JP2014096853A - 時刻同期装置 - Google Patents

Abstract

【課題】時刻情報通知の遅延の影響を低減して無線装置間の時刻同期の精度を向上可能な時刻同期装置を得ること。
【解決手段】時刻マスタから受信した時刻マスタの時刻情報と時刻情報受信時の時刻スレーブの内部時刻とを比較して、時刻情報に対する前記内部時刻の時刻ずれ量を算出する時刻ずれ算出部２２０と、時刻ずれ量から算出した変動量に基づいて、時刻ずれ量のフィルタ処理に使用するフィルタのフィルタ時定数の切り替え判定を行うフィルタ時定数判定部２２１と、フィルタ時定数により時刻ずれ量のフィルタ処理を行うフィルタ処理部２２２と、時刻ずれ量をフィルタ処理した値から時刻ずれを推定する時刻ずれ推定部２２３と、時刻ずれ推定部２２３による時刻ずれ推定値に基づいて、内部時刻を補正するスレーブ時刻設定部２３、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線装置間で時刻同期を実現する時刻同期装置に関する。

従来、ディジタルサイネージの普及に伴い、１つのコンテンツを複数枚に分割描画して擬似的に大型化する、また、人の動線上に同じコンテンツを複数描画して接触時間を増やす等の差別化技術の検討が行われている。一方、敷設コストの低減、レイアウト変更を容易にするため、無線配信による省線化が望まれている。

時刻同期装置において、無線配信手段として無線ＬＡＮ（Local Area Network）を使用し、複数のディスプレイに表示する描画間の同期を確立する方法として、時刻マスタと呼ばれる時刻の基準となる無線装置が、自装置が持つ時刻をビーコン等の無線フレームを使用して周辺に通知し、時刻マスタと通信が可能な範囲にある時刻スレーブが、時刻マスタから通知された時刻とその無線フレームを時刻スレーブが受信した時刻を比較して時刻同期を行う方法がある。しかしながら、この時刻同期装置では、時刻マスタの無線ＬＡＮモジュールと時刻スレーブの無線ＬＡＮモジュールは時刻を生成する各モジュールの周波数発振器が独立して動作するため、時刻ずれが生じることになり、この時刻ずれを推定し補正する必要がある。

また、ＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access：搬送波感知多重アクセス）によるアクセス制御を行う無線ＬＡＮシステムでは、無線フレームにより時刻情報を通知する場合に、送受信機の周波数発振器が独立して動作することにより発生する時刻差以外に、周囲の通信状況により時刻情報を通知する無線フレームの送信待機による遅延時間が付加されるため、送受信機の周波数発振器が独立して動作することにより発生する時刻ずれを正確に推定できない。

このような問題に対して、下記特許文献１では、時刻マスタが持つ時刻を無線フレーム生成時にその無線フレームに挿入するのではなく、無線フレームが送出されてその送出が完了した時点の送出完了時刻を計測し、その計測した送出完了時刻を次の無線フレームに挿入して時刻情報を通知することにより、ＣＳＭＡによる遅延時間の影響を回避する技術が開示されている。

特開２００９−１１１６５４号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、無線ＬＡＮ装置において、ビーコンなどの無線フレームの送出状態をモニタし、その無線フレームが送出され完了した送出完了時刻を計測しなければならない。そのため、無線フレームの送出完了時刻の計測機能を新たに実現して実装する必要がある、という問題があった。また、計測した送出完了時刻を次の無線フレームに挿入して時刻情報を通知しなければならない等の時刻同期実現のための新たなシーケンスを追加する必要があった。また、時刻ずれ算出のために２つのフレームを送信する必要があり、どちらか１つでもフレームロスとなった場合は時刻ずれを算出できず、伝送路におけるフレームロスの影響を受けやすい、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、時刻情報通知の遅延の影響を低減して無線装置間の時刻同期の精度を向上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、時刻マスタと時刻スレーブとから構成される無線通信システムにおいて、前記時刻マスタの時刻に同期する前記時刻スレーブの時刻同期装置であって、前記時刻マスタから受信した前記時刻マスタの時刻情報と前記時刻情報受信時の前記時刻スレーブの内部時刻とを比較して、前記時刻情報に対する前記内部時刻の時刻ずれ量を算出する時刻ずれ算出手段と、前記時刻ずれ量から算出した変動量に基づいて、前記時刻ずれ量のフィルタ処理に使用するフィルタのフィルタ時定数の切り替え判定を行うフィルタ時定数判定手段と、前記フィルタ時定数により前記時刻ずれ量のフィルタ処理を行うフィルタ処理手段と、前記時刻ずれ量をフィルタ処理した値から時刻ずれを推定する時刻ずれ推定手段と、前記時刻ずれ推定手段による時刻ずれ推定値に基づいて、前記内部時刻を補正する時刻補正手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、時刻情報通知の遅延の影響を低減して無線装置間の時刻同期の精度を向上できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の無線通信システムの構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１の時刻同期フィルタ部の構成例を示す図である。 図３は、時刻同期処理を示すフローチャートである。 図４は、送信元時刻情報、受信時時刻情報、送信側時間間隔、受信側時間間隔、および時刻ずれ量の関係を示す図である。 図５は、時刻ずれ推定の評価結果を示す図である。 図６は、実施の形態２のフィルタ時定数の切り替え処理を示す図である。 図７は、実施の形態３の時刻同期フィルタ部の構成を示す図である。 図８は、フィルタ時定数切り替えタイミングの補正効果を示す図である。 図９は、スレーブ時刻設定部が時刻ずれ推定部からの時刻補正量に基づいて時刻スレーブの時刻を補正した場合の時刻ずれの変化量を示す図である。 図１０は、実施の形態５の同期状態の判定処理を示す図である。 図１１は、実施の形態６の無線通信システムの構成例を示す図である。 図１２は、複数台の時刻スレーブが従属に多段接続した場合の時刻同期の処理を示すシーケンス図である。

