JP5548268B2 - クライアントクロック周波数をサーバクロック周波数と同期させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、クライアントクロック周波数をサーバクロック周波数と同期させる方法に関する。

通信システムは、パケット交換網内に、サーバ、以下「マスタ」とも称される、および、クライアント、以下「スレーブ」とも称される、を備え得る。スレーブクロック周波数をマスタクロックの基準周波数と同期させるために−即ち、スレーブをマスタと同調させるために−サーバからクライアントに周期的タイミングパケットを送信することが知られている。

この場合、図１に表すように、スレーブは、２つの段階の同調プロセスを使用することができる：
− 第１の段階１２で、入力パケットのフィルタリング（またはレンジング）が、周波数同期化のためのタイミングパケットを選択するために、実行される、そして、
− 第２の段階１４で、選択されたタイミングパケットが、スレーブオシレータ周波数を強化するために使用される。

さらに正確に言えば、第１の段階でのタイミングパケットのフィルタリングは、第１に、連続するタイミングパケットの到着時間の時間差−以下、タイミングパケット到着間周期と称される−の測定１６が実行され、第２に、フィルタ１８がかかる到着間周期に適用される、２つのステップで実行され得る。

到着間周期の評価は一般に、タイミングパケット伝送遅延−かかる遅延はマスタからスレーブに送信されることになるタイミングパケットの時間間隔である−の確率的分布関数が、前のタイミングパケット伝送と無関係（無相関）であり、移動平均（ＭＡ）または指数的に重み付けされた移動平均（ＥＷＭＡ）としての方法が、それらの平均値を判定するために、多数の到着間周期に実装され得るように、一様分布すると仮定して実装される。

残念ながら、ＭＡ方法は、再生されたクロック信号で厳密に低いジッタレベルを実現するために、非常に多数の値を必要とする欠点をもつ。結果として、かなりの数のレジスタが関連費用とともに必要とされる。

ＥＷＭＡは、連続するパケット伝送遅延間の相関に非常に敏感であることを犠牲にして、部分的にこの問題を解決する。実質的に、パケット伝送遅延は互いに多少は時間において依存（相関）することが観測されているため、タイミングパケット伝送遅延間の独立性（無相関）の前述の仮定は現実的ではない。

その上で、ＥＷＭＡ方法は、「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｃｌｏｃｋ−ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｏｖｅｒ ｐａｃｋｅｔ ｎｅｔｗｏｒｋｓ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ、２００８、Ｊ．Ａｗｅｙａ、Ｄ．Ｙ．Ｍｏｎｔｕｎｏ、Ｍ．ＯｕｅｌｌｅｔｔｅおよびＫ．Ｆｅｌｓｋｅによって証明されるように、連続するタイミングパケットの伝送遅延間の相関が増すにつれて、ＥＷＭＡ方法は急速に非効率的になる。

要約すると、目標小収束時間などのいくらかの配備制約について、タイミングパケット放射周波数の増加−即ちより短い到着間周期が求められる。問題として、以下Ｑ．ＬｉおよびＤ．Ｌ．Ｍｉｌｌｓの文献と称される、Ｑ．Ｌｉ、Ｄ．Ｌ．Ｍｉｌｌｓ−Ｔｈｅ Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｏｒｔ−Ｒａｎｇｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ ｏｎ Ｄｅｌａｙ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ、ＩＥＥＥ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．２００３によって開示されるように、かかるより短い到着間周期は、クロック周波数の安定性を低下させると見られる連続するタイミングパケットの間の強い遅延相関を誘発する。

「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｃｌｏｃｋ−ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｏｖｅｒ ｐａｃｋｅｔ ｎｅｔｗｏｒｋｓ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ、２００８、Ｊ．Ａｗｅｙａ、Ｄ．Ｙ．Ｍｏｎｔｕｎｏ、Ｍ．ＯｕｅｌｌｅｔｔｅおよびＫ．Ｆｅｌｓｋｅ Ｑ．Ｌｉ、Ｄ．Ｌ．Ｍｉｌｌｓ−Ｔｈｅ Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｏｒｔ−Ｒａｎｇｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ ｏｎ Ｄｅｌａｙ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ、 ＩＥＥＥ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．２００３

