JP5080202B2 - 時刻同期処理システム、時刻情報配信装置、時刻同期処理装置、時刻情報配信プログラム、および時刻同期処理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線ネットワークにおいて高精度時刻同期を行うシステム、高精度時刻同期のための時刻情報を配信する時刻情報配信装置、時刻同期処理装置およびこれらのプログラムに関する。

近年、分散計測・制御分野において、マイクロ秒からサブマイクロ秒の高精度な時刻同期が求められており、例えば、ＩＥＥＥ１５８８などの高精度の時刻同期プロトコルが策定されている。

しかし、現在のデファクトスタンダードとなっているネットワーク・タイム・プロトコル（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ：ＮＴＰ）Ｖｅｒ．３では、ミリ秒程度の精度の時刻同期しか実現できない。

ネットワーク上の時刻同期処理では、ネットワーク上の複数のスレーブ装置（以下、単に「スレーブ」という）の時計をネットワークを介してマスタ装置（以下、単に「マスタ」という）の時計に同期させるが、マスタとスレーブの時計の差分を求める処理においてネットワークの遅延が問題となる。

特に、輻輳制御にＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）を用いて無線ネットワークにおいて高精度時刻同期を行う場合には、“Ｂａｃｋｏｆｆ”と呼ばれるランダムな待機時間が発生して、遅延時間が大きく変動するため、高精度な時刻同期が困難である。

従来のＮＴＰでは、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）／ＦＬＬ（Ｆｌｅｑｕｅｎｃｙ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）によってネットワーク遅延の変動を平滑化しているが、時定数が大きい、すなわちフィードバック係数が小さいために収束が遅く、処理精度も低いという問題がある。

なお、有線ネットワークでは、待機の生じるネットワークノードに境界時計（Ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｌｏｃｋ）を配するＩＥＥＥ１５８８の時刻同期プロトコルが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

また、時刻同期パケットの送出後の一定期間に他の機器からのパケット送信を禁止する時刻同期方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ＩＥＥＥ１５８８ 「ＩＥＥＥ ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ ａｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃｌｏｃｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ」 ２００２年 特許第２７０５６６５号公報

しかし、マスタとスレーブとが直接通信する無線ネットワークでは、ＩＥＥＥ１５８８の時刻同期プロトコルにもとづく境界時計を利用することはできない。

また、特許文献１のような方法では、時刻同期パケットの送出前後に通常パケットの送信禁止期間を設定するために、ネットワークのスループットが低下する。さらに、ネットワーク上の全ての機器がパケット送信禁止期間に対応できなければ機能しないという問題もある。

本発明は、時刻同期用情報をデータパケットとして配信するマスタから、先行パケットの送出時刻を情報格納域に記載した時刻パケットを無線ネットワークを通じて供給することによって、データ転送の遅延時間の絶対値および遅延時間の変動（ジッタ）を小さくし、高精度かつ簡易な時刻同期処理を可能とする時刻同期処理システムを提供することを目的とする。

また、本発明は、無線ネットワークにおける高精度時刻同期のために、先行パケットの送出時刻を時刻情報として記載した時刻パケットを配信する時刻情報配信装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、無線ネットワークにおける高精度時刻同期のために、先行パケットの送出時刻が時刻情報として記載された時刻パケットを受信して時刻同期処理を行う時刻同期処理装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、無線ネットワークに接続するコンピュータを、前記時刻情報配信装置または前記時刻同期処理装置として機能させるためのプログラムを提供することを目的とする。

本発明は、マスタとなる時刻情報配信装置において、時刻パケットのパケット送出完了時刻を検知し、この送信完了時刻を情報格納域に記載した時刻パケットを無線ネットワークを用いて配信することによって、スレーブとなる時刻同期処理装置において高精度かつ簡易な時刻同期処理を実現する。

本発明は、無線ネットワークに接続する時刻情報配信装置および時刻同期処理装置で構成される時刻同期処理システムであって、前記時刻情報配信装置は、１）基準時刻情報を取得し、基準時刻情報記憶手段へ記録する基準時刻情報取得手段と、２）前記基準時刻情報をもとに自装置内に時刻情報を提供するマスタ時計手段と、３）一定の間隔で、時刻同期用データである時刻パケットを前記無線ネットワークへ送信するパケット送信手段と、４）前記時刻パケットの送出完了時刻を検知し、送出完了時刻記憶手段へ記録するパケット送出完了時刻検知手段と、５）前記送出完了時刻記憶手段に記録された、直前の時刻パケットの送出完了時刻を情報格納域に記載した時刻パケットを生成する時刻パケット生成手段とを備える。

また、前記時刻同期処理装置は、６）自装置内に時刻情報を提供するスレーブ時計手段と、７）前記時刻情報配信装置から送信された時刻パケットを受信するパケット受信手段と、８）前記時刻パケットの受信完了時間を検知し、到着完了時刻記憶手段へ蓄積するパケット到着完了時刻検出手段と、９）前記受信した時刻パケットの情報格納域から前記送出完了時刻を読み出し、受信パケット情報記憶部に記録する受信パケット情報取得部と、
前記到着完了時刻および前記送出完了時刻の関係を用いて前記スレーブ時計手段の時刻補正情報を算出する時刻補正手段と、１０）前記時刻補正手段の時計補正情報をもとに前記スレーブ時計手段の時刻を設定する時刻設定手段とを備える。

