングの到来を契機に（ステップＳ７０３“Ｙｅｓ”）、時刻情報レジスタ２５３に設定された時刻情報から、遅延時間情報レジスタ２５４に設定された遅延時間情報の分だけ補正したものを、自身の新たな時刻として二次時計２００を補正する。時刻情報較正部２５５は、更に、自身の二次時計２００の偏差度合いを自律的に判定してＶｃＴｃＸＯ２５１を最適化する（ステップＳ７０４）。時刻情報較正部２５５は、例えば、インターバルタイマ２５２の前回値との差分を求め、カルマンフィルタ等による予測演算により発振周波数の最適化をはかることができる。

以上の処理を概略１秒間隔程度の周期で繰り返し実行することで、ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃ側の二次時計２００は、常にＯＬＴ１０側の正確な一次時計１００に同期している状態を維持し続ける。
すなわち、各ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃは、自局宛ての同期メッセージを受信して自局までの伝送時間を認識するとともに、他局宛も含む同期メッセージを受信して時刻同期のタイミング、およびその時刻情報を取得し、時刻同期制御部２５に設定する。そして、時刻同期制御部２５は、時刻同期タイミングの到来を契機に、その時刻情報を自局の伝送遅延時間情報で補正し、自己の時刻情報を補正するものである。

図８は、時刻同期制御部２５（時刻情報較正部２５５）の動作例を示すタイミング図である。ここでは、（ａ）ＯＬＴ１０と、（ｂ）ＯＮＵ２０ａと、（ｃ）ＯＮＵ２０ａが内蔵する時刻同期制御部２５のインターバルタイマ２５２の値との関係が示されている。

図８において、Ｔ１〜Ｔ３は、ＯＬＴ１０側の原子時計クラスの一次時計１００の時刻を示し、ｔｄは、ＯＬＴ１０とＯＮＵ２０ａ間の伝送遅延時間を示す。なお、この伝送遅延時間は、レンジング処理で決まる初期値であり、ＧＥ−ＰＯＮ運用中は基本的に普遍の値である。また、ｔｓは、ＯＬＴ１０、及びＯＮＵ２０ａ内部の処理遅れ時間の合計であり、ともにハードウエアロジック回路によるものであり、ＧＥ−ＰＯＮ製品仕様に依存して決まる固定値である。更に、Ｔ１ａ〜Ｔ３ａは、ＯＮＵ２０ａの二次時計２００の時刻を、ｔ１は、Ｔ１ａ→Ｔ２ａまでの時間間隔、ｔ２は、Ｔ２ａ→Ｔ３ａまでの時間間隔を示す。
ここで、時刻同期制御部２５による時刻修正は、以下の演算式で表現される。すなわち、Ｔ１ａ＝Ｔ０＋ｔ０＋（ｔｄ＋ｔｓ）、Ｔ２ａ＝Ｔ１＋ｔ１＋（ｔｄ＋ｔｓ）、Ｔ３ａ＝Ｔ２＋ｔ２＋（ｔｄ＋ｔｓ）、Ｔｎａ＝Ｔｎ−１＋ｔｎ＋（ｔｄ＋ｔｓ）である。
但し、Ｔ０とｔｏ（不図示）とは、Ｔ１とｔ１との１個前の時刻である。

時刻情報較正部２５５は、Ｔ１ａとＴ１とを比較して偏差値（±値）を抽出し、Ｔ２ａとＴ２とを比較して偏差値（±値）を抽出し、Ｔ３ａとＴ３とを比較して偏差値（±値）を抽出し、ＴｎａとＴｎとを比較して偏差値（±値）をそれぞれ抽出する。
そして、個々の同期メッセージから抽出した偏差値を二次時計２００の時刻修正やＶｃＴｃＸｏ２５１の発振周波数の較正に反映させる。但し、直ちに反映させると、時刻の刻みが不連続となり、周波数の較正が過渡になって収束しにくくなる懸念があることから、複数の同期メッセージから抽出した偏差値を用いて制御理論に基づく最適制御を行うことで精密時刻同期を実現することとしている。ここでいう制御理論については、例えば、（インターネットＵＲＬ）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｉｓｃｏ．ｃｏｍ／ｗｅｂ／ＪＰ／ｓｏｌｕｔｉｏｎ／ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ／ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ／ｐｄｆ／ｋｅｉｓｏ＿５．ｐｄｆに紹介されている。

