JP7070387B2 - 時刻比較装置、および、時刻品質監視方法 - Google Patents
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Description
本発明は、時刻比較装置、および、時刻品質監視方法に関する。
時刻同期技術は、モバイルにおける基地局間連携において次世代移動通信5G（Generation）などで今後必要とされている。時刻同期システムは、例えば、GM（Grand Master）を各地点に分散配置させる構成により実現される。なお、GMを実装したPRTC（Primary Reference Time Clock）の仕様は、非特許文献１で規定される。
各地点のGMは、GNSS（Global Navigation Satellite System）衛星からの信号を直接受信するGNSSレシーバとして機能し、受信した信号を直接エンドアプリケーションに配信する。
しかし、高性能であるGNSSレシーバの台数を増やすと、その分コストも高くなってしまう。また、悪天候により衛星からの信号を受信できない時間帯は、時刻同期精度が悪化してしまう。
しかし、高性能であるGNSSレシーバの台数を増やすと、その分コストも高くなってしまう。また、悪天候により衛星からの信号を受信できない時間帯は、時刻同期精度が悪化してしまう。
そこで、GMからの情報をパケットネットワークによって配信する（つまり、GNSS信号を間接的に受信する）形態として、例えば、パケットのタイムスタンプを利用して時刻同期を行うPTP（Precision Time Protocol）が用いられる（非特許文献２）。PTPでは、通信事業者の高信頼なネットワークを介して時刻同期が行われる。
これにより、時刻基準となるGNSSアンテナの受信地点および設置数を集約でき、集約したGNSSレシーバ（GM）へ監視機能を具備することでGNSS受信の信頼性を向上することができる。また、パケットネットワークの経路二重化により、信頼性も向上できる。さらに、GMはPTPパケットを主信号に重畳することで、経済的かつ時刻同期精度を高めて時刻情報を伝達することができる。
これにより、時刻基準となるGNSSアンテナの受信地点および設置数を集約でき、集約したGNSSレシーバ（GM）へ監視機能を具備することでGNSS受信の信頼性を向上することができる。また、パケットネットワークの経路二重化により、信頼性も向上できる。さらに、GMはPTPパケットを主信号に重畳することで、経済的かつ時刻同期精度を高めて時刻情報を伝達することができる。
図７は、時刻同期技術が適用された時刻伝送システムの構成図である。
時刻伝送システムは、PTPに対応したPTPノードであるGMノード８２と、BC（Boundary Clock）ノード８３，８４と、OC（Ordinary Clock）ノード８５とがネットワークで接続されて構成される。
以下、時刻同期を直接行うPTPノード間で、時刻情報を提供する側をマスタノード９１（図８）とし、マスタノード９１から時刻情報を受ける被同期装置の側をスレーブノード９２（図８）とする。以下、時刻情報の伝搬の順序を図７の太線矢印で記載する。太線矢印の矢印元側が上り側であり、太線矢印の矢印先側が下り側である。つまり、GMノード８２→BCノード８３→BCノード８４→OCノード８５の順に正確な時刻情報が下りに伝搬される。
時刻伝送システムは、PTPに対応したPTPノードであるGMノード８２と、BC（Boundary Clock）ノード８３，８４と、OC（Ordinary Clock）ノード８５とがネットワークで接続されて構成される。
以下、時刻同期を直接行うPTPノード間で、時刻情報を提供する側をマスタノード９１（図８）とし、マスタノード９１から時刻情報を受ける被同期装置の側をスレーブノード９２（図８）とする。以下、時刻情報の伝搬の順序を図７の太線矢印で記載する。太線矢印の矢印元側が上り側であり、太線矢印の矢印先側が下り側である。つまり、GMノード８２→BCノード８３→BCノード８４→OCノード８５の順に正確な時刻情報が下りに伝搬される。
GMノード８２は、GPS衛星８１からの信号を直接受信するアンテナ８２ａを備える。
BCノード８３は、マスタノード９１であるGMノード８２から時刻情報を受けるスレーブノード９２であり、その後にBCノード８４に時刻情報を提供するマスタノード９１として機能する。
BCノード８４は、BCノード８３から時刻情報を受けるスレーブノード９２であり、その後にOCノード８５に時刻情報を提供するマスタノード９１として機能する。
OCノード８５は、BCノード８４から時刻情報を受けるスレーブノード９２であり、その後にエンド端末８６に時刻情報を提供する。
なお、BCノード８３，８４とOCノード８５との呼び方のちがいは、他PTPノードへの接続ポートがBCノード８３，８４には複数本存在し、OCノード８５には１本だけ存在することによる。
BCノード８３は、マスタノード９１であるGMノード８２から時刻情報を受けるスレーブノード９２であり、その後にBCノード８４に時刻情報を提供するマスタノード９１として機能する。
BCノード８４は、BCノード８３から時刻情報を受けるスレーブノード９２であり、その後にOCノード８５に時刻情報を提供するマスタノード９１として機能する。
OCノード８５は、BCノード８４から時刻情報を受けるスレーブノード９２であり、その後にエンド端末８６に時刻情報を提供する。
なお、BCノード８３，８４とOCノード８５との呼び方のちがいは、他PTPノードへの接続ポートがBCノード８３，８４には複数本存在し、OCノード８５には１本だけ存在することによる。
