JP2019204999A - 同期信号変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
CDMA(Code Division Multiple Access)やWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)などのTDD(Time Division Duplex)方式の無線システム(既存の無線通信システム)では、端末と基地局の通信のタイミングをシステム全体で一致させる必要がある。そのため、基地局がGPS(Global Positioning System)の基準時刻に同期した同期信号を生成して、上り/下りの通信のタイミングを制御し、GPSの基準時刻に同期したシステムを実現している。
ここで、GPS受信機を備えた基地局装置について図10を用いて説明する。図10は、GPS受信機を備えた基地局装置の概略構成を示す説明図である。
図10に示すように、基地局装置10は、GPSアンテナ101と、GPS受信機102とを備えている。
GPSアンテナ101は、GPS衛星からのGPS信号を受信して、GPS受信信号を出力する。
GPS受信機102は、GPSアンテナ101からのGPS受信信号から、UTC(Coordinated Universal Time;協定世界時)で表された基準時刻を抽出し、当該基準時刻に同期(時刻同期)する同期信号を生成する。
そして、従来の基地局装置102は、当該同期信号に従って動作を行うことにより、GPSの基準時刻に同期した通信を行う。
つまり、GPS受信信号は、GPS受信機102に入力される信号であり、GPS受信機102では、入力されたGPS受信信号に基づいて、UTCに同期した時刻情報と現在の位置情報とを取得(算出)するようになっている。
また、TDD方式を用いる既存の無線通信システムにおいて、基地局から端末に送信されている報知情報には、時刻同期の情報が含まれており、基地局装置では、GPS信号の代替として他の基地局からの報知情報を用いて同期信号を生成する場合がある。
しかしながら、現在の移動通信の主要システムであるLTE/LTE−Advanced、及び現在検討が進められている次世代システムである5G(第5世代通信)においては、基地局からの標準の報知情報には時刻情報が含まれていない。
そのため、GPS信号の代替としての活用が困難となっている。
TDD方式では、正確なタイミングで送受信を行わないと干渉を起こしてしまう。そのため、これらの通信システムにおいては、基地局からの報知情報に時刻情報は含まないものの、システムの同期信号であるフレーム番号等の周期信号が報知されており、この周期信号はGPSの基準時刻と同期していることが多い。
システムによっては、周期信号がGPSの基準時刻に対して一定のずれ(オフセット)を持つ場合もある。
また、放送局から送信されている地上デジタル放送や衛星放送の放送波には、時刻情報が含まれている。
放送波の時刻情報には、放送局毎のクロック精度の違いや、伝搬による受信タイミングのゆらぎが発生する。
尚、同期信号変換装置の従来技術としては、特開2016−39514号公報「同期信号変換装置」(特許文献1)がある。
特許文献1には、受信した放送波から放送波同期信号を取得して、疑似的なGPS信号の同期信号に変換し、当該変換された同期信号を含む疑似的なGPS受信信号を生成してGPS受信部を備えた基地局装置に出力し、基地局装置に基準クロックを生成させる同期信号変換装置が記載されている。
[実施の形態の概要]
本発明の実施の形態に係る同期信号変換装置は、移動体通信システムの基地局から送信された報知情報から、GPSの基準時刻に同期したシステム同期信号(例えばフレーム番号)を抽出すると共に、放送波から取得した時刻情報を、当該システム同期信号のタイミングで補正することにより基準時刻に同期した時刻情報を生成し、当該時刻情報に対応して、複数の衛星の軌道情報及び各衛星からの送信時刻に相当する時刻情報を含む疑似GPS受信信号を生成して、GPS受信機を備えた受信側装置(例えば基地局装置)に出力するものであり、GPS信号が受信できない環境にある受信側装置でも、疑似GPS受信信号に基づいてGPS基準時刻に同期した同期信号を生成して通信システムを実現でき、システム構築の自由度を増大させることができるものである。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る同期信号変換装置(第1の同期信号変換装置)の概略を示す説明図である。
