JP2019192989A - 同期システム、タイムクライアントおよびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＬＬの動作を安定化させ、同期の高精度化を図る。【解決手段】本発明に係るタイムクライアント１６は、タイムスタンプメッセージの送信時刻および受信時刻を示すタイムスタンプを、所定の観測周波数で出力するタイミングプロトコルエンジン２６と、タイムスタンプに基づき、クロックオフセットを計算するクロックオフセット計算部２９と、クロックオフセットの不要周波数成分を除去する雑音除去フィルタ４１と、雑音除去フィルタ４１の出力信号を所定のダウンサンプル比率でダウンサンプルし、位相誤差信号を生成するダウンサンプラ３７と、位相誤差信号に基づき、クライアント時刻を補正する補正部４５と、を備え、雑音除去フィルタ４１は、観測周波数にダウンサンプル比率をかけた周波数の半分より低い周波数において振幅特性一定かつ直線位相特性を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、同期システム、タイムクライアントおよびプログラムに関する。

パケット方式のイーサネット（登録商標）の性能向上および普及の拡大が進んでいる。一方、ＳＤＩ（Serial Digital Interface）に基づくビデオルータ、時分割多重（ＴＤＭ：Time Division Multiplexing）方式のネットワークなど、回線交換方式に基づくネットワークは、拡張性、運用コスト、保守（メンテナンス）などの観点から、競争力を失いつつある。そのため、イーサネットへの置き換えが進められている。

イーサネットは、データ伝送用に設計された非同期のネットワークであり、パケット遅延変動（ＰＤＶ：Packet Delay Variation）が発生する。例えば、パケットが集中し、すぐに送信できない場合、イーサネットでは、パケットが一旦バッファに蓄積される。そして、送信可能になり次第、蓄積されたパケットがバッファから順次取り出されて、送信される。そのため、パケットが送信装置から送信されてから、受信装置に到達するまでの伝搬遅延は一定の値に保たれず、ＰＤＶが発生する。ＰＤＶは、非圧縮のビデオ映像の伝送、無線バックホールおよび専用回線サービス（wireless backhaul and leased line service）など、信号の送信装置および受信装置それぞれのクロックを正確に同期させる必要がある用途では、信号の伝送路をイーサネットに置き換える上で障害となる。

送信装置と受信装置との間のクロックの位相差を正確に計測することができれば、位相ロックループ（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）の技術により、正確にクロックを同期させることができる。

ＳＤＩ信号を伝送する同軸ケーブルおよび回線交換方式の伝送路では、伝搬遅延は一定である。送信装置から一定の時間間隔で同期信号を伝送すれば、伝搬遅延時間の経過後、受信装置にその同期信号が到達する。伝搬遅延は一定であるため、同期信号とともに位相情報を伝送すれば、受信装置は、受信した位相情報に伝搬遅延に対応する一定値を加算することで、同期信号の受信時の送信装置のクロック位相を得ることができる。同期信号の受信時の受信装置のクロック位相が、送信装置のクロック位相に一致するように、受信装置のクロック発信器を制御することで、送信装置と受信装置との間で正確にクロックを同期させることができる。

しかしながら、イーサネットでは伝搬遅延が変化するため、上述した手法では、同期信号の受信時の送信信号のクロック位相を正確に求めることができない。そのため、クロック同期、時刻同期あるいは周波数同期を行うためには、特別な手法が必要である。

イーサネットで高精度なクロック同期を可能とする技術として、ＩＥＥＥ１５８８ プレシジョンタイムプロトコル（ＰＴＰ：Precision Time Protocol）が開発されている。ＰＴＰでは、クロックの位相差の計測に用いるパケットについては、２つの伝送装置間の往路と復路とで伝搬遅延を等しくする機能を有するネットワークスイッチが用いられる。このようなネットワークスイッチを用いることで、２つの伝送装置間を往復する計測パケットを伝送する場合、往路と復路とで伝搬遅延が等しく保たれる。そのため、往路の計測パケットの受信時刻と送信時刻との時間差、および、復路の計測パケットの受信時刻と送信時刻との時間差の和は、伝搬遅延の２倍となる。したがって、往路における受信時刻と送信時刻との時間差、および、復路における受信時刻と送信時刻との時間差の和の半分の値を伝搬遅延とすることで、２つの伝送装置間でクロックを同期させることができる。

しかしながら、ＰＴＰを利用する同期システムでは、伝送装置間を接続する全てのネットワークスイッチがＰＴＰに対応していなければ、伝搬遅延の計測結果が不正確になるという問題がある。

上述したように、ネットワークの伝搬遅延は頻繁に変化する。しかしながら、伝搬遅延の最小値（最小遅延）はほぼ一定となるという性質がある。そこで、特許文献１には、この性質を利用して、ＰＴＰに対応しないネットワークスイッチで構成されたネットワークにおいても、時間同期を行うシステムが記載されている。

特許文献１に開示されているシステムは、パケットネットワークを介して接続されたタイムサーバおよびタイムクライアントからなる同期システムである。タイムクライアントは、タイムクライアントのローカルな時刻（クライアント時刻）を、タイムサーバの時刻（サーバ時刻）に同期させる。

ローカルなクライアント時刻は、タイムクライアント内の発信器の出力パルスをクロックカウンタでカウントすることで生成される。特許文献１には、発信器としてフリーラン水晶発信器を用いるシステムの構成と、サーバ時刻との誤差を補正するように駆動される位相ロックループ（ＰＬＬ）の発信器を用いるシステムの構成とが記載されている。図２は、フリーラン水晶発信器を用いた同期システムの構成を示すブロック図である。また、図３は、ＰＬＬの発信器を用いた同期システムの構成を示すブロック図である。