図８は、PTPの仕組みを示すシーケンス図である。
時刻情報（タイムスタンプ）を付与したPTPパケットは、マスタノード９１～スレーブノード９２間で送受信される。PTPパケットとして、下りのSyncメッセージ（Ｓ１１）と、下りのFollow-upメッセージ（Ｓ１２）と、上りのDelay_Requestメッセージ（Ｓ１３）と、下りのDelay_Responseメッセージ（Ｓ１４）とが順番に送受信される。
発時刻t1は、Syncメッセージ（Ｓ１１）がマスタノード９１から送信された時刻である。なお、Syncメッセージの発時刻t1をSyncメッセージそのものに含ませることは困難であるので、Syncメッセージの発時刻t1は後続のFollow-upメッセージにて、スレーブノード９２に通知される。
着時刻t2は、Syncメッセージがスレーブノード９２に到着した時刻である。
発時刻t3は、Delay_Requestメッセージがスレーブノード９２から送信された時刻である。
着時刻t4は、Delay_Requestメッセージがマスタノード９１に到着した時刻である。着時刻t4は、Delay_Requestメッセージに対するDelay_Responseメッセージに含めて、スレーブノード９２に通知される。
これにより、スレーブノード９２は、４つのタイムスタンプ（発時刻t1～着時刻t4）をすべて把握できる。
時刻情報（タイムスタンプ）を付与したPTPパケットは、マスタノード９１～スレーブノード９２間で送受信される。PTPパケットとして、下りのSyncメッセージ（Ｓ１１）と、下りのFollow-upメッセージ（Ｓ１２）と、上りのDelay_Requestメッセージ（Ｓ１３）と、下りのDelay_Responseメッセージ（Ｓ１４）とが順番に送受信される。
発時刻t1は、Syncメッセージ（Ｓ１１）がマスタノード９１から送信された時刻である。なお、Syncメッセージの発時刻t1をSyncメッセージそのものに含ませることは困難であるので、Syncメッセージの発時刻t1は後続のFollow-upメッセージにて、スレーブノード９２に通知される。
着時刻t2は、Syncメッセージがスレーブノード９２に到着した時刻である。
発時刻t3は、Delay_Requestメッセージがスレーブノード９２から送信された時刻である。
着時刻t4は、Delay_Requestメッセージがマスタノード９１に到着した時刻である。着時刻t4は、Delay_Requestメッセージに対するDelay_Responseメッセージに含めて、スレーブノード９２に通知される。
これにより、スレーブノード９２は、４つのタイムスタンプ（発時刻t1～着時刻t4）をすべて把握できる。
PTPパケットの送受信には、以下の伝搬遅延が発生する。
・下り遅延Dmsは、マスタノード９１→スレーブノード９２の下り方向のSyncメッセージの伝搬遅延である。マスタノード９１側の時計に対するスレーブノード９２側の時計のずれをオフセット値とすると、下り遅延Dms＝（着時刻t2－オフセット値）－発時刻t1で求まる。
・上り遅延Dsmは、スレーブノード９２→マスタノード９１の上り方向のDelay_Requestメッセージの伝搬遅延である。上り遅延Dsm＝着時刻t4－（発時刻t3－オフセット値）で求まる。
下り遅延Dms＝上り遅延Dsmと仮定すると、スレーブノード９２は、以下の数式１でオフセット値を求める。
オフセット値＝（（着時刻t2－発時刻t1）－（着時刻t4－発時刻t3））／２ …（数式１）
そして、スレーブノード９２は、求めたオフセット値で自身の時計の時刻を修正することで、マスタノード９１の時計とスレーブノード９２の時計とが同期（時刻一致）される。
・下り遅延Dmsは、マスタノード９１→スレーブノード９２の下り方向のSyncメッセージの伝搬遅延である。マスタノード９１側の時計に対するスレーブノード９２側の時計のずれをオフセット値とすると、下り遅延Dms＝（着時刻t2－オフセット値）－発時刻t1で求まる。
・上り遅延Dsmは、スレーブノード９２→マスタノード９１の上り方向のDelay_Requestメッセージの伝搬遅延である。上り遅延Dsm＝着時刻t4－（発時刻t3－オフセット値）で求まる。
下り遅延Dms＝上り遅延Dsmと仮定すると、スレーブノード９２は、以下の数式１でオフセット値を求める。
オフセット値＝（（着時刻t2－発時刻t1）－（着時刻t4－発時刻t3））／２ …（数式１）
そして、スレーブノード９２は、求めたオフセット値で自身の時計の時刻を修正することで、マスタノード９１の時計とスレーブノード９２の時計とが同期（時刻一致）される。
ITU-T（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector）、「Timing characteristics of primary reference time clocks」、ITU-T G.8272/Y.1367 Appendix I、2015年1月
IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.）、「IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems」、IEEE Std 1588-2008 11章、AnnexC,Revision of IEEE Std 1588-2002、2008年7月24日
GPSから協定世界時（UTC:Coordinated Universal Time）を受信するGMのGM時刻品質は、外部条件によって大きく変動する可能性がある。外部条件とは、例えば、天候や太陽活動等の外乱の場合や、悪意あるジャミング等の人為的な場合などである。そこで、外部条件によらず高い時刻同期精度を実現するためには、GM時刻品質の監視が必要である。以下、GM時刻品質の監視方法を２つ例示する。