なお、同期パケットは、網同期の概念に則れば精密には１秒間隔で配信されることが望ましく、それが毎正秒に同期していれば、なお好都合である。しかし、ＧＥ−ＰＯＮでは可変長のイーサネットフレームを扱うことから、その伝送を阻害して同期パケットを毎正秒毎に挿入することは不可能である。このような事情から同期パケットは概ね１秒間隔程度の周期で非同期に挿入するものとし、その時刻情報を含めて扱うことで擬似的に絶対時刻への同期を実現させている。

なお、ＯＬＴ１０側で生成する同期パケットの中に時刻情報を直接埋め込む方法の他に、同期パケットのフラグの部分に例えば０から２５５までの一連番号を付与するだけとし、別途、イーサネットフレームでやりとりされるＮＴＰ、あるいは、同期パケットの一連番号に紐付けされた独自の情報フレームを用いて時刻情報を伝える方法も考えられる。この場合、下位レイヤ通信処理の負荷軽減に役立つ効果がある。
時刻情報を同期パケットに埋め込む方法、別途ＮＴＰまたは情報フレームで伝播する方法の、何れにおいてもＯＬＴ１０側で同期パケットを生成している瞬間に正確な時刻情報を埋め込むことはハードウェア的にかなり高度な処理を必要とするため、例えば、一個前に送った同期パケットの時刻情報を埋め込んで送信することで実現性が増すことになる。

前記したように本発明の第１実施形態に係る光多重伝送システムによれば、例えば、図１に示されるように、親局装置（ＯＬＴ１０）と１以上の子局装置（ＯＮＵ２０ａ〜２０ｃ）とが双方向通信を行う光多重伝送システムであって、例えば、図３に示されるように、親局装置が、子局装置までの伝送に要する伝送遅延時間を通知して同期タイミングを与える伝送制御信号（同期パケット）を配信する時刻同期タイミング生成手段（同期メッセージ生成部１２）を備え、例えば、図４に示されるように、子局装置が、伝送制御信号の受信を契機に、親局装置から通知される精密時刻情報を遅延時間で補正して自身の時刻情報を較正する時刻較正手段（時刻同期制御部２５）、を備えることにより、ＧＰＳに依存することなく、１マイクロ秒以下の精度の精度時刻同期を実現でき、このことにより、ＧＰＳの利用が困難な室内や地下街等での小型基地局の普及を促進する効果が得えられる。また、地下変電所等での受配電系統の同期切り替えでも同様の効果を発揮する。

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態に係る光多重伝送システムのシステム構成の一例を示す図である。
ここでは、ＯＮＵ２０ａから、第１実施形態で説明した時刻同期制御部２５相当の精密時刻同期装置７０を介して携帯通信の基地局４０を絶対時刻に精密同期させる例を示している。ＯＮＵ２０ａの下にルータ５０と、スイッチ（ＳＷ）６０、基地局４０、及び精密時刻同期装置７０を配置することで、基地局は絶対時刻に合せて送信電波の周波数や送信タイミングその他の制御を行い、第１実施形態と同様の課題を解決するものである。

具体的に、基地局４０は、ＧＥ−ＰＯＮによるＭＡＮ（Metropolitan Area Network）経由で携帯通信網のＲＮＣ（無線ネットワーク制御局）に接続され、携帯通信の通話やデータ通信に係わるＩＰパケット等はルータ５０を介して転送される。
ここで、精密時刻同期装置７０の役割は、ＯＮＵ２０ａから出力される同期タイミング信号とその精密時刻情報を基に自身の内蔵時計７００を最適化し、その出力を基地局４０に与えるものである。

この場合、ＯＮＵ２０ａから出力される同期パケットのタイミング信号は非同期で構わない。個々のタイミング信号に対する時刻情報が精密に紐付けされていれば、それらを受信した精密時刻同期装置７０が自己の時計を絶対時刻に精密に同期させ得るからである。
なお、ここでは説明の理解を得るために精密時刻同期装置７０を、ＯＮＵ２０ａとは別体として示しているが、実際には実施例１で示されるように、ＯＮＵ２０ａや、ルータ５０、あるいは基地局４０の追加機能として一体化するのが適当である。これは、製品構成上の事柄でしかない。

精密時刻同期装置７０は、ＯＮＵ２０ａから受信したタイミング信号とその時刻情報から自身の内蔵時計７００の偏差を計算し、時刻情報に補正を施し、また、発振周波数の最適化制御を行う。この部分の動作は実施例１で説明済みであるため、重複を回避する意味でここでの説明は省略する。
目的が、精密時刻同期装置７０により、ＧＰＳと同様、１マイクロ秒以下の同期信号と時刻情報を与えることであるため、精密時刻同期装置７０から基地局４０へのインタフェースは一般的なＧＰＳ受信機からのものと同様とするのが適当である。何故なら、実際のシステム構築現場において、同期信号源としてＧＰＳ方式、あるいは精密時刻同期装置７０による方式の何れかを容易に選択することができ、利便性が高まるためである。