図２，３に示す同期システムは、タイムサーバ１４と、タイムサーバ１４とパケットネットワーク１２を介して接続されたタイムクライアント１６とを備える。

タイムクライアント１６は、タイミングプロトコルエンジン２６と、タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８と、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０と、同期仮想クロック３２と、位相検出部３８と、ループフィルタ４０と、発振器４２と、クロックカウンタ４４とを備える。タイミングプロトコルエンジン２６、タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０、および、同期仮想クロック３２は、最小遅延およびクロックオフセット推定部２４を構成する。図２に示すタイムクライアント１６はさらに、フリーラン水晶発振器５０と、クロックカウンタ３６とを備える。

図２に示すタイムクライアント１６においては、フリーラン水晶発振器５０は、パルス信号をクロックカウンタ３６に出力する。クロックカウンタ３６は、フリーラン水晶発振器５０から出力されたパルス信号をカウントしてクライアント時刻を生成し、タイミングプロトコルエンジン２６、タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０、および、同期仮想クロック３２に出力する。

図３に示すタイムクライアント１６においては、クロックカウンタ４４から、タイミングプロトコルエンジン２６、タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０、および、同期仮想クロック３２にクライアント時刻が出力される。その他の構成は、図２に示すタイムクライアント１６と、図３に示すタイムクライアント１６とで同様である。

最小遅延およびクロックオフセット推定部２４は、パケットネットワーク１２を介してタイムサーバ１４とタイム転送プロトコル（Time Transfer Protocol）のメッセージを交換し、タイムサーバ１４のサーバ時刻を推定する。

タイミングプロトコルエンジン２６は、タイム転送プロトコルのメッセージをタイムサーバ１４に送信するとともに、タイムサーバ１４から送信されてきたタイム転送プロトコルのメッセージを受信する。タイミングプロトコルエンジン２６は、受信したメッセージから、タイミングプロトコルエンジン２６からタイムサーバ１４に送信したメッセージの送信時刻およびタイムサーバ１４での受信時刻と、タイムサーバ１４から送信されたメッセージの送信時刻およびタイムクライアント１６での受信時刻とを示すタイムスタンプを取り出す。タイミングプロトコルエンジン２６は、取り出したタイムスタンプをタイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８に出力する。

タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８は、サンプリング間隔Ｔｓｐ内に交換されたタイム転送プロトコルのメッセージについて、タイミングプロトコルエンジン２６から出力されたタイムスタンプに基づき、伝搬遅延を計算する。タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８は、伝搬遅延が最小となるメッセージを、タイムクライアント１６からタイムサーバ１４へのメッセージ（往路メッセージ）、タイムサーバ１４からタイムクライアント１６へのメッセージ（復路メッセージ）ごとに選択する。タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８は、選択したメッセージからクロックオフセットθｍｉｎを計算する。クロックオフセットθｍｉｎは、クライアント時刻のサーバ時刻からのオフセットである。タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８は、最小の伝搬遅延（最小遅延ｄｍｉｎ）およびクロックオフセットθｍｉｎを、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０に出力する。

上述したように、伝搬遅延は変化するが、その最小値（最小遅延）はほぼ一定となるという性質がある。したがって、伝搬遅延が最小となるメッセージの伝搬遅延は一定とみなすことができる。そのため、クロックオフセットθｍｉｎを精度よく計算することができる。

オフセット推定および最小遅延急変検出部３０は、タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８から出力された最小遅延ｄｍｉｎの変化を監視し、オフセット推定値θ＾を計算して同期仮想クロック３２に出力する。オフセット推定および最小遅延急変検出部３０は、最小遅延ｄｍｉｎが急変しなければ、最小遅延ｄｍｉｎから計算したクロックオフセットθｍｉｎをローパスフィルタ処理して、オフセット推定値θ＾として同期仮想クロック３２に出力する。また、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０は、最小遅延ｄｍｉｎが急変した場合には、急変が生じた時点のクロックオフセットθｍｉｎを、オフセット推定値θ＾として同期仮想クロック３２に出力する。

同期仮想クロック３２は、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０から出力されたオフセット推定値θ＾を、クライアント時刻から減算し、サーバ推定時刻Ｓ＾として、位相検出部３８に出力する。

位相検出部３８は、同期仮想クロック３２から出力されたサーバ推定時刻Ｓ＾と、クロックカウンタ４４の出力信号（クライアント時刻）との差分を、位相誤差信号としてループフィルタ４０に出力する。

ループフィルタ４０は、位相検出部３８から出力された位相誤差信号から発信器制御信号を作成する信号処理回路である。ループフィルタ４０は、発信器出力のクライアントクロックの周波数を増減し、位相誤差信号がゼロとなるように制御する発振器制御信号を作成し発振器４２に出力する。

発振器４２は、ループフィルタ４０から出力された発振器制御信号により決定される周波数で発振し、クライアントクロックをクロックカウンタ４４に出力する。

クロックカウンタ４４は、発振器４２から出力されたクライアントクロックをカウントしてクライアント時刻を生成し、位相検出部３８に出力する。また、図３に示すタイムクライアント１６においては、クロックカウンタ４４は、タイミングプロトコルエンジン２６、タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０、および、同期仮想クロック３２に、生成したクライアント時刻を出力する。

タイムクライアント１６は、同期仮想クロック３２から出力されたサーバ推定時刻Ｓ＾に一致するように、発振器４２を制御することで、タイムサーバ１４のサーバ時刻と、タイムクライアント１６のクライアント時刻とを同期させることができる。位相検出部３８、ループフィルタ４０、発振器４２およびクロックカウンタ４４は、ＰＬＬを構成する。