（方法１）GPS以外のUTC装置からUTCを受信して、GPSのUTCと比較する方法。この場合、GMは、各国の時間標準研究機関のUTCを提供するUTC装置と接続する。
（方法２）複数のGM間のGM時刻品質を相対比較する方法。２つのGM間において一方のGM時刻品質が既知の場合、そのGMの時刻情報をもう一方のGMに伝送することで、相対的にもう一方のGMのGM時刻誤差を確認することができる。
（方法１）GPS以外のUTC装置からUTCを受信して、GPSのUTCと比較する方法。この場合、GMは、各国の時間標準研究機関のUTCを提供するUTC装置と接続する。
（方法２）複数のGM間のGM時刻品質を相対比較する方法。２つのGM間において一方のGM時刻品質が既知の場合、そのGMの時刻情報をもう一方のGMに伝送することで、相対的にもう一方のGMのGM時刻誤差を確認することができる。
図９は、（方法２）において、GM時刻品質が既知の第１GMを基準に第２GMを監視する場合の構成図である。
第１GM１０ｚおよび第２GM３０ｚは、それぞれマスタノードとして動作し、PTPパケットをスレーブノード（図示省略）に伝送することで、自身の時刻情報を外部に伝搬する。
GPS衛星１０ｘからの信号を直接受信するアンテナ１０ｙを備える第１GM１０ｚは、UTC装置（図示省略）から受信したUTCをもとに、（方法１）によって自身のGM時刻品質（以下、「第１GM時刻品質」）を取得済みであるとする。この第１GM時刻品質は比較的高精度に求めることができる。
GPS衛星３０ｘからの信号を直接受信するアンテナ３０ｙを備える第２GM３０ｚは、第１GM１０ｚと時刻同期を行うことにより、自身のGM時刻品質（以下、「第２GM時刻品質」）を（方法２）で求めることとする。
時刻伝送網２ｚは、第１GM１０ｚと第２GM３０ｚとの間で、スイッチＳＷを介してPTPパケットを伝送する。
第１GM１０ｚおよび第２GM３０ｚは、それぞれマスタノードとして動作し、PTPパケットをスレーブノード（図示省略）に伝送することで、自身の時刻情報を外部に伝搬する。
GPS衛星１０ｘからの信号を直接受信するアンテナ１０ｙを備える第１GM１０ｚは、UTC装置（図示省略）から受信したUTCをもとに、（方法１）によって自身のGM時刻品質（以下、「第１GM時刻品質」）を取得済みであるとする。この第１GM時刻品質は比較的高精度に求めることができる。
GPS衛星３０ｘからの信号を直接受信するアンテナ３０ｙを備える第２GM３０ｚは、第１GM１０ｚと時刻同期を行うことにより、自身のGM時刻品質（以下、「第２GM時刻品質」）を（方法２）で求めることとする。
時刻伝送網２ｚは、第１GM１０ｚと第２GM３０ｚとの間で、スイッチＳＷを介してPTPパケットを伝送する。
図１０は、図９の２つのGM間の監視精度を示すグラフである。グラフの横軸が第１GM１０ｚからの距離を示し、縦軸がUTCからの時刻ずれ（GM時刻誤差）を示す。
第１GM時刻品質は、プラス方向の時刻ずれ（＋ａ１）と、マイナス方向の時刻ずれ（－ａ１）との幅（±ａ１）として定義される。時刻伝送網２ｚの伝送時刻誤差は、プラス方向の時刻ずれ（＋ａ２）と、マイナス方向の時刻ずれ（－ａ２）との幅（±ａ２）として定義される。
第２GM時刻品質は、プラス方向の時刻ずれ（＋ａ３）と、マイナス方向の時刻ずれ（－ａ３）との幅（±ａ３）として定義される。
第１GM時刻品質は、プラス方向の時刻ずれ（＋ａ１）と、マイナス方向の時刻ずれ（－ａ１）との幅（±ａ１）として定義される。時刻伝送網２ｚの伝送時刻誤差は、プラス方向の時刻ずれ（＋ａ２）と、マイナス方向の時刻ずれ（－ａ２）との幅（±ａ２）として定義される。
第２GM時刻品質は、プラス方向の時刻ずれ（＋ａ３）と、マイナス方向の時刻ずれ（－ａ３）との幅（±ａ３）として定義される。
ここで、数式２に示すように、時刻伝送網２ｚの伝送時刻誤差が、第２GM時刻品質の監視結果に影響してしまう。
（第２GM時刻品質）＝（第１GM時刻品質）＋（時刻伝送網２ｚの伝送時刻誤差） …（数式２）
なお、時刻伝送網２ｚの通信状態はネットワークの混雑度合いなどにより時々刻々と変動するので、伝送時刻誤差の把握は困難である。よって、仮に精度の低い伝送時刻誤差を用いてしまうと、第２GM時刻品質の監視精度も悪化してしまう。
（第２GM時刻品質）＝（第１GM時刻品質）＋（時刻伝送網２ｚの伝送時刻誤差） …（数式２）
なお、時刻伝送網２ｚの通信状態はネットワークの混雑度合いなどにより時々刻々と変動するので、伝送時刻誤差の把握は困難である。よって、仮に精度の低い伝送時刻誤差を用いてしまうと、第２GM時刻品質の監視精度も悪化してしまう。
そこで、本発明は、時刻品質が既知のGMを基準として、別のGMの時刻品質を高精度に求めることを、主な課題とする。
前記課題を解決するために、本発明の時刻比較装置は、以下の特徴を有する。
本発明は、時刻伝送網の対向側に位置する第１グランドマスタから前記時刻伝送網を経由して、前記時刻伝送網の自装置側に位置する第２グランドマスタの時刻品質を監視する時刻比較装置であって、
前記第１グランドマスタから前記時刻伝送網を経由して時刻同期用パケットを送受信することにより、前記第１グランドマスタから第１時刻情報の同期を受ける第１時刻同期部と、
前記第２グランドマスタから前記時刻伝送網を経由せずに前記時刻同期用パケットを送受信することにより、前記第２グランドマスタから第２時刻情報の同期を受ける第２時刻同期部と、
