JP6823568B2 - 時刻管理装置、基準時刻管理システム、および基準時刻管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、時刻管理装置、基準時刻管理システム、および基準時刻管理方法に関する。

通信キャリア網の時刻同期が高精度化する中で、遠隔地の同期装置の時刻品質監視および高精度時刻伝送技術が求められている。特に昨今では、表１に示すように、時刻同期装置または時刻基準装置として、Ｔ−ＢＣ（Telecom boundary clocks）クラスＡ、ＰＲＴＣ（Primary Reference Time Clocks）クラスＡ、ＰＲＴＣクラスＢ、ｅＰＲＴＣ（Enhanced PRTC）の技術がある。そして、既存の１００ナノ秒［ｎｓ］精度に対して更に一桁精度の高い時刻基準装置が標準規定されつつあり、その品質監視レベルとしてもナノ秒〜サブナノ秒が要求されている。

一方、遠隔地の時刻を比較して監視する方式については、表２に示すように、GPS（Global Positioning System） Common View方式、マイクロ波による比較方式、光キャリアによる比較方式、および光パルスによる比較方式がある。

GPS Common View方式では、２地点間から同じＧＰＳ衛星と電波をやり取りし、遅延時間から２地点間の時刻のずれを検出する。マイクロ波による比較方式では、マイクロ波に１０［ＭＨｚ］、１００［ＭＨｚ］で変調をかけて送信し、受信側で比較する。光キャリアによる比較方式では、光の基準信号を送り、キャリアの周波数を受信側で比較する。光パルスによる比較方式では、光とマイクロ波の基準信号を同時に送り、受信側で比較する。また、光ファイバリンク上で時刻情報を伝送し、マイクロ波／光波の位相情報から時刻を比較する方式もあり、サブナノ秒以下の精度で時刻比較を行うことが可能である。時刻の比較に利用する基準時刻信号については、ＧＰＳの衛星から受信可能な高精度の時刻情報を利用する方式が一般的である。

広い範囲の複数の地点で時刻を同期させる場合、時刻の基準となる複数の時刻マスタクロックを地点毎にそれぞれ設置し、地点毎にＧＰＳから信号を受信して同期する方式が考えられる。しかし、アンテナの設置が不可能の場合や、アンテナやレシーバの故障により時刻情報が長期間に渡って受信できない場合がある。その場合、正常に時刻を受信できているマスタクロックから、ネットワークを介して時刻情報を高精度に伝送する必要がある。本発明は、例えば時刻マスタクロックのような時刻情報を高精度に伝送するために利用可能な時刻伝送・同期の技術である。

時刻伝送・同期の従来技術としては、非特許文献１に示されているＰＴＰ(Precision Time Protocol)が知られている。ＰＴＰでは、対向する２装置間で時刻同期パケットをやりとりすることで、上位装置の時刻に下位装置が同期するように動作する。その精度は一般的に数十ナノ秒である。

ＰＴＰの概要を図１に示す。ＰＴＰで想定しているシステムにおいては、図１に示すように、上位装置であるマスタ装置１０１と、下位装置であるスレーブ装置１０２との間がリンク系システム装置１０４を含む伝送路１０３で接続されている。遠隔地に存在するスレーブ装置１０２の時刻をＰＴＰでマスタ装置１０１の時刻に同期させる場合には、図１に示すように伝送路１０３を経由して、マスタ装置１０１とスレーブ装置１０２との間でメッセージのやり取りを行う。

すなわち、マスタ装置１０１は時刻ｔ₁で同期メッセージ（Sync message）として時刻同期パケットを伝送路１０３に送出する。この同期メッセージは、例えば図１に示した時刻ｔ_2a〜ｔ_2bの間でスレーブ装置１０２に到着する。到着する時刻ｔ_2a〜ｔ_2bの変化は、他の信号との衝突や網の輻輳によるパケットロスや遅延揺らぎなどに起因して発生する。スレーブ装置１０２は、同期メッセージを受け取ると、タイムスタンプとしてその時刻を記録し、時刻ｔ₃で遅延要求メッセージ（Delay_Request message）を送出する。マスタ装置１０１は、時刻ｔ₄で遅延要求メッセージを受信すると、タイムスタンプとしてその時刻を記録し、それに対する応答として遅延応答メッセージ（Delay_Response message）を送出する。

IEEE Std 1588-2008, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.