以下に、本発明にかかる時刻同期装置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。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の無線通信システムの構成例を示す図である。無線通信システムは、基準時刻を配信する時刻マスタ１と、時刻マスタ１から配信された基準時刻を受信して自装置の内部時刻を時刻マスタ１の基準時刻に同期させる時刻スレーブ２と、から構成される。

時刻マスタ１は、自身の持つ時刻を無線フレーム生成時に挿入して時刻スレーブ２に通知する。時刻スレーブ２は、時刻マスタ１から通知された時刻とその無線フレームを受信した時刻を比較して時刻同期を行う。このとき、時刻スレーブ２では、周囲の通信による時刻変動に対する影響を低減するためにフィルタ処理を行い、そのフィルタ処理におけるフィルタ時定数を時刻ずれの変動量に応じて可変制御する。

つぎに、時刻マスタ１の構成について説明する。時刻マスタ１は、基準時刻受信部１０と、マスタ時刻設定部１１と、マスタ内部時刻生成部１２と、時刻情報挿入部１３と、フレーム送信部１４と、を備える。

基準時刻受信部１０は、ＮＴＰ（Network Time Protocol）におけるサーバなどから基準時刻を受信する。マスタ時刻設定部１１は、基準時刻受信部１０からの時刻情報を用いて自装置（時刻マスタ１）の時刻を設定する。マスタ内部時刻生成部１２は、マスタ時刻設定部１１からの設定情報を用いて自装置（時刻マスタ１）の内部時刻を生成する。時刻情報挿入部１３は、マスタ内部時刻生成部１２で生成された内部時刻を自装置（時刻マスタ１）の時刻情報としてビーコンなどの無線フレームに挿入する。フレーム送信部１４は、時刻情報が挿入されたビーコンなどの無線フレームを送信する。

つぎに、時刻スレーブ２の構成について説明する。時刻スレーブ２は、フレーム受信部２０と、時刻情報抽出部２１と、時刻同期フィルタ部２２と、スレーブ時刻設定部２３と、スレーブ内部時刻生成部２４と、を備える。

フレーム受信部２０は、時刻マスタ１から送信されたビーコンなどの無線フレームを受信する。時刻情報抽出部２１は、時刻マスタ１から受信した無線フレームに挿入された時刻マスタ１の時刻情報を抽出する。時刻同期フィルタ部２２は、受信した無線フレームから抽出された時刻マスタ１の時刻情報と自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻とを比較して、時刻マスタ１の基準時刻（時刻情報）に対する自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻の時刻ずれを推定し、時刻補正量を算出する。スレーブ時刻設定部２３は、時刻同期フィルタ部２２で推定された時刻補正量を用いて時刻ずれを補正し、自装置（時刻スレーブ２）の時刻を設定する。スレーブ内部時刻生成部２４は、スレーブ時刻設定部２３からの設定情報を用いて自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻を生成する。

つづいて、時刻マスタ１と時刻スレーブ２との間で行う時刻同期の動作について説明する。

時刻マスタ１では、基準時刻受信部１０は、自装置（時刻マスタ１）がネットワークに接続されている場合、ＮＴＰサーバなどから基準時刻を受信する。なお、基準時刻受信部１０は、自装置（時刻マスタ１）がネットワークに接続されていない場合、マスタ内部時刻を基準時刻とする。マスタ時刻設定部１１は、基準時刻受信部１０で受信されたＮＴＰサーバなどからの基準時刻を用いて自装置（時刻マスタ１）の内部時刻に設定する基準時刻を算出する。マスタ内部時刻生成部１２は、マスタ時刻設定部１１からの設定情報を用いて自装置（時刻マスタ１）の内部時刻を基準時刻に調整し、その調整した内部時刻をマスタ内部時刻として出力する。時刻情報挿入部１３は、マスタ内部時刻生成部１２で生成されたマスタ内部時刻を時刻情報としてビーコンなどの無線フレームに挿入する。フレーム送信部１４は、時刻情報挿入部１３において時刻情報が挿入された無線フレームを時刻スレーブ２へ送信する。

時刻スレーブ２では、フレーム受信部２０は、時刻マスタ１から送信されたビーコンなどの無線フレームを受信し、また、スレーブ内部時刻生成部２４で生成された内部時刻を取得し、無線フレームを受信したときの受信時刻とする。時刻情報抽出部２１は、フレーム受信部２０から出力された受信フレームに挿入されている時刻マスタ１の時刻情報を抽出する。また、時刻情報抽出部２１は、無線フレームを受信したときの受信時刻（内部時刻）の情報を取得する。時刻同期フィルタ部２２は、時刻情報抽出部２１から出力された時刻マスタ１の時刻情報と無線フレームの受信時刻（内部時刻）とを比較して、時刻マスタ１の基準時刻（時刻情報）に対する自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻の時刻ずれを推定し、時刻補正量を算出する。スレーブ時刻設定部２３は、時刻同期フィルタ部２２で推定された時刻補正量を用いてスレーブ内部時刻生成部２４に設定する時刻情報を算出する。スレーブ内部時刻生成部２４は、スレーブ時刻設定部２３から算出された時刻情報を設定し、設定に応じた自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻を生成する。