本発明の時刻同期処理システムの時刻情報配信装置では、基準時刻情報取得手段が、基準時刻情報を取得し、基準時刻情報記憶手段へ記録しておく。パケット送出完了時刻検知手段は、パケット送信手段が一定の間隔で時刻パケット生成手段により生成された時刻パケットを前記無線ネットワークへ送信すると、時刻パケットの送出完了時刻を検知し、送出完了時刻記憶手段へ記録する。

時刻パケット生成手段は、前記送出完了時刻記憶手段に記録された、直前の時刻パケットの送出完了時刻を情報格納域に記載した時刻パケットを生成する。そして、パケット送信手段は、先行パケットの送出完了時刻を載せた時刻パケット無線ネットワークへ送信する。

そして、時刻同期処理システムの時刻同期処理装置では、パケット受信手段が、時刻パケットを受信すると、パケット到着完了時刻検出手段は、時刻パケットの受信完了時間を検知し、到着完了時刻記憶手段へ蓄積する。さらに、受信パケット情報取得部は、受信した時刻パケットの情報格納域から前記送出完了時刻を読み出し、受信パケット情報記憶部に記録する。すると、時刻補正手段が、到着完了時刻および送出完了時刻の関係を用いて前記スレーブ時計手段の時刻補正情報を算出し、時刻設定手段は、時計補正情報をもとにスレーブ時計手段の時刻を設定する。

また、前記時刻補正手段は、時刻パケットの到着完了時刻および送出完了時刻に統計処理を施すことによって時計補正情報を算出することができる。

本発明にかかる時刻同期処理システムは、無線ネットワークを構成するサーバ装置および複数のクライアント装置において実現される。

本発明にかかる時刻情報配信装置は、一定の間隔で送出する時刻パケットを無線ネットワークに送信する。時刻パケットが時刻情報配信装置から送信されてから、時刻同期処理装置へ到着するまでに要する時間は、空間を伝搬する遅延時間だけなので、ｂａｃｋｏｆｆおよび有線ネットワークで生じるキューイング遅延の影響を受けることなく、直接スレーブに到着する。そのため、遅延時間の絶対値およびジッタが小さく、簡単な統計処理でジッタを除去することができる。

したがって、本発明にかかる時刻同期処理は、計算能力の小さなスレーブに実装することができる。

また、本発明は、コンピュータにより読み取られ実行されるプログラムとして実施することができる。本発明を実現するプログラムは、コンピュータが読み取り可能な可搬媒体メモリ、半導体メモリ、ハードディスクなどの適当な記録媒体に格納することができる。

また、これらの記録媒体に記録して提供され、または、通信インタフェースを介して種々のネットワークを利用した送受信により提供されるものである。

本発明によれば、マスタとなる時刻情報配信装置が、直前に送出された時刻パケットの送出完了時刻を時刻情報として載せた時刻パケットを無線ネットワークへ送信し、スレーブとなる時刻同期処理装置は、この時刻パケットの到着完了時刻と、時刻パケット内の送信完了時刻との関係をもとに時刻補正を行うことができる。

よって、マスタからスレーブまでの遅延時間が、無線ネットワークの伝搬時間だけとなり、Ｂａｃｋｏｆｆおよび有線ネットワークで生じる遅延の影響を受けることなく時刻補正情報を算出することができ、高精度かつ簡易な時刻同期処理を実現することができる。

さらに、スレーブ側の時刻同期処理装置では、無線ネットワークを介して時刻パケットを受信し、遅延時間の絶対値およびジッタが小さいため、簡単な統計処理によりジッタを除去することができる。そのため、時刻同期処理装置を、センサーネットなどの計算能力の小さい装置にも実装することができる。

しかも、遅延時間の絶対値が小さく、補償が不要であるため、往復遅延を利用する必要がなく、簡単な構成で時刻同期処理システムのマスタおよびスレーブを実装することができる。

さらに、マスタおよびスレーブ間にネットワーク配線が不要であり、高精度な時刻同期を要するシステムの構築における作業効率およびコスト削減を図ることができる。

図１は、本発明を実施する無線ネットワークの例を示す。

本発明にかかる時刻同期処理システムを実施する無線ネットワークは、例えば無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）８を通じて時刻情報を提供するマスタ１、無線ＬＡＮ８からその時刻情報を受信する一または複数のスレーブ２で構成される。

マスタ１は、時刻情報配信装置１０、時刻基準信号を受信するアンテナ３、アンテナ３の出力端子から時刻情報配信装置１０までの信号線６および無線ＬＡＮ用アンテナ４を備える。

時刻基準信号として、ＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、電波時計などからの無線経由の信号だけでなく、高精度時計からの有線経由の同期信号も適用できる。

