JP2011135482A - 時刻同期システム、マスタノード、スレーブノード、中継装置、時刻同期方法及び時刻同期用プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】時刻同期システムであって、マスタノード又は中継装置は、スレーブノードからマスタノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第一遅延量を計測する第一遅延計測部と、第一遅延計測部によって計測された第一遅延量をスレーブノードに通知する通知部と、を備え、スレーブノード又は中継装置は、マスタノードからスレーブノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第二遅延量を計測する第二遅延計測部を備え、スレーブノードは、通知された第一遅延量と、第二遅延計測部によって計測された第二遅延量と、を用いて、スレーブノードにおける時刻とマスタノードにおける時刻との差分を計算し、スレーブノードの時刻をマスタノードの時刻に同期させる時刻同期制御部を備える。
【選択図】図4
Description
上記事情に鑑み、本発明は、導入に要するコストを抑え、高精度の時刻同期を実現する技術を提供することを目的とする。
まず、IEEE1588の時刻同期アルゴリズムについて説明する。図1は、IEEE1588の時刻同期アルゴリズムによる通信シーケンスを表すシーケンス図である。図1では、マスタノード100とスレーブノード200とが双方向通信を行っており、スレーブノード200が定期的にマスタノード100に時刻を同期させる。
スレーブノード200は、Sync送信時刻Tm(0)、Sync受信時刻Ts(0)に基づいて、以下の式1から、マスタノード100における時刻(以下、「マスタ時刻」という。)とスレーブノード200における時刻(以下、「スレーブ時刻」という。)との差分MS_Diffを算出する。
MS_Diff = Ts(0) - Tm(0) = MS_Delay + Offset ・・・式1
SM_Diff = Tm(1) - Ts(1) = SM_Delay - Offset ・・・式2
SM_Diff = Delay - Offset ・・・式4
式3及び式4の連立方程式を解くことによって、以下の式5が導出される。
Offset = (MS_Diff - SM_Diff) / 2 ・・・式5
次に、IEEE1588v2 w/TCの時刻同期アルゴリズムについて説明する。図2は、IEEE1588及びIEEE1588v2 w/TCの時刻同期アルゴリズムの概略を表す概略図である。図2Aは、IEEE1588の時刻同期アルゴリズムの概略を表す。図2Bは、IEEE1588v2 w/TC の時刻同期アルゴリズムの概略を表す。図2A及び図2BのD1〜D6は、それぞれ各中継ノードRe1〜Re3において発生する、矢印方向への伝送におけるキューイング遅延を表す。
MS_Diff = MS_P + MS_Q + Offset ・・・式6
SM_Diff = SM_P + SM_Q - Offset ・・・式7
MS_Diff = Propagation_Delay + MS_Q + Offset ・・・式8
SM_Diff = Propagation_Delay + SM_Q - Offset ・・・式9
Offset = {(MS_Diff - SM_Diff) - (MS_Q - SM_Q)} / 2 ・・・式10
図3は、第1実施形態における通信システム1のシステム構成図である。通信システム1は、マスタノード300、スレーブノード400(400a〜400c)、パケットネットワークPNを備える。以下、マスタノード300及びスレーブノード400の構成の詳細についてそれぞれ説明する。
図4は、マスタノード300の機能構成を表す機能ブロック図である。マスタノード300は、クロック生成部301、マスタクロック部302、パケット生成部303、パケット送信部304、パケット受信部305、遅延計測部306を備える。マスタノード300は、例えばバスで接続されたCPU(Central Processing Unit)、メモリ、補助記憶装置、通信インタフェース等を備え、時刻同期用プログラムを実行することによって上記各機能部を備える装置として構成されても良い。
SM_Q = P(i-1) - C(i,n) ・・・式11
遅延算出部504は、遅延量SM_Qを計算する毎に、パケット生成部303に遅延量SM_Qを通知する。
