JP2017022647A - 時刻同期装置および時刻同期方法 - Google Patents

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薫 新井
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秀徳 岩下
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一也 桜井
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Abstract

【課題】下り光信号と上り光信号の波長が異なる一芯双方向伝送システムにおいて、上り下りの伝搬遅延差を考慮した高精度な時刻同期を実現する。【解決手段】マスター側装置とスレーブ側装置が光ファイバ伝送路を介して接続され、マスター側装置からスレーブ側装置への下り光信号と、スレーブ側装置からマスター側装置への上り光信号の波長が異なる一芯双方向伝送を行う構成で、マスター側装置とスレーブ側装置との間でＰＴＰの時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスを実行して時刻同期処理を行う時刻同期装置において、時刻同期確立シーケンスによる時刻情報と、下り光信号の波長および上り光信号の波長と光ファイバ伝送路の媒質に依存する分散パラメータを用いて、スレーブ側装置における時刻同期誤差（Ｏffset ）を算出して補正する手段を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバ伝送路を介して双方向で異なる波長を用いて一芯双方向伝送を行う装置間において時刻同期パケットを転送し、一芯双方向伝送時に生じる波長分散による遅延非対称を補正して時刻同期を行う時刻同期装置および時刻同期方法に関する。
携帯電話基地局等、ネットワーク間で接続された複数の装置間で連携した動作を行うためには、装置間の時刻同期が非常に重要である。一般に、ネットワークを介して接続される装置間で時刻同期を実現する手法として、ＰＴＰ（Precision Time Protocol ）が知られている（非特許文献１）。
図３は、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを示す。
図３において、マスター側装置Ｍの時刻ｔM とスレーブ側装置Ｓの時刻ｔS のずれであるＯffset は、一般に次式で表される。
Ｏffset ＝ｔS −ｔM …(1)
マスター側装置Ｍからスレーブ側装置Ｓへ送信される時刻同期パケット（Syncパケット）には、送信時刻ｔM1がタイムスタンプで付与される。この送信時刻ｔM1、スレーブ側装置Ｓの受信時刻ｔS2、マスター側装置からスレーブ側装置への遅延時間ＤM/S には、次の関係が成り立つ。
ｔS2＝ｔM1＋Ｏffset ＋ＤM/S …(2)
スレーブ側装置Ｓからマスター側装置Ｍへ送信される時刻同期パケット（Delay Req パケット）には、送信時刻ｔS3がタイムスタンプで付与される。この送信時刻ｔS3、マスター側装置Ｍの受信時刻ｔM4、スレーブ側装置からマスター側装置への遅延時間ＤS/M には、次の関係が成り立つ。
ｔM4＝ｔS3−Ｏffset ＋ＤS/M …(3)
マスター側装置Ｍからスレーブ側装置Ｓへ送信される時刻同期パケット（Delay Respパケット）には、時刻同期パケット（Delay Req パケット）の受信時刻ｔM4が付与される。
ここで、双方向の遅延時間ＤM/S ，ＤS/M が等しいと仮定すると、
ＤM/S ＝ＤS/M …(4)
となり、スレーブ側装置Ｓでは、式(2)〜(4)に基づいてＯffset を次式により計算できる。
Ｏffset ＝((ｔS2−ｔM4) − (ｔM1−ｔS3))／２ …(5)
このようにＰＴＰの時刻同期確立シーケンスは、双方向の遅延時間ＤM/S ，ＤS/M が等しいと仮定した場合に、スレーブ側装置Ｓでは、時刻情報ｔM1，ｔS2，ｔS3，ｔM4と、式(5) により計算されるＯffset を用いてマスター側装置Ｍとの時刻同期をとることができる。
ところで、マスター側装置Ｍとスレーブ側装置Ｓが光ファイバ伝送路を介して接続される構成において、光ファイバ伝送路の芯線削減を目的として、下り光信号の波長と上り光信号の波長を分離し、１つの光ファイバ伝送路上で双方向伝送を行う一芯双方向伝送システムがある。
図４は、一芯双方向伝送システムの構成例を示す。
図４において、マスター側装置１０とスレーブ側装置２０が光ファイバ伝送路１００を介して接続される。マスター側装置１０は、波長Ａの下り光信号を送信する送信器１１と、波長Ｂの上り光信号を受信する受信器１２と、送信器１１および受信器１２と光ファイバ伝送路１００とを接続する分波器１３とにより構成される。スレーブ側装置２０は、波長Ｂの上り光信号を送信する送信器２１と、波長Ａの下り光信号を受信する受信器２２と、送信器２１および受信器２２と光ファイバ伝送路１００とを接続する分波器２３とにより構成される。
このような一芯双方向伝送システムでは、下り光信号の波長Ａと上り光信号の波長Ｂが異なり、上り下りで波長分散に起因した伝搬遅延差が生じる。非特許文献２では、一芯双方向伝送システムにおいて、双方向の波長λ1,λ2 、零分散波長λ0 、零分散スロープdD/dλ、伝送距離Ｌとしたときに、波長分散による波長λ1,λ2 間の伝搬遅延差τを算出する次式が示されている。