上記のＰＴＰを用いて時刻同期を実行する場合には、パケットレベルでの時刻情報転送のため、他の信号との衝突や網の輻輳によるパケットロスや遅延揺らぎが発生し、図１に示した到着時刻ｔ_2a〜ｔ_2bの変動が生じる。これにより、同期精度が著しく劣化する。また、ＰＴＰは伝送路の上り下りの遅延が対称であることを前提としたプロトコルであるため、経路差や波長分散による遅延差が時刻同期精度劣化の要因となる。更にパケットが往復してタイムスタンプが打刻されるごとに、内部クロック周波数による誤差が生じる。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、ＰＴＰよりも高い精度で時刻同期を実現するために利用可能なリモート時刻管理装置、基準時刻管理システム、および基準時刻管理方法を提供することを目的とする。

（１）既知の光伝送路を経由して時刻基準装置と接続されるリモート時刻管理装置であって、
前記光伝送路で伝送された光パルスを受信する光受信部と、
前記光受信部が受信した前記光パルスの受信間隔を計測するパルス間隔測定部と、
前記パルス間隔測定部の出力に基づいてリモート基準時刻を算出する時刻計算部と、
を備え、且つ前記時刻計算部は、
少なくとも、前記光パルスの送信基準時刻と、前記光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報と、前記パルス間隔測定部が計測した前記受信間隔の変動分を表す変動情報とに基づいて前記リモート基準時刻を算出する、
リモート時刻管理装置。

このリモート時刻管理装置によれば、前記リモート基準時刻を前記時刻基準装置の時刻に高精度で同期させることが可能である。すなわち、前記光伝送路の状況変化に起因する時刻のずれを検出し補正するので、誤差を減らすことができる。しかも、前記受信間隔の変動により時刻のずれを検出するので、ＰＴＰのような往復の信号のやり取りや、タイムスタンプの打刻のような処理が不要であり、時刻同期処理を簡素化できる。

（２）基準時刻を把握可能な時刻基準装置と、前記時刻基準装置から離れた位置に配置されたリモート時刻管理装置と、前記時刻基準装置と前記リモート時刻管理装置との間を接続する既知の光伝送路とを有する基準時刻管理システムであって、
前記時刻基準装置は、事前に定めたスケジュールおよび前記基準時刻に同期したタイミングで、光パルスを前記光伝送路に周期的に送出する光パルス送信部を備え、
前記リモート時刻管理装置は、少なくとも、前記光伝送路を経由して受信した前記光パルスの受信間隔変動分と、前記光パルスの送信基準時刻と、前記光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報とに基づいて、リモート基準時刻を算出する時刻計算部を備える、
基準時刻管理システム。

この基準時刻管理システムによれば、前記時刻管理装置は、前記時刻基準装置から送出される前記光パルスを監視することにより、前記時刻基準装置側の時刻に高精度で同期することが可能になる。すなわち、前記光伝送路の状況変化に起因する時刻のずれを検出し補正するので、誤差を減らすことができる。しかも、前記受信間隔の変動により時刻のずれを検出するので、ＰＴＰのような往復の信号のやり取りや、タイムスタンプの打刻のような処理が不要であり、時刻同期処理を簡素化できる。

（３）上記（２）に記載の基準時刻管理システムにおいて、
前記時刻基準装置は、少なくとも最初に送出する前記光パルスの送信予定時刻を表す情報を、前記時刻管理装置に対して、前記光パルスの送信前に通知する予定時刻送信部を備える、
基準時刻管理システム。

この基準時刻管理システムによれば、前記時刻管理装置は、前記時刻基準装置から事前に送信される情報により、前記時刻基準装置が最初に送出する前記光パルスの送信予定時刻を把握できる。

（４）上記（２）に記載の基準時刻管理システムにおいて、
前記時刻基準装置は、前記光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報を保持すると共に、前記伝送路情報を前記時刻管理装置に対して通知する伝送路情報送信部を備える、
基準時刻管理システム。

この基準時刻管理システムによれば、前記時刻管理装置は、前記時刻基準装置から事前に送信される情報により、前記光伝送路の固有の特性を把握できる。これにより、前記時刻基準装置から送信される光パルスが前記光伝送路を経由して前記時刻管理装置に到達するまでの所要時間を算出できる。

（５）上記（２）に記載の基準時刻管理システムにおいて、
前記時刻管理装置の前記時刻計算部は、前記光パルスの送信基準時刻、および伝送路情報の少なくとも一方を、所定の伝送路を経由して前記時刻基準装置から取得する、
基準時刻管理システム。

この基準時刻管理システムによれば、前記時刻管理装置は、時刻の同期に必要な情報を前記時刻基準装置から取得できるので、該当する情報を前記時刻管理装置が事前に保持しておく必要がない。

（６）基準時刻を把握可能な時刻基準装置と、前記時刻基準装置から離れた位置に配置された時刻管理装置と、前記時刻基準装置と前記時刻管理装置との間を接続する既知の光伝送路とを有するシステムにおいて、前記時刻管理装置が前記基準時刻を推定し把握するための基準時刻管理方法であって、
前記時刻基準装置が、事前に定めたスケジュールおよび前記基準時刻に同期したタイミングで、光パルスを前記光伝送路に周期的に送出し、
前記時刻管理装置が、少なくとも、前記光伝送路を経由して受信した前記光パルスの受信間隔変動分と、前記光パルスの送信基準時刻と、前記光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報とに基づいて、リモート基準時刻を算出する、
基準時刻管理方法。

