JP2021057696A - 無線通信装置及び時刻同期プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 装置毎に温度特性を測定・設定することなく同期精度を高めることができる無線通信装置を提供する。【解決手段】本発明は、水晶発振器を備える無線通信装置であって、水晶発振器が出力するクロック信号によって動作するタイマ手段と、水晶発振器の温度値を取得する温度取得手段と、他の無線通信装置とパケット交換し、他の無線通信装置の時刻に対する遅延時間を算出することで、時刻同期を行う時刻同期処理手段と、タイマ手段のカウンタ値と、水晶発振器の公称周波数値と、周波数補正値と、遅延時間とに基づき時刻を算出する時刻算出手段と、算出した時刻と、遅延時間と、温度値とに基づき、水晶発振器の温度特性パラメータを算出する温度特性推定手段と、温度値と温度特性パラメータとに基づき、周波数補正値を算出する周波数補正値算出手段と、公称周波数値等を保持する記憶手段とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、無線通信装置及び時刻同期プログラムに関し、例えば、無線通信装置間で時刻同期を行う無線ネットワークに適用し得る。

ネットワーク上に分散している機器の内部クロックを同期させる方法のひとつとして、同ネットワークを介する通信により、ネットワーク上で最も高精度のクロックを持つ機器に同期させる方式が存在する。例えば、当該同期方式として、非特許文献１に記載のＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）が挙げられる。

ところで、ＮＴＰの実装には、クロックソースの誤差による時刻の進みかたのずれを補正するものがあるが、クロックソースの誤差が温度によって変化する場合、時間の経過とともに時刻のずれが生じる。例えば、クロックソースとして音叉型の水晶振動子を用いる場合、周波数のずれは温度の２次関数となる。

特許文献１では、水晶発振器の温度特性と温度から実際の周波数を求め正しい時刻を得る技術が開示されている。

特開２００６−３２２８４０号公報

ＩＥＴＦ"ＲＦＣ ５０９５ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｖｅｒｓｉｏｎ ４：Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｎｄ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ"［２０１９年９月１２日検索］，［Ｏｎｌｉｎｅ］、ＩＮＴＥＲＮＥＴ、<URL:https://tools.ietf.org/html/rfc5905>

しかしながら、水晶発振器の温度特性のパラメータ、例えば、上述の音叉型の水晶振動子を用いた水晶発振器の場合には、２次温度係数、頂点温度、常温周波数偏差の値には個体差があるため、同期精度を高めるためには装置毎に水晶発振器の温度特性を測定して各装置に設定する必要がある。

そのため、装置毎に温度特性を測定・設定することなく同期精度を高めることができる無線通信装置及び時刻同期プログラムが望まれている。

第１の本発明は、所定周波数のクロック信号を出力する水晶発振器を備える無線通信装置であって、（１）前記水晶発振器が出力する前記クロック信号によって動作するタイマ手段と、（２）前記水晶発振器の温度値を取得する温度取得手段と、（３）他の無線通信装置とパケット交換し、前記他の無線通信装置の時刻に対する遅延時間を算出することで、時刻同期を行う時刻同期処理手段と、（４）前記タイマ手段のカウンタ値と、前記水晶発振器の公称周波数値と、周波数補正値と、前記遅延時間とに基づき当該無線通信装置の時刻を算出する時刻算出手段と、（５）前記時刻算出手段で算出した時刻と、前記遅延時間と、前記温度取得手段で取得した時刻の前記温度値とに基づき、前記水晶発振器の温度特性パラメータを算出する温度特性推定手段と、（６）前記温度値と前記温度特性パラメータとに基づき、前記周波数補正値を算出する周波数補正値算出手段と、（７）前記遅延時間、前記公称周波数値、及び前記周波数補正値を保持する記憶手段とを備えることを特徴とする。