τ＝(1/2)(dD/dλ)((λ1−λ0)2−(λ2−λ0)2)Ｌ …(6)
IEEE1588-2008 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems A.Imaoka, M.Kitahara, Accurate time/frequency transfer method using bidirectional WDM transmission, ELECTRONICS LETTERS 3rd August 1995, Vol.31 No.16
一芯双方向伝送システムでは、下り光信号と上り光信号の波長が異なるために、上り下りで波長分散に起因した伝搬遅延差が生じ、従来のＰＴＰの時刻同期確立シーケンスにおける双方向の遅延時間ＤM/S ，ＤS/M が等しいという仮定が成立せず、時刻同期を高精度に実現することが困難であった。
なお、非特許文献１，２では、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスにおいて、双方向の伝搬遅延差を考慮したＯffset の補正は想定されていない。
本発明は、下り光信号と上り光信号の波長が異なる一芯双方向伝送システムにおいて、上り下りの伝搬遅延差を考慮した高精度な時刻同期を実現する時刻同期装置および時刻同期方法を提供することを目的とする。
第１の発明は、マスター側装置とスレーブ側装置が光ファイバ伝送路を介して接続され、マスター側装置からスレーブ側装置への下り光信号と、スレーブ側装置からマスター側装置への上り光信号の波長が異なる一芯双方向伝送を行う構成で、マスター側装置とスレーブ側装置との間でＰＴＰの時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスを実行して時刻同期処理を行う時刻同期装置において、時刻同期確立シーケンスによる時刻情報と、下り光信号の波長および上り光信号の波長と光ファイバ伝送路の媒質に依存する分散パラメータを用いて、スレーブ側装置における時刻同期誤差（Ｏffset ）を算出して補正する手段を備える。
第２の発明は、マスター側装置とスレーブ側装置が光ファイバ伝送路を介して接続され、マスター側装置からスレーブ側装置への下り光信号と、スレーブ側装置からマスター側装置への上り光信号の波長が異なる一芯双方向伝送を行う構成で、マスター側装置とスレーブ側装置との間でＰＴＰの時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスを実行して時刻同期処理を行う時刻同期方法において、下り光信号の波長および上り光信号の波長と光ファイバ伝送路の媒質の情報を元に分散パラメータを算出する手順１と、時刻同期確立シーケンスによる時刻情報と、分散パラメータとを用いて、スレーブ側装置における時刻同期誤差（Ｏffset ）を算出し、スレーブ側装置の時刻を補正する手順２とを有する。
本発明は、ＰＴＰの時刻同期パケットを用いて時刻同期を実施する際に、一芯双方向伝送時に波長分散に起因した時刻誤差を波長および光ファイバ伝送路の媒質の情報のみで自動補正できるので、一芯双方向伝送における高精度な時刻同期を実現することができる。
本発明の時刻同期方法が適用される一芯双方向伝送システムの構成例を示す図である。 スレーブ側装置２０の時刻同期処理部２４の構成例を示す図である。 ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを示す図である。 一芯双方向伝送システムの構成例を示す図である。
図１は、本発明の時刻同期方法が適用される一芯双方向伝送システムの構成例を示す。 図１において、マスター側装置１０とスレーブ側装置２０が光ファイバ伝送路１００を介して接続される。マスター側装置１０は、波長Ａの下り光信号を送信する送信器１１と、波長Ｂの上り光信号を受信する受信器１２と、送信器１１および受信器１２と光ファイバ伝送路１００とを接続する分波器１３と、時刻同期処理部１４とを備える。スレーブ側装置２０は、波長Ｂの上り光信号を送信する送信器２１と、波長Ａの下り光信号を受信する受信器２２と、送信器２１および受信器２２と光ファイバ伝送路１００とを接続する分波器２３と、時刻同期処理部２４とを備える。
マスター側装置１０の時刻同期処理部１４には、外部（例えばＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System））から基準となる時刻情報が入力され、マスター側装置１０の時刻同期処理部１４とスレーブ側装置２０の時刻同期処理部２４との間で、図３に示すＰＴＰの時刻同期確立シーケンスが実行される。
ここで、マスター側装置１０の時刻ｔM とスレーブ側装置２０の時刻ｔS のずれであるＯffset は、図３に示すように、時刻同期パケットの送受信の時刻情報ｔM1，ｔS2，ｔS3，ｔM4と、下り方向の遅延時間ＤM/S 、上り方向の遅延時間ＤS/M を用いて、再掲する式(2),(3) のように表される。
ｔS2＝ｔM1＋Ｏffset ＋ＤM/S …(2)
ｔM4＝ｔS3−Ｏffset ＋ＤS/M …(3)