この基準時刻管理方法によれば、前記時刻管理装置は、前記時刻基準装置から送出される前記光パルスを監視することにより、前記時刻基準装置側の時刻に高精度で同期することが可能になる。すなわち、前記光伝送路の状況変化に起因する時刻のずれを検出し補正するので、誤差を減らすことができる。しかも、前記受信間隔の変動により時刻のずれを検出するので、ＰＴＰのような往復の信号のやり取りや、タイムスタンプの打刻のような処理が不要であり、時刻同期処理を簡素化できる。

（７）上記（６）の基準時刻管理方法において、
前記時刻管理装置が、少なくとも、前記光伝送路における伝送路長変動に起因する時刻誤差を補正するように、前記リモート基準時刻を算出する、
基準時刻管理方法。

この基準時刻管理方法によれば、例えば環境温度の変動に伴って前記光伝送路、すなわち光ファイバの長さが変動する場合であっても、その影響を考慮して、前記リモート基準時刻の時刻誤差を補正することができる。

本発明の時刻管理装置、基準時刻管理システム、および基準時刻管理方法によれば、ＰＴＰよりも高い精度で時刻同期を実現できる。すなわち、時刻同期のために特別なパケットを伝送する必要がないので、伝送路上での信号衝突や、網の輻輳によるパケットロス、遅延揺らぎ等の影響がなくなる。更に、経路差、波長分散による遅延差、往復のタイムスタンプ打刻等の影響による誤差もなくなる。

一般的なＰＴＰによる時刻同期の概要を示す模式図である。 本発明を実施する基準時刻管理システムの構成例を示すブロック図である。 本発明を実施する基準時刻管理システムにおいて伝送される主要な信号の状態および経時変化の例を示す模式図である。 本発明の基準時刻管理システムの主要な構成および機能の概要を示すブロック図である。 本発明の実施形態においてリモート装置側で絶対時刻を算出するための基本的な処理手順を表すフローチャートである。

本発明の実施形態について各図を参照しながら以下に説明する。
《基準時刻管理システムの構成例》
本発明を実施する基準時刻管理システムの構成例を図２に示す。
図２に示した基準時刻管理システムは、互いに離れた位置に設置されているローカル装置１０、リモート装置１１、およびリモート装置１２を備えている。ローカル装置１０とリモート装置１１との間、およびローカル装置１０とリモート装置１２との間は光伝送路１３を介して互いに接続されている。

ローカル装置１０、リモート装置１１、および１２は、それぞれ絶対時刻を高精度で把握する時刻基準装置（ＧＭ：GrandMaster）としての機能を搭載しているため、図２では“ＧＭ”と記載されている。一方、ＧＰＳ衛星１４は絶対時刻を高精度で把握する機能を搭載している。したがって、ローカル装置１０やリモート装置１１は、ＧＰＳ衛星１４から送信される電波を受信する機能を搭載することにより、時刻のマスタクロックとして利用可能な絶対時刻の情報を取得できる。

但し、例えばリモート装置１１のＧＰＳアンテナが故障したような場合には、リモート装置１１は時刻情報をＧＰＳ衛星１４から取得できない。そのため、ローカル装置１０からリモート装置１１に対して時刻情報を伝送し、リモート装置１１の時刻をローカル装置１０の時刻に同期させることが必要になる。また、リモート装置１２がＧＰＳ衛星１４の電波を受信できないロケーションに設置されている場合や、ＧＰＳアンテナ等を有しない場合には、リモート装置１２は時刻を上位装置であるローカル装置１０の時刻に同期させる必要がある。

本発明を実施することにより、高精度の時刻情報をローカル装置１０から光伝送路１３を経由してリモート装置１１およびリモート装置１２に送信することができ、リモート装置１１およびリモート装置１２は把握している時刻をローカル装置１０の時刻に同期させることが可能になる。

なお、ローカル装置１０とリモート装置１１との間、およびローカル装置１０とリモート装置１１との間で時刻情報を伝送するために用いる光伝送路１３については、時刻伝送用の専用光ケーブルであり、ネットワーク構築時に長さ（距離）が正確に測定され、その光ファイバ長Ｌの基準値を既知として扱えるものとする。更に、光ファイバ屈折率ｎも既知として扱えるものとする。但し、現実の光ファイバ長Ｌは、環境温度変化の影響により変動する可能性がある。

ローカル装置１０は、それ自身が把握している絶対時刻の情報をＰＴＰパケットとして時刻情報配信装置１５に送信する。時刻情報配信装置（ＢＣ：Boundary Clock）１５は、ローカル装置１０から受信したＰＴＰパケットをスレーブとして終端し、自装置内で再生したＰＴＰメッセージをマスタとして送信する機能を有するため、図２では“ＢＣ”と記載されている。時刻情報配信装置１５は、ローカル装置１０から取得した絶対時刻の情報を、通信ネットワーク１６を経由して図示しないユーザ端末などに対して配信する。

