JP2016152487A - 時刻同期方法および時刻同期装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、遅延揺らぎ量を求めるために、特別なパケットを送受信する必要があった。【解決手段】基準時刻を有するマスター装置とスレーブ装置との間で時刻情報を含む時刻同期パケットを送受信してスレーブ装置の時刻をマスター装置の時刻に同期させる時刻同期方法において、マスター装置は、第１の計時部が出力する時間間隔で時刻同期パケットを送信し、スレーブ装置は、第１の計時部と同じ周期の時間間隔を出力する第２の計時部を有し、マスター装置が送信した時刻同期パケットの受信時刻と、第２の計時部が出力する時刻との第１の時間差を遅延揺らぎ量として求め、遅延揺らぎ量に基づきマスター装置から受信する時刻同期パケットの受信時刻を補正することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、パケット網を介して接続される装置間の時刻同期を実現する技術に関する。

パケット網を経由して接続される装置間で時刻同期パケット(ＰＴＰ(Precision Time Protocol)パケット)を送受信して時刻同期を行う技術が規格化されている(非特許文献１参照）。ところが、パケット網で発生する遅延揺らぎによって時刻誤差が生じるため、例えばμsオーダの高精度な時刻精度を得ることが困難であった。そこで、高精度な時刻同期を実現するために、遅延分布測定用の試験パケット（リファレンスパケット(以降、Refパケットと称する)）を送受信して、ＰＴＰパケット（Syncパケット、DelayReqパケットなど）の遅延揺らぎを補正する技術が検討されている(特許文献１参照）。ここで、基準時刻を有する時刻同期装置をマスター(Master)装置、マスター装置の時刻に同期させる時刻同期装置をスレーブ(Slave)装置とする場合、例えば、Slave装置は、Master装置から受信した１つ目のRefパケットを基準タイミングとして、以降に受信するRefパケットの受信タイミングと基準タイミングとの差分を受信毎に測定して遅延分布を計測する。ここで、Master装置およびSlave装置は、周波数同期された同じクロックで動作するため、Slave装置で送信周期を正確にカウントでき、遅延分布を精度良く計測することができる。そして、Slave装置は、Refパケットの遅延分布の最小値をベースにＰＴＰパケットの遅延揺らぎを補正する。

一方、波長多重システム等において、上り方向（Slave装置からMaster装置への方向）の遅延時間と下り（Master装置からSlave装置への方向）の遅延時間とが異なる非対称性（リンク非対称）の問題があり、リンク非対称を補正する技術が考えられている(非特許文献２参照）。

IEEE1588-2008 電子情報通信学会総合大会(2013年)、B-8-69、遅延時間の非対称性を考慮した時刻同期方式に関する検討、須田 他

特許第５５１８８０５号公報

ところが、Refパケットを用いて遅延揺らぎ量を求める方式は、次のような課題がある。Refパケットは、IEEE1588-2008の規格において未規定のパケットであるため、一般的な装置には適用できない。また、Refパケットの送受信が行われるため、通信帯域が通常よりも多く消費される。さらに、Refパケットの送受信処理を行うため、装置の処理負荷が重くなる。また、Refパケットの遅延分布の測定に時間がかかるため、運用開始まで数時間程度のリードタイムが生じるなどの問題がある。

本発明は、特別なパケットを送受信することなく遅延揺らぎを補正することにより、高精度な時刻同期を行うことができる時刻同期方法および時刻同期装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、基準時刻を有するマスター装置とスレーブ装置との間で時刻情報を含む時刻同期パケットを送受信してスレーブ装置の時刻をマスター装置の時刻に同期させる時刻同期方法において、マスター装置は、第１の計時部が出力する時間間隔で時刻同期パケットを送信し、スレーブ装置は、第１の計時部と同じ周期の時間間隔を出力する第２の計時部を有し、マスター装置が送信した時刻同期パケットの受信時刻と、第２の計時部が出力する時刻との第１の時間差を遅延揺らぎ量として求め、遅延揺らぎ量に基づきマスター装置から受信する時刻同期パケットの受信時刻を補正することを特徴とする。

第２の発明は、スレーブ装置は、遅延揺らぎ量で補正された時刻同期パケットの受信時刻に基づいてマスター装置の時刻と自装置の時刻とのオフセットを算出し、算出したオフセットにより自装置の時刻を補正してマスター装置の時刻に同期させることを特徴とする。

第３の発明は、マスター装置は、送信間隔をランダムに変動させて時刻同期パケットを送信し、時刻同期パケットの送信時刻と第１の計時部が出力する時刻との第２の時間差を算出してスレーブ装置に通知し、スレーブ装置は、第１の時間差と第２の時間差との差分を遅延揺らぎ量として求めることを特徴とする。

第４の発明は、基準時刻を有するマスター装置が予め決められた時間間隔で送信する時刻同期パケットを受信する受信部と、マスター装置が時刻同期パケットを送信する時間間隔と同じ時間間隔を出力する第１の計時部と、受信部が時刻同期パケットを受信した時刻と計時部が出力する時刻との第１の時間差を求める算出部と、算出部が求めた第１の時間差により、受信部がマスター装置から受信する時刻同期パケットの受信時刻を補正する遅延揺らぎ補正部とを有することを特徴とする。

第５の発明は、遅延揺らぎ補正部が補正した時刻同期パケットの時刻情報に基づいてマスター装置の時刻と自装置の時刻とのオフセットを算出し、算出したオフセットにより自装置の時刻を補正してマスター装置の時刻に同期させる時刻同期部をさらに有することを特徴とする。

第６の発明は、遅延揺らぎ補正部は、マスター装置が送信間隔をランダムに変動させて送信する時刻同期パケットの送信時刻と予め決められた時間間隔との第２の時間差を示す情報をマスター装置から受信し、第１の時間差と第２の時間差との差分を遅延揺らぎ量として求めることを特徴とする。