スレーブ２は、時刻同期処理装置３０およびマスタから送信される時刻パケット信号を受信するための無線ＬＡＮ用アンテナ５を備える。

マスタ１の時刻情報配信装置１０は、高精度の時計装置に同期している基準時刻信号をアンテナ３で受信し、アンテナ３の出力端子から信号線６経由で受信する。マスタ１の時刻情報配信装置１０は、１つ前に送出した時刻パケットの送出完了時刻を時刻情報として記載した時刻パケットを生成し、この時刻パケット信号を、正確に一定間隔（正１秒）で、マスタ１の無線ＬＡＮ用アンテナ４からスレーブ２へブロードキャストする。

スレーブ２は、時刻パケット信号を無線ＬＡＮ用アンテナ５より受信する。スレーブ２の時刻同期処理装置３０は、受信した時刻パケット信号の受信時刻、時刻パケット内の時刻情報を用いて時刻同期処理を行う。

なお、マスタ１は、コンピュータで実施することができ、また、例えば、電子回路を備えてＧＰＳ信号から時刻パケットを送出できる装置として実施できる。スレーブ２は、コンピュータの他、家電機器、ロボット、計測装置などに組み込み可能な装置であって、例えば、所定の処理回路およびデータ記憶域を持つマイコンなどとして実施できる。

図２は、マスタ１の時刻情報配信装置１０の構成例を示す図である。

時刻情報配信装置１０は、基準時刻情報に同期するマスタ内部時計１５を用いて、スレーブ２へ時刻パケットを一定間隔で無線ＬＡＮ８に送出する処理を行う装置である。

時刻同期処理装置３０は、基準時刻受信部１１、基準時刻情報記憶部１３、時刻設定部１４、マスタ内部時計１５、時刻パケット生成部１７、パケット送信部１９、パケット送出完了時刻検知部２１、パケット送出完了時刻記憶部２３を備える。

基準時刻受信部１１は、高精度な時計を有する基準時刻発信源からの基準時刻情報信号を受信し、受信した基準時刻情報信号から基準時刻となる情報を抽出して、基準時刻情報記憶部１３に記録する処理手段である。

基準時刻情報記憶部１３は、基準時刻受信部１１で抽出された基準時刻情報を記憶する記憶手段である。

時刻設定部１４は、基準時刻情報記憶部１３に記録されている基準時刻情報をマスタ内部時計１５に設定する処理手段である。

マスタ内部時計１５は、基準時刻情報を用いて時刻が設定され、マスタ１および各スレーブ２の時刻同期処理の基準となる時刻を供給する処理手段である。

時刻パケット生成部１７は、パケット送出完了時刻記憶部２３から、１つ前に配信された時刻パケットの送出完了時刻を読み出し、読み出した送出完了時刻を時刻情報として情報格納域に設定した時刻パケットを生成する処理手段である。

パケット送信部１９は、時刻パケットの信号を無線ＬＡＮ８へ送信する処理手段である。

パケット送出完了時刻検知部２１は、パケット送信部１９が時刻パケット信号の送出を完了したタイミングに応答して、マスタ内部時計１５の時刻を検知し、検出した送出完了時刻をパケット送出完了時刻記憶部２３に記録する処理手段である。

パケット送出完了時刻記憶部２３は、パケット送信部１９から送出された時刻パケットの送出完了時刻を記憶する記憶手段である。

図３は、スレーブ２の時刻同期処理装置３０の構成例を示す図である。

時刻同期処理装置３０は、マスタ１から送出された時刻パケットの到着完了時刻および時刻パケット内の情報格納域の送出完了時刻を読み出し、これらの時刻情報を時刻補正処理に用いて、スレーブ内部時計４５の時刻をマスタ内部時計１５の時刻に同期させる処理装置である。

時刻同期処理装置３０は、パケット受信部３１、パケット到着完了時刻検知部３３、パケット到着完了時刻記憶部３５、到着パケット情報読込み部３７、到着パケット情報記憶部３９、時刻補正処理部４１、時刻設定部４３、スレーブ内部時計４５を備える。

パケット受信部３１は、マスタ１から送信される時刻パケットを受信する処理手段である。

パケット到着完了時刻検知部３３は、スレーブ２での時刻パケットの到着完了のタイミングに応答して、スレーブ内部時計４５の時刻を検知し、時刻パケットの到着完了時刻をパケット到着完了時刻記憶部３５に記録する処理手段である。

パケット到着完了時刻記憶部３５は、パケット受信部３１で受信された時刻同期パケットの到着完了時刻を記憶する記憶手段である。

到着パケット情報読込み部３７は、パケット受信部３１で受信された時刻パケットから先行パケットの送出完了時刻を含むパケット情報を読み出し、到着パケット情報記憶部３９に記録する処理手段である。

到着パケット情報記憶部３９は、到着パケット情報読込み部３７で読込まれたパケット情報を記憶する記憶手段である。

時刻補正処理部４１は、受信した時刻パケットの到着完了時刻と、時刻パケット内の送出完了時刻をもとに、スレーブ内部時計４５をマスタ内部時計１５に同期させるための時刻補正を行う処理手段である。

