JP6456787B2

JP6456787B2 - 時刻同期装置および時刻同期方法

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Publication number: JP6456787B2
Application number: JP2015140429A
Authority: JP
Inventors: 祥生須田; 晋平栗林; 健坂入; 一也桜井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2035-07-14
Also published as: JP2017022646A

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４は、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを示す。
図４において、マスター側装置Ｍの時刻ｔ_Mとスレーブ側装置Ｓの時刻ｔ_SのずれであるＯffset は、一般に次式で表される。
Ｏffset ＝ｔ_S−ｔ_M …(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ｔ_M1がタイムスタンプで付与される。この送信時刻ｔ_M1、スレーブ側装置Ｓの受信時刻ｔ_S2、マスター側装置からスレーブ側装置への遅延時間Ｄ_M/Sには、次の関係が成り立つ。
ｔ_S2＝ｔ_M1＋Ｏffset ＋Ｄ_M/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ｔ_S3がタイムスタンプで付与される。この送信時刻ｔ_S3、マスター側装置Ｍの受信時刻ｔ_M4、スレーブ側装置からマスター側装置への遅延時間Ｄ_S/Mには、次の関係が成り立つ。
ｔ_M4＝ｔ_S3−Ｏffset ＋Ｄ_S/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ｔ_M4が付与される。

ここで、双方向の遅延時間Ｄ_M/S，Ｄ_S/Mが等しいと仮定すると、
Ｄ_M/S＝Ｄ_S/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 ＝((ｔ_S2−ｔ_M4) − (ｔ_M1−ｔ_S3))／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Ｄ_M/S，Ｄ_S/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ｔ_M1，ｔ_S2，ｔ_S3，ｔ_M4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５は、一芯双方向伝送システムの構成例を示す。
図５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λ_1,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λ_1,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Ｄ_M/S，Ｄ_S/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。また、式(6) を用いて双方向の伝搬遅延差を補正する方法も考えられるが、零分散波長λ₀、零分散スロープdD/dλ、伝送距離Ｌなどの伝搬路情報が必要になる。

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、伝搬路情報を用いずに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、下り光信号の波長をＡ、上り光信号の波長をＢとして、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行して見かけのＯffset(1)^*を算出し、次に、下り光信号と上り光信号の波長を入れ替え、下り光信号の波長をＢ、上り光信号の波長をＡとして、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行して見かけのＯffset(2)^*を算出する第１の手段と、見かけのＯffset(1)^*と見かけのＯffset(2)^*から、光ファイバ伝送路の波長分散に起因した伝搬遅延差αを算出する第２の手段と、伝搬遅延差αの算出後のＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行する際に、下り光信号の波長をＡおよび上り光信号の波長をＢとした場合には、その都度測定される時刻情報から得られる見かけのＯffset(1)^* に対して−α／２を加算したＯffset(1)を用い、または下り光信号の波長をＢおよび上り光信号の波長をＡとした場合には、その都度測定される時刻情報から得られる見かけのＯffset(2)^*に対して＋α／２を加算したＯffset(2)を用いてスレーブ側装置の時刻を補正する第３の手段とを備える。

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、下り光信号の波長をＡ、上り光信号の波長をＢとし、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行して見かけのＯffset(1)^*を算出する手順１と、下り光信号と上り光信号の波長を入れ替え、下り光信号の波長をＢ、上り光信号の波長をＡとし、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行して見かけのＯffset(2)^*を算出する手順２と、見かけのＯffset(1)^*と見かけのＯffset(2)^*から、光ファイバ伝送路の波長分散に起因した伝搬遅延差αを算出する手順３とを有し、伝搬遅延差αの算出後のＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行する際に、下り光信号の波長をＡおよび上り光信号の波長をＢとした場合には、その都度測定される時刻情報から得られる見かけのＯffset(1)^* に対して−α／２を加算したＯffset(1)を用い、または下り光信号の波長をＢおよび上り光信号の波長をＡとした場合には、その都度測定される時刻情報から得られる見かけのＯffset(2)^*に対して＋α／２を加算したＯffset(2)を用いてスレーブ側装置の時刻を補正する。

本発明は、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行する際に、一芯双方向伝送における双方向の波長を入れ替えて波長分散に起因した伝搬遅延差αを算出し、それ以後の時刻同期確立シーケンスでは双方向の波長に応じて伝搬遅延差αを補正することにより、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。

