JP2013034157A

JP2013034157A - 周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置

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Publication number: JP2013034157A
Application number: JP2011170095A
Authority: JP
Inventors: Sachio Suda; 祥生須田; Katsutoshi Gyoda; 克俊行田; Yoshiki Matsusue; 佳樹松末; Hideaki Kanemitsu; 秀明金光
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-08-03
Also published as: JP5650072B2

Abstract

【課題】
従来、周波数同期と時刻同期とを実現する場合、装置のオーバヘッドが多くなるという課題があった。
【解決手段】
本発明では、パケットネットワークを介して接続される装置間で周波数同期と時刻同期とを行う周波数・時刻同期方法において、上位側の装置は、標準周波数に同期する周波数情報を含む信号上に標準時刻に同期する時刻情報を含む時刻同期パケットを重畳して伝送し、前記信号を受信する下位側の装置は、前記信号に含まれる前記周波数情報を抽出して自装置内の時刻のカウントアップに使用し、前記時刻同期パケットの前記時刻情報を用いて自装置の時刻を設定することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、パケットネットワークを介して接続される装置間において、周波数同期と時刻同期とを実現する技術に関する。

パケットネットワークを経由して接続される通信システムにおいて高品質な通信やサービスを提供するためには、ノード装置間の絶対時刻を合わせる時刻同期および各装置内の動作速度を合わせる周波数同期は重要な技術である。一般に、パケットネットワークを経由して接続されるノード装置間で高精度な時刻同期を行うプロトコルとして、PTP（Precision Time Protocol）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

ところが、PTP技術において、受信側の装置の動作クロックと送信側の装置の動作クロックの周波数同期が取れていない場合、基準となるPTPのパケットを受信しない期間にクロック周波数がずれる可能性があり、送信側の装置と受信側の装置との間の時刻同期の精度が劣化してしまうという課題があった。一方、パケットネットワーク上で周波数同期を実現する技術としてシンクロナスイーサネット（登録商標）が知られている（例えば、非特許文献２，３，４参照）。

IEEE Std 1588TM-2008 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems） ITU-T G.8261 Timing and synchronization aspects in packetnetworks ITU-T G.8262 Timing characteristics of synchronous Ethernet equipment slave clock (EEC) ITU-T G.8264 Distribution of timing information through packet networks

しかしながら、PTPの技術とシンクロナスイーサネットの技術はそれぞれ独立した技術であるため、両者を共に実現しようとすると、各装置のオーバヘッドが多くなるという課題が生じる。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、周波数同期を実現するシンクロナスイーサネット（登録商標）のクロック信号にPTPで用いる時刻情報のパケットを重畳させることにより、単一のハードウェア上で高精度の周波数同期と時刻同期とを同時に実現することができる周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置を提供することである。

本発明に係る周波数・時刻同期方法は、パケットネットワークを介して接続される装置間で周波数同期と時刻同期とを行う周波数・時刻同期方法において、上位側の装置は、標準周波数に同期する周波数情報を含む信号上に標準時刻に同期する時刻情報を含む時刻同期パケットを重畳して伝送し、前記信号を受信する下位側の装置は、前記信号に含まれる前記周波数情報を抽出して自装置内の時刻のカウントアップに使用し、前記時刻同期パケットの前記時刻情報を用いて自装置の時刻を設定することを特徴とする。

これにより、送信側の装置の動作クロックと受信側の装置の動作クロックとの周波数同期を図ることができ、時刻同期パケットを受信していない期間のクロック周波数のずれを防止できるので、高精度な時刻同期を実現することができる。

また、前記下位側の装置は、過去に受信した前記時刻情報を逐次蓄積し、蓄積した前記時刻情報の値の平均および分散を計算し、前記平均値からの値のずれに対して前記計算結果から閾値を設定し、新たに受信した前記時刻情報が予め設定された回数だけ連続して前記閾値を超えた場合に時刻精度が劣化したと判定することを特徴とする。

これにより、時刻精度を監視することができ、必要に応じて警報を発することができる。

さらに、前記下位側の装置に、前記上位側の装置との間で周波数同期および時刻同期を行う複数の周波数同期発振部を設け、運用中の前記周波数同期発振部が出力するクロック周期が変化する時刻のタイミングで置換先の前記周波数同期発振部に切り替えることを特徴とする。