なお、時刻スレーブ２では、フレーム受信部２０においてスレーブ内部時刻生成部２４で生成された内部時刻を受信時刻として取得しているが、これに限定するものではなく、時刻情報抽出部２１が、時刻情報を抽出したときに、スレーブ内部時刻生成部２４で生成された内部時刻を受信時刻として取得してもよい。

ここで、時刻同期フィルタ部２２の詳細な構成について説明する。図２は、本実施の形態の時刻同期フィルタ部２２の構成例を示す図である。時刻同期フィルタ部２２は、時刻ずれ算出部２２０と、フィルタ時定数判定部２２１と、フィルタ処理部２２２と、時刻ずれ推定部２２３と、同期判定部２２４と、を備える。

時刻ずれ算出部２２０は、時刻マスタ１の時刻情報と自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻とを比較して、時刻マスタ１の時刻情報に対する自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻の時刻ずれ量を算出する。フィルタ時定数判定部２２１は、時刻マスタ１の時刻情報に対する自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻の時刻ずれ変動量を算出し、時刻ずれ変動量に応じて、フィルタ処理部２２２で使用するフィルタ時定数の切り替え判定を行い、フィルタ時定数を設定する。フィルタ処理部２２２は、時刻ずれ変動量に応じたフィルタ時定数により時刻マスタ１の時刻情報に対する自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻の時刻ずれ量のフィルタ処理を行う。時刻ずれ推定部２２３は、時刻マスタ１の時刻情報に対する自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻の時刻ずれ量をフィルタ処理した値から、時刻ずれを推定し、時刻補正量を算出する。同期判定部２２４は、時刻マスタ１の時刻情報に対する自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻の時刻ずれ量をフィルタ処理した値の大きさから、時刻同期の状態を判定する。

つづいて、時刻同期フィルタ部２２において、時刻マスタ１の時刻情報と自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻とを比較してから同期補正量を算出し、スレーブ時刻設定部２３が時刻ずれを補正するまでの時刻同期処理の動作について説明する。図３は、時刻同期処理を示すフローチャートである。なお、一例として、時刻情報を伝達する無線フレームとしてビーコンフレームを使用する場合について説明する。

まず、時刻ずれ算出部２２０は、時刻情報取得処理（ステップＳ１０）において、時刻情報抽出部２１から、時刻マスタ１の時刻情報として、時刻マスタ１の無線ＬＡＮモジュールから送信されたビーコンに挿入されている送信元時刻情報ｔＴ（ｋ）［０≦ｋ≦Ｍ−１］、および、自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻として、ビーコンを受信した時の受信時時刻情報ｔＲ（ｋ）［０≦ｋ≦Ｍ−１］を入力データとして取得する。なお、時刻ずれ算出部２２０は、この入力データの取得例としては、Ｍ個分のデータを一括して取得するものとする。

時刻ずれ算出部２２０は、時刻ずれ算出処理（ステップＳ１１）として、時刻マスタ１の時刻情報に対する自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻の時刻ずれ量を算出する。算出した時刻ずれ量は、フィルタ時定数判定部２２１におけるフィルタ時定数の判定およびフィルタ処理部２２２におけるフィルタ処理に使用する。時刻ずれ算出部２２０は、時刻ずれ量の算出として、まず、時刻マスタ１の時刻情報である送信元時刻情報の送信側時間間隔ｔＴＤ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］を式（１）により、また、自装置（時刻スレーブ２）の内部時刻である受信時時刻情報の受信側時間間隔ｔＲＤ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］を式（２）により算出する。

ｔＴＤ（ｋ＋１）＝ｔＴ（ｋ＋１）−ｔＴ（ｋ）、０≦ｋ≦Ｍ−２ …（１）
ｔＲＤ（ｋ＋１）＝ｔＲ（ｋ＋１）−ｔＲ（ｋ）、０≦ｋ≦Ｍ−２ …（２）

時刻ずれ算出部２２０は、送信元時刻情報の送信側時間間隔ｔＴＤ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］、および、受信時時刻情報の受信側時間間隔ｔＲＤ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］を用いて、式（３）により、送信元時刻情報の送信側時間間隔に対する受信時時刻情報の受信側時間間隔のずれ量を時刻ずれ量ｄ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］として算出する。

ｄ（ｋ＋１）＝ｔＲＤ（ｋ＋１）−ｔＴＤ（ｋ＋１）、０≦ｋ≦Ｍ−２ …（３）

図４は、送信元時刻情報、受信時時刻情報、送信側時間間隔、受信側時間間隔、および時刻ずれ量の関係を示す図である。ｋ＝１以降では、式（１）〜（３）により、送信側時刻間隔、受信側時間間隔、および時刻ずれ量を算出することができる。

つぎに、フィルタ時定数判定部２２１は、フィルタ時定数判定処理（ステップＳ１２）として、算出された時刻ずれ量ｄ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］に対し、以下の式（４），（５）に示す判定処理を行い、判定結果に応じて、フィルタ処理部２２２で使用するフィルタ時定数を決定するパラメータである忘却係数λの値を決定する。