前記第１時刻情報と前記第２時刻情報とを比較することにより、時刻差分情報を計算する時刻比較部と、
自装置側の前記時刻比較部が求めた前記時刻差分情報と、対向側の前記時刻比較装置の前記時刻比較部が求めた前記時刻差分情報とが一致するまで前記時刻差分情報を測定させるとともに、双方の前記時刻差分情報が一致するタイミングでの前記時刻伝送網の伝送時刻誤差と、前記第１グランドマスタの前記時刻品質とをもとに、前記第２グランドマスタの前記時刻品質を求める品質計算部とを有することを特徴とする。
本発明は、時刻伝送網の対向側に位置する第１グランドマスタから前記時刻伝送網を経由して、前記時刻伝送網の自装置側に位置する第２グランドマスタの時刻品質を監視する時刻比較装置であって、
前記第１グランドマスタから前記時刻伝送網を経由して時刻同期用パケットを送受信することにより、前記第１グランドマスタから第１時刻情報の同期を受ける第１時刻同期部と、
前記第２グランドマスタから前記時刻伝送網を経由せずに前記時刻同期用パケットを送受信することにより、前記第２グランドマスタから第２時刻情報の同期を受ける第２時刻同期部と、
前記第１時刻情報と前記第２時刻情報とを比較することにより、時刻差分情報を計算する時刻比較部と、
自装置側の前記時刻比較部が求めた前記時刻差分情報と、対向側の前記時刻比較装置の前記時刻比較部が求めた前記時刻差分情報とが一致するまで前記時刻差分情報を測定させるとともに、双方の前記時刻差分情報が一致するタイミングでの前記時刻伝送網の伝送時刻誤差と、前記第１グランドマスタの前記時刻品質とをもとに、前記第２グランドマスタの前記時刻品質を求める品質計算部とを有することを特徴とする。
これにより、時刻伝送網におけるパケット遅延揺らぎ誤差の影響が最小化したタイミングを利用して、第２グランドマスタの時刻品質を高精度に計算することができる。
本発明は、前記時刻比較部が、所定期間内に前記時刻差分情報を複数回測定し、
前記品質計算部が、複数回測定した前記時刻差分情報の統計値が双方の前記時刻差分情報で一致するときに、前記第２グランドマスタの前記時刻品質を求めることを特徴とする。
前記品質計算部が、複数回測定した前記時刻差分情報の統計値が双方の前記時刻差分情報で一致するときに、前記第２グランドマスタの前記時刻品質を求めることを特徴とする。
これにより、時刻伝送網におけるパケット遅延揺らぎ誤差が大きく変動する状況下でも、パケット遅延揺らぎ誤差の影響が最小化したタイミングを適切に抽出できる。
本発明によれば、時刻品質が既知のGMを基準として、別のGMの時刻品質を高精度に求めることができる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、時刻品質監視システムの構成図である。時刻品質監視システムは、時刻伝送網２によって接続される第１GM１０と、第１TC（時刻比較装置）２０と、第２GM３０と、第２TC（時刻比較装置）４０とに加え、品質計算装置５と、UTC装置９とを含めて構成される。
なお、品質計算装置５は、図１では独立した装置として説明するが、第１TC２０などの他装置の構成と一体化させてもよい。また、プライマリ網１の第１GM１０と第１TC２０とを１装置としてもよいし、セカンダリ網３の第２GM３０と第２TC４０とを１装置としてもよい。
時刻品質監視システムの各装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、ハードディスクなどの記憶手段（記憶部）と、ネットワークインタフェースとを有するコンピュータとして構成される。
このコンピュータは、ＣＰＵが、メモリ上に読み込んだプログラム（アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる）を実行することにより、各処理部により構成される制御部（制御手段）を動作させる。
なお、品質計算装置５は、図１では独立した装置として説明するが、第１TC２０などの他装置の構成と一体化させてもよい。また、プライマリ網１の第１GM１０と第１TC２０とを１装置としてもよいし、セカンダリ網３の第２GM３０と第２TC４０とを１装置としてもよい。
時刻品質監視システムの各装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、ハードディスクなどの記憶手段（記憶部）と、ネットワークインタフェースとを有するコンピュータとして構成される。
このコンピュータは、ＣＰＵが、メモリ上に読み込んだプログラム（アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる）を実行することにより、各処理部により構成される制御部（制御手段）を動作させる。
図１の時刻品質監視システムでは、図９と同様に、第１GM１０および第２GM３０は、それぞれマスタノードとして動作し、PTPパケット（時刻同期用パケット）をスレーブノード（図示省略）に伝送（送受信）することで、自身の時刻情報を外部に伝搬する。
UTC装置９からUTCを受信する第１GM１０は、受信したUTCと同期することで、UTCとのずれが補正された高い第１GM時刻品質を、自身の時刻品質として取得済みである。第２GM３０は、第１GM１０と時刻同期を行うことにより、自身の第２GM時刻品質を求めることとする。
時刻伝送網２は、第１GM１０と第２GM３０との間で、スイッチＳＷを介してPTPパケットを伝送する。
UTC装置９からUTCを受信する第１GM１０は、受信したUTCと同期することで、UTCとのずれが補正された高い第１GM時刻品質を、自身の時刻品質として取得済みである。第２GM３０は、第１GM１０と時刻同期を行うことにより、自身の第２GM時刻品質を求めることとする。