時刻設定部４３は、時刻補正処理部４１の時刻補正処理にもとづいてスレーブ内部時計４５に時刻設定を行う処理手段である。

スレーブ内部時計４５は、スレーブ２において基準となる時刻を供給する処理手段である。

以下に、無線ネットワークにおける遅延時間およびその変動を説明する。

図４は、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式による無線ネットワークのフレームタイミングを、図５は、無線ネットワークにおける遅延時間測定例を示す。

一般に、時刻同期では、マスタ１の時刻参照時の時刻Ｓに、マスタ１の時刻を参照してからスレーブ２の時刻を設定するまでに要する時間（遅延時間）ｔｄを加えた値をスレーブ２の時刻Ｃとすると、以下の式（１）のような関係となる。

Ｃ＝Ｓ＋ｔｄ （１）

ところで、無線ネットワークでは、ＣＳＭＡ／ＣＡの輻輳制御が行われている。ＣＳＭＡ／ＣＡでは、パケットを送出する前に、回線の利用状況を確認し、他の機器により回線が使用中の場合には、ｂａｃｋｏｆｆと呼ばれる待機動作を行う。待機時間は、図４に示すＣｏｎｔｅｎｔｉｏｎ Ｗｉｎｄｏｗを変化させることにより、数十マイクロ秒から数十ミリ秒のランダムな時間となる。遅延時間の変動は、時刻同期の精度を劣化させる。

図５に、無線ネットワークの遅延時間の変動（ジッタ：Ｊｉｔｔｅｒ）の測定結果例を示す。図５に示すように、変動特性が３０ミリ秒ほどの散らばりを有することが分かる。

ここで、従来方式において、遅延時間ｔｄ、ｂａｃｋｏｆｆを含む送出までに要する時間（送出処理時間）ｔｂ、無線パケットの伝搬時間ｔｐとすると、遅延時間ｔｄは式（２）に示すものとなる。

ｔｄ＝ｔｂ＋ｔｐ （２）

より具体的に、遅延時間ｔｄを示す。

まず、伝搬時間ｔｐは、伝搬距離Ｄ、空気中の電波の速度ｖｃとすれば、以下の式（３）のようになる。

ｔｐ＝Ｄ／ｖｃ （３）

ここで、伝搬距離の最大は、ＩＥＥＥ８０２．１１でＤ＝１００ｍ、ＩＥＥＥ８０２．１５でＤ＝２０ｍ程度であるため、空気中の電波の速度ｖｃ＝３×１０^８［ｍ／秒］として、式（３）に代入して計算すると、伝搬時間ｔｐは３３３ナノ秒以下となる。

遅延時間ｔｄは、送出処理時間ｔｂの値に影響を受けることになるが、この結果から、マイクロ秒の同期精度を必要とする同期処理においては、伝搬時間を無視できることが明らかとなる。

図６および図７を用いて、従来方式との比較により本発明を説明する。

図６は、従来方式を無線ネットワークに適用した場合に、時刻パケットのマスタ１での送出時刻とスレーブ２での到着時刻との関係を示す図、図７は、本発明における、時刻パケットのマスタ１での送出時刻とスレーブ２での到着時刻との関係を示す図である。

図６において、マスタ１から、マスタ内部時計１５基準のタイムスタンプＳ（時刻５４）で送出開始されたパケット５１は、ＴｘＥＮＤ時間後（時刻５５）に送出が完了する。そして、マスタ内部時計１５基準のタイムスタンプＣ（時刻５６）でスレーブ２にパケット５１が到着完了することを示している。

したがって、スレーブ２にパケット５１が到着する時点の時刻Ｃは、以下に示す式（４）となる。

Ｃ＝Ｓ＋ｔｐ＋ｔｄ （４）

ここで、送出処理時間５７（ｔｂ）に比して伝搬時間５８（ｔｐ）は小さい値であることから、送出処理時間５７（ｔｂ）の影響が大きい。スレーブ２において、マスタ内部時計１５との時間差および変動成分は大きなものとなる。

図７において、マスタ１から、マスタ内部時計１５基準のタイムスタンプＳ（時刻６２）を時刻パケット６１の送出完了時の時刻（ＴｘＥＮＤ）に取り、マスタ１の時刻情報配信装置１０において、この送出完了時刻を後続の時刻パケットに載せる。

スレーブ２は、受信した時刻パケット６１内の到着完了時刻のマスタ内部時計１５基準のタイムスタンプＣ（６５）のタイミングを、スレーブ２の時刻同期処理装置３０のスレーブ内部時計４５により検知する。

このときに、Ｃは以下の式（５）のように示される。

Ｃ＝Ｓ＋ｔｐ （５）

伝搬時間ｔｐは、無視できるほど小さい値であるので、タイムスタンプＣ（時刻６５）は、タイムスタンプＳ（時刻６４）に非常に近い時刻となる。

これより、スレーブ２は、受信した時刻パケット６１の到着完了時刻をパケット到着完了時刻検知部３３がスレーブ内部時計４５を基準に検知し、そして、パケット送信側のマスタ１の先行パケットのタイムスタンプＳ（時刻６４）の送出完了時刻を取得する。この２つの時刻を補正処理に用いることにより、マスタ内部時計１５にスレーブ内部時計４５が高精度に時刻同期することが可能となる。