時刻ずれ変動量が大きい場合（｜ｄ（ｋ＋１）｜＞Ｒｔｈ）、λ←λＬ …（４）
時刻ずれ変動量が小さい場合（｜ｄ（ｋ＋１）｜＜Ｒｔｈ）、λ←λＳ …（５）

なお、判定閾値Ｒｔｈは、時刻ずれ変動量を判定するためのフィルタ判定閾値である。フィルタ時定数判定部２２１は、忘却係数λとして、時刻ずれ変動量が大きい場合に設定するλＬと、時刻ずれ変動量が小さい場合に設定するλＳを準備し、時刻ずれ変動量の判定結果からフィルタ時定数を決定する忘却係数λを決定する。なお、忘却係数λＬ、λＳの値は、λＬ＞λＳである。フィルタ時定数判定部２２１は、決定した忘却係数λからフィルタ時定数を決定し、フィルタ処理部２２２のフィルタ時定数を設定する。

つぎに、フィルタ処理部２２２は、フィルタ処理（ステップＳ１３）として、時刻ずれ算出部２００で算出された式（３）による時刻ずれ量ｄ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］に対して、忘却係数λを用いた加重平均処理によるフィルタ処理を行い、式（６）に示すフィルタ処理結果ｘ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］を算出する。

ｘ（ｋ＋１）＝λｘ（ｋ）＋ｄ（ｋ＋１）、０≦ｋ≦Ｍ−２ …（６）

なお、フィルタ処理部２２２は、次回のＭ個分のデータを取得してフィルタ処理を行う場合、前回のフィルタ処理結果の最終値を初期値として処理を行い、非同期状態などになって時刻同期の再引き込み処理を行う場合のみ、フィルタ処理結果を０にクリアする。

つぎに、時刻ずれ推定部２２３は、時刻ずれ推定処理（ステップＳ１４）として、フィルタ処理部２２２で算出されたフィルタ処理結果ｘ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］を積分処理し、式（７）に示すように、ある時刻経過後の時刻ずれ量ｓ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］を算出する。

ｓ（ｋ＋１）＝ｓ（ｋ）＋（１−λ）ｘ（ｋ＋１）、０≦ｋ≦Ｍ−２ …（７）

なお、時刻ずれ推定部２２３は、次回のＭ個分のデータを取得して時刻ずれ推定処理を行う場合、この時刻ずれ量の初期値は０として処理を行う。

つぎに、同期判定部２２４は、同期判定処理（ステップＳ１５）として、ある時刻経過後の時刻ずれ量ｓ（ｋ＋１）［０≦ｋ≦Ｍ−２］に対して、以下の式（８），（９）に示す判定処理を行い、時刻同期における同期状態、非同期状態の判定を行う。

｜ｓ（ｋ＋１）｜＞Ｓｔｈ［０≦ｋ≦Ｍ−２］の場合、非同期状態 …（８）
｜ｓ（ｋ＋１）｜＜Ｓｔｈ［０≦ｋ≦Ｍ−２］の場合、 同期状態 …（９）

なお、判定閾値Ｓｔｈは、同期状態を判定するための同期判定閾値である。

時刻ずれ推定部２２３は、取得したＭ個分の時刻情報データ毎に最終的な時刻ずれ量（時刻ずれ推定値）ｓ（Ｍ−１）を時刻補正量として出力する。

そして、スレーブ時刻設定部２３は、時刻ずれ補正処理（ステップＳ１６）として、取得した時刻補正量を用いてスレーブ内部時刻生成部２４に設定する時刻情報を算出する。

本実施の形態の性能評価として、ビーコンを送受信しながら周囲に通信を発生させた場合の時刻ずれの実測データを取得し、その実測データに対して本実施の形態の時刻同期フィルタ部２２による時刻ずれの推定結果をシミュレーションにより評価した。図５は、時刻ずれ推定の評価結果を示す図である。時間ずれ変動量の実測データ、フィルタ時定数固定時の時間ずれ変動量、本実施の形態によるフィルタ時定数可変時の時間ずれ変動量の関係を示す。周囲の通信を、最初の６０秒間は発生させず、次の６０秒間で発生させるという６０秒間周期のパターンを繰り返すものである。この評価結果より、周囲の通信の影響によるビーコンの送信遅延が発生した場合でも、その影響を低減しながら送受の周波数発振器による時刻ずれの推定ができることがわかる。

以上説明したように、本実施の形態では、時刻同期装置において、周囲の通信による時刻変動に対する影響を低減するためにフィルタ処理を行い、そのフィルタ時定数を時刻変動の変動量に応じて可変制御し、その変動量が設定した閾値に対して大きい場合は無線フレームの送信待機の影響による時刻ずれと判断しフィルタ時定数を大きくしてその変動に対する追従性を抑制し、その変動量が設定した閾値に対して小さい場合は通信装置間の周波数発振器による時刻ずれと判断しフィルタ時定数を小さくする制御を行う構成とした。これにより、送受信の周波数ずれによる時刻変動に追従させながら通信装置間の影響による時刻ずれの影響を低減し、無線ＬＡＮ通信システム、特に、ＣＳＭＡを使用した環境でも精度の良い時刻同期を実現することができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる忘却係数λの決定方法について説明する。

実施の形態１では、フィルタ時定数判定部２２１は、式（４），（５）に示すように、時刻ずれ量ｄ（ｋ＋１）と判定閾値Ｒｔｈとの比較によって忘却係数λを決定してフィルタ時定数を決定した。本実施の形態では、判定閾値Ｒｔｈに対して同じ状態が連続してＤ回成立した場合にフィルタ時定数を切り替える処理を行う。図６は、本実施の形態のフィルタ時定数の切り替え処理を示す図である。また、本実施の形態における忘却係数λの決定方法を式（１０），（１１）に示す。