上記と同様に、リモート装置１１は、それ自身が把握している絶対時刻の情報をＰＴＰパケットとして時刻情報配信装置１７に送信する。時刻情報配信装置（ＢＣ）１７は、リモート装置１１から受信したＰＴＰパケットをスレーブとして終端し、自装置内で再生したＰＴＰメッセージをマスタとして送信する機能を有する。時刻情報配信装置１７は、リモート装置１１から取得した絶対時刻の情報を、通信ネットワーク１８を経由して図示しないユーザ端末などに対して配信する。

また、リモート装置１２は、それ自身が把握している絶対時刻の情報をＰＴＰパケットとして時刻情報配信装置１９に送信する。時刻情報配信装置（ＢＣ）１９は、リモート装置１２から受信したＰＴＰパケットをスレーブとして終端し、自装置内で再生したＰＴＰメッセージをマスタとして送信する機能を有する。時刻情報配信装置１９は、リモート装置１２から取得した絶対時刻の情報を、通信ネットワーク２０を経由して図示しないユーザ端末などに対して配信する。

《伝送される主要な信号の状態および経時変化の例》
本発明を実施する基準時刻管理システムにおいて伝送される主要な信号の状態および経時変化の例を図３に示す。

図３に示したパルス発生部１０ａは、図２に示したローカル装置１０の内部に存在している。このパルス発生部１０ａは、事前に定めた送信スケジュールと、ＧＰＳ衛星１４から受信した時刻およびタイミングに正確に同期したパルス信号２１を一定の周期で繰り返し出力する。したがって、ローカル装置１０が生成するパルス信号２１の先頭パルスのローカル側送出時刻Ｔも事前に定まっている。

パルス信号２１は、ローカル装置１０の内部にある電気−光変換部１０ｂにより光パルス２２に変換され、光伝送路１３の光ファイバ１３ａに送出される。電気−光変換部１０ｂは、電気信号を光信号に変換するものであり、図３では“Ｅ／Ｏ”と記載されている。一方、リモート装置１２の内部にある光−電気変換部１２ａは、光ファイバ１３ａの下流側に到着した光パルス２２を電気信号のパルスに変換する。光−電気変換部１２ａは、光信号を電気信号に変換するものであり、図３では“Ｏ／Ｅ”と記載されている。

リモート装置１２は、光ファイバ１３ａの下流側に到着した各光パルス２２の到着時刻および到着時間間隔を精密に測定し、この到着時間間隔に基づいてリモート装置１２における時刻の誤差を補正し、正確な時刻情報を生成する。

《ローカル側が絶対時刻を算出する原理の説明》
図３のシステムにおいて、ローカル装置１０がパルス信号２１を一定の時間間隔で発生するので、リモート装置１２の入力に到着する光パルス２２の時間間隔も定常状態では一定であり、基準時間間隔Δｔ₀になる。一方、時間経過に伴って環境の温度が変化すると、光ファイバ１３ａの長さ方向の物理的な伸縮が発生するため、図３に示したように光ファイバ長Ｌが変動する。すなわち、光ファイバ長変動量ΔＬが伝送する時刻の誤差要因になる。

また、光ファイバ長Ｌの光ファイバ１３ａを光パルス２２が通過するのに要する所要時間、すなわち光ファイバ伝送時間は、光ファイバ長変動量ΔＬの影響を受けて変動する。したがって、１番目の光パルス２２がローカル装置１０で送出されてから、２番目の光パルス２２がリモート装置１２の入力に到着するまでの間に、光ファイバ１３ａの光ファイバ長Ｌが動的に変化すると、リモート装置１２の入力で検出される１番目と２番目の光パルス２２の到着時間間隔Δｔ₁が、基準時間間隔Δｔ₀からずれることになる。

そこで、リモート装置１２は、到着時間間隔変動量Δｔ_xとして基準時間間隔Δｔ₀と到着時間間隔Δｔ₁との差分を算出し監視する。この到着時間間隔変動量Δｔ_xは、光ファイバ長変動量ΔＬに相当する時間の誤差要因を表す。すなわち、次の（１）式の関係がある。
Δｔ_x＝ｎΔＬ／ｃ ・・・（１）
ｎ：光ファイバ屈折率
ΔＬ：光ファイバ長変動量
ｃ：光速
したがって、到着時間間隔変動量Δｔ_xを計測することにより、上記（１）式から光ファイバ長変動量ΔＬを算出できる。

図３に示したシステムにおいて、リモート側で絶対時刻を正確に算出するには以下の（１）〜（３）に示した３つの時間情報が必要であり、絶対時刻はそれらを足し合わせたものとして算出できる。
（１）先頭のパルスのローカル側からの送出時刻：Ｔ
（２）ファイバ伝送時間：ｎＬ／ｃ (ｎ:ファイバ屈折率、Ｌ：ケーブル長、ｃ:光速)
（３）光ファイバ長変動量：ΔＬ