図８に、本発明における後続パケットと先行パケットの送出完了時刻の関係を示す。

マスタ１の時刻情報配信装置１０において、マスタ１から送信される時刻パケットＰ_ｉ−１、Ｐ_ｉ、Ｐ_ｉ＋１の送信完了時刻を、ｔ_ｉ−１、ｔ_ｉ、ｔ_ｉ＋１とする。

マスタ１で、時刻パケットＰ_ｉ−１、Ｐ_ｉ、Ｐ_ｉ＋１に、それぞれ、先行の時刻パケットの送出完了時刻ｔ_ｉ−２、ｔ_ｉ−１、ｔ_ｉが載せられる。

また、スレーブ２の時刻同期処理装置３０において、スレーブ２で受信される時刻パケット信号Ｐ_ｉ−１、Ｐ_ｉ、Ｐ_ｉ＋１のそれぞれの到着完了時刻ｔ′_ｉ−１、ｔ′_ｉ、ｔ′_ｉ＋１を、スレーブ内部時計４５を基準に検知する。さらに、受信された時刻パケットＰ_ｉ−１、Ｐ_ｉ、Ｐ_ｉ＋１から、それぞれ、先行パケットの送出完了時刻ｔ_ｉ−２、ｔ_ｉ−１、ｔ_ｉも読み取る。

マスタ時刻ｔ_ｉと、スレーブ時刻ｔ′_ｉの間には、一般的に、スレーブ内部時計４５の周波数源に応じた短期間について以下の関係式（６）のような線形関係が存在する。

ｔ′_ｉ＝Ｒｔ_ｉ＋Ｏ （６）

ここで、定数Ｒはクロックレート、定数Ｏは時刻オフセットである。なお、通常の温度補償されていない水晶発振器によって駆動されている内部時計では、線形関係が保持されるのは数十秒以下である。式（６）より、ｔ_ｉとｔ′_ｉの関係から簡単な統計処理により、スレーブ内部時計を補正する一次式が算出できる。

図９は、マスタ１の時刻情報配信装置１０の処理を示す流れ図である。

ステップＳ１： 基準時刻受信部１１は、基準時刻情報信号を正常に受信したか否か判断する処理を行う。正常に時刻データが受信できれば（ＹＥＳ）、時刻データを基準時刻情報記憶部１３に記録する。正常に受信できなければ（ＮＯ）、正常に受信できるまで基準時刻受信部１１は待機する。

ステップＳ２： 時刻設定部１４は、基準時刻情報記憶部１３の時刻データをもとにマスタ内部時計１５の時刻を設定する。

ステップＳ３： パケット送出完了時刻検知部２１は、すでに時刻パケット生成部１７で生成された時刻パケットの送出完了信号フラグ（送出完了時のタイミング信号立上がり）状態を監視して、パケット送信部１９での時刻パケットの送出完了タイミングを検知する。パケット送出完了時刻検知部２１は、時刻パケットの送出完了信号フラグが上がると（ＹＥＳ）、ステップＳ４の処理へ進む。一方、送出完了信号フラグが上がらない期間は（ＮＯ）、ステップＳ１での待機状態を含む他の処理が行われる。

ステップＳ４： 時刻パケットの送出完了信号タイミングを検知すると、パケット送出完了時刻検知部２１が、送信完了時刻をパケット送出完了時刻記憶部２３へ記録する。

ステップＳ５： 時刻パケット生成部１７は、次に送出する時刻パケットＰ_ｉを生成し、パケット送出完了時刻記憶部２３に記録されている一つ前に送信された時刻パケットＰ_ｉ―１の送信完了時刻ｔ_ｉ―１をパケットフレームの指定領域へ書込む。

ステップＳ６： パケット送信部１９は、生成された時刻パケットＰ_ｉを、マスタ内部時計１５に同期した一定間隔のパケット信号として送信する。

これによって、マスタ１の時刻情報配信装置１０は、複数のスレーブ２へ先行パケットの送出完了時刻ｔ_ｉ―１を含む時刻パケットＰ_ｉを送信する。

図１０は、スレーブ２の時刻同期処理装置３０の処理を示す流れ図である。

ステップＳ１０： パケット受信部３１は、マスタ１から送信される時刻パケットＰ_ｉを受信する。パケット到着完了時刻検知部３３は、時刻パケットの到着完了のタイミングに応答して、パケット到着完了フラグを上げる。

ステップＳ１１： パケット到着完了時刻検知部３３は、パケット到着完了フラグが上がると（ＹＥＳ）、スレーブ内部時計４５の時刻データｔ′_ｉを読み出し、パケット到着完了時刻記憶部３５へ書込む。