本発明に係る時刻同期方法および時刻同期装置は、特別なパケットを送受信することなく遅延揺らぎを補正することにより、高精度な時刻同期を行うことができる。

ネットワーク構成の一例を示す図である。 パケットシーケンスの一例を示す図である。 Unicastにおけるパケットの送受信間隔の一例を示す図である。 Multicastにおけるパケットの送受信間隔の一例を示す図である。 遅延揺らぎ量の測定基準の設定方法の一例を示す図である。 Master装置およびSlave装置の機能ブロックの一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る時刻同期方法および時刻同期装置の実施形態について説明する。

図１は、ネットワーク構成の一例を示す。図１（ａ）は、１台のMaster装置１０１と１台のSlave装置１０２とがパケット網１０３を介して接続される例を示す。図１（ｂ）は、Master装置１０１（０）およびMaster装置１０１（１）と、２系統のSlave装置１０２（０）およびSlave装置１０２（１）を有するSlave装置１０２とが接続される例を示す。図１（ｂ）の例では、Master装置１０１（０）とSlave装置１０２（０）とが伝送路１０４を介して接続され、Master装置１０１（１）とSlave装置１０２(１)とがパケット網１０３を介して接続されている。

本実施形態では、パケット網１０３を介してＰＴＰパケットを送受信して時刻同期を図る場合のＰＴＰパケットの遅延揺らぎ量を把握して補正処理を行うと共に、リンク非対称な状態における補正処理を行って装置間の時刻同期を図ることができる。本実施形態で説明する時刻同期方法は、図１（ａ）の場合は、Master装置１０１およびSlave装置１０２などの時刻同期装置に適用可能である。図１（ｂ）の場合は、点線で囲んだ部分のMaster装置１０１（１）およびSlave装置１０２のSlave部１１２（１）などの時刻同期装置に適用可能である。いずれの場合も、ネットワーク装置（スイッチ等）におけるパケットの遅延揺らぎやリンク非対称な遅延が発生するパケット網１０３を介してＰＴＰパケットが送受信される。なお、パケット網１０３を利用しない伝送路１０４で接続されるMaster装置１０１（０）とSlave装置１０２（０）との間は、遅延揺らぎが無く、且つリンク非対称による遅延時間差も無い経路なので、パケット網１０３を介してＰＴＰパケットを送受信する場合に比べて高精度に時刻同期を図ることができる。

以下の実施形態では、図１（ｂ）に示したようなSlave装置１０２がSlave部１１２（０）およびSlave部１１２（１）の２系統の時刻同期部を有する場合について説明する。なお、Master装置１０１（０）、Master装置１０１（１）、Slave部１１２（０）およびSlave部１１２（１）は、IEEE1588-2008の規格に記載されたＰＴＰパケットによる時刻同期の機能を有する。

図１（ｂ）において、Slave部１１２（０）はMaster装置１０１（０）から取得した時刻、もしくは外部装置に時刻同期せず自走状態で生成された時刻に基づき動作する。Master装置１０１（０）は、GNSS(Global Navigation Satellite System)に同期する時刻に基づき動作する。或いは、Master装置１０１（０）は、Master装置１０１（１）と同様にパケットベースの時刻同期機能を具備してもよい。なお、本実施形態では、Master装置１０１（０）およびMaster装置１０１（１）の時刻情報の取得形態はいずれの方法であっても構わない。

図２は、Master装置１０１（１）とSlave装置１０２のSlave部１１２（１）との間で送受信されるパケットシーケンスの一例を示す。

ここで、以降で説明するパラメータを以下の通り定義する。
tm：Master装置の時刻
ts：Slave装置の時刻
SyncInterval：Syncパケットの送信間隔
DelayReqInterval：DelayReqパケットの送信間隔
SyncGap_m：Syncパケットの送信時刻とインターバルタイマの時刻との差(遅延量)
SyncGap_s：Syncパケットの受信時刻とインターバルタイマの時刻との差(遅延量)
DelayReqGap_s：DelayReqパケットの送信時刻とインターバルタイマの時刻との差(遅延量)
DelayReqGap_m：DelayReqパケットの受信時刻とインターバルタイマの時刻との差(遅延量)
ΔJms,ΔJsm：遅延揺らぎ量（可変値）
A：上り方向の遅延時間と下り方向の遅延時間との差（リンク非対称の遅延時間差）
なお、パラメータの末尾のｍはMaster装置１０１、ｓはSlave装置１０２を意味し、ΔJmsはMaster装置１０１からSlave装置１０２への下り方向のパラメータ、ΔJsmはSlave装置１０２からMaster装置１０１への上り方向のパラメータであることを示す。同様に、tmはMaster装置１０１側の時刻、tsはSlave装置１０２側の時刻をそれぞれ示す。以降で説明する各パラメータについても同様のルールで符号を付加する。
（Syncパケット１５１の遅延揺らぎ量）
図２において、Master装置１０１（１）とSlave部１１２（１）との時刻が同期している場合、Master装置１０１（１）の時刻tm1は、Slave部１１２（１）の時刻ts1に対応する。そして、例えば、Master装置１０１（１）が時刻tm1に送信したパケット（Syncパケット１５１）は、時刻ts1にSlave部１１２（１）により受信される。ここで、Master装置１０１からSlave装置１０２への経路には、伝送路遅延や中継装置の処理遅延などの固定遅延量と、遅延揺らぎ量ΔJmsのような可変遅延量とが存在し、これらの合計時間はts2とts1との時間差に相当する。なお、時刻tx1は、伝送路遅延だけの場合のSyncパケット１５１の受信時刻を示す。

ここで、Syncパケット１５１は、Master装置１０１（１）内のインターバルタイマによって生成された送信間隔（SyncInterval(sec:秒))でSlave装置１０２のSlave部１１２（１）に送信される。

一方、Syncパケット１５１の受信側であるSlave部１１２（１）においても、Master装置１０１（１）と同様に、Slave部１１２（１）内部のインターバルタイマによってSyncInterval(秒)が生成される。なお、IEEE1588-2008の規格において、Syncパケット１５１のSyncIntervalは固定値であることが規定されている。Master装置１０１（１）とSlave部１１２（１）とのインターバルタイマをカウントするクロックの周波数が同期している場合、Master装置１０１（１）のSyncIntervalとSlave装置１０２のSyncIntervalは同じである。