第1の同期信号変換装置1は、図1に示すように、図10と同様のGPS受信機102を備えた基地局装置10に接続されて用いられ、基地局装置10に疑似GPS信号を供給するものである。
つまり、基地局10のGPS受信機102は、疑似GPS受信信号が入力されると、複数の衛星からのGPS信号が重畳されて入力されたものとして認識し、本来のGPS受信信号を入力した場合と同じ動作を行うものである。
尚、ここでは「GPSの基準時刻に同期した時刻情報」は「UTCに同期した時刻情報」と同義として用いる。
第1の同期信号変換装置の構成について図2を用いて説明する。図2は、第1の同期信号変換装置の構成ブロック図である。
図2に示すように、第1の同期信号変換装置は、受信アンテナ16と、同期信号取得部11と、時刻情報取得部12と、時刻情報同期部13と、GPS時刻情報変換部14と、疑似GPS信号送出部15とを備えている。
受信アンテナ16は、LTE,LTE−Advanced又は5Gの基地局からの電波を受信すると共に、放送局からの放送波を受信するアンテナである。
ここでは、受信アンテナ16でLTE等の無線通信システム(移動体通信システム)の信号と放送波の両方を受信するようにしているが、無線通信システム用のアンテナと放送波用のアンテナとを独立して設け、それぞれ、同期信号取得部11、時刻情報取得部12に接続するよう構成してもよい。
尚、無線通信システムの種類によっては、システム同期信号がGPSの基準時刻から一定のオフセットを持つ場合もある。
両方を備えている場合には、時刻情報取得部12は、第1の同期信号変換装置1が設置されている環境に応じて、地上波デジタル放送又は衛星放送のいずれかを選択して受信するよう設定される。
時刻情報同期部13の構成及び動作については後述する。
具体的には、GPS時刻情報変換部14では、同期時刻情報に対応するよう、複数の衛星からのGPS信号を疑似的に算出し、あたかも複数のGPS信号が重なったようなGPS受信信号(疑似GPS受信信号)を生成する。
第1の同期信号変換装置の動作について図1,2を用いて簡単に説明する。
第1の同期信号変換装置では、受信アンテナ16で、LTE,LTE−Advanced又は5Gの無線通信システムの基地局からの電波が受信されると共に、放送波が受信される。
そして、同期信号取得部11で無線通信システムの信号からシステム同期信号が取得され、時刻情報取得部12で放送波から時刻情報が取得される。システム同期信号はGPSの基準時刻に同期しているが、放送波の時刻情報はずれを含んでいる。
このようにして第1の同期信号変換装置における動作が行われる。
次に、時刻情報同期部13の構成について図3を用いて説明する。図3は、時刻情報同期部13の構成を示す構成ブロック図である。
図3に示すように、時刻情報同期部13は、同期補正部31と、時刻情報補正部32と、同期時刻生成部33とを備えている。
時刻情報同期部13は、基本的には内部クロックに基づいて自走動作を行うものであり、同期時刻生成部33が、時刻情報補正部32からの時刻情報を、同期補正部31からのタイミングに従って出力することで、GPS基準時刻に同期した時刻情報(同期時刻情報)を生成するようになっている。
同期補正部31は、同期タイミング補正部311と、同期カウンタ312とを備えている。
同期タイミング補正部311は、同期信号取得部11から入力される1PPS(Pulse Per Second)のシステム同期信号に基づいて、同期カウンタ312に対してタイミング補正を行うものであり、システム同期信号が入力された場合に同期カウンタ312にタイミングを指示する。
その際、システム同期信号がGPS基準時刻に対して既知のオフセットがある場合には、同期タイミング補正部311は、オフセット分を補正したタイミング指示を行う。