ステップＳ１２： 到着パケット情報読込み部３７は、受信された時刻パケットＰ_ｉの情報領域から、先行して送信された時刻パケットＰ_ｉ−１の送出完了時刻ｔ_ｉ−１を含むパケット情報を読込み、到着パケット情報記憶部３９へ書込む。

ステップＳ１３：時刻補正処理部４１は、受信した時刻パケット_Ｐｉ−１について、パケット到着完了時刻記憶部３５から時刻パケットＰ_ｉ−１の到着完了時刻ｔ′_ｉ−１、また、到着パケット情報記憶部３９からパケットＰ_ｉから取り出して記録した送信完了時刻ｔ_ｉ−１をそれぞれ読み出す。

ステップＳ１４：時刻補正処理部４１は、２つのデータ、マスタ１の時刻基準による送信完了時刻ｔ_ｉ−１とスレーブ２の時刻基準によるｔ′_ｉ−１を用いて時刻補正処理を行う。

ステップＳ１５：時刻設定部４３が、補正処理によって得られた時刻データをもとに、スレーブ内部時計４５に設定する。

これにより、スレーブ内部時計４５は、マスタ内部時計１５に時刻同期することができる。

以下に、本発明の具体的な実施例を説明する。

図１１は、本発明の一実施例として、マスタ１の時刻情報配信装置１０に、無線ネットワークにネットワーク時空情報（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ：ＮＳＴ）サーバを適用する場合のサーバ装置の構成例を示す。ここで、時空情報とは、時刻情報と位置などの空間座標情報を含む情報である。

図１１の実施例では、マスタ１（ＮＳＴサーバ）において、時刻情報配信装置１０の基準時刻情報信号としてＧＰＳ信号を利用する。ＧＰＳ受信アンテナ７１でＧＰＳ電波を受信し、アンテナ出力の電気信号をＧＰＳ信号受信部７２で受信する。なお、ＧＰＳ信号受信部７２は、既知のＧＰＳ受信モジュールを採用することができる。

ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＧａｔｅＡｒｒａｙ）部７３は、時刻情報配信装置１０の時刻パケット生成部１７、パケット送出完了時刻検知部２１、パケット送出完了時刻記憶部２３の各部の処理手段に相当する機能を備えるデバイスなどで実装することができる。

ＧＰＳ信号受信部７２からＦＰＧＡ部７３は、１パルス毎秒間隔（１ＰＰＳ）の高精度の基準クロック信号７６、およびＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）信号７７よりＧＰＳの時空情報の供給を受ける。これにより、ＦＰＧＡ部７３で、ＧＰＳの時刻情報にマスタ内部時計１５を時刻同期させるように時刻設定部１４を設定することができる。

ＦＰＧＡ部７３は、送信インタフェース部７４とパケット情報データや制御信号などを含む入出力インタフェース（信号）７８を備える。また、送信インタフェース部７４より通知されるパケット送出完了信号７９（ＴｘＥＮＤ信号）を検出し、該タイミングでのマスタ内部時計１５の時刻情報を先行パケットの送出完了時刻として後続の時空情報パケットに載せるものである。パケット送信部７５から１秒間隔で時空情報パケットをＵＤＰ／ＩＰ（Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）で、無線ＬＡＮ用アンテナ４よりブロードキャストする。

図１２は、本発明の一実施例として、無線ネットワークにＮＳＴサーバを適用する場合のスレーブ２となる時空クライアント装置の構成例を示す。

図１２の実施例では、スレーブ２の時刻同期処理装置３０において、マスタ１から送信される時空情報パケットの信号をパケット受信部８１で受信し、時空情報パケットに載せられたデータ（先行する時空情報パケットの送信完了時刻）８５が受信インタフェース部８２からＣＰＵ処理部８３へ転送される。また、時空情報パケットの到着完了に応答したタイミングを受信インタフェース部８２が検知し、パケット到着完了信号（ＲｘＥＮＤ信号）８６としてＣＰＵ処理部８３へ通知する。この他に、処理データ８５を記憶するデータ記憶部８４、スレーブ内部時計４５、スレーブ内部時計４５の時刻を設定する時刻設定部４３とを含んで構成されている。

図１３は、本実施例の時空情報パケットのフォーマットを示す図である。

図１３に示す各フィールドは、以下のとおりである。

Ｍａｇｉｃ：時空情報パケットを識別するためのビットパターン（６Ａ８８ｈ）
Ｖｅｒ：パケットフォーマットバージョン
ＧＰＳ ｍｏｄｅ：ＧＰＳ測位モード（１：非測位、２：２Ｄ測位、３：３Ｄ測位）
ＬｅａｐＳｅｃ：うるう秒（ＴＡＩ−ＵＴＣ）
ＵＮＩＸ Ｔｉｍｅ（ＴＡＩ）：１９７０／０１／０１を起点とする積算秒数
Ｏｕｔｂｏｕｎｄ ｌａｔｅｎｃｙ：１パルス毎秒の立上がりから、パケットがパケット送信部から送出されるまでの所定の時間（ナノ秒）
ＰＰＴＴ（Ｓ）：先行パケット送出時刻整数部（秒）
ＰＰＴＴ（Ｎ）：先行パケット送出時刻小数部（ナノ秒）
Ｌａｔｉｔｕｄｅ：緯度（度）
Ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ：経度（度）
Ａｌｔｉｔｕｄｅ：海抜高度（メートル）
Ｔｒａｃｋ：進行方向（度）
Ｓｐｅｅｄ：速度（キロメートル毎時）
ＮＳＴサーバから提供される空間情報は、接続しているＧＰＳアンテナの位置であり、建物を識別する程度のものである。これより、無線ネットワークにおいて、ＮＳＴサーバおよびクライアント装置の利用分野は、時刻情報としては高精度を必要とするが、位置情報としては粗粒度（数十か数百メートル）精度の用途分野での利用ができる。