特許第５７０１４２０号公報

無線通信システムでは、極めて高い精度のクロックが必要である。このようなシステムでは、クライアントクロックの位相雑音を低く保つ必要がある。

図２に示す同期システムにおいては、フリーラン水晶発振器５０の位相雑音が、同期仮想クロック３２の出力に影響する。そのため、クライアントクロックにフリーラン水晶発振器５０の位相雑音が加算される。したがって、図２に示す同期システムでは、２つの発振器（フリーラン水晶発振器５０および発振器４２）が必要になるとともに、フリーラン水晶発振器５０として、位相雑音の極めて小さい発振器を用いる必要がある。

図３に示す構成（以下、従来手法の構成と称する）では、クライアントクロックとして、ＰＬＬの発振器４２の出力が用いられる。ＰＬＬでは、クライアント時刻がサーバ推定時刻Ｓ＾に一致するように制御が行われるため、時間とともに、緩やかにクライアントクロックの周波数が変化する。最小遅延およびクロックオフセット推定部２４では、クライアントクロックから作成したクライアント時刻を用いて、サーバー推定時刻を計測している。このため、図３の構成ではＰＬＬの発信器４２の出力が、ＰＬＬの入力であるサーバー推定時刻に影響を及ぼす。従来手法はこの影響が考慮されていないため、ＰＬＬの動作が不安定になることがある問題があった。

上述したように、同期仮想クロック３２では、オフセット推定値θ＾と、クライアント時刻とに基づきサーバ推定時刻Ｓ＾が生成される。また、位相検出部３８では、サーバ推定時刻Ｓ＾と、クライアント時刻とに基づき位相誤差信号が生成される。したがって、同期仮想クロック３２の処理および位相検出部３８の処理は、オフセット推定値値θ＾を反転する処理と等価である。また、最小遅延ｄｍｉｎが急変しない場合には、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０の処理は、ローパスフィルタ処理と等価である。したがって、図３に示す従来手法のシステム構成は、図４に示すシステム構成にモデル化することができる。

図４においては、オフセット推定および最小遅延急変検出部３０と、同期仮想クロック３２と、位相検出部３８とが削除され、タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８とループフィルタ４０との間に、ローパスフィルタ３１および正負反転部３９が設けられている。

タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８は、サンプリング間隔Ｔｓｐ間隔で、サーバ時刻とクライアント時刻との差を検出する位相検出部として動作する。したがって、タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部２８、ローパスフィルタ３１、正負反転部３９、ループフィルタ４０、発振器４２およびクロックカウンタ４４は、クライアント時刻とサーバ時刻との誤差を補正するように駆動される位相ロックループ３４を構成する。

位相ロックループ３４では、サーバクロックとクライアントクロックとの位相誤差に相当するクロックオフセットθｍｉｎに対して、ローパスフィルタ３１によるフィルタ処理が行われる。そして、ローパスフィルタ３１の出力信号に対して、正負反転部３９により反転処理が行われ、位相誤差信号として、ループフィルタ４０に入力される。したがって、図５，６に示すように、図４に示すＰＬＬの閉ループ制御モデルは、正確には、従来手法の構成におけるＰＬＬの閉ループ制御モデル（図５）に、ローパスフィルタ（Ｇ_LPF（ｚ））を追加した構成（図６）となる。

典型的なＭ（Ｍは正の整数）次の線形位相ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタでは、サンプリング間隔のＭ／２倍（Ｔｓｐ×Ｍ／２）に相当する遅延が付加される。遅延が付加されることにより、遅延と周波数との積に比例した位相の遅れが制御モデルの誤差（以下制御モデル誤差とよぶ）として生じる。この制御モデル誤差により、ＰＬＬが設計通りに動作せず、動作が不安定になるという問題があった。この問題は、ローパスフィルタ３１を含めた制御モデルを用いて、ループフィルタ４０を設計することで、解決することが考えられる。

しかしながら、多数の機材が接続するネットワーク、あるいは、大量のパケットが流れる混雑したネットワークでは、最小遅延が頻繁に変化し、クロックオフセットθｍｉｎには多くの雑音が生じる。雑音の除去性能を向上させるためには、ローパスフィルタの次数を増加させることが効果的であるが、次数に比例して遅延が増加するため、制御モデル誤差の影響が一層大きくなる。

また、周波数特性など雑音の性質は、ネットワークの速度および混雑度、ネットワークインタフェースおよび伝送路の種類、サンプリング間隔などによって大きく変化する。雑音の性質に応じて、ローパスフィルタの周波数特性を変更すると、その変更に対応してループフィルタ４０を再設計する必要が生じる。

従来手法は、上述したように、伝搬遅延が最小となるメッセージを用いてクロックオフセットθｍｉｎを計算することで、ＰＤＶの影響を小さくする。しかしながら、クロックオフセットθｍｉｎの計算に用いたメッセージは、サンプリング間隔Ｔｓｐの間で観測される多数のメッセージのなかから、１つ取り出した伝搬遅延が最小のメッセージである。サンプリング間隔Ｔｓｐの間で一番古い時間に観測されたメッセージから計算したクロックオフセットθｍｉｎと、サンプリング間隔Ｔｓｐの間で一番新しい時間に観測されたメッセージから計算したクロックオフセットθｍｉｎとでは、観測時刻がＴｓｐだけ異なる。このため、従来手法では、計算されたクロックオフセットθｍｉｎの観測時刻にＴｓｐの時刻誤差を生じる問題がある。