ここでは、同期カウンタ312は、自走クロックに基づいて、1秒毎に同期タイミング(タイミング信号)を出力する。また、同期カウンタ312は、タイミング補正部311からのタイミング指示が入力されると、当該タイミングを起点として1秒毎の同期タイミングを生成する。
つまり、システム同期信号が正常に入力されている場合には、同期カウンタ312からはGPSの基準時刻に同期した1PPSのタイミング信号が出力される。
時刻補正部321は、時刻情報取得部12より、放送波から抽出した事項情報が正常に受信できているかどうかを判断し、正常に受信できている場合には、時刻カウンタ322のカウンタ値(内部時刻情報)を取得した時刻情報に更新する。
これにより、放送波から取得した時刻情報が正常に入力されている場合には、時刻カウンタ322からは、放送波の時刻情報に特定時間が加算された補正時刻情報が出力される。
特定時間は、内部時刻情報からGPS基準時刻に同期した同期時刻情報を生成する処理を行うために加算する時間である。
具体的には、特定時間は、放送波から抽出した時刻情報とGPSの基準時刻とのずれとして想定される最大の時間より大きい時間としており、ここでは、0.5秒としている。
尚、自走時には内部時刻情報が放送波の時刻情報より若干遅れたり早まったりすることはあるものの、放送波の時刻情報を正常に受信すれば、放送波の時刻情報に合わせて内部時刻情報が更新されるため、自走によるずれを考慮する必要はない。
これにより、同期時刻生成部33からはGPS基準時刻に同期した時刻情報(同期時刻情報)が1秒毎に出力されるものである。この動作については、後述する。
次に、時刻情報同期部13の動作について図4を用いて説明する。図4は、時刻情報同期部13における同期時刻情報生成の動作を示すタイミング説明図である。
ここでは、第1の同期信号変換装置として説明するが、後述する第2の同期信号変換装置も同様の処理で同期時刻情報を生成するものである。
図4(b)は、LTE等の無線通信システムの基地局から送信されている報知情報から取得したシステム同期信号である。システム同期信号としては、実際には多数のパルスが含まれているが、ここでは、1秒間に1回の特定のパルス信号のみをシステム同期信号として用いる。
また、図4(b)の例では、システム同期信号はGPS基準時刻に対して既知のオフセットを持っている。
そして、図4(c)に示すように、同期補正部31からは、2番目のパルス以降、(a)のGPS基準時刻に同期した1PPSのタイミング信号が出力される。
また、時刻カウンタ322のタイミングは、(a)のGPS基準時刻に同期していない。
図4(f)では、同期時刻情報のイメージを示しており、同期時刻生成部33は、(c)の同期補正部31からのタイミング信号に従って、その時に保持している(e)の補正時刻情報を出力する。図4の例では、「14:48:01.000.000」の同期時刻情報が、(a)のGPS基準時刻と同期して出力されることになる。
また、説明のために同期時刻情報を時間的に幅のある信号として示しているが、実際には(c)のタイミング信号に同期して時刻を報知するパルス信号である。
このようにして、時刻情報同期部13の動作が行われるものである。
このようにして、GPS信号を受信できない環境であっても、基地局装置10がGPS基準時刻に同期した同期信号を生成して、GPSと時刻同期した無線通信システムを実現することができるものである。
第1の同期信号変換装置によれば、同期信号取得部11が、無線通信システムの報知情報から、GPSの基準時刻に同期したシステム同期信号を抽出し、時刻情報取得部12が、放送波から時刻情報を取得し、時刻情報同期部13が、放送波の時刻情報を特定時間だけ進めるよう補正して補正時刻情報として保持しておき、システム同期信号に同期したタイミングで当該補正時刻情報を出力することでGPSの基準時刻に同期した同期時刻情報を生成し、GPS時刻情報変換部14が、受信側において当該同期時刻情報と同じ時刻が算出されるよう、複数の衛星の軌道情報や時刻情報を含む疑似GPS受信信号を生成して、疑似GPS信号送出部15が、GPS受信機102を備えた基地局装置10に出力するようにしているので、GPS信号を受信できない環境下であっても、基地局装置10は、疑似GPS受信信号からGPS基準時刻に同期した時刻情報を算出して同期信号を生成でき、GPSに同期した無線通信システムを実現することができる効果がある。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る同期信号変換装置(第2の同期信号変換装置)について図5を用いて説明する。図5は、第2の同期信号変換装置の概略を示す説明図である。