一般にＧＰＳ受信機から航法端末へのインタフェースは電気的なＰＰＳ信号とシリアル電文形式のＧＰＳ情報とされることが多い。ＰＰＳ信号とは、１秒周期の矩形波、乃至パルス信号である。ＯＮＵ２０ａと基地局４０とが隣接設置される場合を想定すると、その距離は長めに見積っても３ｍ以内であるため、ＰＰＳ信号の伝送遅延は０．０１マイクロ秒以内となり、目的とする時刻精度に対して十分である。ＧＰＳ情報はＮＭＥＡ（全米船舶電子機器協会）で定められたＮＭＥＡ０１８３フォーマットが用いられることが多く、緯度経度の他に秒単位の世界標準時刻が定義されている。

このことにより、精密時刻同期装置７０から基地局４０へのインタフェースもＰＰＳ信号とシリアル電文を伝える多対の信号線が適当である。電気的にはすべてＲＳ４２２等の差動信号線であることが望ましい。あるいは、ＯＮＵ２０ａと基地局４０との間にはイーサネットケーブル等が不可欠であるため、そこにＮＴＰ等の通常精度の時刻同期プロトコルを通す方式でも可能である。その場合は、同期のための信号線はＰＰＳ信号のみとなり、また、図中破線矢印で表記されているように、精密時刻同期装置７０に対する精密時刻情報はＳＷ６０経由で情報フレームにより出力される。

この精密時刻同期装置７０は、上記したＩＥＥＥ１５８８のバウンダリクロック機能７００を備えることで、ＬＡＮ内を精密時刻同期させる信号源として機能する。時刻同期装置７０が内蔵するマスタクロック機能７１については実施例３で詳述する。
上記した第２実施形態に係る光多重伝送システムにおいてもＧＰＳを使用することなく全ての基地局４０ａ〜４０ｃを時刻同期することが可能となる。なお、第１実施形態と同様に、同期信号源として、ＧＰＳ方式、あるいは本発明方式の何れかを容易に選択できるようにするため、精密時刻同期装置７０は、一般的なＧＰＳ受信機からのインタフェースも備えることが望ましいが、これはやはり製品構成上の事柄でしかない。

（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態に係る光多重伝送システムのシステム構成の一例を示す図である。
この例は、ＯＮＵ２０ａから精密時刻同期サーバ８０を介してオフィスビル等の室内に分散配置された数十台規模の基地局４０ａ〜４０ｃを絶対時刻に精密同期させる実施形態である。すなわち、ＯＮＵ２０ａの下に、ルータ５０と、スイッチ（ＳＷ）６０と、基地局群４０ａ〜４０ｃ、及び精密時刻同期サーバ８０を配置することで、すべての基地局４０ａ〜４０ｃは、絶対時刻に合わせて送信電波の周波数や送信タイミングその他の制御を行い、第１実施形態、及び第２実施形態と同様の課題を解決するものである。

第３実施形態では、ＬＡＮ内にＩＥＥＥ１５８８精密時刻同期プロトコルを適用しており、ネットワーク機器で帯域制限や優先制御を行ってＰＴＰ（Precision Timing Protocol）パケットのレイテンシを抑えている。
ＩＥＥＥ１５８８ＰＴＰは、ネットワーク上にある通信デバイスをマイクロ秒未満の精度で同期する方法について規定した標準規格であり、同プロトコルは、ローカルクロックとマスタクロックとの同期をとることで、トリガ、イベント、タイムスタンプのすべての通信デバイス上で確実に同じタイムベースを使用することを保証している。ここでは、「バウンダリクロック」と呼ばれる精度の高いＩＥＥＥ１５８８クロックが使用される。なお、「バウンダリクロック」の代替として、多段構成とした場合にバウンダリクロックより透過性の高い「トランスペアレンシークロック」を使用してもよい。