サンプリング間隔Ｔｓｐごとに発信器３２の制御信号を更新するＰＬＬでは、クロックオフセットθｍｉｎは、サンプリング間隔Ｔｓｐの時間経過する毎に、サーバクロックの周波数ｆｓとクライアントクロックの周波数ｆｃとの周波数誤差（ｆｃ−ｆｓ）をサンプリング間隔Ｔｓｐで積分した値だけ変化する。すなわち、ＰＬＬの閉ループ制御モデルでは、サンプリング間隔の時間経過後のクロックオフセットθｍｉｎの変化が（ｆｃ−ｆｓ）・Ｔｓｐとなることを想定してループフィルタ４０を設計している。一方、伝搬遅延が最小のメッセージから計算したクロックオフセットθｍｉｎをクロックオフセットθｍｉｎの観測値として用いると、上述したクロックオフセットθｍｉｎの観測時刻の誤差により、クロックオフセットθｍｉｎの観測間隔は０からサンプリング間隔Ｔｓｐの２倍まで変化する。このため、クロックオフセットθｍｉｎの観測値には±（ｆｃ−ｆｓ）・Ｔｓｐの観測誤差を生じる。そのため、伝搬遅延が最小となるメッセージを用いてクロックオフセットθｍｉｎを計算する方法では、大きな観測誤差を生じ、制御に不具合を生じる問題がある。

クロックオフセットθｍｉｎの観測誤差を軽減するために、伝搬遅延が最小のメッセージを用いる代わりに、観測したクロックオフセットθｍｉｎの雑音を、ローパスフィルタで除去することも考えられる。しかしながら、上述したように、雑音を除去するために、ローパスフィルタの次数を大きくすると、制御モデル誤差が大きくなってしまう。制御モデル誤差が生じると、ＰＬＬの動作が不安定になり、タイムサーバとタイムクライアントとを高精度に同期させることが困難となる。

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、ＰＬＬの動作を安定化させ、タイムサーバとタイムクライアントとの同期の高精度化を図ることができる同期システム、タイムクライアントおよびプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る同期システムは、タイムサーバと、前記タイムサーバとパケットネットワークを介して通信を行うタイムクライアントと備え、前記タイムクライアントは、前記パケットネットワークを介して前記タイムサーバとタイムスタンプメッセージの送受信を行い、前記タイムサーバに送信したタイムスタンプメッセージの送信時刻および該タイムスタンプメッセージの前記タイムサーバでの受信時刻と、前記タイムサーバから送信されてきたタイムスタンプメッセージの受信時刻および該タイムスタンプメッセージの前記タイムサーバからの送信時刻とを示すタイムスタンプを、所定の観測周波数で出力するタイミングプロトコルエンジンと、前記タイムスタンプに基づき、前記タイムサーバのサーバ時刻と、前記タイムクライアントのローカルなクライアント時刻とのクロックオフセットを計算するクロックオフセット計算部と、前記クロックオフセットの不要周波数成分を除去して出力する雑音除去フィルタと、前記雑音除去フィルタの出力信号を所定のダウンサンプル比率でダウンサンプルし、位相誤差信号を生成するダウンサンプラと、前記位相誤差信号に基づき、前記クライアント時刻を補正する補正部と、を備え、前記雑音除去フィルタは、前記観測周波数に前記ダウンサンプル比率をかけた周波数の半分より低い周波数において振幅特性一定かつ直線位相特性を有する。

また、本発明に係る同期システムにおいて、前記観測周波数の逆数をＴｏｂｓとすると、前記雑音除去フィルタは、前記観測周波数に前記ダウンサンプル比率をかけた周波数の半分より高いカットオフ周波数を有し、遅延時間がＭ×Ｔｏｂｓ／２であるＭ（Ｍは正の整数）次のローパスＦＩＲフィルタであることが好ましい。

また、本発明に係る同期システムにおいて、前記ダウンサンプル比率をＮ／Ｄ（Ｎ，Ｄは正の整数、かつ、Ｎ＜Ｄ）とすると、Ｍ×Ｎ／２Ｄが整数であることが好ましい。

また、上記課題を解決するため、本発明に係るタイムクライアントは、タイムサーバとパケットネットワークを介して通信を行うタイムクライアントであって、前記パケットネットワークを介して前記タイムサーバとタイムスタンプメッセージの送受信を行い、前記タイムサーバに送信したタイムスタンプメッセージの送信時刻および該タイムスタンプメッセージの前記タイムサーバでの受信時刻と、前記タイムサーバから送信されてきたタイムスタンプメッセージの受信時刻および該タイムスタンプメッセージの前記タイムサーバからの送信時刻とを示すタイムスタンプを、所定の観測周波数で出力するタイミングプロトコルエンジンと、前記タイムスタンプに基づき、前記タイムサーバのサーバ時刻と、前記タイムクライアントのローカルなクライアント時刻とのクロックオフセットを計算するクロックオフセット計算部と、前記クロックオフセットの不要周波数成分を除去して出力する雑音除去フィルタと、前記雑音除去フィルタの出力信号を所定のダウンサンプル比率でダウンサンプルし、位相誤差信号を生成するダウンサンプラと、前記位相誤差信号に基づき、前記クライアント時刻を補正する補正部と、を備え、前記雑音除去フィルタは、前記観測周波数に前記ダウンサンプル比率をかけた周波数より低い周波数において、振幅特性一定かつ直線位相特性を有する。

また、上記課題を解決するため、本発明に係るプログラムは、コンピュータを上記のタイムクライアントとして機能させる。

本発明に係る同期システム、タイムクライアントおよびプログラムによれば、ＰＬＬの動作を安定化させ、タイムサーバとタイムクライアントとの同期の高精度化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る同期システムの構成例を示す図である。 従来のフリーラン水晶発振器を用いた同期システムの構成を示すブロック図である。 従来のＰＬＬの発振器を用いた同期システムの構成を示すブロック図である。 図３に示す同期システムをモデル化したブロック図である。 図３に示す同期システムにおけるＰＬＬの閉ループ制御モデルを示す図である。 図４に示す同期システムにおけるＰＬＬの閉ループ制御モデルを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。各図中、同一符号は、同一または同等の構成要素を示している。

図１は、本発明の一実施形態に係る同期システム１の構成例を示す図である。本実施形態に係る同期システム１は、パケットネットワーク１２を介した時間同期を図るためのシステムである。