図7は、スレーブノード400の機能構成を表す機能ブロック図である。なお、スレーブノード400a〜400cは、いずれもスレーブノード400と同様の構成を備える。スレーブノード400は、パケット受信部401、PLL(Phase Locked Loop)部402、遅延計測部403、スレーブクロック部404、時刻同期制御部405、パケット送信部406を備える。スレーブノード400は、例えばバスで接続されたCPU、メモリ、補助記憶装置、通信インタフェース等を備え、時刻同期用プログラムを実行することによって上記各機能部を備える装置として構成されても良い。
PI制御器409は、平準化された差分信号が最終的にゼロとなるような制御信号を生成し、VCO410に出力する。
カウンタ411は、VCO410によって生成されたクロックを元にタイムスタンプを生成し、位相比較器407に転送する。
遅延計測部403は、パケットカウンタを備える。遅延計測部403は、パケットカウンタのカウンタ値の増減状況をモニタすることによって、到着するSyncメッセージの遅延量MS_Q(第二遅延量)を算出する。そして、遅延計測部403は、算出された遅延量MS_Qを時刻同期制御部405に通知する。なお、遅延量MS_Qは、上述したようにSyncメッセージがマスタノード300からスレーブノード400まで転送される間に受けたキューイング遅延の遅延量を表す。
パケット送信部406は、時刻同期制御部405から受信するDelay_Requestメッセージを、パケットネットワークPNを介してマスタノード300に対して送信する。
パケット解析部701は、パケット受信部401からSyncメッセージ、Follow_upメッセージ、Delay_Responseメッセージを受信する。パケット解析部701は、Syncメッセージを受信すると、スレーブクロック部404を参照し、Sync受信時刻Ts(0)を取得する。そして、パケット解析部701は、取得されたSync受信時刻Ts(0)をオフセット計算部703に通知する。
次に、第1実施形態における通信システム1の各装置の処理の流れについて説明する。通信システム1では、時刻同期のための処理として、マスタノード300によるマスタ第1処理、スレーブノード400によるスレーブ第1処理、マスタノード300によるマスタ第2処理、スレーブノード400によるスレーブ第2処理が、それぞれこの順で実行される。図10及び図12は、それぞれマスタノード300によるマスタ第1処理及びマスタ第2処理の流れを表すフローチャートである。図11及び図13は、それぞれスレーブノード400によるスレーブ第1処理及びスレーブ第2処理の流れを表すフローチャートである。スレーブノード400a〜400cは、それぞれ個別に図11及び図13に表されるスレーブ第1処理及びスレーブ第2処理を実行する。
MS_Diff = Ts(0) - Tm(0) ・・・式12
SM_Diff = Tm(1) - Ts(1) ・・・式13
Offset = {(MS_Diff - SM_Diff) - (MS_Q - SM_Q)} / 2 ・・・式14
MS_Diff = Propagation_Delay + MS_Q + Offset ・・・式15
また、時刻差SM_Diffと遅延量SM_Qとから以下のような式16が求められる。
SM_Diff = Propagation_Delay + SM_Q - Offset ・・・式16
式15及び式16から、上記の式14が求められる。なお、式15及び式16におけるpropagation_Delayは、マスタノード300とスレーブノード400との間の伝播遅延の遅延量を表す。
SM_Diff = Tm(1) - Ts(1) = 15 - 15 = 0
Offset = {(MS_Diff - SM_Diff) - (MS_Q - SM_Q)} / 2 = {(6 - 0) - (0 - 0)} / 2 = 3
SM_Diff = Tm(1) - Ts(1) = 19 - 17 = 2
Offset = {(MS_Diff - SM_Diff) - (MS_Q - SM_Q)} / 2 = {(9 - 2) - (2 - 3)} / 2 = 4