｜ｄ（ｋ＋１）｜＞Ｒｔｈ［０≦ｋ≦Ｍ−２］が連続Ｄ回成立の場合、λ←λＬ
…（１０）
｜ｄ（ｋ＋１）｜＜Ｒｔｈ［０≦ｋ≦Ｍ−２］が連続Ｄ回成立の場合、λ←λＳ
…（１１）

図６および式（１０），（１１）に示すように、フィルタ時定数判定部２２１は、現在の状態として時刻ずれ変動量が小さい場合（Ｓ２０）はフィルタ時定数ではその値が小さい忘却係数λＳであるが、この状態から時刻ずれ変動量の絶対値が判定閾値Ｒｔｈより大きくなりその状態が連続してＤ回成立した場合、時刻ずれ変動量が大きい場合（Ｓ２１）のフィルタ時定数の忘却係数λＬに切り替える処理を行う。

また、フィルタ時定数判定部２２１は、現在の状態として時刻ずれ変動量が大きい場合（Ｓ２１）はフィルタ時定数ではその値が大きい忘却係数λＬであるが、この状態から時刻ずれ変動量の絶対値が判定閾値Ｒｔｈより小さくなりその状態が連続してＤ回成立した場合、時刻ずれ変動量が小さい場合（Ｓ２０）のフィルタ時定数の忘却係数λＳに切り替える処理を行う。

以上説明したように、本実施の形態では、フィルタ時定数判定部２２１は、判定閾値Ｒｔｈに対する状態が連続してＤ回成立した場合にフィルタ時定数を切り替える処理を行う構成とした。これにより、時刻ずれ変動量に対する変動状態の誤検知を防ぎ、時刻ずれの変動に対する要因が周波数発振器に起因するものか、あるいは、送信待機による遅延に起因するものかなどの変動状況に応じた正確な時定数の切り替えを実現することができる。

実施の形態３．
本実施の形態では、実施の形態２に示すフィルタ時定数の切り替え処理に対して、フィルタ処理の開始データを、判定に用いたデータから処理する方法について説明する。

図７は、本実施の形態の時刻同期フィルタ部２２ａの構成を示す図である。時刻同期フィルタ部２２ａは、時刻ずれ算出部２２０と、フィルタ時定数判定部２２１と、フィルタ処理部２２２と、時刻ずれ推定部２２３と、同期判定部２２４と、遅延処理部２２５と、を備える。遅延処理部２２５は、フィルタ時定数の切り替え判定に要した無線フレーム数（ビーコン数）だけ遅延処理を行う。その他の構成は実施の形態１，２（図２参照）と同様である。

実施の形態２で説明した忘却係数λを決定する式（１０），（１１）では、フィルタ時定数判定部２２１において、フィルタ時定数の切り替え判定時の結果出力に無線フレーム数（ビーコン数）のＤ個分の処理時間が発生する。そのため、フィルタ時定数判定部２２１のフィルタ時定数の切り替え判定結果が正確に反映できるように、遅延処理部２２５では、フィルタ処理の開始データをＤ個分前のデータから処理するように遅延調整を行う。

これは、フィルタ時定数の切り替え判定でＤ回の判定が連続して成立した場合に時定数の切り替えが必要な状況はＤ回前から発生していると考えられるため、本実施の形態では、実際のフィルタ時定数切り替え後の計算をＤ回前に遡って計算を行うことにより、時刻ずれの変動による誤差を低減する。

図８は、フィルタ時定数切り替えタイミングの補正効果を示す図である。時間ずれ変動量の実測データ、補正ありのときの時間ずれ変動量、補正なしのときの時間ずれ変動量の関係を示し、図８の下図は、図８の上図の一部を拡大したものである。

フィルタ時定数判定部２２１は、フィルタ時定数の切り替え判定でＤ回（この場合はＤ＝６）の判定が連続して成立した場合に、フィルタ時定数の切り替え判定を行う。図８において、時刻変動が大きくなり始めたＤ回前（この場合はＤ＝６）に遡って切り替え判定後のフィルタ時定数でフィルタ処理部２２２がフィルタ処理を行ったものを「補正あり」で示し、フィルタ時定数の切り替え判定時点から切り替え判定後のフィルタ時定数でフィルタ処理部２２２がフィルタ処理を行ったものを「補正なし」で示す。このように、フィルタ処理部２２２では、遅延処理部２２５による「補正あり」でフィルタ処理を行うことにより、遅延処理部２２５による「補正なし」でフィルタ処理を行う場合と比較して、ＣＳＭＡの送信待機による遅延の影響をさらに低減可能であることを確認することができる。

なお、本実施の形態では、フィルタ処理部２２２の前段に遅延処理部２２５を設ける構成としたが、これに限定するものではなく、フィルタ処理部２２２において、遅延処理部２２５に相当する遅延処理を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、フィルタ時定数の切り替え判定時の結果出力に無線フレーム数（ビーコン数）のＤ個分の処理時間が発生するため、フィルタ時定数の切り替え判定結果が正確に反映できるように、フィルタ処理の開始データをＤ個分前のデータから処理する構成とした。これにより、ＣＳＭＡの送信待機による遅延の影響に起因する時定数切り替え時の時刻ずれの誤差を低減することができる。