本発明は、周波数同期化の費やされる帯域幅で限定的効果をもちながら、再生されたクロック信号の小収束時間および安定性の両方での同調を可能にする方法を提供することによって、この問題を解決することを目的とする。

その目的のために、本発明は、クライアントクロックの周波数をサーバクロック周波数と同期させる方法に関し、かかる同期化は通信ネットワークを介してクライアントへサーバによって送信されるタイミングパケットを介して実行され、それはタイミングパケット群のサーバによる伝送を備え、同群の連続するタイミングパケット間で測定される放射タイミングパケット周期は、連続する群の第１のタイミングパケット間で測定される放射群周期よりも小さく、
− 放射タイミングパケット周期は、同群内のタイミングパケットの伝送遅延が実質的に相関し、そして、
− 放射群周期は、異なる群のタイミングパケットの伝送遅延が実質的に無相関となることを特徴とする。

それによって、本発明は、群内で測定されるタイミングパケットの到着間周期が比較的一定であり、比較的ノイズがないため、小収束時間を配信する方法を提供する。

したがって、マスタ分散周波数の正確な推定値が直ちにかかる到着間周期に基づいて導出され得る。

また、異なる群からのタイミングパケットの遅延分布関数が実質的に相関しないように異なる群は十分な群時間間隔で互いに区切られているため、本方法は再生されたクロック信号に安定性を提供する。

一実施形態で、クライアントは、一群内の連続するタイミングパケットの間で測定されるタイミングパケット到着間時間の平均を使用して分散基準周波数を推定する。

この場合、クライアントは、連続する群の第１のタイミングパケットの間で測定される群到着間時間の平均を使用して、たとえば以下のような加重方程式を介して、分散基準周波数を推定することができる：

但し、ＮおよびＭは整数であり、「ａ」は重み付け係数であり、＜τ_１＞はタイミングパケット到着間時間の平均であり、＜τ_３＞は群到着間時間の平均であり、１／τ_ｅｓｔは分散基準周波数の推定である。

一実施形態で、たとえばＴの周期でのタイミングパケットの周期的伝送と同等の所与のタイミングパケット帯域幅を実現するために、各群は一対のタイミングパケットを備え、放射タイミングパケット周期τ_１および放射群パケット周期τ_３が以下のようになる：
τ_３＝２×Ｔ＝τ_１＋τ_２
但し、τ_２はある群の最後のタイミングパケットと連続する群の第１のタイミングパケットの間で測定される放射周期である。

一実施形態では、関数が、サーバおよびクライアント間のタイミングパケットの伝送で監視されるキューイング効果にしたがって放射タイミングパケット周期および／または放射群周期を判定するために使用される。たとえば、キューイング効果は、偏差ラグ関数（ＤＬＦ）にしたがって監視される。

一実施形態で、タイミングパケット群は、放射群周期が群の連続するセット間で測定される放射セット周期よりも短くなるように、セットによって送信される。

本発明はまた、同群の連続するタイミングパケット間で測定される放射タイミングパケット周期が連続する群の第１のタイミングパケット間で測定される放射群周期よりも小さく、タイミングパケット群を送信する手段を備え、通信ネットワークを介して送信されるタイミングパケットを介してクライアントクロックと周波数で同期させられることを目的とするクロックを備えるサーバに関し、
− 放射タイミングパケット周期は、同群内のタイミングパケットの伝送遅延が実質的に相関し、そして、
− 放射群周期は、前の実施形態のうちのいずれかによって定義される方法にしたがって、異なる群からのタイミングパケットの伝送遅延が実質的に無相関となることを特徴とする。