第２の本発明の時刻同期プログラムは、所定周波数のクロック信号を出力する水晶発振器を備える無線通信装置に搭載されるコンピュータを、（１）前記水晶発振器が出力する前記クロック信号によって動作するタイマ手段と、（２）前記水晶発振器の温度値を取得する温度取得手段と、（３）他の無線通信装置とパケット交換し、前記他の無線通信装置の時刻に対する遅延時間を算出することで、時刻同期を行う時刻同期処理手段と、（４）前記タイマ手段のカウンタ値と、前記水晶発振器の公称周波数値と、周波数補正値と、前記遅延時間とに基づき当該無線通信装置の時刻を算出する時刻算出手段と、（５）前記時刻算出手段で算出した時刻と、前記遅延時間と、前記温度取得手段で取得した時刻の前記温度値とに基づき、前記水晶発振器の温度特性パラメータを算出する温度特性推定手段と、（６）前記温度値と前記温度特性パラメータとに基づき、前記周波数補正値を算出する周波数補正値算出手段と、（７）前記遅延時間、前記公称周波数値、及び前記周波数補正値を保持する記憶手段として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、装置毎に温度特性を測定・設定することなく同期精度を高めることができる。

実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る同期システムの全体構成を示す全体構成図である。 実施形態に係る無線通信装置間の時刻のずれを説明する説明図である。 実施形態に係る無線通信装置の特徴動作（特性パラメータ推定部の動作）について示すフローチャートである。

（Ａ）主たる実施形態
以下、本発明による無線通信装置及び時刻同期プログラムの一実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

（Ａ−１）実施形態の構成
（Ａ−１−１）全体構成
図２は、実施形態に係る同期システムの全体構成を示す全体構成図である。

図２に示すように、実施形態に係る同期システム１は、２台の無線通信装置１０（１０−１、１０−２）を有し、無線通信装置１０−１及び無線通信装置１０−２は、無線通信により通信フレームを送受信することができる。

また、時刻同期をする際に、例えば、クライアントとなる無線通信装置１０−１は、サーバとなる無線通信装置１０−２に対して、リクエスト送信時刻を含む時刻同期リクエストメッセージを無線送信し、これを受けて、サーバとなる無線通信装置１０−２が、少なくともリクエスト受信時刻とレスポンス送信時刻とを含む時刻同期レスポンスメッセージを、クライアントとなる無線通信装置１０−１に返信する。これにより、クライアントとなる無線通信装置１０−１が、サーバとなる無線通信装置１０−２の時刻に対する時刻のズレを算出して、自装置の時計の時刻を補正して時刻同期を行う。

同期システム１で用いる無線通信プロトコルは、特に限定されるものではなく、無線ＬＡＮ関連技術（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１タスクグループで規格化された技術）、近距離無線通信技術（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格化技術）等を広く適用することができる。なお、無線通信装置１０−２の電波到来範囲内に、無線通信装置１０−１が存在しており、無線通信装置１０−１が無線通信装置１０−２に対して直接無線通信を行なう場合に限定されるものではなく、マルチホップ無線通信等のように、無線通信装置１０−１が、他の無線通信装置１０を介して、無線通信装置１０−２との間で無線通信を行なう場合にも適用できる。さらに、この実施形態では、無線通信を行なう場合を例示するが、有線回線を介した通信システムにも適用できる。

（Ａ−１−２）無線通信装置１０の詳細な構成
図１は、実施形態に係る無線通信装置の内部構成を示すブロック図である。

図１において、無線通信装置１０は、無線送受信部１０１、時刻同期パケット処理部１０２、時刻算出部１０３、温度特性パラメータ推定部１０４、補正値算出部１０５、温度センサ１０６、タイマ１０７、水晶発振器１０８、及び記憶部１０９を有する。

記憶部１０９は、無線通信装置１０における種々の設定データ等を記録するものである。この実施形態において、記憶部１０９には、タイマ１０７のカウンタ値が０の時の時刻ｔ_０である時刻情報１１０と、公称周波数Ｆ_０と実際の水晶発振器１０８の周波数Ｆの比（Ｆ_０／Ｆ）である周波数補正値１１１と、水晶発振器１０８の周波数の温度特性が２次関数の場合、温度の２次〜０次の係数である温度特性パラメータ１１２とが記録されているものとする。時刻情報１１０、周波数補正値１１１、及び温度特性パラメータ１１２の詳細については後述する。