以上、本発明をその実施の形態により説明したが、本発明はその主旨の範囲において種々の変形が可能であることは当然である。

本発明によれば、マスタにおいて、先行パケットの送出時刻を後続パケットに時刻情報として載せた時刻パケットを送出することにより、スレーブにおいては、無線ネットワークの遅延時間が伝搬遅延時間だけであるような、遅延時間の絶対値およびジッタを小さくした時刻パケットの送信を行うことができ、無線ネットワークにおける高精度な時刻同期処理装置を実現することができる。

また、スレーブ側でも、簡単な統計処理によりジッタを除去することができる。

以上のように、遅延時間を小さくすることができるため、遅延時間を補償する必要がないので、往復遅延を利用する必要がなく、この結果、無線ネットワークを簡単な構成でサーバ装置およびクライアント装置を実装することができる。

例えば、分散計測および分散制御を用いた産業オートメーションの無線システムにおいて、スレーブ側装置として数多くのセンサや駆動装置に本発明にかかる時刻同期処理を実装し、これらの機器を高精度に同期運転することができる。

また、例えば、地震による建物などの構造物の振動を、多数の振動計で計測したデータを同期解析することにより、振動の伝達状況を解明することが可能となる。

また、コードレスＩＰ電話において、時分割伝送を可能とすることにより、低遅延の高品質な音声通話サービスが可能となる。

本発明にかかる時刻同期処理システムを実施する無線ネットワーク例を示す図である。 マスタの時刻情報配信装置の構成例を示す図である。 スレーブの時刻同期処理装置の構成例を示す図である。 ＣＳＭＡ／ＣＡ方式による無線ネットワークのフレームタイミングを説明するための図である。 無線ネットワークにおける遅延時間の測定例を示す図である。 従来方式を無線ネットワークに適用した場合の時刻パケットの送出および受信タイミング例を示す図である。 本発明における時刻パケットの送出および受信のタイミング例を示す図である。 本発明における時刻パケットの送出完了時刻の関係を示す図である。 時刻情報配信装置の処理の流れを示す図である。 時刻同期処理装置の処理の流れを示す図である。 本発明の実施例におけるマスタとなる時空サーバ装置の構成例を示す図である。 本発明の実施例におけるスレーブとなる時空クライアント装置の構成例を示す図である。 本発明の実施例における時刻パケットのデータフォーマット例を示す図である。

符号の説明

１ マスタ
２ スレーブ
３ 基準時刻情報受信用のアンテナ
４ マスタ側の無線ＬＡＮ用アンテナ
５ スレーブ側の無線ＬＡＮ用アンテナ
６ 基準時刻情報信号線
８ 無線ＬＡＮ
１０ 時刻情報配信装置
１１ 基準時刻受信部
１３ 基準時刻情報記憶部
１４ 時刻設定部
１５ マスタ内部時計
１７ 時刻パケット生成部
１９ パケット送信部
２１ パケット送出完了時刻検知部
２３ パケット送出完了時刻記憶部
３０ 時刻同期処理装置
３１ パケット受信部
３３ パケット到着完了時刻検知部
３５ パケット到着完了時刻記憶部
３７ 到着パケット情報読込み部
３９ 到着パケット情報記憶部
４１ 時刻補正処理部
４３ 時刻設定部
４５ スレーブ内部時計
５１、６１ パケット（信号）
５４、５５、５６、６４、６５ 時刻
５７ ｂａｃｋｏｆｆを含む送出までに要する送出処理時間
５８、６６ 無線パケットの伝搬時間
７１ ＧＰＳ受信アンテナ
７２ ＧＰＳ信号受信部
７３ ＦＰＧＡ部
７４ 送信インタフェース部
７５ パケット送信部
７６ １パルス毎秒基準クロック信号
７７ ＵＡＲＴ信号
７８ 入出力インタフェース（信号）
７９ パケット送出完了信号
８１ パケット受信部
８２ 受信インタフェース部
８３ ＣＰＵ処理部
８４ データ記憶部
８５ データ信号
８６ パケット到着完了信号

Claims (7)