ここで、Master装置１０１（１）は、時刻tm1にSyncパケット１５１をSlave装置１０２に送信し、SyncIntervalの送信間隔で毎回、時刻tm1にSyncパケット１５１をSlave装置１０２に送信するものとする。一方、Slave部１１２（１）は、例えばSyncパケット１５１をMaster装置１０１（１）から受信した時刻ts2を基準にしてインターバルタイマを動作させた場合、次のSyncIntervalの時刻ts2で次のSyncパケット１５１を受信するはずである。しかし、パケット網１０３における遅延揺らぎの影響により、Syncパケット１５１の受信時刻が時刻ts2の前後にずれる。図２の例では、次のSyncパケット１５１を時刻t2'に受信しているので、このときの時間差SyncGap_sは（ts2 - ts2'）となる。この時間差SyncGap_sが遅延揺らぎ量ΔJmsである(式１)。
ΔJms = SyncGap_s … (式１)
（DelayReqパケット１５２の遅延揺らぎ量）
同様に、Master装置１０１（１）とSlave部１１２（１）との時刻が同期している場合、Slave部１１２（１）の時刻ts3は、Master装置１０１（１）の時刻tm3に対応する。そして、例えば、Slave部１１２（１）が時刻ts3に送信したパケット（DelayReqパケット１５２）は、時刻tm4にMaster装置１０１（１）により受信される。ここで、Slave部１１２（１）からMaster装置１０１（１）への経路には、伝送路遅延や中継装置の処理遅延などの固定遅延量と、遅延揺らぎ量ΔJsmのような可変遅延量とが存在し、これらの合計時間はtm4とtm3との時間差に相当する。なお、時刻tx2は、伝送路遅延だけの場合のDelayReqパケット１５２の受信時刻を示す。

ここで、DelayReqパケット１５２は、Syncパケット１５１と同様に、Slave部１１２（１）内部のインターバルタイマによって生成された送信間隔（DelayReqInterval(sec:秒))でMaster装置１０１（１）に送信される。

一方、DelayReqパケット１５２の受信側であるMaster装置１０１（１）内部のインターバルタイマによってDelayReqInterval(秒)が生成される。Slave部１１２（１）とMaster装置１０１（１）とのインターバルタイマをカウントするクロックの周波数が同期している場合、Slave部１１２（１）のDelayReqIntervalとMaster装置１０１（１）のDelayReqIntervalは等しい。

ここで、IEEE1588-2008の規格では、DelayReqパケット１５２の送信間隔DelayReqIntervalは、固定値(Unicastモデル)、もしくは、ランダム(Multicastモデル)とすることができると規定されている。
［Unicastモデルの場合］
DelayReqパケット１５２の送信間隔が固定値なので、Syncパケット１５１の場合と同様に、送信側のSlave装置１０２のインターバルタイマによって生成された送信間隔DelayReqInterval(秒)でDelayReqパケット１５２が送信される。一方、受信側のMaster装置１０１（１）は、内部のインターバルタイマによりSlave装置１０２と同じDelayReqIntervalの間隔がカウントされている。そして、Master装置１０１（１）は、内部のインターバルタイマの起点(終点)が示すDelayReqIntervalの時刻とDelayReqパケット１５２の受信時刻との時間差DelayReqGap_mを記録することで、DelayReqパケット１５２がパケット網１０３で受けた遅延揺らぎ量ΔJsmを求めることができる。

図２において、Master装置１０１（１）とSlave装置１０２との時刻が同期しているものとし、Slave装置１０２の時刻ts3は、Master装置１０１（１）の時刻tm3に対応する。また、Master装置１０１（１）のDelayReqIntervalとSlave装置１０２のDelayReqIntervalは、Unicastモデルの場合、同じ固定値である。

Slave装置１０２は、時刻ts3にDelayReqパケット１５２をMaster装置１０１（１）に送信する。ここで、Slave装置１０２は、DelayReqIntervalの送信間隔で毎回、時刻ts3にDelayReqパケット１５２をMaster装置１０１（１）に送信した場合でも、パケット網１０３における遅延揺らぎ量が有るため、Master装置１０１（１）がDelayReqパケット１５２を受信する時刻がばらつく。

図２の例では、DelayReqIntervalの時刻ts3にSlave装置１０２が送信したDelayReqパケット１５２は時刻tm4にMaster装置１０１（１）に受信される。そして、次のDelayReqIntervalの同じ時刻ts3にSlave装置１０２が送信したDelayReqパケット１５２は、Master装置１０１（１）とSlave部１１２（１）とのインターバルタイマをカウントするクロックの周波数が同期している場合、時刻tm4で受信されるはずである。しかし、パケット網１０３における遅延揺らぎの影響により、DelayReqパケット１５２の受信時刻が時刻tm4の前後にずれる。図２の例では、次のDelayReqパケット１５２を時刻tm4'に受信しているので、このときの時間差DelayReqGap_mは（tm4 - tm4'） となる。この時間差DelayReqGap_mが遅延揺らぎ量ΔJsmである (式２)。
ΔJsm = DelayReqGap_m … (式２)
［Multicastモデルの場合］
Multicastモデルの場合のDelayReqパケット１５２の送信間隔DelayReqIntervalはランダムである。例えば、送信側のSlave部１１２（１）において、DelayReqパケット１５２の送信間隔は、平均が2^{log(MinDelayReqInterval)}(秒)、範囲は0から2^{log(MinDelayReqInterval + 1)}(秒)の一様分布に従って、ランダムに決定される。そして、Slave部１１２（１）は、ランダムに決定されたDelayReqIntervalの送信間隔でDelayReqパケット１５２をMaster装置１０１（１）に送信する。このとき、Slave部１１２（１）は、内部のインターバルタイマにより生成されたDelayReqIntervalの起点(終点)の時刻と、上記のようにして決定されたランダムの時間間隔で送信されるDelayReqパケット１５２の送信時刻と、の時間差DelayReqGap_sを記録する。一方、受信側のMaster装置１０１（１）は、Unicastモデルと同様に、内部のインターバルタイマにより生成されたDelayReqIntervalの起点(終点)の時刻と、DelayReqパケット１５２の受信時刻と、の時間差DelayReqGap_mを記録する。