先頭パルスのローカル側送出時刻Ｔの情報については、例えばシステムで時間を管理し、ネットワーク全体を管理するＮＭＳ（Network ManagementSystem）を介してリモート装置１１、１２へ通知することが想定される。例えば、最初のパルスを１２時００分ちょうどの時刻で送信することを、ＮＭＳ等で予めリモート装置１１、１２に伝達しておく。或いは、予めリモート装置１１、１２にその情報を保持しておいてもよい。

ファイバ伝送時間（ｎＬ／ｃ）の情報については、事前にファイバ長(距離)を測定してシステムに入力し、必要なタイミングでリモート側へ通知することが想定される。または、リモート側装置に情報を予め保持しておいてもよい。

光ファイバ長変動量ΔＬについては、前述のようにリモート装置１１または１２が入力における光パルス２２の到着時間間隔Δｔ₁を高精度で計測し、基準時間間隔Δｔ₀との差分である到着時間間隔変動量Δｔ_xを算出し、到着時間間隔変動量Δｔ_xに基づき計算して取得する。

絶対時刻Ｔ_aは次の（２）式により算出できる。
Ｔ_a＝Ｔ＋ｎ（Ｌ±ΔＬ）／ｃ ・・・（２）
なお、上記（２）式において、「±」の符号は光ファイバ長変動量ΔＬの変化の方向に応じて定まる。

《基準時刻管理システムの主要な構成および機能》
本発明の基準時刻管理システムの主要な構成および機能の概要を図４に示す。
図４に示した基準時刻管理システムは、ローカル装置１０、リモート装置１２、光伝送路１３、およびデータ通信ネットワーク（ＤＣＮ）３０を含んでいる。なお、図２に示したシステムのように、リモート装置１２と同等の機能を有するリモート装置１１を光伝送路１３を介してローカル装置１０に接続してもよい。

図４に示したように、ローカル装置１０はＧＰＳ受信部４１、時刻同期部４２、パルス生成部４３、光信号送信部４４、ファイバ長保存部４５、および時刻配信部４６を備えている。なお、これらの各構成要素の機能は、コンピュータなどのハードウェアおよびコンピュータ等が実行可能なソフトウェアの両方またはいずれか一方により構成される。

ＧＰＳ受信部４１は、ＧＰＳ衛星１４が送信する電波をＧＰＳアンテナを介して受信する機能を有している。ＧＰＳ受信部４１がＧＰＳ衛星１４から受信する電波には、時刻情報として、１ＰＰＳ（1 Pulse Per Second）信号と、ＴｏＤ（Time of Day）信号とが含まれている。この１ＰＰＳ信号により、１秒毎の正確なタイミングを把握できる。また、ＴｏＤ信号により正確な時刻を把握できる。

時刻同期部４２は、ＧＰＳ受信部４１がＧＰＳから取得した１ＰＰＳ信号およびＴｏＤ信号を入力して保持し、時刻およびタイミングを把握する。そして、時刻同期部４２はローカル装置１０が光伝送路１３に送出する光パルス２２の元になるパルス生成部４３の出力パルス、すなわちパルス信号２１の出発時刻を管理する。また、時刻同期部４２はパルス信号２１の先頭パルスのローカル側送出時刻Ｔの情報を、少なくとも該当する光パルス２２が送出される前に、データ通信ネットワーク３０を経由してリモート装置１２へ送信する。これにより時刻同期部４２は、光パルスの送信予定時刻を表す情報を、リモート装置１２に対して、この光パルスの送信前に通知する予定時刻送信部として機能する。

時刻同期部４２は、事前に定めたスケジュールに従い、時刻情報をリモート装置１２へ伝達すべき予定時刻になると、パルス信号を送出するように、パルス送出指示をパルス生成部４３に与える。

パルス生成部４３は、時刻同期部４２の出力するパルス送出指示に従い、ＧＰＳから取得した前記１ＰＰＳ信号に同期した正確なタイミングで生成したパルス信号を出力する。このパルス信号は、事前に定めた一定の間隔、すなわち基準時間間隔Δｔ₀で、繰り返し出力される。基準時間間隔Δｔ₀については、例えば数ナノ秒〜数秒程度の範囲内で事前に決定することが想定される。

また、時刻同期部４２がパルス送出指示をパルス生成部４３に与えたタイミングから、対応する光パルス２２が実際に光伝送路１３に出力されるまでのタイムラグを考慮する必要がある。したがって、実際にはナノ秒以下の精度で正確に管理された時刻でローカル装置１０が光パルス２２を光伝送路１３に送出できるように、前記タイムラグの補正分を含めて、パルス生成部４３が送出するパルス信号のタイミングを制御する。

また、ＧＰＳ受信部４１からパルス生成部４３までのケーブル長、およびパルス生成部４３から光信号送信部４４までのケーブル長は事前に高精度に計測され、光パルス２２の実際の送信タイミングとＵＴＣ（協定世界時：Coordinated Universal Time）との間に誤差が生じないよう設計される。