図１に示す同期システム１は、タイムサーバ１４と、タイムサーバ１４とパケットネットワーク１２を介して接続されたタイムクライアント１６Ａとを備える。

タイムサーバ１４は、サーバクロックを備える。サーバクロックは、周波数変動が極めて少ない発振器である。タイムサーバ１４は、サーバクロックから出力されるパルス信号をカウントしてサーバ時刻を生成する。また、タイムサーバ１４は、タイムクライアント１６Ａとタイムスタンプを格納したタイムスタンプメッセージの交換（送受信）を行う。

タイムスタンプは、タイムスタンプメッセージを送信した送信時刻および受信した受信時刻を示す。具体的には、タイムスタンプは、タイムスタンプメッセージを格納したパケットを送信した送信時刻および受信した受信時刻を示す。タイムスタンプメッセージは、タイムスタンプを格納したメッセージである。タイムスタンプメッセージは、パケットに格納されて、タイムクライアント１６Ａからタイムサーバ１４に、あるいは、タイムサーバ１４からタイムクライアント１６Ａに、パケットネットワーク１２を介して伝送される。

タイムクライアント１６Ａからタイムサーバ１４に送信されるタイムスタンプメッセージ（往路メッセージ）には、そのタイムスタンプメッセージを送信したタイムクライアント１６Ａのクライアント時刻のタイムスタンプＴｃｄが格納される。また、タイムサーバ１４からタイムクライアント１６Ａに送信されるタイムスタンプメッセージ（復路メッセージ）には、そのタイムスタンプメッセージを送信したタイムサーバ１４のサーバ時刻のタイムスタンプＴｍｂが格納される。

タイムサーバ１４は、復路メッセージに、往路メッセージの送信時刻を記録したタイムスタンプＴｃｄ、および、往路メッセージの受信時刻を記録したタイムスタンプＴｍｃを含めて、タイムクライアント１６Ａに送信する。タイムクライアント１６Ａは、復路メッセージを受信したクライアント時刻を計測することにより、復路メッセージを受信したクライアント時刻のタイムスタンプＴｃａを取得する。タイムクライアント１６Ａは、受信した復路メッセージに格納された、復路メッセージが送信されたサーバ時刻のタイムスタンプＴｍｂ、および、往路メッセージの送信時刻および受信時刻を記録したタイムスタンプＴｃｄ，Ｔｍｃを取り出すことにより、往路メッセージおよび復路メッセージそれぞれの送信時刻および受信時刻を示す４つのタイムスタンプＴｃｄ，Ｔｍｃ，Ｔｍｂ，Ｔｃａを取得することができる。

タイムスタンプメッセージのプロトコルとしては、例えば、ネットワークタイムプロトコル（ＮＴＰ）およびＩＥＥＥ１５８８ プレシジョンタイムプロトコルを用いることができる。データを伝送するＲＴＰ（Real-time Transport Protocol）パケットあるいはＵＤＰ（User Datagram Protocol）パケットのヘッダあるいはデータ領域の一部にタイムスタンプを埋め込むことで、データを伝送するパケットにタイムスタンプメッセージの機能を追加してもよい。

タイムクライアント１６Ａは、パケットネットワーク１２を介してタイムサーバ１４とタイムスタンプを格納したタイムスタンプメッセージの交換（送受信）を行ってタイムスタンプを取得し、取得したタイムスタンプに基づき、サーバ時刻を推定する。そして、タイムクライアント１６Ａは、推定したサーバ時刻（サーバ推定時刻）に基づきクライアント時刻を補正し、タイムサーバ１４と同期する。タイムクライアント１６Ａは、例えば、携帯電話無線基地局の無線部、携帯電話無線基地局の制御ベースバンド部、無線伝送装置の高周波部、無線伝送装置の変復調部、ビデオカメラ、ビデオスイッチャー、ミキサー、編集器、録画再生装置、録音再生装置、ルータ、スイッチ、ゲートウェイ、無線アクセスポイント、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータなどである。

タイムクライアント１６Ａは、タイミングプロトコルエンジン２６と、クロックオフセット計算部２９と、雑音除去フィルタ４１と、ダウンサンプラ３７と、ループフィルタ４０と、発振器４２と、クロックカウンタ４４とを備える。

タイミングプロトコルエンジン２６は、パケットネットワーク１２を介してタイムサーバ１４とタイムスタンプメッセージの交換を行い、観測間隔Ｔｏｂｓで、タイムスタンプＴｃｄ，Ｔｍｃ，Ｔｍｂ，Ｔｃａを取得し、クロックオフセット計算部２９に出力する。一定の観測間隔Ｔｏｂｓで、タイムスタンプＴｃｄ，Ｔｍｃ，Ｔｍｂ，Ｔｃａを取得する好適な方法として、タイムクライアント１６Ａが観測間隔Ｔｏｂｓの間隔で往路メッセージを送信し、タイムサーバ１４が観測間隔Ｔｏｂｓの間隔で復路メッセージを送信するように、タイムクライアント１６Ａおよびタイムサーバ１４を構成し、タイミングプロトコルエンジン２６が、復路メッセージを受信するたびにタイムスタンプを取り出し、クロックオフセット計算部２９に出力する方法がある。パケット遅延変動（ＰＤＶ）のため、タイムスタンプメッセージが送信されてから、パケットネットワーク１２を介して受信されるまでの時間が変動するため、タイムスタンプの出力間隔は観測間隔Ｔｏｂｓからわずかに変動するが、タイムスタンプの出力間隔はほぼ観測間隔Ｔｏｂｓとなる。このように、タイミングプロトコルエンジン２６が、復路メッセージを受信するたびにタイムスタンプを出力する構成とすれば、復路メッセージの送信間隔がＴｏｂで一定あれば、往路メッセージの間隔は、観測間隔Ｔｏｂｓより大きくしても、小さくしても、タイムスタンプの出力間隔はほぼ一定となる。観測間隔Ｔｏｂｓの逆数（１／Ｔｏｂｓ）を、観測周波数Ｆｏｂｓとすると、タイミングプロトコルエンジン２６は、タイムサーバ１４に送信したタイムスタンプメッセージの送信時刻（タイムスタンプＴｃｄ）および受信時刻（タイムスタンプＴｍｃ）と、タイムサーバ１４から送信されてきたタイムスタンプメッセージの送信時刻（タイムスタンプＴｍｂ）および受信時刻（タイムスタンプＴｃａ）とを示すタイムスタンプを、所定の観測周波数Ｆｏｂｓで出力する。