本発明はまた、通信ネットワークを介してサーバクロックによって送信されるタイミングパケットを介して周波数同期させられることになるクロックを備えるクライアント／端末に関し、同群内の連続するタイミングパケット間で測定される測定タイミングパケット到着間周期が連続する群の第１のタイミングパケット間で測定される群到着間周期よりも小さく、同期化のためにタイミングパケット群をフィルタリングおよび使用する手段を備え、前の実施形態のいずれかによって定義される方法によれば、
− 同群内のタイミングパケットの伝送遅延は実質的に相関し、
− 異なる群のタイミングパケットの伝送遅延は実質的に無相関となることを特徴とする。

最後に、本発明はまた、通信ネットワークを介してクライアントへサーバによって送信されるタイミングパケットのシーケンスに関連し、同群内の連続するタイミングパケット間で測定される放射タイミングパケット周期がタイミングパケットの連続する群の間で測定される群周期よりも小さく、タイミングパケット群を示し、
− タイミングパケット周期は、同群内のタイミングパケットの伝送遅延が実質的に相関し、そして、
− 群周期は、異なる群のタイミングパケットの伝送遅延が実質的に無相関となることを特徴とする。

前述の態様および本発明の付随する利点の多くが、以下のような添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されることになるため、容易に理解されることになろう。

既に説明された、パケットスレーブクロックの通常の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態によるタイミングパケット放射プロファイルを示す図である。 その帯域幅が図２に示すフロープロファイルの帯域幅と同等である、周期的タイミングパケット放射プロファイルを示す図である。 本発明の第２の実施形態によるタイミングパケット放射プロファイルを示す図である。

図２に表すように、本発明によるスレーブクロックの周波数をマスタクロック周波数と同期させることを目的とするタイミングパケット３０の放射プロファイル３２は、タイミングパケット３０の群３４を備える放射プロファイルを示し、同群３４の連続するタイミングパケット３０の間で測定される放射タイミングパケット周期τ_１は連続する群３４の間で測定される放射群周期τ_３よりも小さい。

その上で、本発明による方法は、分散周波数値の推定への高速収束をスレーブレベルで可能にするために、放射タイミングパケット周期τ_１を利用することができる。

その目的のために、放射タイミングパケット周期τ_１は、同群３４のタイミングパケット３０がそれらの伝送中に同じＰＤＶ（パケット遅延変動）−同じバッファリング／キューイング効果−を受けるように、たとえば前述のＱ．ＬｉおよびＤ．Ｌ．Ｍｉｌｌｓの文献で定義されるような偏差ラグ関数を使用することによって、かかる方法で指定される。したがって、それらのそれぞれの伝送遅延間の差は実質的にゼロに準ずる。

これは、一対のタイミングパケット３０および、所与のメッセージ「ｉ」について、以下のパラメータ：
− ｔ_Ｓｉスレーブローカル時間変換係数を使用してスレーブクロックによって測定されるメッセージ受信時間と、
− ｔ_Ｍｉマスタクロックによって測定されるメッセージ出発時間と、
− ｄ_ＭＳｉマスタからスレーブへのメッセージ伝送遅延と、
− ｏｆｆ_Ｓｉスレーブクロックおよびマスタクロックの間の時間オフセットと、
− ｅｒ_ＳｉＩＥＴＦ文書ＲＦＣ２３３０および３３９３で定義されるような、スレーブクロック周波数スキューおよび周波数ドリフトに起因する測定エラーと、
− Ｔ_０タイミングパケットレートに関連するメッセージ伝送周期。
を備える群３４を考えるとき、以下に証明されるように優れた精度を提供する。