光信号送信部４４は、図４では“ＴＸ”と記載されており、図３に示した電気−光変換部１０ｂを含んでいる。電気−光変換部１０ｂはパルスレーザ光源であり、パルスレーザの出力を、パルス生成部４３が出力するパルス信号に同期することにより、レーザの光パルス２２を生成する。光信号送信部４４が生成した光パルス２２は、光伝送路１３の上流側に入力され、リモート装置１２へ向けて送信される。

ファイバ長保存部４５は、所定の基準状態において事前に計測され校正された光ファイバ長Ｌの情報を保持し管理する。また、ファイバ長保存部４５は光パルス２２の波長に応じた光ファイバ屈折率ｎの情報も保持する。つまり、光ファイバ中を伝播する光の光学距離に関する伝送路情報をファイバ長保存部４５が保持している。

ファイバ長保存部４５が保持している伝送路情報は、光パルス２２を送信する前に、データ通信ネットワーク３０を介して、ローカル装置１０からリモート装置１２に送信される。これによりファイバ長保存部４５は、光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報を保持すると共に、この伝送路情報をリモート装置１２に対して通知する伝送路情報送信部として機能する。なお、ファイバ長保存部４５が保持している伝送路情報を、ネットワーク構築時にリモート装置１２側で保持しておいても良い。

時刻配信部４６は、時刻同期部４２で同期した時刻の情報を下位の装置に配信する。図２に示したシステムの例では、ローカル装置１０内の時刻配信部４６が送出する時刻の情報は時刻情報配信装置１５に入力される。そして、時刻情報配信装置１５が時刻の情報を通信ネットワーク１６を経由して所定のユーザ端末等に配信する。

一方、図４に示したように、リモート装置１２は光信号受信部５１、パルス間隔測定部５２、原子発振器５３、時刻計算部５４、および時刻配信部５５を備えている。なお、これらの各構成要素の機能は、コンピュータなどのハードウェアおよびコンピュータ等が実行可能なソフトウェアの両方またはいずれか一方により構成される。

光信号受信部５１は、図４では“ＲＸ”と記載されており、図３に示した光−電気変換部１２ａを含んでいる。すなわち、光信号受信部５１は光伝送路１３を経由してリモート装置１２の入力側に到着した光パルス２２を電気信号のパルスに変換してパルス間隔測定部５２に与える。

原子発振器５３は、例えばセシウム原子時計として構成されており、高精度のクロック信号を生成し出力することができる。このクロック信号は、光伝送路１３の伝送路変動に伴う光パルス２２の間隔変動が十分観測できる程度の精度を有するものとする。

実際には、セシウム原子時計における発振周波数の偏差は１０^−１２であり、１秒あたりの偏差は１ピコ秒（ｐｓ）程度である。一方、伝送路の変動は、数十ｐｓ／℃／ｋｍであり、数百キロの伝送距離に対して１℃の温度変化では、数ナノ秒の誤差になる。したがって、原子発振器を利用することで変動の観測が十分に可能である。また、パルスの測定精度は１０ＧＫ(ON/OFF keying)等の状況において、０．１ナノ秒単位でパルスのオンオフを読み取ることが可能であるため、十分に伝送路長変動を観測することが可能である。

パルス間隔測定部５２は、リモート装置１２が受信した各光パルス２２の立ち上がりタイミングを光信号受信部５１の出力する電気信号のパルスに基づき検出すると共に、原子発振器５３が出力する高精度のクロック信号を利用して、光パルス２２の到着時間間隔Δｔ₁を測定する。また、パルス間隔測定部５２は測定結果を時刻計算部５４に出力する。

時刻計算部５４は、パルス間隔測定部５２が測定した到着時間間隔Δｔ₁、事前に定められた先頭パルスのローカル側送出時刻Ｔ、および伝送路情報に基づいて、前述の（１）式、（２）式から絶対時刻Ｔ_aの情報を算出する。この絶対時刻Ｔ_aの情報は、リモート装置１２が配信するリモート基準時刻の情報である。

図４に示した時刻計算部５４は、絶対時刻Ｔ_aの算出に必要な伝送路情報、および先頭パルスのローカル側送出時刻Ｔを、データ通信ネットワーク３０を経由してローカル装置１０側から取得する機能を有している。なお、この伝送路情報を事前にリモート装置１２側で保持しておけば、ローカル装置１０から取得する必要はない。

時刻配信部５５は、時刻計算部５４で算出した時刻に同期して、その時刻を下位の装置に配信する。例えば図２に示したシステムにおいては、リモート装置１２が配信する時刻の情報は時刻情報配信装置１９に入力される。そして、時刻情報配信装置１９が通信ネットワーク２０を介して所定のユーザ端末等に対して時刻情報を配信する。

《絶対時刻を算出するための基本的な処理手順》
本発明の実施形態においてリモート装置側で絶対時刻を算出するための基本的な処理手順を図５に示す。図５の処理手順について以下に説明する。

