JP2013118502A

JP2013118502A - 時刻同期装置、無線端末および時刻同期システム

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Publication number: JP2013118502A
Application number: JP2011264943A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Hirai; 博昭平井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: JP5930685B2

Abstract

【課題】高精度な時刻同期を簡易な構成で実現可能な時刻同期装置を得ること。
【解決手段】本発明にかかる時刻同期装置は、上位装置が管理している時刻を示す時刻情報を受信した場合に、時刻情報である第１の時刻情報および第１の時刻情報を受信した時刻を示す第２の時刻情報からジッタやパケットロスによる影響を除去し、上位装置の内部クロックと自装置の内部クロックの周波数ずれを推定し、推定結果を用いて内部時刻を補正して基準時刻に同期させる手段と、内部時刻を示す内部時刻情報を他の時刻同期装置へ配信する手段と、を備え、第１の時刻情報を所定時間にわたって取得できない場合、過去に推定した周波数ずれの値を用いて内部時刻の補正を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、システムの時刻マスターとなる装置がネットワークを介して時刻同期を行い、無線通信を介した中継によりシステム全体の時刻同期を取る時刻同期装置に関する。

分散配置による無線センサーネットワークを活用し、地震や火山活動の環境モニタリングに使用される事例が報告されている。この無線センサーネットワークでは時刻精度として１ｍｓ程度が必要とされている（例えば、非特許文献１参照）。

また、近年、デジタルサイネージの市場が急速に拡大しており、低価格化とディスプレイの大型化を実現するために、安価なディスプレイを複数枚組み合わせる手法が取られてきている。視認によるずれを検知させないためには、誤差が１０ｍｓ程度以下の時刻同期が必要とされている。

高精度に時刻同期を行う方法としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）電波を利用したものが知られており、広く実用化されている。また、特許文献１には、ＮＴＰ（Network Time Protocol）サーバーと接続されたゲートウェイが時刻情報を無線の中継機能を利用し、低コストでネットワーク全体の時刻更新を行う方法が示されている。

ＮＴＰサーバーを利用するシステムについて説明する。このシステムは、広域ネットワーク等を介してＮＴＰサーバーに接続され、無線時刻マスターとして動作するＮＴＰクライアントと、無線時刻スレーブとして動作する複数の無線端末とを含んでいるものとする。また、ＮＴＰクライアントと無線端末は、ＮＴＰクライアントを頂点としたツリー型のネットワークを形成しているものとする。この場合、ＮＴＰクライアントが時刻のマスターとなり、無線通信を介して、各無線端末に時刻を配信する事を行う。ＮＴＰクライアントとしては汎用のＰＣ、または代替するものでよく、ネットワークを通じてＮＴＰサーバーと時刻調整を行っているものとする。例えば、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ＸＰでは、インターネット時刻サーバーを使用して、１週間に１度時刻の調整を自動的に行うことができる。各無線端末がツリー状に接続された無線区間における時刻配信の仕組みとしては、無線センサーネットワークにおける時刻同期を取るプロトコルとして知られているＦＴＳＰ（Flooding Time Synchronization Protocol）のようなものが用いられているものを仮定する（非特許文献２参照）。

非特許文献２に記載された時刻同期の仕組みとしては、まず、無線時刻マスターが定期的に自分の時刻を配信し、配信された時刻情報を受信した無線端末は自身が管理している時刻を無線時刻マスターの時刻に合わせるとともに、無線時刻マスターと同様に時刻を配信する。

特許文献１においては、無線通信による不到達を避けるために、時刻情報の配信を一定期間（たとえば、数日）受ける事が出来ない端末（ユニット電力計）は、個別に時刻情報の配信を要求し、場合によっては通信経路を切り替える事により、無線時刻マスター（ＮＴＰサーバーと接続したゲートウェイ）の持つ時刻と同期させる。

特開２００９−１８８９２９号公報

鈴木他："無線センサーネットワークにおける時刻同期技術の研究動向"森川研究室技術研究報告書 No.2008001, Apr.2008. M.Maroti, et al:"The Flooding Time Synchronization Protocol" Proceedings of the 2nd ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys’04), Baltimore, Maryland (2004).