遅延計測部306は、パケットカウンタ501に代えてパケットバッファを用いて構成されても良い。パケットバッファは、パケット受信部401からDelay_Requestメッセージのパケットを受信すると、受信されたパケットをバッファに蓄積する。また、パケットバッファは、クロック生成部301で決定される周波数に従って、蓄積しているパケットを出力する。図17は、パケットバッファを用いて構成された場合の、遅延計測部306の処理の概略を表す図である。図17において、縦軸はバッファへの蓄積量を表し、下から上へ向けて高い蓄積量を表す。横軸は時間を表し、左から右へ向けて進行する。縦に伸びる等間隔に並んだ複数の破線は、キューイング遅延が発生しない場合にDelay_Requestメッセージのパケットが受信されるタイミングを表す。上方向を指す矢印は、Delay_Requestメッセージのパケットが実際に受信されたタイミングを表す。パケットバッファは、Delay_Requestメッセージのパケットが受信されると、受信されたビット数分だけ蓄積量が増加する。縦に伸びる破線と上方向の矢印とが時間軸で一致している場合、すなわちキューイング遅延が発生せずにDelay_Requestメッセージのパケットが受信されている場合は、読み出されたタイミング(蓄積量が減るタイミング)から新たに受信されるタイミング(蓄積量が増えるタイミング)との間の時間幅は最小Tminとなる。一方、キューイング遅延が発生している場合には、上記の時間幅はTminよりも大きい値となる。このとき、最小値Tminと時間幅との差分が、発生しているキューイング遅延の遅延量と等価となる。
通信システム1の第1実施形態では、マスタノード300が遅延量SM_Qを計測しDelay_Responseメッセージに格納してスレーブノード400へ送信する。しかしながら、IEEE1588の標準では、Delay_Responseメッセージ内にDelay受信時刻Tm(1)を格納するためのフィールドはあるものの、遅延量SM_Qを格納するためのフィールドはない。そのため、第1実施形態では、Delay_Responseメッセージの標準フォーマットを変更する必要が生じる。そこで、通信システム1の第2実施形態は、Delay_Responseメッセージの標準フォーマットを変更することなく、時刻同期処理を実現することを可能とする。以下、通信システム1の第2実施形態について、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
図18は、第2実施形態におけるマスタノード300の機能構成を表す機能ブロック図である。第2実施形態におけるマスタノード300は、パケット生成部303に代えてパケット生成部303aを備える点で第1実施形態におけるマスタノード300と異なり、その他の構成は同じである。
図19は、第2実施形態におけるスレーブノード400の機能構成を表す機能ブロック図である。第2実施形態におけるスレーブノード400は、時刻同期制御部405に代えて時刻同期制御部405aを備える点で第1実施形態におけるスレーブノード400と異なり、その他の構成は同じである。
次に、第2実施形態における通信システム1の各装置の処理の流れについて説明する。ただし、マスタ第1処理及びスレーブ第1処理は、それぞれ第1実施形態における処理(図10及び図11)と同じであるため説明を省略する。
Tm(2) = Tm(1) - SM_Q ・・・式17
SM_Diff2 = Tm(2)- Ts(1) ・・・式17
Offset = {(MS_Diff - SM_Diff2) - MS_Q} / 2 ・・・式18
MS_Diff = Propagation_Delay + MS_Q + Offset ・・・式19
また、補正時刻差SM_Diff2から以下のような式20が求められる。
SM_Diff2 = Propagation_Delay - Offset ・・・式20
式19及び式20から、上記の式18が求められる。なお、式19及び式20におけるpropagation_Delayも、上記のものと同様に、マスタノード300とスレーブノード400との間の伝播遅延の遅延量を表す。
Tm(2)= Tm(1) - SM_Q = 19 - 3 = 16
MS_Diff = Ts(0) - Tm(0) = 13 - 4 = 9
SM_Diff2 = Tm(2) - Ts(1) = 16 - 17 = -1
Offset = {(MS_Diff - SM_Diff2) - MS_Q} / 2 = {(9 - (- 1)) - 2} / 2 = 4
上述した第1実施形態及び第2実施形態では、マスタノード300及びスレーブノード400が遅延量MS_Q及びSM_Qの計測を行なうことによって、既存の中継ノードのままで、マスタ/スレーブ間の双方向の遅延の非対称性を考慮した高精度の時刻同期を実現した。これに対し、第3実施形態では、マスタノード300及びスレーブノード400それぞれの前段に各遅延量を計測するノード(以下、「エミュレーションノード」という。)を配置することによって、全ての中継ノードを置き換えることなく、IEEE1588v2 w/TCを実現する。