1. 無線ネットワークに接続する時刻情報配信装置および時刻同期処理装置で構成される時刻同期処理システムであって、
   前記時刻情報配信装置は、
   基準時刻情報を取得し、基準時刻情報記憶手段へ記録する基準時刻情報取得手段と、
   前記基準時刻情報をもとに自装置内に時刻情報を提供するマスタ時計手段と、
   一定の間隔で、時刻同期用データである時刻パケットを前記無線ネットワークへ送信するパケット送信手段と、
   前記時刻パケットの送出完了時刻を検知し、送出完了時刻記憶手段へ記録するパケット送出完了時刻検知手段と、
   前記送出完了時刻記憶手段に記録された、直前の時刻パケットの送出完了時刻を情報格納域に記載した時刻パケットを生成する時刻パケット生成手段とを備え、
   前記時刻同期処理装置は、
   自装置内に時刻情報を提供するスレーブ時計手段と、
   前記時刻情報配信装置から送信された時刻パケットを受信するパケット受信手段と、
   前記時刻パケットの受信完了時間を検知し、到着完了時刻記憶手段へ蓄積するパケット到着完了時刻検出手段と、
   前記受信した時刻パケットの情報格納域から前記送出完了時刻を読み出し、受信パケット情報記憶部に記録する受信パケット情報取得部と、
   前記到着完了時刻および前記送出完了時刻の関係を用いて前記スレーブ時計手段の時刻補正情報を算出する時刻補正手段と、
   前記時刻補正手段の時計補正情報をもとに前記スレーブ時計手段の時刻を設定する時刻設定手段とを備える
   ことを特徴とする時刻同期処理システム。
2. 前記時刻補正手段は、前記時刻パケットの到着完了時刻および送出完了時刻に統計処理を施すことによって前記時計補正情報を算出する
   ことを特徴とする前記請求項１記載の時刻同期処理システム。
3. 無線ネットワークに接続する時刻情報配信装置であって、
   基準時刻情報を取得し、基準時刻情報記憶手段へ記録する基準時刻情報取得手段と、
   前記基準時刻情報をもとに自装置内に時刻情報を提供するマスタ時計手段と、
   一定の間隔で、時刻同期用データである時刻パケットを前記無線ネットワークへ送信するパケット送信手段と、
   前記時刻パケットの送出完了時刻を検知し、送出完了時刻記憶手段へ記録するパケット送出完了時刻検知手段と、
   前記送出完了時刻記憶手段に記録された、直前の時刻パケットの送出完了時刻を情報格納域に記載した時刻パケットを生成する時刻パケット生成手段とを備える
   ことを特徴とする時刻情報配信装置。
4. 無線ネットワークに接続する時刻同期処理装置であって、
   自装置内に時刻情報を提供するスレーブ時計手段と、
   前記時刻情報配信装置から送信された時刻パケットを受信するパケット受信手段と、
   前記時刻パケットの受信完了時間を検知し、到着完了時刻記憶手段へ蓄積するパケット到着完了時刻検出手段と、
   前記受信した時刻パケットの情報格納域から前記送出完了時刻を読み出し、受信パケット情報記憶部に記録する受信パケット情報取得部と、
   前記到着完了時刻および前記送出完了時刻の関係を用いて前記スレーブ時計手段の時刻補正情報を算出する時刻補正手段と、
   前記時刻補正手段の時計補正情報をもとに前記スレーブ時計手段の時刻を設定する時刻設定手段とを備える
   ことを特徴とする時刻同期処理装置。
5. 前記時刻補正手段は、前記時刻パケットの到着完了時刻および送出完了時刻に統計処理を施すことによって前記時計補正情報を算出する
   ことを特徴とする前記請求項４記載の時刻同期処理装置。
6. 無線ネットワークに接続するコンピュータを、
   基準時刻情報を取得し、基準時刻情報記憶手段へ記録する基準時刻情報取得手段と、
   前記基準時刻情報をもとに自装置内に時刻情報を提供するマスタ時計手段と、
   一定の間隔で、時刻同期用データである時刻パケットを前記無線ネットワークへ送信するパケット送信手段と、
   前記時刻パケットの送出完了時刻を検知し、送出完了時刻記憶手段へ記録するパケット送出完了時刻検知手段と、
   前記送出完了時刻記憶手段に記録された、直前の時刻パケットの送出完了時刻を情報格納域に記載した時刻パケットを生成する時刻パケット生成手段として
   機能させるための時刻情報配信プログラム。
7. 無線ネットワークに接続するコンピュータを、
   自装置内に時刻情報を提供するスレーブ時計手段と、
   前記時刻情報配信装置から送信された時刻パケットを受信するパケット受信手段と、
   前記時刻パケットの受信完了時間を検知し、到着完了時刻記憶手段へ蓄積するパケット到着完了時刻検出手段と、
   前記受信した時刻パケットの情報格納域から前記送出完了時刻を読み出し、受信パケット情報記憶部に記録する受信パケット情報取得部と、
   前記到着完了時刻および前記送出完了時刻の関係を用いて前記スレーブ時計手段の時刻補正情報を算出する時刻補正手段と、
   前記時刻補正手段の時計補正情報をもとに前記スレーブ時計手段の時刻を設定する時刻設定手段として
   機能させるための時刻同期処理プログラム。

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