ＧＰＳ電波を利用した時刻同期システムは高コストであり、また屋内においてはＧＰＳの電波を利用出来ない問題がある。一方、特許文献１に記載の技術は、数秒から数十秒程度の誤差が含まれても構わない用途を想定しており、ＮＴＰの時刻とびや、無線の伝搬エラー、中継にかかる遅延などが考慮されていない。すなわち、簡易に実現が出来、低コストではある反面、高精度な時刻同期を必要とする用途には適用出来ないという問題がある。例えば、各装置（無線時刻スレーブ）が持つクロック源が例えば、１００ｐｐｍの周波数偏差を持つ場合、ある時刻にて時刻同期を取った場合であっても、２４時間後には、８．６秒のずれとなり、１０ｍｓの精度を満足することができない。また、想定するシステム構成における無線時刻マスターはＮＴＰサーバーなどに同期して、１日または１週間に１度時刻を補正する事を想定するため、その補正の際に数秒から数十秒程度の時刻跳びが生じ、中継で時刻を伝える場合には、補正する時刻のムラが生じる問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、無線センサーネットワークやデジタルサイネージ分野で要求される高精度な時刻同期を簡易な構成で実現可能な時刻同期装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基準時刻を管理する第１の装置と、管理している内部時刻を前記基準時刻に同期させて動作する複数の第２の装置とを備え、第１の装置と第２の装置、および第２の装置同士は無線により接続されている時刻同期システムの各第２の装置において、内部時刻を前記基準時刻に同期させる処理を行う時刻同期装置であって、前記第１の装置または上位の他の第２の装置である上位装置から、当該上位装置が管理している時刻を示す時刻情報を受信した場合に、当該時刻情報である第１の時刻情報および当該第１の時刻情報を受信した時刻を示す第２の時刻情報からジッタやパケットロスによる影響を除去し、影響を除去した後の第１の時刻情報および第２の時刻情報に基づいて、前記上位装置の内部クロックと自装置の内部クロックの周波数ずれを推定し、推定結果を用いて内部時刻を補正して前記基準時刻に同期させる内部時刻補正手段と、前記内部時刻補正手段が補正を実施した後の内部時刻を示す内部時刻情報を下位の他の時刻同期装置へ配信する時刻情報配信手段と、を備え、前記内部時刻補正手段は、前記第１の時刻情報を所定時間にわたって取得できない場合、過去に推定した周波数ずれの値を用いて内部時刻の補正を行うことを特徴とする。

本発明によれば、高精度な時刻同期を簡易な構成で実現することができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる時刻同期装置を含む時刻同期システムの構成例を示す図である。図２は、無線端末がＮＴＰクライアントに同期する処理のイメージを示す図である。図３は、時刻同期装置の一例を示す図である。図４は、ＮＴＰクライアントと無線端末との間の時刻同期制御動作の概要を示す図である。図５は、ＮＴＰクライアントとＮＴＰサーバーの時刻同期動作のイメージを示す図である。図６は、ＮＴＰサーバーが管理している時刻とＮＴＰクライアントが配信する内部時刻の関係の一例を示す図である。図７は、ＮＴＰサーバーが管理している時刻とＮＴＰクライアントが配信する内部時刻の関係の一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる時刻同期装置、無線端末および時刻同期システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（時刻同期システムの概要）
図１は、本発明にかかる時刻同期装置を含む時刻同期システムの構成例を示す図である。この時刻同期システムは、広域ネットワークを介してＮＴＰサーバー１に接続されたＮＴＰクライアント２と、ＮＴＰクライアント２を頂点としたツリー型のネットワークを形成する無線端末３〜１４とを備えている。ＮＴＰクライアント２が無線時刻マスターとして動作し、無線端末３〜１４が無線時刻スレーブとして動作する。ＮＴＰクライアント２と無線端末、および無線端末同士は無線接続されている。無線端末は時刻同期装置を備えている。