そして、MulticastモデルにおけるDelayReqパケット１５２の遅延揺らぎ量は、送信時刻の遅延揺らぎ量を考慮して（式３）により求めることができる。
ΔJsm = DelayReqGap_m - DelayReqGap_s … (式３)
なお、例えばインターバルタイマのカウントの起点を0とし、インターバルタイマの起点より早い場合は負の値、遅い場合は正の値を取ることとする。

以上、図２で説明したように、Syncパケット１５１により、Master装置１０１（１）からSlave装置１０２への遅延揺らぎ量ΔJmsが求められ、DelayReqパケット１５２により、Slave装置１０２からMaster装置１０１（１）への遅延揺らぎ量ΔJsmが求められる。

図３は、Unicastにおいて、Master装置１０１（１）とSlave装置１０２のSlave部１１２（１）との間で送受信される各パケットの送受信間隔の一例を示す。図３において、横軸は時軸を示す。

図３（ａ）は、送信方向がMaster装置１０１（１）からSlave装置１０２への各パケットの送受信間隔の一例を示し、図３（ｂ）は、送信方向がSlave装置１０２からMaster装置１０１への各パケットの送受信間隔の一例を示す。図３（ａ）において、Syncパケット１５１は、Master装置１０１（１）内部のインターバルタイマによって予め決められたSyncIntervalの送信間隔でMaster装置１０１（１）からSlave装置１０２へ送信される。例えば図３（ａ）の場合、Master装置１０１（１）が送信するSyncパケット(n-1)をSlave装置１０２が受信するまでの時間はt(n-1)である。同様に、Master装置１０１（１）が送信するSyncパケット(n)をSlave装置１０２が受信するまでの時間はt(n)、Syncパケット(n+1)をSlave装置１０２が受信するまでの時間はt(n+1)である。

ここで、Slave装置１０２内部のインターバルタイマは、Master装置１０１（１）と同じ予め決められたSyncIntervalの受信間隔を出力する。そして、遅延揺らぎが無い場合、インターバルタイマの起点(終点)の時刻と、Syncパケット１５１の受信時刻との時間差SyncGap_sは、Syncパケット１５１（ｎ−１）とSyncパケット１５１（ｎ）とSyncパケット１５１（ｎ＋１）とで同じになる。しかし、図２で説明したように、遅延揺らぎが有る場合、インターバルタイマの起点(終点)の時刻と、Syncパケット１５１の受信時刻との時間差SyncGap_sは、Syncパケット１５１（ｎ−１）とSyncパケット１５１（ｎ）とSyncパケット１５１（ｎ＋１）とで同じにならず、ばらつく。

このように、Slave装置１０２のSlave部１１２（１）は、内部のインターバルタイマの起点(終点)が示すSyncIntervalの時刻とSyncパケット１５１の受信時刻との時間差SyncGap_sを記録することで、Syncパケット１５１がパケット網１０３で受けた遅延揺らぎ量を求めることができる。

同様に、図３（ｂ）において、DelayReqパケット１５２は、Slave部１１２（１）内部のインターバルタイマによって予め決められたDelayReqIntervalの送信間隔でSlave部１１２（１）からMaster装置１０１（１）へ送信される。例えば図３（ａ）の場合、Slave部１１２（１）が送信するDelayReqパケット１５２(n-1)をMaster装置１０１（１）が受信するまでの時間はt(n-1)である。同様に、Slave部１１２（１）が送信するDelayReqパケット１５２(n)をMaster装置１０１（１）が受信するまでの時間はt(n)、DelayReqパケット１５２(n+1)をMaster装置１０１（１）が受信するまでの時間はt(n+1)である。

ここで、Master装置１０１（１）内部のインターバルタイマは、Slave部１１２（１）と同じ予め決められたDelayReqIntervalの受信間隔を出力する。そして、遅延揺らぎが無い場合、インターバルタイマの起点(終点)の時刻と、DelayReqパケット１５２の受信時刻との時間差DelayReqGap_mは、DelayReqパケット１５２（ｎ−１）とDelayReqパケット１５２（ｎ）とDelayReqパケット１５２（ｎ＋１）とで同じになる。しかし、図２で説明したように、遅延揺らぎが有る場合、インターバルタイマの起点(終点)の時刻と、DelayReqパケット１５２の受信時刻との時間差DelayReqGap_mは、DelayReqパケット１５２（ｎ−１）とDelayReqパケット１５２（ｎ）とDelayReqパケット１５２（ｎ＋１）とで同じにならず、ばらつく。

このように、Master装置１０１（１）は、内部のインターバルタイマの起点(終点)が示すDelayReqIntervalの時刻とDelayReqパケット１５２の受信時刻との時間差DelayReqGap_mを記録することで、DelayReqパケット１５２がパケット網１０３で受けた遅延揺らぎ量を求めることができる。

ここで、図３（ａ）において、Master装置１０１（１）は、内部のインターバルタイマの起点(終点)が示すSyncIntervalの時刻とSyncパケットの送信時刻との時間差SyncGap_mをSyncIntervalの周期毎に求める。なお、時間差SyncGap_mは、ほとんど無視できる程度の微小の処理遅延であり、図３（ａ）には示していない。そして、Master装置１０１（１）は、求めた時間差SyncGap_mを次の周期のSyncパケット１５１のcorrectionFieldに付加して、Slave部１１２（１）に通知する。もしくは、Master装置１０１（１）は、Syncパケット１５１の送信時刻tm1をSlave部１１２（１）に通知するFollowupパケット(不図示)のcorrectionFieldに時間差SyncGap_mを付加して、Slave部１１２（１）に通知してもよい。これにより、送信側のMaster装置１０１（１）のSyncIntervalに対して、インターバルタイマの起点（終点）の時刻とSyncパケット１５１の送信時刻との時間差SyncGap_mを記録することで、Syncパケット１５１がMaster装置１０１（１）内（例えば処理時間のばらつきなど）で受けた遅延揺らぎ量を把握することができる。