ステップＳ１１では、リモート装置１２内の時刻計算部５４が、計算に必要な定数情報として先頭パルスのローカル側送出時刻Ｔ、光ファイバ伝送時間ｎＬ／ｃ、および基準時間間隔Δｔ₀を取得する。

ここで、先頭パルスのローカル側送出時刻Ｔ、および基準時間間隔Δｔ₀については、ローカル装置１０における光パルス２２の送信スケジュールとして事前に定まっているので、時刻計算部５４は例えばローカル装置１０から定数データとして取得できる。また、光ファイバ伝送時間ｎＬ／ｃは、光伝送路１３の光ファイバ長Ｌ、光ファイバ屈折率ｎ、および光速ｃがそれぞれ既知であるので、時刻計算部５４は例えばローカル装置１０から定数データとして取得できる。

ステップＳ１２〜Ｓ１６の処理は、リモート装置１２内の各部の機能により繰り返し実行される。これにより、リモート装置１２が把握すべき絶対時刻Ｔ_aはリアルタイムで更新され、ローカル装置１０が把握している絶対時刻に同期した状態になる。

ステップＳ１２では、パルス間隔測定部５２が、光信号受信部５１の出力する各パルス信号の立ち上がりのタイミング、すなわち、リモート装置１２に到着した各光パルス２２の到着時刻を検出する。

ステップＳ１３では、パルス間隔測定部５２が、ステップＳ１２で検出した光パルス２２の到着時間間隔Δｔ₁を測定する。この測定においては、原子発振器５３の出力する高精度の信号を利用するので、高精度の時間間隔測定ができる。なお、光伝送路１３に変化がない場合には、測定される到着時間間隔Δｔ₁は基準時間間隔Δｔ₀と同一になる。

ステップＳ１４では、時刻計算部５４が、パルス間隔測定部５２の出力する到着時間間隔Δｔ₁に基づき、光パルス２２の到着時間間隔の変動量Δｔ_xを次の（３）式により算出する。
Δｔ_x＝Δｔ₀−Δｔ₁ ・・・・（３）

ステップＳ１５では、時刻計算部５４が、次の（４）式の関係と、ステップＳ１１で取得した定数データと、ステップＳ１４で算出した到着時間間隔変動量Δｔ_xとに基づいて、光ファイバ長変動量ΔＬを算出する。
ｎΔＬ／ｃ＝Δｔ_x ・・・（４）

ステップＳ１６では、時刻計算部５４が、次の（５）式により絶対時刻Ｔ_aを算出する。
Ｔ_a＝Ｔ＋ｎ（Ｌ±ΔＬ）／ｃ ・・・（５）
なお、上記（５）式において、「±」の符号は光ファイバ長変動量ΔＬの変化の方向に応じて定まる。

《システムの動作例》
例えば、ローカル装置１０がある時刻Ｔ１で、１番目のパルスＰ１を光パルス２２として光伝送路１３に送出する。リモート装置１２は、到着した光パルス２２として１番目のパルスＰ１を検出する。

ローカル装置１０は、前記時刻Ｔ１から基準時間間隔Δｔ₀に相当する１０秒間（一例）を経過するまで待機する。この間に、環境温度が低下すると光伝送路１３の光ファイバ長Ｌが、光ファイバ長変動量ΔＬだけ短くなる。

前記時刻Ｔ１から基準時間間隔Δｔ₀を経過した時刻Ｔ２で、ローカル装置１０が２番目のパルスＰ２を光パルス２２として光伝送路１３に送出する。リモート装置１２は、到着した光パルス２２として２番目のパルスＰ２を検出する。リモート装置１２は、到着した各光パルス２２を検出した時刻に基づいて、１番目のパルスＰ１と２番目のパルスＰ２の間隔を、到着時間間隔Δｔ₁として測定する。

ここで、リモート装置１２が測定した到着時間間隔Δｔ₁が９．９５秒であった場合には、到着時間間隔変動量Δｔ_xとして、基準時間間隔Δｔ₀と到着時間間隔Δｔ₁との差分である０．０５秒が得られる。この０．０５秒が光ファイバ長変動量ΔＬに相当する。前記（５）式において光ファイバ長変動量ΔＬの補正を実行することにより、絶対時刻Ｔ_aを高精度で算出できる。

《基準時刻管理システムの利点》
上述の基準時刻管理システムにおいては、ＰＴＰなどの従来技術と比べて、時刻伝送および時刻同期の高精度化の効果が得られる。すなわち、リモート装置１２が光パルス２２の受信間隔のみを監視対象として絶対時刻Ｔ_aの同期を実行するので、ＰＴＰの課題であるパケット遅延揺らぎやタイムスタンプ打刻の影響を受けることがない。また、ＰＴＰのように往復の信号のやり取りを行う必要がなく、タイムスタンプ打刻の処理も不要であるため、時刻同期処理を簡素化できる。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の（ａ），（ｂ）のようなものがある。
（ａ） ローカル装置の時刻源はＧＰＳ信号に限定されず、例えば原子時計などであってもよい。
（ｂ） ローカル装置は、リモート装置として機能するように、リモート装置の各部構成を備えていてもよい。これにより、ＧＰＳ受信部などの時刻源に障害が発生したときに、他のローカル装置に時刻を同期して、この時刻を下位端末などに配信することができる。