図5に示すように、第2の同期信号変換装置2は、第1の同期信号変換装置と同様に、LTE/LTE−Advanced、又は5Gの無線システムの信号を受信すると共に、放送波を受信する受信アンテナ16を備え、特定の有線ネットワーク(例えばIEEE1588)を介して、GPS信号を受信できない環境に設置された基地局装置20にGPS基準時刻に同期した時刻情報を提供するものである。
そして、第2の同期信号変換装置2は、GPS基準時刻に同期した時刻情報(同期時刻情報)をネットワークの同期信号に変換して、基地局装置20に送出する。
次に、第2の同期信号変換装置2の構成について図6を用いて説明する。図6は、第2の同期信号変換装置2の構成ブロック図である。
図6に示すように、第2の同期信号変換装置2は、受信アンテナ16と、同期信号取得部11と、時刻情報取得部12と、時刻情報同期部13と、ネットワーク信号変換部24と、ネットワーク信号送出部25とを備えている。
ここで、受信アンテナ16と、同期信号取得部11と、時刻情報取得部12と、時刻情報同期部13は第1の同期信号変換装置と同様の構成及び動作であり、説明は省略する。
ネットワーク信号変換部24は、時刻情報同期部13から出力されるGPS基準時刻に同期した同期時刻情報を入力して、例えばIEEE1588等のネットワーク規格に準拠した所定のフォーマットに変換して、当該同期時刻情報を含むネットワーク信号を生成する。
基地局装置20は、ネットワークインターフェース202を介して受信したネットワーク信号から同期時刻情報を抽出し、当該同期時刻情報から同期信号(基準クロック)を生成して、通信を実現する。
第2の同期信号変換装置によれば、時刻情報同期部13が、GPS基準時刻に同期したシステム同期信号と、放送波の時刻情報とを用いて、放送波の時刻情報をシステム同期信号に合わせて補正することにより、GPS基準時刻に同期した同期時刻情報を生成し、ネットワーク信号変換部24が、IEEE1588等のネットワークのフォーマットに従って、当該同期時刻情報を含むネットワーク信号を生成し、ネットワーク信号送出部25が、当該ネットワーク信号を、ネットワークインターフェース202を備えた基地局装置20に出力するようにしているので、IEEE1588等に準拠したネットワーク信号を受信できない環境に設置されている基地局装置20であっても、第2の同期信号変換装置からのネットワーク信号を受信してGPS基準時刻に同期した同期時刻情報を抽出し、基準クロックとして利用することができ、システム構築の自由度を増大させることができる効果がある。
次に、本発明の第3の実施の形態に係る同期信号変換装置(第3の同期信号変換装置)について図7を用いて説明する。図7は、第3の同期信号変換装置の構成ブロック図である。
第3の同期信号変換装置は、第1の同期信号変換装置と同様に、GPS受信機を備えた受信側装置(通信装置)に接続されて用いられるものであり、疑似GPS受信信号を受信側装置に提供するものである。
例えば、工場内や建築現場等のローカルに閉じた環境にネットワークを構築する場合、当該ネットワークに含まれる機器同士は同期している必要があるものの、時刻が外部のネットワークと一致する必要はない。
これにより、第3の同期信号変換装置3の時刻情報同期部13では、時刻初期設定部34からの設定値を初期値として、内部クロックに基づいて自走して内部時刻情報を生成する。そして、同期時刻生成部33では、内部時刻情報(又は内部時刻情報に特定時間を加算した補正時刻情報)を、GPS基準時刻のタイミングで出力して同期時刻情報を生成することになる。
第3の同期信号変換装置3では、放送波から時刻情報を取得して内部時刻を補正する処理を行わないため、同期信号変換装置の構成及び処理を簡易にすることができ、低コストで実現可能としている。