また、DelayReqGap_mは、DelayRespパケット１５３のcorrectionFieldに付加され、Master装置１０１（１）からSlave部１１２（１）に通知される。一方、Slave部１１２（１）側で求められるSyncGap_sおよびDelayReqGap_sは、それぞれの値をSlave部１１２（１）側で保持し、時刻オフセット算出時に、各パケットの送受信時刻と共に使用される。

このようにして、Syncパケット１５１、DelayReqパケット１５２の相対的な遅延揺らぎ量が求められる。

図４は、Multicastにおいて、Master装置１０１（１）とSlave装置１０２のSlave部１１２（１）との間で送受信される各パケットの送受信間隔の一例を示す。図３において、横軸は時軸を示す。

図４（ａ）は、送信方向がMaster装置１０１（１）からSlave装置１０２へ送信されるSyncパケット１５１の送受信間隔の一例を示すが、Syncパケット１５１は固定間隔で送信されるので、図３（ａ）と同じであり、重複する説明は省略する。

図４（ｂ）は、送信方向がSlave装置１０２からMaster装置１０１へ送信されるDelayReqパケット１５２の送受信間隔の一例を示す。図４（ｂ）は、Unicastの図３（ｂ）と異なり、DelayReqパケット１５２の送信間隔は、DelayReqIntervalではなく、平均が2^{log(MinDelayReqInterval)}(秒)、範囲は0から2^{log(MinDelayReqInterval + 1)}(秒)の一様分布に従って、ランダムに決定される。例えば、図４（ｂ）において、DelayReqパケット１５２は、Slave部１１２（１）が上記の一様分布に従ってランダムに決められた送信間隔でSlave部１１２（１）からMaster装置１０１（１）へ送信される。例えば図４（ｂ）の場合、DelayReqパケット１５２（ｎ−１）とDelayReqパケット１５２（ｎ）との間の送信間隔は、DelayReqパケット１５２（ｎ）とDelayReqパケット１５２（ｎ＋１）との間の送信間隔よりも短い。このように、DelayReqパケット１５２の送信は、固定間隔ではなくランダムな間隔で行われる。つまり、図４（ａ）に示すように、送信側のSlave部１１２（１）がDelayReqパケット１５２を送信する時刻と、DelayReqIntervalの起点（終点）の時刻との間に時間差DelayReqGap_sが生じる。

一方、図４（ｂ）において、Slave部１１２（１）が送信するDelayReqパケット１５２(n-1)をMaster装置１０１（１）が受信するまでの時間はt(n-1)である。同様に、Slave部１１２（１）が送信するSyncパケット(n)をMaster装置１０１（１）が受信するまでの時間はt(n)、Syncパケット(n+1)をMaster装置１０１（１）が受信するまでの時間はt(n+1)である。そして、例えばDelayReqパケット１５２（ｎ）の場合、図３（ｂ）と同じ考え方により、Master装置１０１（１）内部のインターバルタイマの起点(終点)の時刻と、DelayReqパケット１５２の受信時刻との時間差DelayReqGap_mを求めることができる。そして、遅延揺らぎ量ΔJsmは、送信側のSlave部１１２（１）のDelayReqGap_sと、受信側のMaster装置１０１（１）のDelayReqGap_mとの差として求めることができる。
（処理詳細）
次に、Slave装置１０２のSlave部１１２（１）における時刻offsetの算出方法について詳しく説明する。

Unicastモデルの場合、図３で説明したように、Syncパケット１５１の遅延揺らぎ量ΔJmsおよびDelayReqパケット１５２の遅延揺らぎ量ΔJsmは、（式４）および（式５）で求められる。
ΔJms = SyncGap_s … (式４)
ΔJsm = DelayReqGap_m … (式５)
なお、送信側の装置内で処理時間のばらつきなどにより生じた装置内遅延を差し引くようにしてもよい。この場合、例えば（式４）は、Master装置１０１（１）の装置内遅延をSyncGap_mとすると、パケット網で受けた遅延揺らぎ量ΔJmsは、SyncGap_s - SyncGap_mとして求めることができる。

また、Multicastモデルの場合、図４で説明したように、Syncパケット１５１の遅延揺らぎ量ΔJmsおよびDelayReqパケット１５２の遅延揺らぎ量ΔJsmは、（式６）および（式７）で求められる。なお、Syncパケット１５１のSyncIntervalは、Multicastモデルの場合でも固定値なので、Unicastモデルの場合と同じである。
ΔJms = SyncGap_s … (式６)
ΔJsm = DelayReqGap_m - DelayReqGap_s … (式７)
また、時刻offsetは、Master装置１０１（１）の時計に対するSlave部１１２（１）の時計の時刻差であり、（式８）で求められる。
offset = ts - tm … (式８)
なお、tm：Master装置１０１（１）の時刻、ts：Slave部１１２（１）の時刻を示す。