時刻伝送網２は、第１GM１０と第２GM３０との間で、スイッチＳＷを介してPTPパケットを伝送する。
さらに、図９の構成に対して、図１の構成では、以下の要素が追加される。
プライマリ網１は、第１GM時刻品質が既知の側であり、前記の第１GM１０に加えて、両GM間の時刻情報を比較するための第１TC２０が収容されている。セカンダリ網３は、第２GM時刻品質が未知の側であり、前記の第２GM３０に加えて、両GM間の時刻情報を比較するための第２TC４０が収容されている。
プライマリ網１からセカンダリ網３の方向に時刻同期を行う場合、第１GM１０→時刻伝送網２のスイッチＳＷ→第２GM３０および第２TC４０の順にPTPパケットが伝送される。セカンダリ網３からプライマリ網１の方向に時刻同期を行う場合、第２GM３０→時刻伝送網２のスイッチＳＷ→第１GM１０および第１TC２０の順にPTPパケットが伝送される。
プライマリ網１は、第１GM時刻品質が既知の側であり、前記の第１GM１０に加えて、両GM間の時刻情報を比較するための第１TC２０が収容されている。セカンダリ網３は、第２GM時刻品質が未知の側であり、前記の第２GM３０に加えて、両GM間の時刻情報を比較するための第２TC４０が収容されている。
プライマリ網１からセカンダリ網３の方向に時刻同期を行う場合、第１GM１０→時刻伝送網２のスイッチＳＷ→第２GM３０および第２TC４０の順にPTPパケットが伝送される。セカンダリ網３からプライマリ網１の方向に時刻同期を行う場合、第２GM３０→時刻伝送網２のスイッチＳＷ→第１GM１０および第１TC２０の順にPTPパケットが伝送される。
ここで、数式２をより詳しく表現した数式３に示すように、時刻伝送網２の伝送時刻誤差の成分は、リンク非対称性誤差とパケット遅延揺らぎ誤差とを含む。
（第２GM時刻品質）＝（第１GM時刻品質）＋（時刻伝送網２のリンク非対称性誤差）＋（時刻伝送網２のパケット遅延揺らぎ誤差） …（数式３）
リンク非対称性誤差は、図１のプライマリ網１→セカンダリ網３の方向の＋Ｙ[ns]成分と、セカンダリ網３→プライマリ網１の方向の－Ｙ[ns]成分とで構成される誤差である。ここで、リンク非対称性誤差が双方向で固定的である場合、両方向でPTPを実施すると、その誤差の符号は互いに逆転したものとなる。このリンク非対称性誤差は、事前に把握できているものとする。
（第２GM時刻品質）＝（第１GM時刻品質）＋（時刻伝送網２のリンク非対称性誤差）＋（時刻伝送網２のパケット遅延揺らぎ誤差） …（数式３）
リンク非対称性誤差は、図１のプライマリ網１→セカンダリ網３の方向の＋Ｙ[ns]成分と、セカンダリ網３→プライマリ網１の方向の－Ｙ[ns]成分とで構成される誤差である。ここで、リンク非対称性誤差が双方向で固定的である場合、両方向でPTPを実施すると、その誤差の符号は互いに逆転したものとなる。このリンク非対称性誤差は、事前に把握できているものとする。
一方、パケット遅延揺らぎ誤差は、時間変動が大きいため、直接の測定は困難である。そのため、時刻品質監視システムは、さらに、品質計算装置５を備える。
この品質計算装置５は、第１TC２０および第２TC４０からそれぞれ得た時刻比較の結果を基に、パケット遅延揺らぎ誤差が大きい時間帯と、パケット遅延揺らぎ誤差が小さい時間帯とを求める（詳細は図４）。つまり、数式４に示すように、パケット遅延揺らぎ誤差の影響が最小化したタイミングでは、時刻伝送網２の伝送時刻誤差の成分がほとんどリンク非対称性誤差だけになる。このタイミングを利用して、品質計算装置５は高精度の第２GM時刻品質を求めることができる。
（第２GM時刻品質）＝（第１GM時刻品質）＋（時刻伝送網２のリンク非対称性誤差） …（数式４）
この品質計算装置５は、第１TC２０および第２TC４０からそれぞれ得た時刻比較の結果を基に、パケット遅延揺らぎ誤差が大きい時間帯と、パケット遅延揺らぎ誤差が小さい時間帯とを求める（詳細は図４）。つまり、数式４に示すように、パケット遅延揺らぎ誤差の影響が最小化したタイミングでは、時刻伝送網２の伝送時刻誤差の成分がほとんどリンク非対称性誤差だけになる。このタイミングを利用して、品質計算装置５は高精度の第２GM時刻品質を求めることができる。
（第２GM時刻品質）＝（第１GM時刻品質）＋（時刻伝送網２のリンク非対称性誤差） …（数式４）
図２は、図１のGMおよびTCの詳細を示す構成図である。
第１GM１０は、時刻補正部１１と、第１PTP処理部（第１時刻同期部）１２とを有する。第１TC２０は、第１PTP処理部（第１時刻同期部）２１と、第２PTP処理部（第２時刻同期部）２２と、時刻比較部２３とを有する。つまり、第１TC２０は、装置内に第１PTP処理部２１用の時計と、第２PTP処理部２２用の時計とで合計２つの時計を有する。
第２GM３０は、第２PTP処理部（第２時刻同期部）３１を有する。第２TC４０は、第１PTP処理部（第１時刻同期部）４１と、第２PTP処理部（第２時刻同期部）４２と、時刻比較部４３とを有する。つまり、第２TC４０は、装置内に第１PTP処理部４１用の時計と、第２PTP処理部４２用の時計とで合計２つの時計を有する。
第１GM１０は、時刻補正部１１と、第１PTP処理部（第１時刻同期部）１２とを有する。第１TC２０は、第１PTP処理部（第１時刻同期部）２１と、第２PTP処理部（第２時刻同期部）２２と、時刻比較部２３とを有する。つまり、第１TC２０は、装置内に第１PTP処理部２１用の時計と、第２PTP処理部２２用の時計とで合計２つの時計を有する。