無線時刻マスター（ＮＴＰクライアント）は、自身が管理している時刻（基準時刻）を無線通信機能により配信し、無線時刻マスターに近いスレーブ（無線端末である無線時刻スレーブ）から順に、無線時刻マスターの時計に合わせる動作を行う。ここで、全てのスレーブは、十分な時定数を持ったフィルターを通す事で、無線によるフレーム誤りやジッタによる影響を排除する。

また、各スレーブは、無線時刻マスターとのクロック周波数のずれを推定して内部で補正する事により、無線環境の劣化により一定期間時刻同期用のフレームが受信出来ない場合においても無線時刻マスターの持つ時刻に同期した状態を維持する。

また、無線時刻マスターは、ＮＴＰサーバーとネットワークを介して時刻同期を行う事により、長期的で安価な運用を可能にする。無線時刻マスターは、スレーブが前記構成を取っている事を考慮して、ＮＴＰサーバーから得た時刻が直前までに保持している値から時刻跳びをしている場合に、十分な時定数を持ったフィルターを通して平滑化された時刻を配信する。この構成により、無線によるエラーや、ジッタ、中継による遅延が起きる環境においても、システム全体を高精度に時刻同期させる事ができる。

また、無線時刻マスターは、ＮＴＰサーバーとの時刻同期により時刻跳びをする場合に、十分な時定数を持ったフィルターを通して平滑化された時刻を配信する手段に代え、全てのスレーブに対して、事前に時刻跳びの通知を行う。一方、全てのスレーブでは、時刻管理を２面管理し、時刻跳びが生じる前後で、独立して動作を行い、時刻跳び後に十分時間が経過した後、またはマスターからの通知により、時刻跳び後の時刻に合わせる事により、無線によるエラーや、ジッタ、中継による遅延が起きる環境においても、システム全体を高精度に時刻同期させる事ができる。

以上のような構成とすることにより、簡易に実現が出来、かつ、高精度な時刻同期を提供可能な時刻同期システムを実現できる。

実施の形態１．
次に、実施の形態１について説明する。なお、時刻同期システムの構成は図１に示したものとする。

本実施の形態の時刻同期システムにおいて、ＮＴＰサーバー１は、無線時刻マスター（であるＮＴＰクライアント２に対して時刻情報を配信する。ＮＴＰクライアント２は、広域ネットワークを通じてＮＴＰサーバー１から配信されてくる時刻情報に基づいて一定周期で時刻同期を行うと共に、無線時刻スレーブである無線端末３〜１４に対して自身が管理している時刻を示す時刻情報を配信する。無線端末３〜１４は、ＮＴＰクライアント２と直接通信が可能な場合は、ＮＴＰクライアント２の時刻に同期を行うとともに、ＮＴＰクライアント２から配信された時刻情報を他の無線端末（ＮＴＰクライアントと直接通信ができない無線端末）へ中継する。無線端末３〜１４は、ＮＴＰクライアント２と直接通信が出来ない場合は、他の無線端末によって中継された時刻に同期を行う事により、ＮＴＰクライアント２の時刻に同期を行う。また、必要に応じて時刻情報を他の無線端末へ中継する。

本実施の形態における、無線端末３〜１４の時刻同期処理を以下に示す。図２は、無線端末３（スレーブ）がＮＴＰクライアント２（マスター）に同期する処理のイメージを示す図である。図２では、横軸が無線端末３の内部で管理している時間を示しており、縦軸にフレーム内に記載されたＮＴＰクライアント２の内部時刻を示している。●は、ＮＴＰクライアント２から得られた時刻情報の入ったフレームを表している。