ここで、ＰＴＰパケットが対向装置に到達するまでの遅延時間Dは以下の関係がある。
遅延時間D = 伝送路遅延T ＋ 装置処理遅延P ＋ 遅延揺らぎΔJ … (式９)
ここで、D：Master装置１０１（１）の時刻、ts：Slave装置１０２の時刻を示す。
（リンク非対称の遅延時間差）
遅延時間は、Master装置１０１（１）からSlave装置１０２への方向と、Slave装置１０２からMaster装置１０１（１）への方向とで値が異なるというリンク非対称の問題がある。
各パラメータを以下の通り定義する。
Tms,Tsm：中継伝送路における伝送路遅延（固定値）
Pms,Psm：中継装置の処理遅延（固定値）
ΔJms,ΔJsm：中継装置でのパケット衝突による遅延揺らぎ量（可変値）
Dms,Dsm：遅延量
A：上り方向の遅延時間と下り方向の遅延時間との遅延時間差
ここで、Master装置１０１（１）とSlave部１１２（１）との間で送受信されるパケットの遅延量DmsおよびDsmは、（式１０）および（式１１）の関係がある。
Dms = Tms + Pms + ΔJms … (式１０)
Dsm = Tsm + Psm + ΔJsm … (式１１)
また、遅延揺らぎ量を補正した後の遅延量Dms’およびDsm’は、（式１２）および（式１３）で表され、上り方向の遅延時間と下り方向の遅延時間との遅延時間差Aは（式１４）で表される。
Dms’= Tms + Pms … （式１２）
Dsm’= Tsm + Psm … （式１３）
A = Dms’- Dsm’
= (Tms + Pms) - (Tsm + Psm) … （式１４）
次に、Slave部１１２（１）側での時刻のoffsetの算出およびリンク非対称の遅延時間差の補正方法について説明する。なお、offsetは、Master装置１０１（１）の時計に対するSlave部１１２（１）の時計の時刻のずれであり、（式１５）で表される。
offset = ts - tm … （式１５）
ここで、図１の０系の時刻パスにおいて、Master装置１０１（０）の時計に対するSlave装置１０２のSlave部１１２（０）の時計の時刻のずれをoffset(0)とすると、（式１６）および（式１７）の関係を有し、offset(0)は（式１８）により導出される。
ts2(0) - tm1(0) = Tms(0) + offset(0) … （式１６）
tm4(0) - ts3(0) = Tsm(0) - offset(0) … （式１７）
offset(0) = [(ts2(0) - tm1(0)) - (tm4(0) - ts3(0)) - (Tms(0) - Tsm(0))] / 2 … （式１８）
一方、図１の１系の時刻パスにおいて、Master装置１０１（１）の時計に対するSlave装置１０２のSlave部１１２（１）の時計の時刻のずれをoffset(1)とすると、（式１９）および（式２０）の関係を有し、offset(1)は（式２１）により導出される。
ts2(1) - tm1(1) = Dms’(1) + ΔJms(1) + offset(1) … （式１９）
tm4(1) - ts3(1) = Dsm’(1) + ΔJsm(1) - offset(1) … （式２０）
offset(1) = [(ts2(1) - ΔJms(1) - tm1(1)) - (tm4(1) - ΔJsm(1) - ts3(1)) - (A(1))] / 2 … （式２１）
ここで、遅延時間差Aは未知量であるため、Slave部１１２（１）の１系の時刻パスでは時刻誤差A(1)/2が生じる。このとき、Aに起因する時刻誤差ΔTは、０系の時刻パスと１系の時刻パスとの差分として（式２２）により算出できる。
ΔT = ts(1) - ts(0)
= tm(1) - tm(0) + offset(1) - offset(0) … （式２２）
そして、（式２３）に示すように、時刻誤差ΔTを１系の時刻パスの時刻(ts(1))に加算することで、リンク非対称による遅延時間差を除去した時刻(ts(1)')を求めることができる。
ts(1)’ = ts(1) - ΔT … （式２３）
以上のように、0系の時刻パスの時刻誤差と同程度に1系のパスの時刻をMaster装置１０１（１）の時刻に合せることが可能となる。本実施形態の処理を実施することで、1系の時刻パスにおいて、インターバルカウンタのカウント始点(終点)がMaster装置１０１（１）とSlave部１１２（１）との間でずれていることに起因する0系の時刻パスとの時刻誤差を解消できる。

また、一旦、Slave部１１２（１）の１系の時刻パスの時刻を１系のMaster装置１０１（１）に合せてしまえば、その後の固定的な時刻誤差は解消できる。可変的な時刻誤差は随時補正が可能であるため、リンク非対称の遅延時間差を補正した後で０系の時刻パスを廃止した場合でも、Slave部１１２（１）は、１系の時刻パス単独で高精度な時刻を維持することができる。

ここで、図１（ａ）のように、0系の時刻パスの接続が無い場合、遅延分布の測定に時間がかかるが、例えば特許文献１と同様の手法によりＰＴＰパケットの遅延分布を測定し、遅延分布の最小値を基準に遅延揺らぎ量を把握し、補正を行う方法も実施可能である。

図５は、遅延分布の最小値を基準にして遅延揺らぎ量の補正を行う場合の各パケットの送受信例を示す。図５において、横軸は時軸を示す。なお、図５は、図４と同様のタイミングを示す。

図５（ａ）は、送信方向がMaster装置１０１（１）からSlave装置１０２への各パケットの送受信例を示し、図５（ｂ）は、送信方向がSlave装置１０２からMaster装置１０１への各パケットの送受信例を示す。図５（ａ）において、Master装置１０１（１）は、Syncパケット１５１を一定の間隔で送信するが、Slave部１１２（１）が受信する間隔は、遅延揺らぎが生じるため一定にはならない。そこで、図５（ａ）に示すように、Slave装置１０２は、Syncパケット１５１の受信タイミングtr1と基準タイミングtrs1との差分SyncGap_sを受信周期毎に測定して遅延分布(確率密度分布)を計測する。そして、Slave部１１２（１）は、Syncパケット１５１の遅延分布の最小値を測定基準にしてSyncパケット１５１の遅延揺らぎを補正する。ここで、測定基準は、予め決められた学習期間における遅延分布を計測して、学習期間毎に変更する。例えば、Slave部１１２（１）は、Master装置１０１（１）からSyncパケット１５１を受信する毎に、その時点から過去の学習期間における遅延分布を計測して測定基準を変更する。

同様に、図５（ｂ）において、Master装置１０１（１）は、Slave部１１２（１）からランダムに送信されるDelayReqパケット１５２を受信したときの（式７）で求められる時間差DelayReqGap_m - DelayReqGap_sを受信周期毎に測定して遅延分布を計測する。そして、Master装置１０１（１）は、DelayReqパケット１５２の遅延分布の最小値を測定基準にしてDelayReqパケット１５２の遅延揺らぎを補正する。ここで、測定基準は、図５（ａ）のSyncパケット１５１の場合と同様に、予め決められた学習期間における遅延分布を計測して、学習期間毎に変更する。