更に、第3の同期信号変換装置3は、低コストで実現できるため、正確な時刻情報を必要としない様々な用途への利用を図ることが可能である。
第3の同期信号変換装置によれば、時刻初期設定部34備え、放送波から時刻情報を取得せずに、時刻情報同期部13に任意の時刻を初期値として設定し、時刻情報同期部13が、当該任意の時刻を初期値として自走して内部時刻情報を生成し、内部時刻情報をGPS基準時刻に同期した通信システムの同期信号のタイミングで補正して同期時刻情報を生成し、同期時刻情報を疑似GPS受信信号に変換して出力するようにしているので、放送波を用いずに同期信号変換装置を簡易な構成及び処理で実現でき、GPS信号を受信できない環境に設置された通信装置でも、疑似GPS受信信号から算出した同期時刻情報に基づいて同期信号を生成することができ、無線通信システム構築の自由度を増大させることができる効果がある。
次に、本発明の第4の実施の形態に係る同期信号変換装置(第4の同期信号変換装置)について図8を用いて説明する。図8は、第4の同期信号変換装置の概略を示す説明図である。
図8に示すように、第4の同期信号変換装置4は、受信側の装置と距離的に離れた場所に設置されており、無線によって疑似GPS受信信号を送信する疑似GPS受信信号送信アンテナ17を備えた構成となっている。
第4の同期信号変換装置は、時刻情報あるいは位置情報を配信することを目的としたものであり、例えば、GPS受信機を備えたIoT(Internet of Things)機器等に利用される。
次に、第4の同期信号変換装置4の構成について図9を用いて説明する。図9は、第4の同期信号変換装置4の構成ブロック図である。
図9に示すように、第4の同期信号変換装置4は、受信アンテナ16と、同期信号取得部11と、時刻初期設定部34と、時刻情報同期部13と、GPS時刻情報変換部42と、位置情報設定部41と、疑似GPS信号送出部15と、疑似GPS受信信号送信アンテナ17を備えている。
ここで、受信アンテナ16と、同期信号取得部11と、時刻情報同期部13と、疑似GPS信号送出部15は、第1の同期信号変換装置における各部と同様のものであり、時刻初期設定部34は、第3の同期信号変換装置と同様のものであるため、説明は省略する。
GPS時刻情報変換部42は、時刻情報同期部13からの同期時刻情報と、位置情報設定部41から設定された位置情報(設定位置情報)とを用いて、当該同期時刻情報における複数の衛星軌道情報と各衛星に対応した時刻を算出し、それらを合成した疑似GPS受信信号を生成する。疑似GPS受信信号は、受信した装置において、設定位置情報と同一の位置、及び同期時刻情報と同一の時刻が算出されるよう生成された信号である。
第4の同期信号変換装置によれば、位置情報設定部41が、予め設定されている受信側装置の位置情報をGPS時刻情報変換部42に設定し、GPS時刻情報変換部42が、時刻情報同期部13からの同期時刻情報と、位置情報設定部41からの設定位置情報に基づいて、複数の衛星軌道情報及び各衛星に対応する時刻情報を含む疑似GPS受信信号を生成し、疑似GPS受信信号送信アンテナ17から当該疑似GPS受信信号を無線送信するようにしているので、受信側の装置では、受信した疑似GPS受信信号に基づいて、同期時刻情報と同一の時刻を算出すると共に、設定位置情報と同一の位置を算出することができ、GPS信号を受信できない環境であっても、受信側の装置に正確な位置情報及びほぼ正確な時刻情報を取得させることができ、IoT等のシステム構築の自由度を増大させることができる効果がある。
上述した実施の形態では、無線通信システムの基地局に接続される同期信号変換装置として説明したが、上述したいずれかの同期信号変換装置を内部に備えた基地局装置を構成することも可能である。
ここで、第1、第2の同期信号変換装置は、公衆システムの基地局装置の内部に設けることが可能であるが、第3及び第4の同期信号変換装置は、自営システム等のローカルネットワークの基地局装置に適用される。
尚、請求項に記載した「受信機」は、GPS受信機又はネットワークインターフェースに相当するものである。
Claims (9)
- 無線通信システムの基地局の受信機に接続される同期信号変換装置であって、