図１０において、すべての基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、ＧＥ−ＰＯＮによるＭＡＮ経由で携帯通信網のＲＮＣに接続され、携帯通信の通話やデータ通信に係わるＩＰパケット等は、ルータ５０を介してオフィスビル等の室内に敷設されたＬＡＮを経由して転送される。
精密時刻同期装置（精密時刻同期サーバでもある）８０の役割は、ＯＮＵ２０ａから出力されるタイミング信号とその精密時刻情報を基に自身の内蔵時計８００を最適化し、その出力をすべての基地局４０ａ〜４０ｃに与えるものである。ＯＮＵ２０ａから出力されるタイミング信号は、第１実施形態、及び第２実施形態同様、非同期のもので構わない。ここでは、理解を助けるために精密時刻同期装置（精密時刻同期サーバでもある）８０を別体としているが、実際には、ＯＮＵ２０ａやルータ５０の追加機能としてこれらと一体化するのが適当である。但し、別体とすることは、ＯＮＵ２０ａ側に新たなハードウェア資源の追加を要しない利点がある。このことは、既存のＯＮＵ２０ａに小改造を加えるだけで対応できることを意味し、ファームウェアの改版と信号線の追加程度でシステム的に大きな価値を追加することができる。これは新規システム或いは既存システムの改造に於ける製品構成上の事柄でしかない。

この精密時刻同期装置（精密時刻同期サーバでもある）８０は、上記したＩＥＥＥ１５８８のバウンダリクロック機能を備えることで、ＬＡＮ内を精密時刻同期させる信号源として機能する。上記した実施例３に係る光多重伝送システムにおいてもＧＰＳを使用することなくすべての基地局４０ａ〜４０ｃを時刻同期することが可能となる。
なお、第１実施形態と同様に、同期信号源として、ＧＰＳ方式、あるいは本発明方式の何れかを容易に選択できるようにするため、精密時刻同期装置（精密時刻同期サーバでもある）８０は、一般的なＧＰＳ受信機からのインタフェースも備えることが望ましいが、これはやはり製品構成上の事柄でしかない。

図１１に、応用例としての光多重伝送システムの構築例が示されている。図１１に示されるように、ＲＮＣ管理サーバ３０１を核とするＷＡＮ（Wide Area Network）等の基幹ネットワーク３０７に、複数の中継ノード３０２ａ〜３０２ｃを介してＧＥ−ＰＯＮ３０３ａ〜３０３ｃが構築される。ＧＥ−ＰＯＮ３０３には、屋外基地局３０６が接続されている。また、中継ノード３０２ｃには、ＧＥ−ＰＯＮ以外にＭＡＮ等のアクセス系ネットワーク３０４を介して実施例３で示した精密時刻同期サーバ８０が接続されており、ここで屋内小型基地局群３０５との間は１００Ｂａｓｅ−Ｔｘで接続されて通信が行われる。
このように、本発明の光多重伝送シテムは、オフィスビルや地下街に分散配置された基地局群に非常に適したシステムと成り得る。

以上説明したように、アクセス系に非同期式の高速光通信ネットワークを用いた事業用電気通信設備等が普及する中で、通信ノードの大部分を精密に時刻同期させる必要性が増していることがあり、また、安定な電力供給を維持するために、受配電網の系統切り替えを変電所間で精密に時刻同期させる必要性が増している中にあって、本発明の光多重伝送システムにより、事業所で運用される親局装置から電子時計に準じた精度の精密時刻情報を配信することで末端の子局装置を全て同期させることができ、ＧＰＳアンテナの設置が困難なオフィスビル等の室内に設置される小型基地局での精密時刻同期を実現できる。
なお、本発明の光多重伝送システムは、地下変電所での電力系統切り替え制御の精密時刻同期も実現できる。また、デジタル放送における簡易な中継装置をＳＦＮ（同一周波数ネットワーク）として構築する場合にも利用可能である。

本発明は非同期式の光多重伝送を用いて精密時刻同期を実現するものであり、電気通信分野や電力制御分野に類する監視制御システム全般に利用可能なものである。
アクセス系のＭＡＮにこの方式を適用し、事業所等の閉域内はＬＡＮ上でＩＥＥＥ１５８８精密同期を適用することで、システム全体での精密時刻同期を実現できる。

１０ ＯＬＴ （親局装置）
１１ レンジング処理部
１２ 同期メッセージ生成部
１３ メッセージバッファ
１４ 伝送制御部
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ ＯＮＵ（子局装置）
２１ 同期メッセージ受信部
２２ ヘッダ検出部
２３ フレーム抽出部
２４ 時刻情報抽出部
２５ 時刻同期制御部
８０ 精密時刻同期サーバ（精密時刻同期装置）
１００ 一次時計
２００ 二次時計
２５１ ＶｃＴｃＸＯ
２５２ インターバルタイマ
２５３ 時刻情報レジスタ
２５４ 遅延時間情報レジスタ
２５５ 時刻情報較正部
３００ 同期メッセージ（同期パケット）

Claims (17)