実施の形態４．
本実施の形態では、時刻ずれ推定部２２３が、スレーブ時刻設定部２３に対して、初期時刻ずれ量を含めて時刻補正量を出力する場合について説明する。

図９は、スレーブ時刻設定部２３が時刻ずれ推定部２２３からの時刻補正量に基づいて自装置（時刻スレーブ２）の時刻を補正した場合の時刻ずれの変化量を示す図である。

実施の形態１では、時刻ずれ推定部２２３は、式（７）に基づく最終的な時刻ずれ量（時刻ずれ推定値）ｓ（Ｍ−１）を取得したＭ個分の時刻情報データ毎に時刻補正量として出力し、スレーブ時刻設定部２３は、時刻ずれ推定部２２３からの時刻補正量を用いて補正していた。

本実施の形態では、図９に示すように、時刻ずれ推定部２２３は、フィルタ処理開始時における送信元時刻情報に対する受信時時刻情報の時刻ずれ量（初期時刻ずれ量）ｔＲ（０）−ｔＴ（０）、および、最終的な時刻ずれ量（時刻ずれ推定値）ｓ（Ｍ−１）を時刻補正量として出力し、スレーブ時刻設定部２３は、時刻ずれ推定部２２３からの時刻補正量である初期時刻ずれ量ｔＲ（０）−ｔＴ（０）、および、時刻ずれ推定値ｓ（Ｍ−１）を、現在の自装置（時刻スレーブ２）の受信時時刻情報から差し引いて補正することにより、時刻マスタ１の送信元時刻情報に同期した時刻に修正することができる。なお、スレーブ時刻設定部２３において、初期時刻ずれ量ｔＲ（０）−ｔＴ（０）による時刻補正は、フィルタ処理開始時にのみ行うものとし、それ以降の時刻補正では、時刻ずれ推定値ｓ（Ｍ−１）のみで補正を行う。

以上説明したように、本実施の形態では、スレーブ時刻設定部２３は、フィルタ処理開始時には、初期時刻ずれ量ｔＲ（０）−ｔＴ（０）、および、時刻ずれ推定値ｓ（Ｍ−１）を時刻補正量として、自装置（時刻スレーブ２）の時刻補正を行い、それ以降は時刻ずれ推定値ｓ（Ｍ−１）のみで時刻補正を行う構成とした。これにより、フィルタ処理開始時の初期の時刻ずれ量を含めた補正を行うことができ、時刻スレーブ２の時刻を時刻マスタ１の時刻に初期の時刻ずれも含めて同期させる処理を実現することができる。

実施の形態５．
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる同期状態の判定方法について説明する。

実施の形態１では、同期判定部２２４は、式（８），（９）に示すように、ある時刻経過後の時刻ずれ量ｓ（ｋ＋１）と判定閾値Ｓｔｈとの比較によって同期状態を判定していた。本実施の形態では、判定閾値Ｓｔｈに対して同じ状態が連続してＥ回成立した場合に同期状態の判定を切り替える処理を行う。図１０は、本実施の形態の同期状態の判定処理を示す図である。また、本実施の形態における同期状態の判定方法を式（１２），（１３）に示す。

｜ｓ（ｋ＋１）｜＞Ｓｔｈ［０≦ｋ≦Ｍ−２］が連続Ｅ回成立の場合、非同期状態
…（１２）
｜ｓ（ｋ＋１）｜＜Ｓｔｈ［０≦ｋ≦Ｍ−２］が連続Ｅ回成立の場合、 同期状態
…（１３）

図１０および式（１２），（１３）に示すように、同期判定部２２４は、現在の状態が非同期状態（Ｓ３０）であるが、この状態から時刻ずれ量の絶対値が判定閾値Ｓｔｈより小さくなりその状態が連続してＥ回成立した場合、同期状態（Ｓ３１）に切り替える処理を行う。

また、同期判定部２２４は、現在の状態が同期状態（Ｓ３１）であるが、この状態から時刻ずれ量の絶対値が判定閾値Ｓｔｈより大きくなりその状態が連続してＥ回成立した場合、非同期状態（Ｓ３０）に切り替える処理を行う。

以上説明したように、本実施の形態では、同期判定部２２４は、判定閾値Ｓｔｈに対する状態が連続してＥ回成立した場合に同期状態の判定を切り替える処理を行う構成とした。これにより、時刻同期における同期状態の誤判定を防ぎ、同期状態、非同期状態の正確な判定を実現することができる。

実施の形態６．
本実施の形態では、複数の時刻スレーブを有する無線通信システムにおいて、時刻マスタと時刻同期を行った時刻スレーブが、他の時刻スレーブと時刻同期を行う場合について説明する。

図１１は、本実施の形態の無線通信システムの構成例を示す図である。無線通信システムは、基準時刻を配信する時刻マスタ１と、時刻マスタ１から配信された基準時刻を受信して自装置の内部時刻を時刻マスタ１の基準時刻に同期させる１段目の時刻スレーブ２ａと、時刻スレーブ２ａから配信された基準時刻を受信して自装置の内部時刻を時刻スレーブ２ａの基準時刻に同期させる２段目の時刻スレーブ２と、から構成される。

時刻マスタ１では、時刻同期の対象が時刻スレーブ２から時刻スレーブ２ａに変更されているが、構成および動作は実施の形態１と同様である。時刻スレーブ２ａは、時刻マスタ１から通知された時刻とその無線フレームを受信した時刻を比較して時刻同期を行う。このとき、時刻スレーブ２ａでは、周囲の通信による時刻変動に対する影響を低減するためにフィルタ処理を行い、そのフィルタ処理におけるフィルタ時定数を時刻ずれの変動量に応じて可変制御する。また、時刻スレーブ２ａは、自身の持つ時刻を無線フレーム生成時に挿入して時刻スレーブ２に通知する。時刻スレーブ２では、時刻同期の対象が時刻マスタ１から時刻スレーブ２ａに変更されているが、構成および動作は実施の形態１と同様である。