定義により、スレーブクロックによって測定される受信時間ｔ_Ｓｉは、以下の方程式から生じる：
ｔ_Ｓｉ＝ｔ_Ｍｉ＋ｄ_ＭＳｉ＋ｏｆｆ_Ｓｉ＋ｅｒ_Ｓｉ。

したがって、連続するタイミングパケット「ｉ」および「ｉ＋１」の２つの受信時間の差は以下の方程式から生じる：
ｔ_Ｓｉ＋１−ｔ_Ｓｉ＝（ｔ_Ｍｉ＋１−ｔ_Ｍｉ）＋（ｄ_{ＭＳｉ＋１}−ｄ_ＭＳｉ）＋（ｏｆｆ_Ｓｉ＋１−ｏｆｆ_Ｓｉ）＋（ｅｒ_Ｓｉ＋１−ｅｒ_Ｓｉ）
そして、
ｔ_Ｍｉ＋１−ｔ_Ｍｉ＝Ｔ_０
ｄ_{ＭＳｉ＋１}−ｄ_ＭＳｉ＝ＰＤＶ_ｉ＋１−ＰＤＶ_ｉ

後者の式は、２つの連続するタイミングパケットのＰＤＶの差に相当する。式（ｏｆｆ_Ｓｉ＋１−ｏｆｆ_Ｓｉ）がオフセット訂正としてのゼロに等しいことがパケットフィルタリング周期中の連続するパケット間で実行されないと考えると、以下になると考えられる：

標準ＲＦＣ３３９３で定義されるように、αおよびβは非常に低減された２つの実係数（たとえばβ∝１０^−６）である。したがって、クライアントが測定するのは：

そうして、２つの受信時間の差の測定エラーは：

結論として、このエラーがごくわずかになるように、伝送遅延は一群内のタイミングパケットについて実質的に相関し、式「ＰＤＶ_ｉ＋１−ＰＤＶ_ｉ」および

はかかる伝送遅延に対比して実質的にごくわずかである。

図２は本発明の起こりうる一実施形態によるタイミングパケット放射プロファイル３２を示し、そこにおいて：
− それぞれの群３４は、放射タイミングパケット周期τ_１によって互いに区切られた一対のタイミングパケット３４を備え、
− ２つの連続する群３４は、連続する群の第１のタイミングパケット間で測定される放射群周期τ_３によって区切られ、同群内のタイミングパケット３０の伝送遅延が実質的に相関するのに対して、タイミングパケットのかかる放射周期τ_１、および群のτ_３は、異なる群のタイミングパケット３０の伝送遅延が実質的に相関しない、またはより少ない相関性をもつ。

放射のＴ周期に基づいて最初のフロープロファイル（図３）と同じ帯域幅使用を維持するために、新しいプロファイルのパラメータは以下の関係を満たすべきである：
τ_３＝２×Ｔ＝τ_１＋τ_２
ここでτ_２は、１つの群３４の最後のタイミングパケットと連続する−次に来る−群３４の第１のタイミングパケットの間で測定される放射周期である。

実質的に、放射タイミングパケット周期τ_１は、たとえば前述のＱ．ＬｉおよびＭｉｌｌｓの文献で説明される偏差ラグ関数（ＤＬＦ）プロットのような、測定相関に異なるネットワークエンジニアリング方法を使用して定義され得る。いずれの場合にも、それは、マスタおよびスレーブ間の経路に沿ったキューイング効果周期に依存する。

結果として、同群のタイミングパケット上で計算される周波数は、かかるタイミングパケットが同じキューイングＰＤＶ（パケット遅延変動）効果を受けたため、特に正確である。

この実施形態で、スレーブは、放射タイミングパケット周期τ_１の推定値を計算するために、およびマスタ基準周波数を判定するために、タイミングパケット到着間時間の平均を考慮する。

実質的に、スレーブは、群到着間周期の平均＜τ_３＞（あるいは＜τ_２＞）の有無に関わらず、タイミングパケット到着間周期の平均＜τ_１＞を計算することによって、マスタクロック周波数を推定する。実質的には、スレーブは、基準周波数の推定値を計算するために、または＜τ_１＞および＜τ_３＞の両方を−たとえば以下に説明する加重値を介して−使用するために、＜τ_１＞のみを使用することを任意の時間に決定することができる。