図25は第3実施形態におけるマスタノード300の機能構成を表す機能ブロック図である。第3実施形態におけるマスタノード300は、IEEE1588v2 w/TCに基づいて動作する。具体的には、第3実施形態におけるマスタノード300は、パケット生成部303に代えてパケット生成部303bを備える点、遅延計測部306を備えない点で、第1実施形態におけるマスタノード300と異なり、その他の構成は同じである。
図26は、第3実施形態におけるスレーブノード400の機能構成を表す機能ブロック図である。第3実施形態におけるスレーブノード400は、IEEE1588v2 w/TCに基づいて動作する。具体的には、第3実施形態におけるスレーブノード400は、時刻同期制御部405に代えて時刻同期制御部405bを備える点、遅延計測部403を備えない点で第1実施形態におけるスレーブノード400と異なり、その他の構成は同じである。
図28は、第3実施形態におけるエミュレーションノード800の機能構成を表す機能ブロック図である。エミュレーションノード800は、パケット受信部801と、PLL部402と、遅延計測部803と、クロック部804と、TC処理部805と、パケット送信部806とから構成される。PLL部402は、第1実施形態におけるスレーブノード400が備えるPLL部402と同じ構成である。クロック部804は、第1実施形態におけるスレーブクロック部404と同じ構成である。なお、エミュレーションノード800は、例えばバスで接続されたCPU、メモリ、補助記憶装置、通信インタフェース等を備え、時刻同期用プログラムを実行することによって上記各機能部を備える装置として構成されても良い。
次に、第3実施形態における通信システム1の各装置の処理の流れについて説明する。ただし、マスタ第1処理は、第1実施形態における処理(図10)と同じであるため説明を省略する。
MS_Diff = (Ts(0) - CF_MS) - Tm(0) ・・・式21
SM_Diff = (Tm(1) - CF_SM) - Ts(1) ・・・式22
={(Ts(0) - CF_MS) - Tm(0) - ((Tm(1) - CF_SM) - Ts(1))} / 2
={Ts(0) - CF_MS - Tm(0) - Tm(1) + CF_SM + Ts(1)} / 2 ・・・式23
MS_Diff = Propagation_Delay + Offset ・・・式24
また、時刻差SM_Diffは以下のような式25により表される。
SM_Diff = Propagation_Delay - Offset ・・・式25
そして、式24及び式25から、上記の式23が求められる。式24及び式25におけるpropagation_Delayは、マスタノード300とスレーブノード400との間の伝播遅延の遅延量を表す。
MS_Diff = (Ts(0) - CF_MS) - Tm(0) = (13 - 2) - 4 = 7
SM_Diff = (Tm(1) - CF_SM) - Ts(1) = (19 - 3) - 17 = -1
Offset = (MS_Diff - SM_Diff) / 2 = (7 - ( -1)) / 2 = 4
Claims (10)
- 互いに通信するマスタノード及びスレーブノードと、前記マスタノード及びスレーブノード間の通信を中継する中継装置とを備え、スレーブノードにおける時刻をマスタノードにおける時刻に同期させる時刻同期システムであって、
前記マスタノードは、
前記スレーブノードに対し制御メッセージを送信する送信部と、
前記スレーブノードから制御メッセージを受信する受信部と、
を備え、
前記マスタノード又は前記中継装置は、
前記スレーブノードから前記マスタノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第一遅延量を計測する第一遅延計測部と、
前記第一遅延計測部によって計測された前記第一遅延量を前記スレーブノードに通知する通知部と、
を備え、
前記スレーブノード又は前記中継装置は、
前記マスタノードから前記スレーブノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第二遅延量を計測する第二遅延計測部、
を備え、
前記スレーブノードは、
前記マスタノードに対し制御メッセージを送信する送信部と、
前記マスタノードから前記制御メッセージを受信する受信部と、
前記マスタノードから通知された前記第一遅延量と、前記第二遅延計測部によって計測された前記第二遅延量とを用いて、前記スレーブノードにおける時刻と前記マスタノードにおける時刻との差分を計算し、前記スレーブノードにおける時刻を前記マスタノードにおける時刻に同期させる時刻同期制御部と、