つぎに、時刻スレーブ２ａの構成について説明する。時刻スレーブ２ａは、フレーム受信部２０と、時刻情報抽出部２１と、時刻同期フィルタ部２２と、スレーブ時刻設定部２３と、スレーブ内部時刻生成部２４と、時刻同期開始部２５と、時刻情報挿入部２６と、フレーム送信部２７と、を備える。時刻同期開始部２５は、時刻同期フィルタ部２２の同期判定結果に基づいて時刻スレーブ２に対する時刻同期を開始する。時刻情報挿入部２６は、自装置（時刻スレーブ２ａ）の内部時刻から生成された時刻情報をビーコンなどの無線フレームに挿入する。フレーム送信部２７は、時刻情報が挿入されたビーコンなどの無線フレームを送信する。なお、時刻情報挿入部２６およびフレーム送信部２７で、時刻情報送信手段を構成する。

つづいて、時刻マスタ１、時刻スレーブ２ａ、時刻スレーブ２との間で行う時刻同期の動作について説明する。なお、時刻マスタ１と時刻スレーブ２ａとの間の時刻同期の動作は実施の形態１と同様のため省略し、時刻スレーブ２ａと時刻スレーブ２との間の時刻同期の動作について説明する。

時刻スレーブ２ａでは、時刻同期開始部２５は、時刻同期フィルタ部２２からの同期判定結果に基づいて、時刻同期の状態が同期状態と判定された場合に、自装置（時刻スレーブ２ａ）から時刻スレーブ２に対する時刻同期の開始を指示する。時刻情報挿入部２６は、スレーブ内部時刻生成部２４で生成された内部時刻を時刻情報としてビーコンなどの無線フレームに挿入する。なお、時刻情報挿入部２６では、スレーブ内部時刻生成部２４から直接内部時刻を取得してもよいし、時刻同期開始を指示した時刻同期開始部２５がスレーブ内部時刻生成部２４から内部時刻を取得し、時刻同期開始部２５から内部時刻を取得してもよい。フレーム送信部２７は、時刻情報挿入部２６において時刻情報が挿入された無線フレームを時刻スレーブ２へ送信する。

時刻スレーブ２では、時刻スレーブ２ａから配信された時刻情報を受信して自装置の内部時刻を時刻スレーブ２ａの時刻情報に同期させる処理を行う。時刻スレーブ２における時刻情報の動作は、実施の形態１と同様である。

時刻スレーブの段数がさらに増えて従属に３段以上になる無線通信システムでは、最も後段の時刻スレーブの構成を時刻スレーブ２とし、時刻マスタ１と時刻スレーブ２との間に配置されている時刻スレーブの構成を時刻スレーブ２ａとする。これにより、各装置間で時刻同期を繰り返し行うことができ、システム内の全時刻スレーブの時刻を時刻マスタ１に合わせた時刻同期を行うことができる。なお、図１１において、最も後段（２段目）の時刻スレーブを、時刻同期開始部２５等を備えていない時刻スレーブ２の構成としているが、最も後段（２段目）の時刻スレーブを、時刻スレーブ２ａの構成にしてもよい。

図１２は、複数台の時刻スレーブが従属に多段接続した場合の時刻同期の処理を示すシーケンス図である。

時刻マスタ１は、時刻同期開始（ステップＳ４０）時に、時刻スレーブ２ａに時刻情報をビーコンフレーム等で送信する（ステップＳ４１−１〜Ｍ）。

時刻スレーブ２ａは、時刻マスタ１から受信した時刻情報を用いて時刻同期処理を行い、時刻マスタ１の時刻に同期する。時刻スレーブ２ａは、時刻同期の判定処理により時刻マスタ１の時刻への時刻同期完了を判定し（ステップＳ４２）、時刻スレーブ２に対する時刻同期を開始する（ステップＳ４３）。時刻スレーブ２ａは、時刻同期開始（ステップＳ４３）時に、時刻スレーブ２に時刻情報をビーコンフレーム等で送信する（ステップＳ４４−１〜Ｍ）。

時刻スレーブ２は、時刻スレーブ２ａから受信した時刻情報を用いて時刻同期処理を行い、時刻スレーブ２ａの時刻に同期する。時刻スレーブ２は、時刻同期の判定処理により時刻スレーブ２ａの時刻への時刻同期完了を判定し（ステップＳ４５）、これ以降従属に接続する時刻スレーブがなければ、時刻同期処理を完了する。なお、時刻スレーブの段数が２段以上ある場合は、現在の時刻スレーブ２の構成を時刻スレーブ２ａの構成に置き換える。これにより、無線通信システムでは、以降の時刻スレーブに対して時刻同期処理を繰り返し行うことにより、システム内の全時刻スレーブの時刻を時刻マスタ１に合わせた時刻同期を行うことができる。

システム内の全時刻スレーブの時刻同期が完了した後も、時刻マスタ１では、時刻スレーブ２ａに時刻情報をビーコンフレーム等で定期的に送信する（ステップＳ４１−ｎ）。

時刻スレーブ２ａは、周波数発振器等に起因する時刻マスタ１の時刻変動に追従するように時刻補正を行う（ステップＳ４６）。また、時刻スレーブ２ａは、時刻スレーブ２に時刻情報をビーコンフレーム等で定期的に送信する（ステップＳ４４−ｎ）。