これにより、複数の周波数同期発信部が出力するクロックの位相を同期させることができる。そして、何れかの周波数同期発信部が故障した時に、他の周波数同期発信部に切り替える際の位相跳躍の発生を防止できるので、無瞬断切替が可能になる。

また、複数の前記下位側の装置から同一のサービスノードに前記信号を送信する場合に、前記下位側の装置から前記サービスノードまでの遅延時間に応じて、前記信号を送信するタイミングを遅らせることを特徴とする。

これにより、配置される場所が異なる複数の装置から信号を受信するサービスノードでの周波数同期を図ることができるので、複数の装置間で冗長化した場合の無瞬断切替が可能になる。

本発明に係る周波数・時刻同期装置は、パケットネットワークを介して接続される装置間で周波数同期と時刻同期とを行う周波数・時刻同期装置において、周波数情報を含む信号上に時刻情報を含むパケットを重畳して送信し、通信先の装置から前記周波数情報を含む前記信号と前記時刻情報を含む前記パケットとを受信する網接続部と、前記網接続部で受信した前記周波数情報に同期したクロック信号を生成する周波数同期発振部と、前記周波数同期発振部が生成するクロック信号により時を刻む時計部と、前記網接続部で受信した前記時刻情報に同期して前記時計部の時刻を設定する時刻情報制御部と、前記時計部が出力する時刻情報を含むパケットを前記周波数同期・発振部が出力するクロック信号に重畳して前記網接続部から送出する時刻配信部とを有することを特徴とする。

また、前記時刻情報制御部は、過去に受信した前記時刻情報を逐次蓄積し、蓄積した前記時刻情報の値の平均および分散を計算し、前記平均値からの値のずれに対して前記計算結果から閾値を設定し、新たに受信した前記時刻情報が予め設定された回数だけ連続して前記閾値を超えた場合に時刻精度が劣化したと判定することを特徴とする。

さらに、前記周波数同期発振部を複数設け、運用中の前記周波数同期発振部が出力するクロック周期が変化する時刻のタイミングで置換先の前記周波数同期発振部に切り替えることを特徴とする。

また、複数の前記周波数・時刻同期装置から同一のサービスノードに前記信号を送信する場合に、前記各周波数・時刻同期装置から前記サービスノードまでの遅延時間に応じて、前記信号を送信するタイミングを遅らせる遅延部をさらに設けたことを特徴とする。

本発明に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置は、時刻同期と周波数同期とを一つの装置で実現することができる。また、標準周波数装置から配信された周波数情報を含む信号上に時刻情報を含むパケットを重畳させて送受信することにより、定期的に時刻同期パケットを受信して時刻同期を図るだけの場合に比べて高精度な時刻同期を実現できる。

さらに、定期的に受信する過去の時刻情報を蓄積し、統計的解析を行うことにより時刻精度の品質監視を行うことができる。

また、周波数同期・発振部に冗長性を持たせてクロック信号の位相を同期させることにより、無瞬断切替を実現できる。

或いは、配置される場所が異なる複数の周波数・時刻同期装置から信号を受信するサービスノードに対する遅延時間を合わせることによって、無瞬断切替を実現できる。

時刻同期シーケンスの一例を示す図である。周波数同期を実現する構成例を示す図である。本実施形態に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置の全体構成例を示す図である。周波数・時刻同期装置１７２の基本構成例を示す図である。周波数・時刻同期装置２０１の基本構成例を示す図である。周波数・時刻同期装置３０１の基本構成例を示す図である。統計処理による時刻精度の監視例を示す図である。無瞬断切替に対応する周波数・時刻同期装置４０１の構成例を示す図である。複数の装置で無瞬断切替に対応する場合のシステム構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置の実施形態について説明する。本実施形態に係る周波数・時刻同期方法は、パケットネットワークを介して接続されるノード装置間で周波数同期と時刻同期とを図ることができる。尚、本実施形態ではマスタ装置の標準周波数と標準時刻にスレーブ装置が同期を取る場合について説明する。