第２GM３０は、第２PTP処理部（第２時刻同期部）３１を有する。第２TC４０は、第１PTP処理部（第１時刻同期部）４１と、第２PTP処理部（第２時刻同期部）４２と、時刻比較部４３とを有する。つまり、第２TC４０は、装置内に第１PTP処理部４１用の時計と、第２PTP処理部４２用の時計とで合計２つの時計を有する。
マスタノードとして動作する第１PTP処理部１２は、スレーブノードとして動作する相手の第１PTP処理部２１および第１PTP処理部４１それぞれに対して、PTPパケットにより時刻同期を行う。
マスタノードとして動作する第２PTP処理部３１は、スレーブノードとして動作する相手の第２PTP処理部２２および第２PTP処理部４２それぞれに対して、PTPパケットにより時刻同期を行う。
これらのPTPパケットは、送信器TXを介して外部に送信され、受信器RXを介して外部から受信する。
マスタノードとして動作する第２PTP処理部３１は、スレーブノードとして動作する相手の第２PTP処理部２２および第２PTP処理部４２それぞれに対して、PTPパケットにより時刻同期を行う。
これらのPTPパケットは、送信器TXを介して外部に送信され、受信器RXを介して外部から受信する。
時刻比較部２３は、第１PTP処理部２１から得た第１GM１０の時刻情報と、第２PTP処理部２２から得た第２GM３０の時刻情報とを比較し、その比較結果を品質計算装置５に通知する。
時刻比較部４３は、第１PTP処理部４１から得た第１GM１０の時刻情報と、第２PTP処理部４２から得た第２GM３０の時刻情報とを比較し、その比較結果を品質計算装置５に通知する。
時刻比較部４３は、第１PTP処理部４１から得た第１GM１０の時刻情報と、第２PTP処理部４２から得た第２GM３０の時刻情報とを比較し、その比較結果を品質計算装置５に通知する。
図３は、時刻品質監視システムの処理を示すシーケンス図である。
Ｓ１１として、プライマリ網１（第１GM１０）からセカンダリ網３（第２TC４０）に向かう時刻伝送網２のリンク非対称性誤差（＋Y）を事前計測により把握する。
Ｓ１２として、セカンダリ網３（第２TC４０）からプライマリ網１（第１GM１０）に向かう時刻伝送網２のリンク非対称性誤差（－Y）を事前計測により把握する。
Ｓ１３として、第１GM１０は、UTC装置９からUTCの同期を受ける。この時点で、第１GM１０の時計はUTCとのずれが補正されるので、第１GM１０の時計の性能が第１GM時刻品質となる。
Ｓ１１として、プライマリ網１（第１GM１０）からセカンダリ網３（第２TC４０）に向かう時刻伝送網２のリンク非対称性誤差（＋Y）を事前計測により把握する。
Ｓ１２として、セカンダリ網３（第２TC４０）からプライマリ網１（第１GM１０）に向かう時刻伝送網２のリンク非対称性誤差（－Y）を事前計測により把握する。
Ｓ１３として、第１GM１０は、UTC装置９からUTCの同期を受ける。この時点で、第１GM１０の時計はUTCとのずれが補正されるので、第１GM１０の時計の性能が第１GM時刻品質となる。
第２TC４０は、Ｓ２１で得た第２GM３０からのPTP同期結果（ここでは「第２同期」とする）と、Ｓ２２で得た第１GM１０からのPTP同期結果（ここでは「第１同期」とする）とを時刻情報としてそれぞれ取得する。そして、第２TC４０は、第１同期の時刻情報（第１時刻情報）と第２同期の時刻情報（第２時刻情報）との時刻差分ΔTabの絶対値|ΔTab|を、数式５で計算する（Ｓ２３）。
|ΔTab|=|(UTC+Y)-(UTC+X)|=|Y-X| …（数式５）
ここで、X＝第２GM時刻品質、Y＝Ｓ１１のリンク非対称性誤差とする。
|ΔTab|=|(UTC+Y)-(UTC+X)|=|Y-X| …（数式５）
ここで、X＝第２GM時刻品質、Y＝Ｓ１１のリンク非対称性誤差とする。
第１TC２０も同様に、Ｓ３１で得た第１GM１０からのPTP同期結果と、Ｓ３２で得た第２GM３０からのPTP同期結果とを時刻情報としてそれぞれ取得する。そして、第１GM１０は、第１同期と第２同期それぞれの時刻の差分ΔTbaの絶対値|ΔTba|を、数式６で計算する（Ｓ３３）。
|ΔTba|=|(UTC+X-Y)-UTC|=|X-Y| …（数式６）
|ΔTba|=|(UTC+X-Y)-UTC|=|X-Y| …（数式６）
品質計算装置５は、Ｓ２３で計算された時刻差分の絶対値|ΔTab|の通知を受け（Ｓ４１）、Ｓ３３で計算された時刻差分の絶対値|ΔTba|の通知を受ける（Ｓ４２）。そして、品質計算装置５は、図４で後記するように、第２GM時刻品質を計算する（Ｓ４３）。
図４は、品質計算装置５の処理を示すフローチャートである。
品質計算装置５は、時刻差分の絶対値|ΔTab|を受信し（Ｓ１０１、図３ではＳ４１）、時刻差分の絶対値|ΔTba|を受信する（Ｓ１０２、図３ではＳ４２）。
Ｓ１０３として、品質計算装置５は、|ΔTab|と|ΔTba|とが等しいか否かを比較する。|ΔTab|と|ΔTba|とが等しい場合（Ｓ１０３，Ｙｅｓ）は、パケット遅延揺らぎ誤差が伝送時刻誤差に含まれていないため（換言すると、伝送時刻誤差がリンク非対称性誤差の成分だけで構成されるため）、Ｓ１０４に進む。Ｓ１０４では、パケット遅延揺らぎ誤差の影響が最小化したタイミングのリンク非対称性誤差（Y）を利用して、品質計算装置５は、前記の数式４をもとに第２GM時刻品質を計算する。または、数式４の代わりに、計算式「（第２GM時刻品質）＝|ΔTab|-Y」により、品質計算装置５は第２GM時刻品質を計算してもよい。
品質計算装置５は、時刻差分の絶対値|ΔTab|を受信し（Ｓ１０１、図３ではＳ４１）、時刻差分の絶対値|ΔTba|を受信する（Ｓ１０２、図３ではＳ４２）。