時刻スレーブ２は、周波数発振器等に起因する時刻スレーブ２ａの時刻変動に追従するように時刻補正を行う（ステップＳ４７）。時刻スレーブの段数が３段以上の場合でも、これを繰り返し行うことにより、無線通信システム内の全時刻スレーブの時刻を時刻マスタ１に合わせた時刻同期の補正を行う。なお、図１２において、ステップＳ４１−ｎ以降においては図示を簡略化しているが、ステップＳ４５までと同様に、Ｍ個の時刻情報を用いて時刻同期を行うものとする。

以上説明したように、本実施の形態では、時刻マスタ１が持つ時刻を周辺に通知し、時刻マスタ１と通信可能な範囲にある１段目の時刻スレーブ２ａは時刻マスタ１の内部時刻と同期し、時刻スレーブ２ａは同期した時刻を周辺に通知し、時刻スレーブ２ａと通信可能な範囲にある２段目の時刻スレーブ２は時刻スレーブ２ａに同期し、これを繰り返し行う構成とした。これにより、システム内の全時刻スレーブの時刻を時刻マスタ１に合わせた時刻同期を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる時刻同期装置は、無線通信システムに有用であり、特に、通信装置間の時刻同期に適している。

１ 時刻マスタ、２，２ａ 時刻スレーブ、１０ 基準時刻受信部、１１ マスタ時刻設定部、１２ マスタ内部時刻生成部、１３ 時刻情報挿入部、１４ フレーム送信部、２０ フレーム受信部、２１ 時刻情報抽出部、２２ 時刻同期フィルタ部、２３ スレーブ時刻設定部、２４ スレーブ内部時刻生成部、２５ 時刻同期開始部、２６ 時刻情報挿入部、２７ フレーム送信部、２２０ 時刻ずれ算出部、２２１ フィルタ時定数判定部、２２２ フィルタ処理部、２２３ 時刻ずれ推定部、２２４ 同期判定部、２２５ 遅延処理部。

Claims (7)

1. 時刻マスタと時刻スレーブとから構成される無線通信システムにおいて、前記時刻マスタの時刻に同期する前記時刻スレーブの時刻同期装置であって、
   前記時刻マスタから受信した前記時刻マスタの時刻情報と前記時刻情報受信時の前記時刻スレーブの内部時刻とを比較して、前記時刻情報に対する前記内部時刻の時刻ずれ量を算出する時刻ずれ算出手段と、
   前記時刻ずれ量から算出した変動量に基づいて、前記時刻ずれ量のフィルタ処理に使用するフィルタのフィルタ時定数の切り替え判定を行うフィルタ時定数判定手段と、
   前記フィルタ時定数により前記時刻ずれ量のフィルタ処理を行うフィルタ処理手段と、
   前記時刻ずれ量をフィルタ処理した値から時刻ずれを推定する時刻ずれ推定手段と、
   前記時刻ずれ推定手段による時刻ずれ推定値に基づいて、前記内部時刻を補正する時刻補正手段と、
   を備えることを特徴とする時刻同期装置。
2. 前記フィルタ時定数判定手段は、前記時刻ずれ量と前記フィルタ時定数の切り替え判定に使用するフィルタ判定閾値とを比較し、前記フィルタ判定閾値に対する前記時刻ずれ量の大小関係において、現在のフィルタ時定数に対応する状態とは異なる大小関係の状態が複数回連続して成立した場合に、前記フィルタ時定数を切り替える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の時刻同期装置。
3. さらに、
   前記時刻ずれ算出手段で算出された前記時刻ずれ量に対して遅延処理を行って前記フィルタ処理手段へ出力する遅延処理手段、
   を備え、
   前記フィルタ処理手段は、前記フィルタ判定閾値に対する状態が連続して複数回成立した場合の前記フィルタ時定数の切り替え処理タイミングを、その状態が始まった時点の前記時刻ずれ量に遡ってフィルタ処理を行う、
   ことを特徴とする請求項２に記載の時刻同期装置。
4. 前記時刻補正手段は、時刻同期開始時には前記時刻情報の初期値と前記内部時刻の初期値とから算出した初期時刻ずれ量、および前記時刻ずれ推定手段による前記時刻ずれ推定値に基づいて、前記内部時刻を補正し、以降は前記時刻ずれ推定手段による前記時刻ずれ推定値に基づいて、前記内部時刻を補正する、
   ことを特徴とする請求項１，２または３に記載の時刻同期装置。
5. さらに、
   前記時刻ずれ推定値に基づいて、前記時刻マスタに対して前記時刻スレーブが同期状態か非同期状態かの同期判定を行う時刻同期判定手段、
   を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の時刻同期装置。
6. 前記時刻同期判定手段は、前記時刻ずれ推定値と前記同期判定に使用する同期判定閾値とを比較し、前記同期判定閾値に対する前記時刻ずれ推定値の大小関係において、現在の状態に対応する大小関係とは異なる状態が複数回連続して成立した場合に、同期状態または非同期状態の判定を切り替える、
   ことを特徴とする請求項５に記載の時刻同期装置。
7. 前記無線通信システムに前記時刻スレーブが複数含まれ、前記時刻マスタと直接時刻同期できない時刻スレーブがある場合に、
   さらに、
   前記時刻同期判定手段で同期状態と判定されている場合に、他の時刻スレーブに対する時刻同期開始を判定する時刻同期開始手段と、
   自時刻スレーブの前記内部時刻から生成された時刻情報を、他の時刻スレーブへ送信する時刻情報送信手段と、
   を備えることを特徴とする請求項５または６に記載の時刻同期装置。