先ず、マスタ装置とスレーブ装置との間で時刻同期を取る方法として知られている時刻同期プロトコル（PTP）について説明する。図１は、マスタ装置１０１とスレーブ装置１０２との間で時刻同期を行う場合の時刻同期シーケンスを示した図である。

図１において、Syncメッセージ、Follow Upメッセージ、Delay Reqメッセージ、Delay Respメッセージの４種類のタイムスタンプ（T1、T2、T3、T4）がマスタ装置１０１とスレーブ装置１０２との間で送受信される。ここで、時刻T1はマスタ装置１０１がスレーブ装置１０２にSyncメッセージを送信した時刻、時刻T2はスレーブ装置１０２がマスタ装置１０１からSyncメッセージを受信した時刻をそれぞれ示す。また、時刻T3はスレーブ装置１０２がマスタ装置１０１にでDelay Requestメッセージを送信した時刻、時刻T4はマスタ装置１０１がスレーブ装置１０２からDelay Requestメッセージを受信した時刻をそれぞれ示す。

図１の時刻同期シーケンスにおいて、先ず、マスタ装置１０１からスレーブ装置１０２へメッセージを送受信する時の遅延時間を求める。最初に、マスタ装置１０１はSyncメッセージを送信し、スレーブ装置１０２はSyncメッセージの受信時刻(T2)を記録する。その後、マスタ装置１０１はSyncメッセージを送信した時刻(T1)をFollow_upメッセージに設定してスレーブ装置１０２へ送信する。そして、スレーブ装置１０２は、Follow Upメッセージに設定された送信時刻T1と、先に記録した受信時刻T2を用いて、マスタ装置１０１からスレーブ装置１０２へSyncメッセージを送受信した時の遅延時間(T2-T1)を求めることができる。

次に、スレーブ装置１０２からマスタ装置１０１へメッセージを送受信する時の遅延時間を求める。先ずスレーブ装置１０２からマスタ装置１０１へDelay Requestメッセージを送信する。送信時に、スレーブ装置１０２は、Delay Requestメッセージを送信した時刻(T3)を記録する。一方、マスタ装置１０１は、Delay Requestを受信した時刻(T4)を取得し、Delay Responseメッセージに時刻(T4)を設定してスレーブ装置１０２へ返信する。スレーブ装置１０２は、Delay Responseメッセージを受信し、Delay Responseメッセージに設定された受信時刻(T4)と、先に記録した送信時刻(T3)とを用いて、スレーブ装置１０２からマスタ装置１０１へ送信したDelay Requestメッセージの遅延時間(T4-T3)を求めることができる。

このようにして取得した４つの時刻情報（T1、T2、T3、T4）を用いて、式(1)によりオフセット時間Offset（送受信時の遅延時間の平均）を計算する。
Offset = ((T2 - T1) + (T4 - T3)) / 2 ・・・式(1)
ここで、時刻同期シーケンスは定期的或いは予め設定された特定期間にマスタ装置１０１とスレーブ装置１０２との間で行われるシーケンスで、以降にマスタ装置１０１から受信したタイムスタンプ情報に式(1)で求めたオフセット時間Offsetを加算することで、マスタ装置１０１とスレーブ装置１０２との間の時刻のずれを補正して時刻同期を行うことができる。例えば、マスタ装置１０１から受信したメッセージに含まれる送信時刻に式(1)で求めたオフセット時間Offsetを加算した時刻をスレーブ装置１０２の装置内時計に設定する。

以上がPTPによる時刻同期方法であるが、スレーブ装置１０２においてPTPパケットを受信していない間は、スレーブ装置１０２自身で保有している自走クロックで装置内時計の時刻をカウントアップするため、マスタ装置１０１側とスレーブ装置１０２側の各々の時刻のカウントアップ速度が異なり、双方の時刻がずれて時刻同期精度が劣化してしまうという問題がある。これを防止するためには、時刻をカウントアップするクロック周波数をマスタ装置１０１とスレーブ装置１０２との間で同期させる必要がある。