従来のＰＴＰの時刻同期確立シーケンスでは、ＤM/S ＝ＤS/M と仮定し、時刻情報からＯffset を算出したが、双方向の波長が異なるために上り下りで波長分散に起因した伝搬遅延差が生じるので、双方向の遅延時間ＤM/S ，ＤS/M が等しいという仮定が成立しない。ここで、波長λi における分散パラメータｎi は、零分散波長をλ0 、零分散スロープをdD/dλとしたときに、
ｎi ＝(1/2)(dD/dλ)(λi−λ0)2 …(7)
と表される。例えば、上り下りの波長が各々1500[nm]および1300[nm]の場合、零分散スロープdD/dλは0.092[nm/ps2/km]となり、それぞれの分散パラメータが決まる。
このとき、下り波長Ａの遅延時間ＤM/S と分散パラメータｎA の関係、上り波長Ｂの遅延時間ＤS/M と分散パラメータｎB の関係は、マスター側装置１０とスレーブ側装置２０との間の伝送距離をＬとすると、
ＤM/S ＝ＬｎA …(8)
ＤS/M ＝ＬｎB …(9)
と表される。この式(8),(9) からＬを消去すると、
ｎA ・ＤS/M ＝ｎB ・ＤM/S
となり、式(2),(3) のＤM/S ，ＤS/M を代入すると、
Ｏffset ＝（ｎA(ｔS3−ｔM4)＋ｎB(ｔS2−ｔM1))／(ｎA＋ｎB) …(10)
と表すことができる。
すなわち、既知の情報として下り波長Ａ、上り波長Ｂ、光ファイバ伝送路の媒質に依存する分散パラメータｎA ，ｎB を用いることにより、スレーブ側装置では、双方向の遅延時間ＤM/S ，ＤS/M が異なる場合でも以下の手順によりＯffset を算出することができる。
手順１は、使用する波長Ａ，Ｂおよび光ファイバ伝送路の媒質の情報（零分散波長、零分散スロープ）を基に、分散パラメータｎA ，ｎB を計算する。
手順２は、マスター側装置とスレーブ側装置間で、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行し、時刻同期パケットの送受信の時刻情報ｔM1，ｔS2，ｔS3，ｔM4と、手順１で求めた分散パラメータｎA ，ｎB を元に、式(10)からＯffset を算出し、スレーブ側装置の時刻を補正する。
なお、光モジュールの手動交換や波長可変光モジュールを使用し、送信波長を変更することが考えられるが、本発明では上り下りの波長は固定とする。
図２は、スレーブ側装置２０の時刻同期処理部２４の構成例を示す。
図２において、時刻同期処理部２４は、分散パラメータ保持部２４１、ＰＴＰ処理部２４２、Ｏffset 蓄積部２４３、時刻同期部２４４により構成される。
分散パラメータ保持部２４１は、事前に入力する使用する波長Ａ，Ｂおよび媒質の情報（零分散波長、零分散スロープ）を基に計算された分散パラメータｎA ，ｎB を保持する。ＰＴＰ処理部２４２は、送信器２１および受信器２２との間のパケット送受信処理、タイムスタンプ処理、Ｏffset 演算処理を行い、分散パラメータ保持部２４１に保持された分散パラメータｎA ，ｎB を用いて補正したＯffset を算出する。Ｏffset 蓄積部２４３は、ＰＴＰ処理部２４２で算出したＯffset を蓄積する。時刻同期部２４４は、ＰＴＰ処理部２４２およびＯffset 蓄積部２４３のＯffset を用いて装置内時刻を決定する。
１０ マスター側装置
１１ 送信器
１２ 受信器
１３ 分波器
１４ 時刻同期処理部
２１ 送信器
２２ 受信器
２３ 分波器
２４ 時刻同期処理部
１００ 光ファイバ伝送路
２４１ 分散パラメータ保持部
２４２ ＰＴＰ処理部
２４３ Ｏffset 蓄積部
２４４ 時刻同期部

Claims (2)

  1. マスター側装置とスレーブ側装置が光ファイバ伝送路を介して接続され、マスター側装置からスレーブ側装置への下り光信号と、スレーブ側装置からマスター側装置への上り光信号の波長が異なる一芯双方向伝送を行う構成で、マスター側装置とスレーブ側装置との間でＰＴＰ（Precision Time Protocol)の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスを実行して時刻同期処理を行う時刻同期装置において、
    前記時刻同期確立シーケンスによる時刻情報と、前記下り光信号の波長および前記上り光信号の波長と前記光ファイバ伝送路の媒質に依存する分散パラメータを用いて、前記スレーブ側装置における時刻同期誤差（Ｏffset ）を算出して補正する手段を備えた
    ことを特徴とする時刻同期装置。
  2. マスター側装置とスレーブ側装置が光ファイバ伝送路を介して接続され、マスター側装置からスレーブ側装置への下り光信号と、スレーブ側装置からマスター側装置への上り光信号の波長が異なる一芯双方向伝送を行う構成で、マスター側装置とスレーブ側装置との間でＰＴＰ（Precision Time Protocol)の時刻同期パケットを用いた時刻同期確立シーケンスを実行して時刻同期処理を行う時刻同期方法において、
    前記下り光信号の波長および前記上り光信号の波長と前記光ファイバ伝送路の媒質の情報を元に分散パラメータを算出する手順１と、
    前記時刻同期確立シーケンスによる時刻情報と、前記分散パラメータとを用いて、前記スレーブ側装置における時刻同期誤差（Ｏffset ）を算出し、前記スレーブ側装置の時刻を補正する手順２と
    を有することを特徴とする時刻同期方法。
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