水晶発振器１０８は、所定の周波数のクロックパルスを発生させるものである。水晶発振器１０８には、例えば、音叉型の水晶振動子が用いられる。

タイマ１０７は、水晶発振器１０８により出力されるクロックパルスにより動作するタイマであり、クロックパルスに応じてカウントアップするカウンタを備えている。また、タイマ１０７は、無線通信装置１０内の種々のタイミングを管理し、例えば、温度特性パラメータ推定部１０４や補正値算出部１０５の動作時刻を管理する。

無線送受信部１０１は、他の無線通信装置１０と無線信号によりパケットを送受信する無線インタフェースである。無線送受信部１０１は受信したパケットのうち時刻同期に関わるパケットを時刻同期パケット処理部１０２に供給する。

時刻同期パケット処理部１０２は、時刻同期に関するパケットの送受信処理及び時刻同期処理を行う。この実施形態では、時刻同期パケット処理部１０２が、時刻算出部１０３で算出した時刻を記載したパケットを、無線送受信部１０１を介して他の無線通信装置１０とやり取りすることにより、時刻のずれを算出する。

図３は、実施形態に係る無線通信装置間の時刻のずれを説明する説明図である。図３では、無線通信装置１０−１が無線通信装置１０−２に時刻同期要求（リクエスト）を行う例が示されている。まず、無線通信装置１０−１が、時刻同期リクエスト送信時刻（ｔ１）を付与したリクエストメッセージを同期先である無線通信装置１０−２に送信し、無線通信装置１０−２が、時刻同期リクエスト送信時刻（ｔ１）、時刻同期リクエスト受信時刻（ｔ２）、時刻同期レスポンス送信時刻（ｔ３）を付与したレスポンスメッセージを無線通信装置１０−１に返信する。

無線通信装置１０−２におけるレスポンスメッセージのレスポンス受信時刻（ｔ４）とすると、無線通信装置１０−１の無線通信装置１０−２に対する遅延時間（時刻のずれ）は、｛（ｔ２＋ｔ３）−（ｔ１＋ｔ４）｝／２と表すことができる。

このように、一往復の時刻同期メッセージが交換されることで、無線通信装置１０−１は、無線通信装置１０−２の時計の時刻に対する遅延時間（時刻のずれ）を算出できる。

時刻同期パケット処理部１０２は、上記のように算出した時刻のずれを加算することで時刻情報１１０の値を更新する。

時刻算出部１０３は、当該無線通信装置１０の現在時刻を算出する機能部である。具体的には、時刻算出部１０３は、時刻情報１１０の値（ｔ_０）と、タイマ１０７のカウンタ値（ｃ）と、周波数補正値１１１の値（ｒ）と、水晶発振器１０８の公称周波数Ｆ_０とを用いて、以下の(１)式により時刻（ｔ）を算出する。
ｔ＝ｔ_０＋Ｃ／ｒＦ_０ …（１）

温度特性パラメータ推定部１０４は、タイマ１０７により定期的に動作し、水晶発振器１０８の温度特性を推定するものである。例えば、温度特性パラメータ推定部１０４は、時刻算出部１０３が算出した時刻（ｔ）と温度センサ１０６の値を取得し、これらの値と時刻同期パケット処理部１０２が算出した時刻のずれかたからタイマ１０７のクロックソースである水晶発振器１０８の温度特性を推定し、を温度特性パラメータ１１２に保持する。

補正値算出部１０５は、タイマ１０７により定期的に動作し、定期的に温度センサ１０６の値を取得し、温度と温度特性パラメータ１１２から周波数補正値１１１を算出するものである。