一芯双方向伝送システムの構成と本発明による時刻同期処理手順を示す図である。本発明によるＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを示す図である。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、一芯双方向伝送システムの構成と本発明による時刻同期処理手順を示す図である。
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２に示すＰＴＰの時刻同期確立シーケンスが実行される。

まず手順１では、図１(1) に示すように、マスター側装置１０から送信される下り光信号の波長をＡとし、スレーブ側装置２０から送信される上り光信号の波長をＢ（下り波長Ａ≠上り波長Ｂ）とし、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行する。

ここで、マスター側装置１０の時刻ｔ_Mとスレーブ側装置２０の時刻ｔ_SのずれであるＯffset(1)は、図２に示すように、時刻同期パケットの送受信の時刻情報ｔ_M1，ｔ_S2，ｔ_S3，ｔ_M4と、下り方向の遅延時間Ｄ_M/S、上り方向の遅延時間Ｄ_S/Mを用いて、以下のように表される。
ｔ_S2＝ｔ_M1＋Ｏffset(1)＋Ｄ_M/S …(7)
ｔ_M4＝ｔ_S3−Ｏffset(1)＋Ｄ_S/M …(8)

ただし、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Ｄ_M/S，Ｄ_S/Mの差（波長分散に起因した伝搬遅延差）αを以下のように定義する。
Ｄ_M/S＝Ｄ_S/M＋α …(9)

したがって、Ｏffset(1)は、式(7) 〜(9) から以下のように表される。
Ｏffset(1)＝((ｔ_S2−ｔ_M4)−(ｔ_M1−ｔ_S3＋α))／２
＝((ｔ_S2−ｔ_M4)−(ｔ_M1−ｔ_S3))／２−α／２＝Ｏffset(1)^*−α／２ …(10)

すなわち、スレーブ側装置２０で時刻補正に用いるＯffset(1)は、時刻同期パケットの送受信の時刻情報ｔ_M1，ｔ_S2，ｔ_S3，ｔ_M4から算出される見かけのＯffset(1)^*に対して、下り波長Ａと上り波長Ｂの波長分散に起因する時刻誤差−α／２を加えたものとなる。

次の手順２では、図１(2) に示すように、マスター側装置１０とスレーブ側装置２０の送信波長を入れ替え、マスター側装置１０から送信される下り光信号の波長をＢとし、スレーブ側装置２０から送信される上り光信号の波長をＡとし、ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行する。

ここで、マスター側装置１０の時刻ｔ_Mとスレーブ側装置２０の時刻ｔ_SのずれであるＯffset(2)は、図２に示すように、時刻同期パケットの送受信の時刻情報ｔ_M1，ｔ_S2，ｔ_S3，ｔ_M4と、下り方向の遅延時間Ｄ_M/S、上り方向の遅延時間Ｄ_S/Mを用いて、以下のように表される。
ｔ_S2'＝ｔ_M1'＋Ｏffset(2)＋Ｄ_M/S …(11)
ｔ_M4'＝ｔ_S3'−Ｏffset(2)＋Ｄ_S/M …(12)
Ｄ_M/S＝Ｄ_S/M−α …(13)

したがって、Ｏffset(2)は、式(11)〜(13)から次式のように表される。
Ｏffset(2)＝((ｔ_S2'−ｔ_M4')−(ｔ_M1'−ｔ_S3'−α))／２
＝((ｔ_S2'−ｔ_M4')−(ｔ_M1'−ｔ_S3'))／２＋α／２
＝Ｏffset(2)^*＋α／２ …(14)

すなわち、スレーブ側装置２０で時刻補正に用いるＯffset(2)は、時刻同期パケットの送受信の時刻情報ｔ_M1' ，ｔ_S2' ，ｔ_S3' ，ｔ_M4' から算出される見かけのＯffset(2)^*に対して、下り波長Ｂと上り波長Ａの波長分散に起因する時刻誤差＋α／２を加えたものとなる。

次の手順３では、手順１で得られるＯffset(1)と、手順２で得られるＯffset(2)は等しいことから、以下のように波長分散に起因した伝搬遅延差αを算出する。
Ｏffset(1)^*−α／２＝Ｏffset(2)^*＋α／２
α＝Ｏffset(1)^*−Ｏffset(2)^* …(15)