Ｓ１０３として、品質計算装置５は、|ΔTab|と|ΔTba|とが等しいか否かを比較する。|ΔTab|と|ΔTba|とが等しい場合（Ｓ１０３，Ｙｅｓ）は、パケット遅延揺らぎ誤差が伝送時刻誤差に含まれていないため（換言すると、伝送時刻誤差がリンク非対称性誤差の成分だけで構成されるため）、Ｓ１０４に進む。Ｓ１０４では、パケット遅延揺らぎ誤差の影響が最小化したタイミングのリンク非対称性誤差（Y）を利用して、品質計算装置５は、前記の数式４をもとに第２GM時刻品質を計算する。または、数式４の代わりに、計算式「（第２GM時刻品質）＝|ΔTab|-Y」により、品質計算装置５は第２GM時刻品質を計算してもよい。
一方、Ｓ１０３で|ΔTab|と|ΔTba|とが等しくない場合（Ｓ１０３，Ｎｏ）には、パケット遅延揺らぎ誤差が伝送時刻誤差に含まれているため、Ｓ１０１に戻って時刻差分を再測定する。
図５は、Ｓ１０３で比較対象となる時刻差分の絶対値が等しい場合のグラフである。グラフの横軸が時刻であり、縦軸が時刻差分の絶対値である。つまり、図５では、時刻差分の測定は複数回行われている。
なお、|ΔTab|のグラフと、|ΔTba|のグラフとを時刻が合うように上下に配置し、数式５のX、Yも図５のグラフ内に併記した。
縦軸が時刻差分の絶対値は時刻t1～t2までは両グラフで同じ一定値であり、時刻t2以降は両グラフで同じ上昇する値であるとする。つまり、どの時間帯でも|ΔTab|＝|ΔTba|の関係は満たされている。
このとき、品質計算装置５は、Ｓ１０３の比較処理として、時刻t1だけの瞬間値で両グラフを比較してもよいし、時刻t1～t2における平均値などの統計値で両グラフを比較してもよい。
なお、|ΔTab|のグラフと、|ΔTba|のグラフとを時刻が合うように上下に配置し、数式５のX、Yも図５のグラフ内に併記した。
縦軸が時刻差分の絶対値は時刻t1～t2までは両グラフで同じ一定値であり、時刻t2以降は両グラフで同じ上昇する値であるとする。つまり、どの時間帯でも|ΔTab|＝|ΔTba|の関係は満たされている。
このとき、品質計算装置５は、Ｓ１０３の比較処理として、時刻t1だけの瞬間値で両グラフを比較してもよいし、時刻t1～t2における平均値などの統計値で両グラフを比較してもよい。
図６は、Ｓ１０３で比較対象となる時刻差分の絶対値が等しくない場合のグラフである。図５と同様に、|ΔTab|のグラフと、|ΔTba|のグラフとを時刻が合うように上下に配置した。
両グラフで、|ΔTab|＝|ΔTba|の関係はほぼ満たされていない。唯一、時刻t2の瞬間値だけで、|ΔTab|＝|ΔTba|の関係が満たされているとする。
このとき、品質計算装置５は、Ｓ１０３の比較処理として、時刻t1～t2における平均値などの統計値で両グラフを比較することで、時刻t2の瞬間値だけ偶然に|ΔTab|＝|ΔTba|の関係となった場合でも、適切に図４のＳ１０１に処理を戻して時刻差分を再測定させることができる。
以上、図５および図６で例示したように、Ｓ１０３で|ΔTab|と|ΔTba|とを比較する処理は、双方が完全に一致する場合（換言すると、パケット遅延揺らぎ誤差が０になる場合）だけでなく、双方の差分が充分に小さい場合（換言すると、パケット遅延揺らぎ誤差が所定閾値より小さい場合）も、|ΔTab|と|ΔTba|とが一致したとみなしてもよい。
両グラフで、|ΔTab|＝|ΔTba|の関係はほぼ満たされていない。唯一、時刻t2の瞬間値だけで、|ΔTab|＝|ΔTba|の関係が満たされているとする。
このとき、品質計算装置５は、Ｓ１０３の比較処理として、時刻t1～t2における平均値などの統計値で両グラフを比較することで、時刻t2の瞬間値だけ偶然に|ΔTab|＝|ΔTba|の関係となった場合でも、適切に図４のＳ１０１に処理を戻して時刻差分を再測定させることができる。
以上、図５および図６で例示したように、Ｓ１０３で|ΔTab|と|ΔTba|とを比較する処理は、双方が完全に一致する場合（換言すると、パケット遅延揺らぎ誤差が０になる場合）だけでなく、双方の差分が充分に小さい場合（換言すると、パケット遅延揺らぎ誤差が所定閾値より小さい場合）も、|ΔTab|と|ΔTba|とが一致したとみなしてもよい。
以上説明した本実施形態では、事前に把握した第１GM時刻品質と、事前に測定したリンク非対称性誤差とをもとに、品質計算装置５が第２GM時刻品質を求める。ここで、品質計算装置５は、両方向の時刻差分の絶対値が等しくなる（|ΔTab|＝|ΔTba|となる）まで測定を行う。
これにより、パケット遅延揺らぎ誤差の影響が小さいタイミングを利用して、品質計算装置５は、第２GM時刻品質を高精度に計算することができる。さらに、品質計算装置５は、求めた第２GM時刻品質と所定閾値との比較により、所定閾値を超過した第２GM時刻品質となった時点で異常検知が可能となる。よって、異常検知時には、迅速に保守手順を実行させることができる。
これにより、パケット遅延揺らぎ誤差の影響が小さいタイミングを利用して、品質計算装置５は、第２GM時刻品質を高精度に計算することができる。さらに、品質計算装置５は、求めた第２GM時刻品質と所定閾値との比較により、所定閾値を超過した第２GM時刻品質となった時点で異常検知が可能となる。よって、異常検知時には、迅速に保守手順を実行させることができる。
なお、本実施形態においては、時刻品質監視システムとして、図１に示すような片方向で２台のＳＷを通過するような伝送経路を例示した。一方、このようなＳＷの台数に限定されず、任意の台数を扱ってもよい。
また、本実施形態においては、一般的なコンピュータのハードウェア資源を、時刻比較装置、品質計算装置５の各手段として動作させるプログラムによって実現することができる。そして、このプログラムは、通信回線を介して配布したり、ＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体に記録して配布したりすることも可能である。