１０ ローカル装置（時刻基準装置）
１０ａ パルス発生部
１０ｂ 電気−光変換部
１１，１２ リモート装置（時刻管理装置）
１２ａ 光−電気変換部
１３ 光伝送路
１３ａ 光ファイバ
１４ ＧＰＳ衛星
１５，１７，１９ 時刻情報配信装置
１６，１８，２０ 通信ネットワーク
２１ パルス信号
２２ 光パルス
３０ データ通信ネットワーク（ＤＣＮ）
４１ ＧＰＳ受信部
４２ 時刻同期部（予定時刻送信部）
４３ パルス生成部
４４ 光信号送信部（光パルス送信部）
４５ ファイバ長保存部（伝送路情報送信部）
４６ 時刻配信部
５１ 光信号受信部
５２ パルス間隔測定部
５３ 原子発振器
５４ 時刻計算部
５５ 時刻配信部
Δｔ₀ 基準時間間隔
Δｔ₁ 到着時間間隔
Δｔ_x 到着時間間隔変動量
ｎＬ／ｃ 光ファイバ伝送時間
Ｌ 光ファイバ長
ｎ 光ファイバ屈折率
ｃ 光速
ΔＬ 光ファイバ長変動量
Ｔ_a 絶対時刻
Ｔ 先頭パルスのローカル側送出時刻

Claims (7)

1. 既知の光伝送路を経由して時刻基準装置と接続される時刻管理装置であって、
   前記光伝送路で伝送された光パルスを受信する光受信部と、
   前記光受信部が受信した前記光パルスの受信間隔を計測するパルス間隔測定部と、
   前記パルス間隔測定部の出力に基づいてリモート基準時刻を算出する時刻計算部と、
   を備え、且つ前記時刻計算部は、
   少なくとも、前記光パルスの送信基準時刻と、前記光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報と、前記パルス間隔測定部が計測した前記受信間隔の変動分を表す変動情報とに基づいて前記リモート基準時刻を算出する、
   時刻管理装置。
2. 基準時刻を把握可能な時刻基準装置と、前記時刻基準装置から離れた位置に配置された時刻管理装置と、前記時刻基準装置と前記時刻管理装置との間を接続する既知の光伝送路とを有する基準時刻管理システムであって、
   前記時刻基準装置は、事前に定めたスケジュールおよび前記基準時刻に同期したタイミングで、光パルスを前記光伝送路に周期的に送出する光パルス送信部を備え、
   前記時刻管理装置は、少なくとも、前記光伝送路を経由して受信した前記光パルスの受信間隔変動分と、前記光パルスの送信基準時刻と、前記光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報とに基づいて、リモート基準時刻を算出する時刻計算部を備える、
   基準時刻管理システム。
3. 請求項２に記載の基準時刻管理システムにおいて、
   前記時刻基準装置は、少なくとも最初に送出する前記光パルスの送信予定時刻を表す情報を、前記時刻管理装置に対して、前記光パルスの送信前に通知する予定時刻送信部を備える、
   基準時刻管理システム。
4. 請求項２に記載の基準時刻管理システムにおいて、
   前記時刻基準装置は、前記光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報を保持すると共に、前記伝送路情報を前記時刻管理装置に対して通知する伝送路情報送信部を備える、
   基準時刻管理システム。
5. 請求項２に記載の基準時刻管理システムにおいて、
   前記時刻管理装置の前記時刻計算部は、前記光パルスの送信基準時刻、および伝送路情報の少なくとも一方を、所定の伝送路を経由して前記時刻基準装置から取得する、
   基準時刻管理システム。
6. 基準時刻を把握可能な時刻基準装置と、前記時刻基準装置から離れた位置に配置された時刻管理装置と、前記時刻基準装置と前記時刻管理装置との間を接続する既知の光伝送路とを有するシステムにおいて、前記時刻管理装置が前記基準時刻を推定し把握するための基準時刻管理方法であって、
   前記時刻基準装置が、事前に定めたスケジュールおよび前記基準時刻に同期したタイミングで、光パルスを前記光伝送路に周期的に送出し、
   前記時刻管理装置が、少なくとも、前記光伝送路を経由して受信した前記光パルスの受信間隔変動分と、前記光パルスの送信基準時刻と、前記光伝送路の固有の特性を表す伝送路情報とに基づいて、リモート基準時刻を算出する、
   基準時刻管理方法。
7. 請求項６の基準時刻管理方法において、
   前記時刻管理装置が、少なくとも、前記光伝送路における伝送路長変動に起因する時刻誤差を補正するように、前記リモート基準時刻を算出する、
   基準時刻管理方法。

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