ここで、ＮＴＰクライアント２と無線端末３の持つ内部クロック周波数が等しい場合には、管理している時刻と到来する時刻が常に等しいため、４５度の方向（矢印１００）を示す。また、○は、無線誤りにより時刻情報の入ったフレームを受信出来ない場合を示している。●や○が直線２００上に乗らないのは通信処理等のジッタを表している。

無線端末３における処理として適切な方法は、多数のデータから矢印２００を推定して補正する事にあり、矢印１００と矢印２００の傾きの違いが、ＮＴＰクライアント２と無線端末３の持つ内部クロック周波数の違いを意味している。

図３は、無線端末３が図２に示した矢印２００（ＮＴＰクライアント２が有しているクロックと自身が有している内部クロックの周波数の違い、以下、周波数偏差とする）を求めるための機能ブロック構成である時刻同期装置の一例を示す図である。図示したように無線端末３は、ＮＴＰクライアント２との間の周波数偏差を求める時刻同期装置として、復調・復号処理部３１と、アドレス処理部３２、受信時刻生成部３３、時刻情報抽出部３４、送信者フィルター３５、雑音抑圧フィルター３６および時刻補正演算部３７からなる時刻演算処理部とを備えている。

上記構成の無線端末３は、無線フレームを受信し、復調・復号処理部３１で復調・復号処理を行い、その結果得られた受信フレームと受信タイミング信号を時刻演算処理部に入力する。時刻演算処理部では、受信タイミング信号に基づいて受信時刻生成部３３が受信時刻情報を生成し、時刻情報抽出部３４が受信フレームから、このフレームが送信された時刻を示している時刻情報（以下、送信時刻情報）を抽出する。時刻情報抽出部３４は、また、受信時刻生成部３３で生成された受信時刻情報を受け取り、送信時刻情報とともに送信者フィルター３５へ出力する。アドレス処理部３２は、受信フレームから送信者識別情報を抽出して送信者フィルター３５へ出力する。送信者フィルター３５は、入力された送信者識別情報が所望の相手（ここではＮＴＰクライアント２）を示しているかどうか、すなわち、送信時刻情報が所望の相手から受信した情報かどうかを確認し、所望の相手から受信したものであれば、時刻情報抽出部３４から入力された送信時刻情報および受信時刻情報を雑音抑圧フィルター３６へ出力する。所望の相手から受信したものでなければ、入力された送信時刻情報および受信時刻情報を破棄する。雑音抑圧フィルター３６は、ジッタやパケットロスによる影響を送信時刻情報および受信時刻情報から除去し、周波数ずれを推定する。時刻補正演算部３７は、無線端末内部の時刻に対して補正するべき補正量を算出し、管理している内部時刻に反映させて補正し、補正後の時刻情報を出力する。また、補正後の時刻情報を下位の無線端末へ送信する。

また、無線端末３は、上記時刻演算処理部が推定した周波数ずれにより、例えば、一定期間時刻情報を受信できない場合においても、無線時刻マスター（ＮＴＰクライアント２）の内部時刻を推定する事が出来る。推定したマスターの時刻をアプリケーションや下位に接続する端末に通知を行う。

無線端末５〜７は、ＮＴＰクライアント２の時刻を推定して時刻情報を定期的に配信する無線端末３から受信した時刻情報に基づいてＮＴＰクライアント２の内部時刻を推定する。無線端末５〜７が、ＮＴＰクライアント２の内部時刻を推定する動作は、上述した無線端末３の動作と同様である。無線端末６は、無線端末３と同様に時刻情報を定期的に配信し、これを受信した無線端末１１は、受信した時刻情報に基づき、無線端末３、および無線端末５〜７と同様の方法で、ＮＴＰクライアント２の内部時刻を推定する。図４は、図１に示したＮＴＰクライアント２と無線端末３、５〜７および１１との間の時刻同期制御動作の概要を示す図である。無線時刻マスターであるＮＴＰクライアント２は、時刻情報を格納したパケットを定期的に配信し、パケットの中継処理が必要な無線時刻スレーブである無線端末３は、時刻情報が配信されてくると、これに基づいて、管理している内部時刻を調整する。また、時刻情報を格納したパケットを下位の無線端末５〜７へ定期的に配信する。無線端末５〜７は、無線端末３と同様に、内部時刻の調整と時刻情報を格納したパケットの配信を行う。なお、無線端末３、５〜７は、下位に他の無線端末が存在しているか否かを認識可能な場合、他の無線端末が存在している場合にのみ時刻情報を格納したパケットを配信するようにしてもよい。