その目的のために、推定基準周波数は１／ｔ_ｅｓｔとして定義されることができ、そこにおいて：

であり、「ａ」は、スレーブクロックレンジング機構のニーズに応じて時間によって異なり得る２つの平均の間の重み付け係数である。

しかし、タイミングパケット到着間時間の平均値＜τ_１＞は一般に、以下の理由からそれ自体十分に正確であることに留意することが重要である：
− 同群のタイミングパケットは、それぞれの遅延の差が実質的に存在しないように、同じＰＤＶ（パケット遅延変動）を受ける、
− 異なる群の間の時間間隔は、知られている時間間隔の２倍、即ちτ_３＝２×Ｔである。

したがって、異なる群到着間周期間の相関は小さいと考えられ、いずれの場合にも、図３に示すように周期的プロファイル内の連続するパケットの伝送遅延間よりも小さい。

本発明は、現存するマスタ−スレーブクロック階層のタイミングパケット伝送を適合させることによって容易に実装され得る。

本発明は、複数の実施形態に組み込まれることができる。たとえば、３つ以上のタイミングパケット群が図４に示すように使用されることができ、そこで群３４は、タイミングパケットの連続する群３４の間の時間周期が群の連続するセット間の時間周期よりも小さくなるように、セット３６によって送信される。

この場合、本発明は、異なる原因によって誘発されるパケット遅延相関（処理時間に起因する遅延変動、キューイング／バッファリングによって引き起こされる遅延変動など）を考慮するために、３つの時間間隔（τ_１、τ_３、τ_ｎ）を考慮して実行される。

たとえば、１００Ｍｂｉｔｓ／ｓ伝送路上の１０００ビットのタイミングパケット長を仮定すると、本発明による方法は、５ｍｓのタイミングパケット周期（強いキューイング相関）、５０ｍｓの群周期（何らかのデータアプリケーションに負担のかかる使用に起因する限定的トラフィック相関）、および、１５０ｍｓのセット周期（独立したパケット遅延）を組み合わせることができる。

もう１つの実施形態によれば、タイミングパケット伝送遅延監視が、相関／無相関状態に関してタイミングパケット周期および群周期を決定するために、マスタおよびスレーブの間の経路に沿ってキューイング効果を考慮するように、クライアントはＱ．ＬｉおよびＤ．Ｌ．Ｍｉｌｌｓの文献で説明されるような偏差ラグ関数（ＤＬＦ）プロットを使用する。

最後に、本発明によるタイミングパケット／群の相関／無相関は考慮されるネットワークの品質および／または性能にしたがって適合され得ることが強調される必要がある。換言すれば、たとえば、本発明は、放射、または到着間、群周期よりもより強く相関する−同群内の−放射、または到着間、タイミングパケット周期で実装され得る。

その場合、タイミングパケットはより強く相関すると考えられ、群は無相関または緩く相関すると考えられる。

Claims (9)

1. クライアントクロックの周波数をサーバクロック周波数と同期させ、かかる同期化は通信ネットワークを介してクライアントへサーバによって送信されるタイミングパケット（３０）を介して実行される方法において、
   前記方法は、
   タイミングパケット（３０）の群（３４）のサーバによる伝送と、
   

   