クロックオフセット計算部２９、雑音除去フィルタ４１、ダウンサンプラ３７、ループフィルタ４０、発振器４２およびクロックカウンタ４４は、クライアント時刻とサーバ時刻との誤差を補正するように駆動される位相ロックループ３４Ａを構成する。

クロックオフセット計算部２９は、タイミングプロトコルエンジン２６から出力されたタイムスタンプＴｃｄ，Ｔｍｃ，Ｔｍｂ，Ｔｃａに基づき、タイムサーバ１４のサーバ時刻とタイムクライアント１６Ａのクライアント時刻とのクロックオフセットθｏｂｓを計算する。

タイムクライアント１６からタイムサーバ１４に送信されるタイムスタンプメッセージの伝搬遅延と、タイムサーバ１４からタイムクライアント１６に送信されるタイムスタンプメッセージの伝搬遅延とが等しいと仮定すると、クロックオフセット計算部２９は、以下の式に基づき、クロックオフセットθｏｂｓを計算することができる。
θｏｂｓ＝（Ｔｃｄ＋Ｔｃａ）／２−（Ｔｍｃ＋Ｔｍｂ）／２−θｉｎｉｔ

θｉｎｉｔは、定数であり、任意の値でよい。例えば、θｉｎｉｔを、動作開始時の（Ｔｃｄ＋Ｔｃａ）／２−（Ｔｍｃ＋Ｔｍｂ）／２とすると、動作開始時のクロックオフセットθｏｂｓが０となり、扱いやすくなる。

クロックオフセットθｏｂｓの計算方法は、上述した方法に限られるものではない。
クロックオフセット計算部２９は、ネットワークタイムプロトコルに基づく方法、ＩＥＥＥ１５８８ プレシジョンタイムプロトコルに基づく方法、最小遅延時間に基づく方法など、種々の方法を用いて、クロックオフセットθｏｂｓを計算することができる。ただし、最小遅延時間に基づく方法では、上述したように、観測時刻の誤差を生じる。

クロックオフセット計算部２９は、計算したクロックオフセットθｏｂｓを雑音除去フィルタ４１に出力する。

雑音除去フィルタ４１は、クロックオフセット計算部２９から出力されたクロックオフセットθｏｂｓの不要周波数成分を除去するフィルタ処理を行う。ここで、雑音除去フィルタ４１は、後述するサンプリング周波数（１／Ｔｓｐ）の１／２以下の周波数で、振幅特性一定かつ直線位相特性を有する雑音除去フィルタである。雑音除去フィルタ４１のカットオフ周波数Ｆｃは、サンプリング周波数（１／Ｔｓｐ）の１／２以上の周波数を有する。ここで、雑音除去フィルタ４１は、観測周波数Ｆｏｂｓの逆数をＴｏｂｓとすると、遅延時間がＭ×Ｔｏｂｓ／２であるＭ（Ｍは正の整数）次のＦＩＲフィルタで構成することができる。発信器の周波数誤差である位相雑音は、周波数が高いほど軽減する性質があることから、クロックオフセットθｏｂｓの高周波成分をカットすることで雑音を軽減することができる。このため、雑音除去フィルタ３１は、簡便には、サンプリング周波数（１／Ｔｓｐ）の１／２以上のカットオフ周波数を有するＭ次のローパスＦＩＲフィルタとして構成できる。なお、ＦＩＲフィルタは、次数Ｍが大きくすることで雑音信号の選択性や雑音の抑圧性能を改善し、雑音除去の効果を高めることができる。

上記のような制約により、雑音除去フィルタ４１は、サンプリング周波数の１／２以下の帯域の信号に対しては、振幅特性一定かつ直線位相特性をもつことから、一定の遅延時間を有する定遅延回路とみなすことができる。ダウンサンプラ３７のダウンサンプル比率をＮ／Ｄ（Ｎ，Ｄは正の整数、かつ、Ｎ＜Ｄ）とすると、サンプリング間隔Ｔｓｐおよびサンプリング周波数（１／Ｔｓｐ）は、以下の式で計算することができる。
Ｔｓｐ＝Ｔｏｂｓ×Ｄ／Ｎ
１／Ｔｓｐ＝Ｎ／（Ｔｏｂｓ×Ｄ）＝Ｆｏｂｓ×Ｎ／Ｄ

上述したように、雑音除去フィルタ４１は、クロックオフセット計算部２９から出力されたクロックオフセットθｏｂｓから、カットオフ周波数ＦＣより高い周波数成分を持つ雑音をカットし、サンプリング周波数（１／Ｔｓｐ）の１／２より低い周波数成分を一定時間遅延させて、ダウンサンプラ３７に出力する。

ダウンサンプラ３７は、雑音除去フィルタ４１の出力信号を、所定のダウンサンプル比率Ｎ／Ｄでダウンサンプルし、極性を反転して、位相誤差信号としてループフィルタ４０に出力する。ダウンサンプラ３７によるダウンサンプル処理により、位相誤差信号の間隔は、サンプリング間隔Ｔｓｐとなる。雑音除去フィルタ４１のフィルタ処理による遅延がＭ×Ｔｏｂｓ／２であるとすると、この遅延はＭ×Ｎ／（２Ｄ）×Ｔｓｐとなる。