1. 親局装置と１以上の子局装置とが双方向通信を行う光多重伝送システムであって、
   前記親局装置は、
   前記子局装置までの伝送に要する伝送遅延時間を通知して同期タイミングを与える伝送制御信号を配信する時刻同期タイミング生成手段を備え、
   前記子局装置は、
   前記伝送制御信号の受信を契機に、前記親局装置から通知される精密時刻情報を前記伝送遅延時間で補正して自身の時刻情報を較正する時刻較正手段、
   を備えたことを特徴とする光多重伝送システム。
2. 前記親局装置は、
   前記時刻同期タイミング生成手段により、前記伝送制御信号の中に自身の精密時刻情報を埋め込み、前記子局装置に配信することを特徴とする請求項１に記載の光多重伝送システム。
3. 前記子局装置は、
   前記時刻較正手段により、自身が有する基準時計の時刻設定を前記伝送制御信号の受信を契機に較正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光多重伝送システム。
4. 前記子局装置は、
   前記時刻較正手段により、前記基準時計を構成する基準発振器の周波数を前記伝送遅延時間で補正して自身の時刻情報を較正することを特徴とする請求項１又は請求項３のいずれか１項に記載の光多重伝送システム。
5. 前記子局装置は、
   前記時刻較正手段により、前記親局装置が前記子局装置を管理するパケットを用いて前記伝送遅延時間を通知することを特徴とする請求項３、又は請求項４に記載の光多重伝送システム。
6. 親局装置との双方向通信に用いられる子局装置用の精密時刻同期装置であって、
   前記親局装置から伝送遅延時間と時刻同期タイミングとを含む伝送制御信号を受信し、前記伝送制御信号の受信を契機に、前記親局装置から通知される精密時刻情報を前記伝送遅延時間で補正して時刻情報を較正する時刻較正手段、
   を備えたことを特徴とする精密時刻同期装置。
7. 前記時刻較正手段は、
   装置内の基準時計の時刻設定を、前記伝送制御信号の受信を契機に較正することを特徴とする請求項６に記載の精密時刻同期装置。
8. 前記時刻較正手段は、
   前記基準時計を、バウンダリクロックとすることを特徴とする請求項７に記載の精密時刻同期装置。
9. 前記時刻較正手段は、
   前記基準時計を、トランスペアレンシークロックとすることを特徴とする請求項７に記載の精密時刻同期装置。
10. 前記時刻較正手段は、
    前記基準時計を構成する基準発振器の周波数を前記伝送遅延時間で補正して前記装置内の時刻情報を較正することを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の精密時刻同期装置。
11. 前記時刻較正手段は、
    前記親局装置がパケットにより前記遅延時間を通知することを特徴とする請求項６に記載の精密時刻同期装置。
12. １以上の子局装置との双方向通信に用いられる親局装置用の伝送制御信号生成装置であって、
    前記伝送制御信号の中に精密時刻情報を埋め込み、前記各子局装置に配信する時刻同期タイミング生成手段、
    を備えたことを特徴とする伝送制御信号生成装置。
13. 前記時刻同期タイミング生成手段は、
    前記伝送制御信号の直前の伝送制御信号に前記精密時刻情報を埋め込み配信することを特徴とする請求項１２に記載の伝送制御信号生成装置。
14. 親局装置と１以上の子局装置とが双方向通信を行う光多重伝送システムにおける伝送制御信号生成装置であって、
    前記親局装置と子局装置との間で交換される情報フレームの時刻同期プロトコルに従い前記子局装置に精密時刻情報を配信する時刻同期タイミング生成手段、
    を備えたことを特徴とする伝送制御信号生成装置。
15. 前記時刻同期タイミング生成手段は、
    ＮＴＰ時刻同期プロトコルに従い前記子局装置に精密時刻情報を配信することを特徴とする請求項１４に記載の伝送制御信号生成装置。
16. 前記時刻同期タイミング生成手段は、
    ＳＮＴＰ時刻同期プロトコルに従い前記子局装置に精密時刻情報を配信することを特徴とする請求項１４に記載の伝送制御信号生成装置。
17. 親局装置と１以上の子局装置とが双方向通信を行う光多重伝送システムにおける精密時刻同期方法であって、
    前記親局装置が、前記子局装置までの伝送に要する伝送遅延時間を通知して同期タイミングを与える伝送制御信号を配信するステップと、
    前記子局装置が、前記伝送制御信号の受信を契機に、前記親局装置から通知される精密時刻情報を前記遅延時間で補正して前記子局装置の時刻情報を較正するステップと、
    を有することを特徴とする光多重伝送システムにおける精密時刻同期方法。

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