を備えることを特徴とする時刻同期システム。 - 前記第一遅延計測部又は前記第二遅延計測部は、自装置において受信された前記制御メッセージのパケットの量と、定期的に読み出されるパケットの量とに基づいて、前記第一遅延量又は前記第二遅延量を計測することを特徴とする請求項1に記載の時刻同期システム。
- 前記第一遅延計測部又は前記第二遅延計測部は、自装置において受信された前記制御メッセージを蓄積するバッファを備え、前記制御メッセージが前記バッファに蓄積されたタイミングと、前記バッファから前記制御メッセージが定期的に読み出されるタイミングとに基づいて、前記第一遅延量又は前記第二遅延量を計測することを特徴とする請求項1に記載の時刻同期システム。
- 前記マスタノードの前記通知部は、前記制御メッセージが前記マスタノードにおいて受信された時刻を表す受信時刻から前記第一遅延量を減算した結果を表す補正時刻を算出し、前記制御メッセージに予め設けられている前記受信時刻を格納するためのフィールドに前記補正時刻を格納することによって通知を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の時刻同期システム。
- マスタノードと通信し、前記マスタノードに対し制御メッセージを送信する送信部と、前記マスタノードから制御メッセージを受信する受信部と、前記マスタノードから送信される前記制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第二遅延量を計測する第二遅延計測部と、前記マスタノードから通知される前記第一遅延量と、前記第二遅延計測部によって計測された前記第二遅延量とを用いて、時刻を前記マスタノードにおける時刻に同期させる時刻同期制御部と、を備えるスレーブノードを有する時刻同期システムに具備されるマスタノードであって、
前記スレーブノードに対し制御メッセージを送信する送信部と、
前記スレーブノードから制御メッセージを受信する受信部と、
前記スレーブノードから前記マスタノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第一遅延量を計測する第一遅延計測部と、
前記第一遅延計測部によって計測された前記第一遅延量を前記スレーブノードに通知する通知部と、
を備えること特徴とするマスタノード。 - スレーブノードと通信し、前記スレーブノードに対し制御メッセージを送信する送信部と、前記スレーブノードから制御メッセージを受信する受信部と、前記スレーブノードから送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第一遅延量を計測する第一遅延計測部と、前記第一遅延計測部によって計測された前記第一遅延量を通知する通知部と、を備えるマスタノードを有する時刻同期システムに具備されるスレーブノードであって、
前記マスタノードに対し制御メッセージを送信する送信部と、
前記マスタノードから前記制御メッセージを受信する受信部と、
前記マスタノードから前記スレーブノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第二遅延量を計測する第二遅延計測部と、
前記マスタノードから通知された前記第一遅延量と、自装置の前記第二遅延計測部によって計測された前記第二遅延量とを用いて、前記スレーブノードにおける時刻と前記マスタノードにおける時刻との差分を計算し、前記スレーブノードにおける時刻を前記マスタノードにおける時刻に同期させる時刻同期制御部と、
を備えることを特徴とするスレーブノード。 - マスタノードと、時刻を前記マスタノードの時刻に同期させるスレーブノードと、の間の通信を中継する中継装置であって、
前記スレーブノードから前記マスタノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第一遅延量を計測する第一遅延計測部と、
前記マスタノードから前記スレーブノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第二遅延量を計測し、前記第一遅延量と、計測された前記第二遅延量とを用いて、前記スレーブノードにおける時刻と前記マスタノードにおける時刻との差分を計算し、前記スレーブノードにおける時刻を前記マスタノードにおける時刻に同期させる前記スレーブノードに対し、前記第一遅延計測部によって計測された前記第一遅延量を通知する通知部と、