ここで、Ｍ×Ｎ／（２Ｄ）が整数となるように設計することで、雑音除去フィルタ４１のサンプリング周波数の１／２以下の周波数の信号に対しては、雑音除去フィルタ４１は、サンプリング間隔Ｔｓｐの整数倍の遅延回路とみなすことができる。そのため、上記制約を満たす雑音除去フィルタ４１は、伝達関数Ｇ_LPF（ｚ）を、または、Ｍ×Ｎ／（２Ｄ）をＰとすると、ｚ^-Pとしてモデル化することができる。

なお、雑音除去フィルタ４１およびダウンサンプラ３７は、一体的に構成してもよい。また、極性反転処理は、ダウンサンプラ３７の代わりに、クロックオフセット計算部２９、雑音除去フィルタ４１あるいは後述するループフィルタ４０で行ってもよい。また、雑音除去フィルタ４１が線形フィルタであれば、雑音除去フィルタ４１とダウンサンプラ３７との順序を入れ換えてもよい。また、雑音除去フィルタ４１を、非線形フィルタ部でフィルタ処理を行った後に、線形フィルタ部でフィルタ処理を行う二段階の機能ブロックに分割することができる場合、線形フィルタ部とダウンサンプラ３７との順序を入れ換えてもよい。

ループフィルタ４０は、ダウンサンプラ３７から出力された位相誤差信号に含まれるジッタおよびノイズを除去して、発振器制御信号として発振器４２に出力する。発振器制御信号は、サンプリング間隔Ｔｓｐの間、一定の値に固定される。

上述したように、雑音除去フィルタ４１は、サンプリング周波数（１／Ｔｓｐ）の１／２より低い周波数成分を一定時間遅延させる条件を雑音除去フィルタであれば、周波数特性によらず、サンプリング周波数の１／２以下の周波数では、遅延時間がＭ×Ｔｏｂｓ／２である定遅延回路とみなされる。そのため、サンプリング間隔Ｔｓｐでのダウンサンプル処理後の雑音除去フィルタ４１の伝達関数Ｇ_LPF（ｚ）は、観測間隔Ｔｏｂｓでの雑音除去フィルタ４１の周波数特性によらず、Ｚ^-(MN/2D)とみなすことができる。したがって、雑音除去フィルタ４１の遅延時間と、ダウンサンプラ３７のダウンサンプル比率Ｎ／Ｄとの積が変わらなければ、閉ループ制御モデルは変わらないため、雑音除去フィルタ４１の周波数特性によらずループフィルタ４０を共通に使用することができる。

発振器４２は、ループフィルタ４０から出力された発振器制御信号により決定される周波数で発振し、クライアントクロックをクロックカウンタ４４に出力する。発振器４２は、例えば、制御電圧の大きさを用いて発振周波数を制御する発振器で構成される。このような発振器としては、例えば、水晶発振器（ＸＯ：Crystal Oscillator）、シンプルパッケージ水晶発振器（ＳＰＸＯ：Simple Packaged XO）、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ:Voltage Controlled XO）、温度保証水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated XO）、恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled XO）などを用いることができる。

クロックカウンタ４４は、発振器４２から出力されたクライアントクロックをカウントしてクライアント時刻を生成し、タイミングプロトコルエンジン２６およびクロックオフセット計算部２９に出力する。

ループフィルタ４０、発振器４２およびクロックカウンタ４４は、ダウンサンプラ３７から出力された位相誤差信号に基づき、タイムクライアント１６Ａのローカルなクライアント時刻を補正する補正部４５を構成する。

このように本実施形態によれば、同期システム１は、タイムサーバ１４と、タイムサーバ１４とパケットネットワーク１２を介して通信を行うタイムクライアント１６Ａと備える。タイムクライアント１６Ａは、パケットネットワーク１２を介してタイムサーバ１４とタイムスタンプメッセージの送受信を行い、タイムサーバ１４に送信したタイムスタンプメッセージの送信時刻および受信時刻と、タイムサーバ１４から送信されてきたタイムスタンプメッセージの送信時刻および受信時刻とを示すタイムスタンプを、所定の観測周波数Ｆｏｂｓで出力するタイミングプロトコルエンジン２６と、タイムスタンプに基づき、サーバ時刻とクライアント時刻とのクロックオフセットθｏｂｓを計算するクロックオフセット計算部２９と、クロックオフセットθｏｂｓの高周波成分を除去して出力する雑音除去フィルタ４１と、雑音除去フィルタ４１の出力信号を所定のダウンサンプル比率Ｎ／Ｄでダウンサンプルし、位相誤差信号を生成するダウンサンプラ３７と、位相誤差信号に基づき、クライアント時刻を補正する補正部４５と、を備える。雑音除去フィルタ４１は、観測周波数Ｆｏｂｓにダウンサンプル比率Ｎ／Ｄをかけた周波数の半分より高いカットオフ周波数を有し、観測周波数Ｆｏｂｓにダウンサンプル比率Ｎ／Ｄをかけた周波数の半分より低い周波数において振幅特性一定かつ直線位相特性を有する。

雑音除去フィルタ４１が、タイミングプロトコルエンジン２６の観測周波数Ｆｏｂｓにダウンサンプル比率Ｎ／Ｄをかけた周波数の半分より高いカットオフ周波数を有することで、雑音除去フィルタ４１を、サンプリング周波数の１／２以下の帯域の信号に対しては、定遅延回路とみなすことができる。そのため、雑音除去フィルタ４１の遅延に起因する位相の遅れである制御モデル誤差によりＰＬＬが設計通りに動作せず、動作が不安定になる問題が解決されるので、ＰＬＬの動作を安定化させ、タイムサーバ１４とタイムクライアント１６Ａとの同期の高精度化を図ることができる。