図６は、本実施形態に係るMaster装置１０１（１）およびSlave装置１０２のSlave部１１２（１）の一例を示す。

図６において、Master装置１０１（１）は、周波数生成部２０１、周波数抽出部２０２、Master時計２０３、ＰＴＰ処理部２０４、遅延揺らぎ補正部２０５、送信部２０６、受信部２０７、タイマ制御部２０８、インターバルタイマ２０９、Ｇａｐ算出部２１０、タイマ制御部２１１、インターバルタイマ２１２およびＧａｐ算出部２１３を有する。

周波数生成部２０１は、周波数抽出部２０２が出力する周波数成分に同期した周波数のクロックを生成する。

周波数抽出部２０２は、例えば外部から与えられる信号から周波数成分を抽出して周波数生成部２０１に出力する。

Master時計２０３は、Master装置１０１（１）の時刻情報を保持する時計である。

ＰＴＰ処理部２０４は、IEEE1588-2008の規格に準拠した各種パケットの生成、シーケンス処理およびオフセット演算処理などを行う。例えばＰＴＰ処理部２０４は、遅延揺らぎ補正部２０５および送信部２０６を介してSlave装置１０２のSlave部１１２（１）との間でＰＴＰパケット（Syncパケット１５１、DelayReqパケット１５２およびDelayRespパケット１５３など）を送受信して、Slave部１１２（１）がMaster時計２０３の時刻に同期するための時刻情報などを提供する。

遅延揺らぎ補正部２０５は、図３から図５で説明した方法により、遅延揺らぎ量を算出し、ＰＴＰ処理部２０４が処理する時刻情報の補正やＰＴＰ処理部２０４が求めたオフセットの補正を行う。

送信部２０６は、Master装置１０１（１）からSlave部１１２（１）へＰＴＰパケットを送信する送信回路を有する。そして、送信部２０６は、ＰＴＰパケットの送信タイミングの情報をタイマ制御部２１１に出力する。

受信部２０７は、Slave部１１２（１）から送信されるＰＴＰパケットを受信する受信回路を有する。そして、受信部２０７は、ＰＴＰパケットの受信タイミングの情報をタイマ制御部２０８に出力する。

タイマ制御部２０８は、受信部２０７から入力する受信タイミングの情報に基づいて、インターバルタイマ２０９の動作を制御する。

インターバルタイマ２０９は、周波数生成部２０１が出力するクロックにより予め決められた時間をカウントするタイマである。なお、インターバルタイマ２０９は、タイマ制御部２０８により制御され、カウントの開始点や終了点をＧａｐ算出部２１０に出力する。

Ｇａｐ算出部２１０は、受信部２０７が出力するＰＴＰパケットの受信時刻と、インターバルタイマ２０９が出力するカウントの開始点（終了点）の時刻との時間差を算出し、遅延揺らぎ補正部２０５に出力する。

タイマ制御部２１１は、送信部２０６から入力する送信タイミングの情報に基づいて、インターバルタイマ２１２の動作を制御する。

インターバルタイマ２１２は、周波数生成部２０１が出力するクロックにより予め決められた時間をカウントするタイマである。なお、インターバルタイマ２１２は、タイマ制御部２１１により制御され、カウントの開始点や終了点をＧａｐ算出部２１３に出力する。

Ｇａｐ算出部２１３は、送信部２０６が出力するＰＴＰパケットの送信時刻と、インターバルタイマ２１２が出力するカウントの開始点（終了点）の時刻との時間差を算出し、遅延揺らぎ補正部２０５に出力する。

一方、図６において、Slave部１１２（１）は、周波数生成部３０１、周波数抽出部３０２、Slave時計３０３、ＰＴＰ処理部３０４、遅延揺らぎ補正部３０５、送信部３０６、受信部３０７、タイマ制御部３０８、インターバルタイマ３０９、Ｇａｐ算出部３１０、タイマ制御部３１１、インターバルタイマ３１２およびＧａｐ算出部３１３を有する。

周波数生成部３０１は、周波数抽出部３０２が出力する周波数成分に同期した周波数のクロックを生成する。

周波数抽出部３０２は、例えばMaster装置１０１（１）から受信する信号から周波数成分を抽出して周波数生成部３０１に出力する。

Slave時計３０３は、Slave部１１２（１）の時刻情報を保持する時計である。

ＰＴＰ処理部３０４は、IEEE1588-2008の規格に準拠した各種パケットの生成、シーケンス処理およびオフセット演算処理などを行う。例えばＰＴＰ処理部３０４は、送信部３０６を介してMaster装置１０１（１）との間でＰＴＰパケット（Syncパケット１５１、DelayReqパケット１５２およびDelayRespパケット１５３など）を送受信する。

遅延揺らぎ補正部３０５は、図３から図５で説明した方法により、遅延揺らぎ量を算出し、受信部３０７が受信した時刻を補正してＰＴＰ処理部３０４に出力する。

送信部３０６は、Slave部１１２（１）からMaster装置１０１（１）へＰＴＰパケットを送信する送信回路を有する。そして、送信部３０６は、ＰＴＰパケットの送信タイミングの情報をタイマ制御部３１１に出力する。

受信部３０７は、Master装置１０１（１）から送信されるＰＴＰパケットを受信する受信回路を有する。そして、受信部３０７は、ＰＴＰパケットの受信タイミングの情報をタイマ制御部３０８に出力する。

タイマ制御部３０８は、受信部３０７から入力する受信タイミングの情報に基づいて、インターバルタイマ３０９の動作を制御する。

インターバルタイマ３０９は、周波数生成部３０１が出力するクロックにより予め決められた時間をカウントするタイマである。なお、インターバルタイマ３０９は、タイマ制御部３０８により制御され、カウントの開始点や終了点の時刻をＧａｐ算出部３１０に出力する。

Ｇａｐ算出部３１０は、受信部３０７が出力するＰＴＰパケットの受信時刻と、インターバルタイマ３０９が出力するカウントの開始点（終了点）の時刻との時間差を算出し、遅延揺らぎ補正部３０５に出力する。