温度センサ１０６は、水晶発振器１０８の温度を測定するセンサである。

無線通信装置１０は、すべてハードウェア的に構成（例えば、専用の半導体チップを用いて構成）するようにしても良いし、無線送受信部１０１等の通信インタフェース以外の一部または全部についてソフトウェア的に構成するようにしても良い。例えば、図１に示す無線通信装置１０について、無線送受信部１０１以外の各構成要素についてコンピュータにプログラム（実施形態に係る同期プログラム）をインストールすることにより構成するようにしても良い。その場合、水晶発振器１０８については、上述のコンピュータを構成するプロセッサのクロック源を用いるようにしても良い。

（Ａ−２）実施形態の動作
次に、同期システム１の動作の例について説明する。

この実施形態では、同期システム１を構成する無線通信装置１０の温度特性パラメータ推定部１０４の動作に特徴が存在するため、以下では、主に、温度特性パラメータ推定部１０４の動作について述べる。

図４は、実施形態に係る無線通信装置の特徴動作（特性パラメータ推定部の動作）について示すフローチャートである。

温度特性パラメータ推定部１０４は、タイマ１０７に設定した温度取得タイミングであるか否か判定する（Ｓ１０１）。温度特性パラメータ推定部１０４は、温度取得タイミングであった場合には、以下の処理を実行し、温度取得タイミングでなかった場合には、後述するＳ１０３の処理に移行する。

温度特性パラメータ推定部１０４は、時刻算出部１０３で算出した時刻（ｔ）と、温度センサ１０６のセンサ値（温度）を取得して保存しておく（Ｓ１０２）。

一方、温度特性パラメータ推定部１０４は、温度取得タイミングでなかった場合には、時刻同期パケット処理部１０２で時刻同期が行われたか否か判定する（Ｓ１０３）。温度特性パラメータ推定部１０４は、時刻同期が行われた場合には、以下の処理を実行し、時刻同期が行われなかった場合には、先述のステップＳ１０１の処理に戻る。

温度特性パラメータ推定部１０４は、時刻同期により得られた時刻のずれの値を用いて、先述のＳ２０１で保存した温度取得時刻を補正する（Ｓ１０４）。

そして、温度特性パラメータ推定部１０４は、温度の時間変化と時刻のずれから、温度特性パラメータを推定して温度特性パラメータ１１２に保存する（Ｓ１０５）。

以下、水晶発振器１０８の温度特性が２次関数である場合の温度特性パラメータの推定例を示す。

ｎ回目の時刻同期を行った時刻をｔ_ｎ、ｎ回目とｎ＋１回目の時刻同期の間のタイマ１０７のカウンタ値の増加をｃ_ｎ、水晶発振器１０８の公称周波数をＦ_０、時刻ｔの時に取得した温度をＴ（ｔ）、時刻ｔのときの周波数をＦ（ｔ）＝Ｆ_０（αＴ（ｔ）^２＋βＴ（ｔ）＋γ）とすると、以下の（２）式が成り立つ。

上記（２）式について、時間積分を近似すると、以下の（３）式となる。

温度特性パラメータ推定部１０４は、時刻算出部１０３が算出した時刻と温度センサ１０６から取得した温度からα、β、γの係数の算出を行う。

無線通信装置１０内で、測定する時間間隔Δｔ_ｉ、ｔ_ｎ＋１−ｔ_ｎは周波数のずれの影響を受けるため、時刻同期時に時刻同期パケット処理部１０２が算出した時刻のずれを用いて補正する。ｎ回目とｎ＋１回目の時刻同期の間の無線通信装置１０内の時間Δｔ_ｎ（＝ｔ_ｎ＋１−ｔ_ｎ）、ｎ＋１回目の時刻同期で算出された時刻のずれをｄ_ｎ＋１から得られる値ｒ_ｎ＝（Δｔ_ｎ＋ｄ_ｎ＋１／Δｔ_ｎ）を用いて、以下の（４）式により時間間隔を補正する。

４回目の時刻同期を行うと、ｃ_１〜ｃ_３が得られるので、連立方程式を解くことにより、α、β、γを算出する。算出したα、β、γは、温度特性パラメータ１１２に保存する。