を備える中継装置。 - マスタノードと、時刻を前記マスタノードの時刻に同期させるスレーブノードと、の間の通信を中継する中継装置であって、
前記マスタノードから前記スレーブノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第二遅延量を計測する第二遅延計測部と、
前記スレーブノードから前記マスタノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第一遅延量と、前記第二遅延量とを用いて、前記スレーブノードにおける時刻と前記マスタノードにおける時刻との差分を計算し、前記スレーブノードにおける時刻を前記マスタノードにおける時刻に同期させる前記スレーブノードに対し、前記第二遅延計測部によって計測された前記第二遅延量を通知する通知部と、
を備える中継装置。 - 互いに通信するマスタノード及びスレーブノードと、前記マスタノード及びスレーブノード間の通信を中継する中継装置とを備え、スレーブノードにおける時刻をマスタノードにおける時刻に同期させる時刻同期システムが行う時刻同期方法であって、
前記マスタノードが、前記スレーブノードに対し制御メッセージを送信する送信ステップと、
前記マスタノードが、前記スレーブノードから制御メッセージを受信する受信ステップと、
前記マスタノード又は前記中継装置が、前記スレーブノードから前記マスタノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第一遅延量を計測する第一遅延計測ステップと、
前記マスタノード又は前記中継装置が、前記第一遅延計測ステップによって計測された前記第一遅延量を前記スレーブノードに通知する通知ステップと、
前記スレーブノードが、前記マスタノードに対し制御メッセージを送信する送信ステップと、
前記スレーブノードが、前記マスタノードから前記制御メッセージを受信する受信ステップと、
前記スレーブノード又は前記中継装置が、前記マスタノードから前記スレーブノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第二遅延量を計測する第二遅延計測ステップと、
前記スレーブノードが、前記マスタノードから通知された前記第一遅延量と、前記第二遅延計測ステップによって計測された前記第二遅延量とを用いて、前記スレーブノードにおける時刻と前記マスタノードにおける時刻との差分を計算し、前記スレーブノードにおける時刻を前記マスタノードにおける時刻に同期させる時刻同期制御ステップと、
を備えることを特徴とする時刻同期方法。 - 互いに通信するマスタノード及びスレーブノードと、前記マスタノード及びスレーブノード間の通信を中継する中継装置とを備え、スレーブノードにおける時刻をマスタノードにおける時刻に同期させる時刻同期システムとして、前記マスタノードに相当する第一のコンピュータ、前記スレーブノードに相当する第二のコンピュータ、及び前記中継装置に相当する第三のコンピュータを動作させるための時刻同期用プログラムであって、
前記第一のコンピュータに対し、
前記スレーブノードに対し制御メッセージを送信する送信ステップと、
前記スレーブノードから制御メッセージを受信する受信ステップと、
を実行させ、
前記第一のコンピュータ又は前記第三のコンピュータに対し、
前記スレーブノードから前記マスタノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第一遅延量を計測する第一遅延計測ステップと、
前記第一遅延計測ステップによって計測された前記第一遅延量を前記スレーブノードに通知する通知ステップと、
を実行させ、
前記第二のコンピュータ又は前記第三のコンピュータに対し、
前記マスタノードから前記スレーブノードへ送信される制御メッセージが通信経路において受けたキューイング遅延を表す第二遅延量を計測する第二遅延計測ステップ、
を実行させ、
前記第二のコンピュータに対し、
前記マスタノードに対し制御メッセージを送信する送信ステップと、
前記マスタノードから前記制御メッセージを受信する受信ステップと、
前記マスタノードから通知された前記第一遅延量と、前記第二遅延計測ステップによって計測された前記第二遅延量とを用いて、前記スレーブノードにおける時刻と前記マスタノードにおける時刻との差分を計算し、前記スレーブノードにおける時刻を前記マスタノードにおける時刻に同期させる時刻同期制御ステップと、
を実行させることを特徴とする時刻同期用プログラム。
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