タイマ制御部３１１は、送信部３０６から入力する送信タイミングの情報に基づいて、インターバルタイマ３１２の動作を制御する。

インターバルタイマ３１２は、周波数生成部３０１が出力するクロックにより予め決められた時間をカウントするタイマである。なお、インターバルタイマ３１２は、タイマ制御部３１１により制御され、カウントの開始点や終了点の時刻をＧａｐ算出部３１３に出力する。

Ｇａｐ算出部３１３は、送信部３０６が出力するＰＴＰパケットの送信時刻と、インターバルタイマ３１２が出力するカウントの開始点（終了点）の時刻との時間差を算出し、遅延揺らぎ補正部３０５に出力する。

このようにして、本実施形態に係るMaster装置１０１（１）およびSlave装置１０２のSlave部１１２（１）は、インターバルタイマ２０９、インターバルタイマ２１１、インターバルタイマ３０９およびインターバルタイマ３１２を用いたＰＴＰパケットの送受信間隔の時刻を基準にして、ＰＴＰパケットの送受信時刻との差から遅延揺らぎ量を測定することにより、遅延揺らぎ量を補正した正確な時刻オフセットを求めることができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る時刻同期方法および時刻同期装置は、Refパケットのような特殊な試験パケットを使用することなく、装置内のインターバルタイマを用いた簡易な構成で、ＰＴＰパケットの遅延揺らぎ量の測定を行うことができる。そして、Refパケットが不要となるので、Refパケットの送受信処理による通信帯域の消費がなくなり、Master装置およびSlave装置は、処理負荷が低減され、運用開始までのリードタイムを短縮することができる。

また、本実施形態に係る時刻同期方法および時刻同期装置は、冗長系間で遅延揺らぎなどによる時刻誤差を補正するので、冗長系間の切り替えを行った場合でも時刻跳躍などが生じることなく、時刻同期サービスの利用者に影響を与えることがなくなる。

さらに、ＰＴＰパケットにリンク非対称の遅延時間差がある場合でも、遅延揺らぎ量やリンク非対称の遅延時間差が無い０系の時刻パスの時刻誤差を用いることにより、遅延揺らぎ量やリンク非対称の遅延時間差が無い０系の時刻パスの時刻誤差と同程度に、遅延揺らぎ量やリンク非対称の遅延時間差が有る１系の時刻パスの時刻を同期させることができる。これにより、０系の時刻パスと１系の時刻パスとの時刻誤差を解消することができ、０系の時刻パスの冗長系として１系の時刻パスに切り替えた場合でも、切り替え時の時刻跳躍などの問題を防止することができる。

１０１，１０１（０），１０１（１）・・・Master装置；１０２・・・Slave装置；１０３・・・パケット網；１０４・・・伝送路；２０１，３０１・・・周波数生成部；２０２，３０２・・・周波数抽出部；２０３・・・Master時計；２０４，３０４・・・ＰＴＰ処理部；２０５，３０５・・・遅延揺らぎ補正部；２０６，３０６・・・送信部；２０７，３０７・・・受信部；２０８，２１１，３０８，３１１・・・タイマ制御部；２０９，２１２，３０９，３１２・・・インターバルタイマ；２１０，２１３，３１０，３１３・・・Ｇａｐ算出部；３０３・・・Slave時計

Claims (6)

1. 基準時刻を有するマスター装置とスレーブ装置との間で時刻情報を含む時刻同期パケットを送受信して前記スレーブ装置の時刻を前記マスター装置の時刻に同期させる時刻同期方法において、
   マスター装置は、第１の計時部が出力する時間間隔で前記時刻同期パケットを送信し、
   スレーブ装置は、前記第１の計時部と同じ周期の時間間隔を出力する第２の計時部を有し、前記マスター装置が送信した前記時刻同期パケットの受信時刻と、前記第２の計時部が出力する時刻との第１の時間差を遅延揺らぎ量として求め、前記遅延揺らぎ量に基づき前記マスター装置から受信する時刻同期パケットの受信時刻を補正する
   ことを特徴とする時刻同期方法。
2. 請求項１に記載の時刻同期方法において、
   前記スレーブ装置は、前記遅延揺らぎ量で補正された前記時刻同期パケットの受信時刻に基づいて前記マスター装置の時刻と自装置の時刻とのオフセットを算出し、算出した前記オフセットにより自装置の時刻を補正して前記マスター装置の時刻に同期させる
   ことを特徴とする時刻同期方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の時刻同期方法において、
   前記マスター装置は、送信間隔をランダムに変動させて前記時刻同期パケットを送信し、前記時刻同期パケットの送信時刻と前記第１の計時部が出力する時刻との第２の時間差を算出して前記スレーブ装置に通知し、
   前記スレーブ装置は、前記第１の時間差と前記第２の時間差との差分を前記遅延揺らぎ量として求める
   ことを特徴とする時刻同期方法。
4. 基準時刻を有するマスター装置が予め決められた時間間隔で送信する時刻同期パケットを受信する受信部と、
   前記マスター装置が前記時刻同期パケットを送信する時間間隔と同じ時間間隔を出力する第１の計時部と、
   前記受信部が前記時刻同期パケットを受信した時刻と前記計時部が出力する時刻との第１の時間差を求める算出部と、
   前記算出部が求めた前記第１の時間差により、前記受信部が前記マスター装置から受信する時刻同期パケットの受信時刻を補正する遅延揺らぎ補正部と
   を有することを特徴とする時刻同期装置。
5. 請求項４に記載の時刻同期装置において、
   前記遅延揺らぎ補正部が補正した前記時刻同期パケットの時刻情報に基づいて前記マスター装置の時刻と自装置の時刻とのオフセットを算出し、算出した前記オフセットにより自装置の時刻を補正して前記マスター装置の時刻に同期させる時刻同期部をさらに有する
   ことを特徴とする時刻同期装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の時刻同期装置において、
   前記遅延揺らぎ補正部は、前記マスター装置が送信間隔をランダムに変動させて送信する前記時刻同期パケットの送信時刻と前記予め決められた時間間隔との第２の時間差を示す情報を前記マスター装置から受信し、前記第１の時間差と前記第２の時間差との差分を前記遅延揺らぎ量として求める
   ことを特徴とする時刻同期装置。

Images