また、本実施形態においては、一般的なコンピュータのハードウェア資源を、時刻比較装置、品質計算装置５の各手段として動作させるプログラムによって実現することができる。そして、このプログラムは、通信回線を介して配布したり、ＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体に記録して配布したりすることも可能である。
１ プライマリ網
２ 時刻伝送網
３ セカンダリ網
５ 品質計算装置（品質計算部）
９ UTC装置
１０ 第１GM（第１グランドマスタ）
１１ 時刻補正部
１２ 第１PTP処理部（第１時刻同期部）
２０ 第１TC（時刻比較装置）
２１ 第１PTP処理部（第１時刻同期部）
２２ 第２PTP処理部（第２時刻同期部）
２３ 時刻比較部
３０ 第２GM（第２グランドマスタ）
３１ 第２PTP処理部（第２時刻同期部）
４０ 第２TC（時刻比較装置）
４１ 第１PTP処理部（第１時刻同期部）
４２ 第２PTP処理部（第２時刻同期部）
４３ 時刻比較部
８１ GPS衛星
８２ GMノード
８２ａ アンテナ
８３，８４ ＢＣノード
８５ ＯＣノード
８６ エンド端末
９１ マスタノード
９２ スレーブノード
２ 時刻伝送網
３ セカンダリ網
５ 品質計算装置（品質計算部）
９ UTC装置
１０ 第１GM（第１グランドマスタ）
１１ 時刻補正部
１２ 第１PTP処理部（第１時刻同期部）
２０ 第１TC（時刻比較装置）
２１ 第１PTP処理部（第１時刻同期部）
２２ 第２PTP処理部（第２時刻同期部）
２３ 時刻比較部
３０ 第２GM（第２グランドマスタ）
３１ 第２PTP処理部（第２時刻同期部）
４０ 第２TC（時刻比較装置）
４１ 第１PTP処理部（第１時刻同期部）
４２ 第２PTP処理部（第２時刻同期部）
４３ 時刻比較部
８１ GPS衛星
８２ GMノード
８２ａ アンテナ
８３，８４ ＢＣノード
８５ ＯＣノード
８６ エンド端末
９１ マスタノード
９２ スレーブノード
Claims (3)
- 時刻伝送網の対向側に位置する第１グランドマスタから前記時刻伝送網を経由して、前記時刻伝送網の自装置側に位置する第２グランドマスタの時刻品質を監視する時刻比較装置であって、
前記第１グランドマスタから前記時刻伝送網を経由して時刻同期用パケットを送受信することにより、前記第１グランドマスタから第１時刻情報の同期を受ける第１時刻同期部と、
前記第２グランドマスタから前記時刻伝送網を経由せずに前記時刻同期用パケットを送受信することにより、前記第２グランドマスタから第２時刻情報の同期を受ける第２時刻同期部と、
前記第１時刻情報と前記第２時刻情報とを比較することにより、時刻差分情報を計算する時刻比較部と、
自装置側の前記時刻比較部が求めた前記時刻差分情報と、対向側の前記時刻比較装置の前記時刻比較部が求めた前記時刻差分情報とが一致するまで前記時刻差分情報を測定させるとともに、双方の前記時刻差分情報が一致するタイミングでの前記時刻伝送網の伝送時刻誤差と、前記第１グランドマスタの前記時刻品質とをもとに、前記第２グランドマスタの前記時刻品質を求める品質計算部とを有することを特徴とする
時刻比較装置。 - 前記時刻比較部は、所定期間内に前記時刻差分情報を複数回測定し、
前記品質計算部は、複数回測定した前記時刻差分情報の統計値が双方の前記時刻差分情報で一致するときに、前記第２グランドマスタの前記時刻品質を求めることを特徴とする
請求項１に記載の時刻比較装置。 - 時刻伝送網の対向側に位置する第１グランドマスタから前記時刻伝送網を経由して、前記時刻伝送網の自装置側に位置する第２グランドマスタの時刻品質を監視する時刻比較装置は、第１時刻同期部と、第２時刻同期部と、時刻比較部と、品質計算部とを有しており、
前記第１時刻同期部は、前記第１グランドマスタから前記時刻伝送網を経由して時刻同期用パケットを送受信することにより、前記第１グランドマスタから第１時刻情報の同期を受け、
前記第２時刻同期部は、前記第２グランドマスタから前記時刻伝送網を経由せずに前記時刻同期用パケットを送受信することにより、前記第２グランドマスタから第２時刻情報の同期を受け、
前記時刻比較部は、前記第１時刻情報と前記第２時刻情報とを比較することにより、時刻差分情報を計算し、
前記品質計算部は、自装置側の前記時刻比較部が求めた前記時刻差分情報と、対向側の前記時刻比較装置の前記時刻比較部が求めた前記時刻差分情報とが一致するまで前記時刻差分情報を測定させるとともに、双方の前記時刻差分情報が一致するタイミングでの前記時刻伝送網の伝送時刻誤差と、前記第１グランドマスタの前記時刻品質とをもとに、前記第２グランドマスタの前記時刻品質を求めることを特徴とする
時刻品質監視方法。
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2018
- 2018-12-11 JP JP2018231838A patent/JP7070387B2/ja active Active
-
2019
- 2019-11-28 WO PCT/JP2019/046553 patent/WO2020121824A1/ja active Application Filing
- 2019-11-28 US US17/299,118 patent/US11638228B2/en active Active
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