   などの加重方程式による、分散基準周波数１／τ _ｅｓｔ の推定とを含み、
   ここで、「Ｎ」および「Ｍ」は整数であり、「ａ」は重み付け係数であり、＜τ _１ ＞は、放射タイミングパケット周期の平均であり、前記放射タイミングパケット周期（τ _１ ）は、同群（３４）の連続するタイミングパケット（３０）間で測定され、＜τ _３ ＞は、放射群周期の平均であり、前記放射群周期（τ _３ ）は、連続する群（３４）の第１のタイミングパケット（３０）間で測定され、
   − 同群（３４）内のタイミングパケット（３０）の伝送遅延は、強く相関し、そして、
   − 異なる群（３４）からのタイミングパケット（３０）の伝送遅延は、緩く相関する、
   方法。
2. 各群（３４）が一対のタイミングパケット（３０）を備える、請求項１に記載の方法。
3. Ｔの周期をもつタイミングパケットの周期的伝送と同等の所与のタイミングパケット帯域幅を実現するために、放射タイミングパケット周期τ_１および放射群パケット周期τ_３が
   τ_３＝２×Ｔ＝τ_１＋τ_２
   であり、
   ここで、τ_２は第１の群（３４）の最後のタイミングパケット（３０）および連続する群（３４）の第１のタイミングパケット（３０）の間で測定される放射周期である、請求項２に記載の方法。
4. 関数が、サーバおよびクライアントの間のタイミングパケットの伝送で監視されるキューイング効果にしたがって放射タイミングパケット周期（τ_１）および／または放射群周期（τ_３）を決定するために使用される、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. キューイング効果が偏差ラグ関数（ＤＬＦ）にしたがって監視される、請求項４に記載の方法。
6. 放射群周期（τ_３）が群の連続するセットの間で測定される放射セット周期よりも小さくなるように、タイミングパケットの群（３４）がセット（３６）によって送信される、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 通信ネットワークを介して送信されるタイミングパケット（３０）を介してクライアントクロックに周波数で同期させられることを目的とするクロックを備えるサーバであって、それはタイミングパケット（３０）の群（３４）を送信する手段を備え、同群（３４）の連続するタイミングパケット（３０）間で測定される放射タイミングパケット周期（τ_１）が連続する群（３４）の第１のタイミングパケット（３０）間で測定される放射群周期（τ_３）よりも小さく、
   − 放射タイミングパケット周期（τ_１）は、同群（３４）内のタイミングパケット（３０）の伝送遅延が強く相関するものであり、
   − 放射群周期（τ_３）は、異なる群（３４）からのタイミングパケット（３０）の伝送遅延が緩く相関するものであることを特徴とする、請求項１から６のいずれかによって定義される方法にしたがった、
   サーバ。
8. 通信ネットワークを介してサーバクロックによって送信されるタイミングパケット（３０）を介して周波数同期させられることになるクロックを備えるクライアント端末であって、それは同期化のためのタイミングパケット（３０）の群（３４）をフィルタリングするおよび使用する手段を備え、同群（３４）内の連続するタイミングパケット（３０）間で測定されるタイミングパケット到着間周期が連続する群の第１のタイミングパケット間で測定される群到着間周期よりも小さく、そうして、
   − 同群（３４）内のタイミングパケット（３０）の伝送遅延が強く相関し、そして、
   − 異なる群（３４）からのタイミングパケット（３０）の伝送遅延が、緩く相関することを特徴とする、請求項１から６のいずれかによって定義される方法にしたがった、
   クライアント端末。
9. 通信ネットワークを介してクライアントへサーバによって送信されるタイミングパケット（３０）のシーケンス（３２）であって、それがタイミングパケット（３０）の群（３４）を有し、同群（３４）内の連続するタイミングパケット（３０）間で測定されるタイミングパケット周期（τ_１）が、タイミングパケット（３０）の連続する群の間で測定される群周期（τ_３）よりも小さく、
   − タイミングパケット周期（τ_１）は、同群（３４）内のタイミングパケット（３０）の伝送遅延が強く相関するものであり、
   − 群周期（τ_３）は、異なる群（３４）からのタイミングパケット（３０）の伝送遅延が、緩く相関するものであることを特徴とする、請求項１から６のいずれかによって定義される方法にしたがった、
   シーケンス。
   

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