無線端末３およびこれの下位に位置している無線端末５〜７および１１の動作について示したが、その他の無線端末４、８〜１０および１２〜１４の動作も同様である。

次に、本実施の形態における、ＮＴＰクライアント２における時刻同期処理を説明する。

図５は、１日または１週間に１度、ＮＴＰクライアント２が定期的にＮＴＰサーバー１の時刻に合わせて時刻修正を行う場合における、一般的な広域ネットワークを介したＮＴＰクライアント２とＮＴＰサーバー１の時刻同期動作のイメージを示す図である。この時刻跳びに相当する箇所に対して、ＮＴＰクライアント２が内部の時刻をそのまま配信する場合の様子を図６に示す。図６の場合、ＮＴＰクライアント２の持つ時刻情報をｔ１〜ｔ１０まで一定周期で送信しているが、ＮＴＰによる時刻補正タイミングで急激に値が跳ぶ事が生じる。このような配信を行う場合、上述した無線端末３における時刻同期処理フロー（図３に示した時刻演算処理部の動作）を実施すると、雑音抑圧フィルターの影響と、ｔ６が伝搬されるのに伝わる遅延差とにより、システム内で大きな時刻ずれを引き起こすことになる。そこで、ＮＴＰクライアント２は、図６のｔ１〜ｔ１０のようにＮＴＰサーバーから時刻同期した値をそのまま送出するのではなく、無線端末のフィルターの時定数を考慮した時定数のフィルターを通して時刻を配信する（図７）。これにより、時刻跳びが無く、緩やかな変化を起こすことが出来るため、無線によるエラーや、ジッタ、中継による遅延が発生する環境においても、システムを構成している各装置（無線時刻マスターと各無線時刻スレーブ）を高精度に時刻同期させる事ができる。

このように、本実施の形態の時刻同期システムにおいて、無線時刻スレーブである無線端末は、上位装置（無線時刻マスター（ＮＴＰクライアント）または他の無線端末）から定期的に配信される、上位装置が管理している内部時刻の情報が格納されたパケットを受信した場合、備えている時刻同期装置において、受信した内部時刻の情報とパケットの受信時刻とに基づき、上位装置の内部クロックと自装置の内部クロックの周波数ずれを推定するとともに、内部時刻を補正して上位装置の内部時刻に同期させる。また、補正後の内部時刻情報を格納したパケットを生成して下位の他の無線端末へ配信することとした。さらに、上位装置の内部クロックと自装置の内部クロックの周波数ずれを推定する際には、ジッタやパケットロスによる影響を各時刻情報（上位装置の内部時刻の情報，パケットの受信時刻情報）から除去してから、これらの時刻情報を用いて周波数ずれを推定することとした。これにより、高精度な時刻同期を簡易な構成で実現することができる。

実施の形態２．
つづいて、実施の形態２を説明する。なお、システムの構成は実施の形態１と同様であるものとする。また、本実施の形態では実施形態１と異なる点に関して説明を行う。