前記無線通信システムの報知情報を受信して、前記報知情報からGPS基準時刻に同期したシステム同期信号を取得する同期信号取得部と、
放送波を受信して、前記放送波から時刻情報を取得する時刻情報取得部と、
前記システム同期信号のタイミングに前記時刻情報を出力することにより、GPS基準時刻に同期した同期時刻情報を生成する時刻情報同期部と、
前記同期時刻情報に基づいて、前記同期時刻情報に一致した時刻を前記基地局で算出可能とするため、複数の衛星の軌道情報及び前記各衛星からの送信時刻に相当する時刻情報を含む疑似GPS受信信号を生成するGPS時刻情報変換部と、
前記疑似GPS受信信号を前記基地局に出力する疑似GPS信号送出部とを備えたことを特徴とする同期信号変換装置。 - 無線通信システムの基地局の受信機に接続される同期信号変換装置であって、
前記無線通信システムの報知情報を受信して、前記報知情報からGPS基準時刻に同期したシステム同期信号を取得する同期信号取得部と、
放送波を受信して、前記放送波から時刻情報を取得する時刻情報取得部と、
前記システム同期信号のタイミングに前記時刻情報を出力することにより、GPS基準時刻に同期した同期時刻情報を生成する時刻情報同期部と、
ネットワーク規格に準拠したフォーマットに従って、前記同期時刻情報を含むネットワーク信号を生成するネットワーク信号変換部と、
前記ネットワーク信号を前記基地局に送出するネットワーク信号送出部とを備えたことを特徴とする同期信号変換装置。 - システム同期信号が、GPS基準時刻から一定のオフセットを備えたパルス信号であることを特徴とする請求項1又は2記載の同期信号変換装置。
- 時刻情報同期部が、自走用のクロックを生成してタイミング信号を出力する同期カウンタと、
同期信号取得部でシステム同期信号を取得できたかどうかを判断し、取得できた場合に、前記同期カウンタのタイミングを、前記システム同期信号のタイミングに補正する同期補正部とを備えたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の同期信号変換装置。 - 時刻情報同期部が、自走用の時刻情報を内部時刻情報として生成し、前記内部時刻情報に特定時間を加算して補正時刻情報として出力する時刻カウンタと、
時刻情報取得部で放送波からの時刻情報を取得できたかどうかを判断し、取得できた場合に前記時刻カウンタの内部時刻情報を前記放送波からの時刻情報に更新する時刻情報補正部とを備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の同期信号変換装置。 - 時刻情報同期部が、時刻カウンタからの補正時刻情報を入力して保持しておき、同期カウンタからのタイミング信号が入力されると、それに基づいて前記保持している補正時刻情報を同期時刻情報として出力することを特徴とする請求項5記載の同期信号変換装置。
- 無線通信システムの報知情報を受信する同期信号変換装置であって、
前記報知情報からGPS基準時刻に同期したシステム同期信号を取得する同期信号取得部と、
任意の時刻情報を初期値として出力する時刻情報設定部と、
前記任意の時刻情報から自走して内部時刻情報を生成し、前記システム同期信号のタイミングに出力することにより、同期時刻情報を生成する時刻情報同期部と、
前記同期時刻情報に基づいて、前記同期時刻情報に一致した時刻を通信装置において算出可能とするため、複数の衛星の軌道情報及び前記各衛星からの送信時刻に相当する時刻情報を含む疑似GPS受信信号を生成するGPS時刻情報変換部と、
前記疑似GPS受信信号を前記通信装置に出力する疑似GPS信号送出部とを備えたことを特徴とする同期信号変換装置。 - 任意の位置情報を設定する位置情報設定部を備え、
GPS時刻情報変換部が、前記設定された任意の位置情報に一致した位置を通信装置において算出可能とする疑似GPS信号を生成することを特徴とする請求項8記載の同期信号変換装置。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載の同期信号変換装置を内部に備えたことを特徴とする基地局装置。
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