また、雑音除去フィルタ４１を定遅延回路とみなすことができるので、ループフィルタ４０の再設計を行うことなく、雑音除去フィルタ４１の周波周特性を調整することができる。そのため、ネットワークの速度および混雑度、ネットワークインタフェースおよび伝送路の種類、サンプリング間隔の変化などに柔軟に対応することができる。

また、制御モデル誤差により動作が不安定になる問題が解決されるので、雑音除去フィルタ４１の次数（Ｍ）を大きくすることができる。そのため、雑音除去フィルタ４１による雑音除去の効果を高め、タイムサーバ１４とタイムクライアント１６Ａとの同期の高精度化を図ることができる。

なお、実施形態では特に触れていないが、タイムクライアント１６Ａは、コンピュータとプログラムとによっても実現することができる。また、当該プログラムは、コンピュータ読取り可能媒体に記録されてもよい。コンピュータ読取り可能媒体を用いれば、コンピュータにインストールすることが可能である。ここで、プログラムが記録されたコンピュータ読取り可能媒体は、非一過性の記録媒体であってもよい。非一過性の記録媒体は、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＤ−ＲＯＭおよびＤＶＤ−ＲＯＭなどの記録媒体であってもよい。また、当該プログラムは、ネットワークを介して提供することも可能である。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

１ 同期システム
１２ パケットネットワーク
１４ タイムサーバ
１６，１６Ａ タイムクライアント
２４ 最小遅延およびクロックオフセット推定部
２６ タイミングプロトコルエンジン
２８ タイムスタンプフィルタおよび最小遅延選択部
２９ クロックオフセット計算部
３０ オフセット推定および最小遅延急変検出部
３１ ローパスフィルタ
３２ 同期仮想クロック
３４，３４Ａ 位相ロックループ
３６ クロックカウンタ
３７ ダウンサンプラ
３８ 位相検出部
３９ 正負反転部
４０ ループフィルタ
４１ 雑音除去フィルタ
４２ 発振器
４４ クロックカウンタ
４５ 補正部
５０ フリーラン水晶発振器

Claims (5)

1. タイムサーバと、前記タイムサーバとパケットネットワークを介して通信を行うタイムクライアントと備え、
   前記タイムクライアントは、
   前記パケットネットワークを介して前記タイムサーバとタイムスタンプメッセージの送受信を行い、前記タイムサーバに送信したタイムスタンプメッセージの送信時刻および該タイムスタンプメッセージの前記タイムサーバでの受信時刻と、前記タイムサーバから送信されてきたタイムスタンプメッセージの受信時刻および該タイムスタンプメッセージの前記タイムサーバからの送信時刻とを示すタイムスタンプを、所定の観測周波数で出力するタイミングプロトコルエンジンと、
   前記タイムスタンプに基づき、前記タイムサーバのサーバ時刻と、前記タイムクライアントのローカルなクライアント時刻とのクロックオフセットを計算するクロックオフセット計算部と、
   前記クロックオフセットの不要周波数成分を除去して出力する雑音除去フィルタと、
   前記雑音除去フィルタの出力信号を所定のダウンサンプル比率でダウンサンプルし、位相誤差信号を生成するダウンサンプラと、
   前記位相誤差信号に基づき、前記クライアント時刻を補正する補正部と、を備え、
   前記雑音除去フィルタは、前記観測周波数に前記ダウンサンプル比率をかけた周波数の半分より低い周波数において振幅特性一定かつ直線位相特性を有することを特徴とする同期システム。
2. 請求項１に記載の同期システムにおいて、
   前記観測周波数の逆数をＴｏｂｓとすると、
   前記雑音除去フィルタは、遅延時間がＭ×Ｔｏｂｓ／２であるＭ（Ｍは正の整数）次のローパスＦＩＲフィルタであり、前記観測周波数に前記ダウンサンプル比率をかけた周波数の半分より高いカットオフ周波数を有することを特徴とする同期システム。
3. 請求項２に記載の同期システムにおいて、
   前記ダウンサンプル比率をＮ／Ｄ（Ｎ，Ｄは正の整数、かつ、Ｎ＜Ｄ）とすると、
   Ｍ×Ｎ／２Ｄが整数であることを特徴とする同期システム。
4. タイムサーバとパケットネットワークを介して通信を行うタイムクライアントであって、
   前記パケットネットワークを介して前記タイムサーバとタイムスタンプメッセージの送受信を行い、前記タイムサーバに送信したタイムスタンプメッセージの送信時刻および該タイムスタンプメッセージの前記タイムサーバでの受信時刻と、前記タイムサーバから送信されてきたタイムスタンプメッセージの受信時刻および該タイムスタンプメッセージの前記タイムサーバからの送信時刻とを示すタイムスタンプを、所定の観測周波数で出力するタイミングプロトコルエンジンと、
   前記タイムスタンプに基づき、前記タイムサーバのサーバ時刻と、前記タイムクライアントのローカルなクライアント時刻とのクロックオフセットを計算するクロックオフセット計算部と、
   前記クロックオフセットの不要周波数成分を除去して出力する雑音除去フィルタと、
   前記雑音除去フィルタの出力信号を所定のダウンサンプル比率でダウンサンプルし、位相誤差信号を生成するダウンサンプラと、
   前記位相誤差信号に基づき、前記クライアント時刻を補正する補正部と、を備え、
   前記雑音除去フィルタは、前記観測周波数に前記ダウンサンプル比率をかけた周波数の半分より低い周波数において振幅特性一定かつ直線位相特性を有することを特徴とするタイムクライアント。
5. コンピュータを、請求項４に記載のタイムクライアントとして機能させるプログラム。

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