本実施の形態の時刻同期システムにおいて、無線端末は時刻演算処理として独立した２面を管理する。それぞれ時刻演算処理Ａ，時刻演算処理Ｂとする。

ＮＴＰクライアント２は時刻跳びが生じた事（時刻変動量が一定値を超えた事）を、新しい時刻配信を行う前（図７においてはｔ６以降の配信前）に、無線端末に通知を行う。無線端末は以降のデータを一部使う事でシステムにばらつきが生じる事が想定できるため、時刻演算処理Ａでは、以降は入力される時刻情報（ＮＴＰクライアント２から配信された時刻情報）を一定時間、内部に取り込まずに、過去のデータから推定する時刻で自走を行う。平行して、時刻演算処理Ｂでは、内部の時刻データをリセットして、ｔ６以降のデータを取り込む動作を行う。システム全体に更新が行きわたると考えられる十分な時間が経過した後、時刻演算処理Ａの結果にｘ(ｔ)、時刻演算処理Ｂの結果に１−ｘ(ｔ)の重み平均をかける。ｘ(ｔ)は単調に減少する時間の関数で０以上１以下の値を取るようにして、なめらかに接続する事で、システム全体のばらつきを防ぐ事を行う。

本実施の形態により、無線によるエラーや、ジッタ、中継による遅延が起きる環境においても、システム全体を高精度に時刻同期させる事が可能となる。

以上のように、本発明によれば、簡易に実現が出来、かつ、無線センサーネットワークやデジタルサイネージ分野で要求される高精度な時刻同期を提供する事を可能にする効果が得られる。

本発明にかかる時刻同期装置は、基準時刻を管理するマスター装置と基準時刻に内部時刻を同期させるスレーブ装置とが無線接続された構成の時刻同期システムを実現する場合に有用である。

１ＮＴＰサーバー
２ＮＴＰクライアント（無線時刻マスター）
３〜１４無線端末（無線時刻スレーブ）
３１復調・復号処理部
３２アドレス処理部
３３受信時刻生成部
３４時刻情報抽出部
３５送信者フィルター
３６雑音抑圧フィルター
３７時刻補正演算部

Claims

基準時刻を管理する第１の装置と、管理している内部時刻を前記基準時刻に同期させて動作する複数の第２の装置とを備え、第１の装置と第２の装置、および第２の装置同士は無線により接続されている時刻同期システムの各第２の装置において、内部時刻を前記基準時刻に同期させる処理を行う時刻同期装置であって、
前記第１の装置または上位の他の第２の装置である上位装置から、当該上位装置が管理している時刻を示す時刻情報を受信した場合に、当該時刻情報である第１の時刻情報および当該第１の時刻情報を受信した時刻を示す第２の時刻情報からジッタやパケットロスによる影響を除去し、影響を除去した後の第１の時刻情報および第２の時刻情報に基づいて、前記上位装置の内部クロックと自装置の内部クロックの周波数ずれを推定し、推定結果を用いて内部時刻を補正して前記基準時刻に同期させる内部時刻補正手段と、
前記内部時刻補正手段が補正を実施した後の内部時刻を示す内部時刻情報を下位の他の時刻同期装置へ配信する時刻情報配信手段と、
を備え、
前記内部時刻補正手段は、前記第１の時刻情報を所定時間にわたって取得できない場合、過去に推定した周波数ずれの値を用いて内部時刻の補正を行う
ことを特徴とする時刻同期装置。
前記内部時刻補正手段は、
前記影響を除去した後の第１の時刻情報および第２の時刻情報に基づいて前記上位装置の内部クロックと自装置の内部クロックの周波数ずれを推定して第１の推定値を得るとともに、過去に推定した周波数ずれの値に基づいて、前記上位装置の内部クロックと自装置の内部クロックの周波数ずれを第２の推定値として算出し、前記第１の装置から時刻変動量が一定値を超えたことが通知されてきた場合には、所定時間が経過するまで、第２の推定値を用いて内部時刻の補正を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の時刻同期装置。
請求項１または２に記載の時刻同期装置を備えたことを特徴とする無線端末。
基準時刻を管理する管理装置を備えるとともに、請求項３に記載の無線端末を複数備え、
前記無線端末の各々は、内部時刻を前記管理装置で管理されている基準時刻に同期させることを特徴とする時刻同期システム。