それ以後のＰＴＰの時刻同期確立シーケンスでは、手順１〜手順３により得られたαを用い、下り波長Ａおよび上り波長Ｂとした場合には、その都度測定される時刻情報ｔ_M1，ｔ_S2，ｔ_S3，ｔ_M4から得られる見かけのＯffset(1)^*に−α／２を加算し、波長分散に起因した伝搬遅延差αを補正したＯffset(1)を算出し、マスター側装置１０とスレーブ側装置２０の時刻同期を実現することができる。また、下り波長Ｂおよび上り波長Ａとした場合には、その都度測定される時刻情報ｔ_M1'，ｔ_S2'，ｔ_S3'，ｔ_M4'から得られる見かけのＯffset(2)^*に＋α／２を加算することにより、波長分散に起因した伝搬遅延差αを補正したＯffset(2)を算出し、マスター側装置１０とスレーブ側装置２０の時刻同期を実現することができる。

なお、下り波長と上り波長の入れ替え方法については、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て送信波長を変更することが考えられるが、本発明ではその手段は問わない。

図３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３において、時刻同期処理部２４は、ＰＴＰ処理部２４１、Ｏffset 蓄積部２４２、波長分散補正部２４３、時刻同期部２４４により構成される。

ＰＴＰ処理部２４１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 演算処理を行う。Ｏffset 蓄積部２４２は、ＰＴＰ処理部２４１において送信波長の入れ替えの前後で時刻情報ｔ_M1，ｔ_S2，ｔ_S3，ｔ_M4から得られる見かけのＯffset(1)^*と、時刻情報ｔ_M1'，ｔ_S2'，ｔ_S3'，ｔ_M4'から得られる見かけのＯffset(2)^*を蓄積する。波長分散補正部２４３は、送信波長の入れ替えの前後の見かけのＯffset(1)^*および見かけのＯffset(2)^*を用いて、波長分散に起因した伝搬遅延差αを算出する。時刻同期部２４４は、ＰＴＰ処理部２４１で得られる見かけのＯffset(1)^*またはＯffset(2)^*に対して、波長分散補正部２４３で得られる波長分散に起因した伝搬遅延差αを用いて補正し、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
２４１ＰＴＰ処理部
２４２Ｏffset 蓄積部
２４３波長分散補正部
２４４時刻同期部

Claims

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、
前記下り光信号の波長をＡ、前記上り光信号の波長をＢ（Ａ≠Ｂ）として、前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行して見かけのＯffset(1)^*を算出し、次に、前記下り光信号と前記上り光信号の波長を入れ替え、前記下り光信号の波長をＢ、前記上り光信号の波長をＡとして、前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行して見かけのＯffset(2)^*を算出する第１の手段と、
前記見かけのＯffset(1)^*と前記見かけのＯffset(2)^*から、前記光ファイバ伝送路の波長分散に起因した伝搬遅延差αを算出する第２の手段と、
前記伝搬遅延差αの算出後の前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行する際に、前記下り光信号の波長をＡおよび前記上り光信号の波長をＢとした場合には、その都度測定される時刻情報から得られる前記見かけのＯffset(1)^* に対して−α／２を加算したＯffset(1)を用い、または前記下り光信号の波長をＢおよび前記上り光信号の波長をＡとした場合には、その都度測定される時刻情報から得られる前記見かけのＯffset(2)^*に対して＋α／２を加算したＯffset(2)を用いて前記スレーブ側装置の時刻を補正する第３の手段と
を備えたことを特徴とする時刻同期装置。
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をＡ、前記上り光信号の波長をＢ（Ａ≠Ｂ）として、前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行して見かけのＯffset(1)^*を算出する手順１と、
前記下り光信号と前記上り光信号の波長を入れ替え、前記下り光信号の波長をＢ、前記上り光信号の波長をＡとして、前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行して見かけのＯffset(2)^*を算出する手順２と、
前記見かけのＯffset(1)^*と前記見かけのＯffset(2)^*から、前記光ファイバ伝送路の波長分散に起因した伝搬遅延差αを算出する手順３と
を有し、
前記伝搬遅延差αの算出後の前記ＰＴＰの時刻同期確立シーケンスを実行する際に、前記下り光信号の波長をＡおよび前記上り光信号の波長をＢとした場合には、その都度測定される時刻情報から得られる前記見かけのＯffset(1)^* に対して−α／２を加算したＯffset(1)を用い、または前記下り光信号の波長をＢおよび前記上り光信号の波長をＡとした場合には、その都度測定される時刻情報から得られる前記見かけのＯffset(2)^*に対して＋α／２を加算したＯffset(2)を用いて前記スレーブ側装置の時刻を補正する
ことを特徴とする時刻同期方法。