なお、補正値算出部１０５では、温度センサ１０６の値である温度Ｔと、α、β、γを用いて周波数補正値ｒを、以下の（５）式により算出する。
ｒ＝αＴ^２＋βＴ＋γ …（５）

（Ａ−３）実施形態の効果
本実施形態によれば、時刻同期を行いながら水晶発振器１０８の温度特性を推定することで、装置毎に温度特性を測定・設定することなく同期精度を高くすることができる。

（Ｂ）他の実施形態
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。

（Ｂ−１）上記実施形態では、本発明を２台の無線通信装置１０−１、１０−２に適用する例を示したが、時刻同期のサーバ側となる無線通信装置１０−２は従来型の無線通信装置でも良い。

（Ｂ−２）上記実施形態では、クロックパルス発生手段として、水晶発振器１０８を例に挙げて説明したが、周波数のずれが温度に依存する他のクロックパルス発生手段にも本発明を適用することができる。

１…同期システム、１０（１０−１、１０−２）…無線通信装置、１０１…無線送受信部、１０２…時刻同期パケット処理部、１０３…時刻算出部、１０４…温度特性パラメータ推定部、１０５…補正値算出部、１０６…温度センサ、１０７…タイマ、１０８…水晶発振器、１０９…記憶部、１１０…時刻情報、１１１…周波数補正値、１１２…温度特性パラメータ。

Claims (3)

1. 所定周波数のクロック信号を出力する水晶発振器を備える無線通信装置であって、
   前記水晶発振器が出力する前記クロック信号によって動作するタイマ手段と、
   前記水晶発振器の温度値を取得する温度取得手段と、
   他の無線通信装置とパケット交換し、前記他の無線通信装置の時刻に対する遅延時間を算出することで、時刻同期を行う時刻同期処理手段と、
   前記タイマ手段のカウンタ値と、前記水晶発振器の公称周波数値と、周波数補正値と、前記遅延時間とに基づき当該無線通信装置の時刻を算出する時刻算出手段と、
   前記時刻算出手段で算出した時刻と、前記遅延時間と、前記温度取得手段で取得した時刻の前記温度値とに基づき、前記水晶発振器の温度特性パラメータを算出する温度特性推定手段と、
   前記温度値と前記温度特性パラメータとに基づき、前記周波数補正値を算出する周波数補正値算出手段と、
   前記遅延時間、前記公称周波数値、及び前記周波数補正値を保持する記憶手段と
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記温度特性推定手段は、所定の時間間隔毎に、前記温度取得手段から前記温度値を取得し、該温度値を取得時刻と紐づけて前記記憶手段に保持し、前記時刻同期処理手段で前記時刻同期が行われた場合、前記遅延時間を用いて、前記取得時刻を補正することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 所定周波数のクロック信号を出力する水晶発振器を備える無線通信装置に搭載されるコンピュータを、
   前記水晶発振器が出力する前記クロック信号によって動作するタイマ手段と、
   前記水晶発振器の温度値を取得する温度取得手段と、
   他の無線通信装置とパケット交換し、前記他の無線通信装置の時刻に対する遅延時間を算出することで、時刻同期を行う時刻同期処理手段と、
   前記タイマ手段のカウンタ値と、前記水晶発振器の公称周波数値と、周波数補正値と、前記遅延時間とに基づき当該無線通信装置の時刻を算出する時刻算出手段と、
   前記時刻算出手段で算出した時刻と、前記遅延時間と、前記温度取得手段で取得した時刻の前記温度値とに基づき、前記水晶発振器の温度特性パラメータを算出する温度特性推定手段と、
   前記温度値と前記温度特性パラメータとに基づき、前記周波数補正値を算出する周波数補正値算出手段と、
   前記遅延時間、前記公称周波数値、及び前記周波数補正値を保持する記憶手段と
   して機能させることを特徴とする時刻同期プログラム。
   

Images