このような周波数同期をパケットネットワークで実現するための技術として、シンクロナスイーサネット（登録商標）が知られている。ここで、以降の説明において、シンクロナスイーサネット（登録商標）をSyncEと表記する。SyncEは、イーサネット（登録商標）信号（以降の説明においてE信号と表記する）のクロック成分により、送信側と受信側の周波数同期を図ることができる。例えば送信側の装置から送信されるSyncE信号にはクロック成分が含まれ、受信側の装置では受信信号からクロック成分を抽出して各装置間のクロック信号の周波数を同期させる。

図２は、SyncEの概要を示すブロック図である。図２において、マスタ装置１５１は、マスタクロック１５２から基準クロック信号をローカル発振器１５３に入力する。ローカル発振器１５３は、G.8262EEC１５４と発振器１５５とで構成され、基準クロック信号に同期した高精度（例えば±4.6ppm程度）のクロック信号をSyncEのインターフェース回路（SyncE Line Card）のSyncEタイミングデバイス１５６に出力する。ここで、G.8262は、SyncEのクロック特性の規格で、G.8262EEC１５４は、G.8262規格に基づいてマスタクロック１５２から入力する基準クロック信号に発振器１５５が出力するクロック信号を同期させる。そして、G.8262EEC１５４が出力するクロック信号は、SyncEタイミングデバイス１５６によりE信号の駆動周波数まで周波数逓倍され、イーサネット（登録商標）の物理インターフェースを提供するPHY部１５７に供給される。PHY部１５７は、MAC部１５８が出力するイーサネット（登録商標）フレームをSyncEタイミングデバイス１５６が出力するSyncE信号を用いてスレーブ装置１５２で送出する。尚、MAC部１５８は、イーサネット（登録商標）による通常の通信を行うブロックで、ユーザ装置などに接続される。

一方、対向するスレーブ装置１５２では、イーサネット（登録商標）の物理インターフェースを提供するPHY部１５９でマスタ装置１５１から受信するSyncE信号からクロック成分を抽出し、SyncEタイミングデバイス１６０に出力する。尚、MAC部１６１は、イーサネット（登録商標）による通常の通信を行うブロックで、ユーザ装置などに接続される。

SyncEタイミングデバイス１６０は、PHY部１５９で抽出されたクロックをスレーブクロック１６５として出力可能な周波数まで分周した後、ローカル発振器１６２に入力する。ローカル発振器１６２は、G.8262EEC１６３と発振器１６４とで構成され、SyncEタイミングデバイス１６０が出力するクロック信号に同期した高精度（例えば±4.6ppm程度）のクロック信号をスレーブクロック１６５として外部に出力する。

ここで、既存のイーサネット（登録商標）の場合は、図２に従来例として示したように、マスタ装置１５１ａおよびスレーブ装置１５２ａの各ローカル発振器１５４，１６２は、マスタ装置１５１およびスレーブ装置１５２のように、基準周波数に同期していないため、周波数精度が±100ppm程度であり、各装置の内部動作用のクロックを生成しているため、装置間でクロック周波数を同期することができない。

そこで、本実施形態では、高精度な時刻同期を図るために図１で説明した時刻同期用のPTPパケットを使用し、このPTPパケットを図２で説明した周波数同期用のSyncE信号に重畳することにより、重複する回路を削減して一つの装置で高精度な周波数同期と時刻同期とを実現できるようになっている。

次に、本実施形態に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置を用いるネットワーク構成の概要について、図３を用いて説明する。図３のネットワーク１７０の例では、周波数・時刻同期装置１７１と、周波数・時刻同期装置１７２と、周波数・時刻同期装置１７３および周波数・時刻同期装置１７４との４つの周波数・時刻同期装置の周波数同期と時刻同期とを実現する。

図３において、最上位の周波数・時刻同期装置１７１は、外部のマスタクロック１７５から標準周波数のクロックが入力され、また国際標準時刻(UTC)にトレースされた外部の時刻生成器PRTC(Primary Reference Time Clock)１７６から標準時刻を取得する。そして、周波数・時刻同期装置１７１は、標準周波数および標準時刻を装置内部で保持した後、マスタクロック１７５およびPRTC１７６に同期した周波数情報および時刻情報を下位側装置(スレーブ側)へSyncE信号とPTPを利用して転送する。ここで、図３の例では、周波数・時刻同期装置１７１（マスタ側）の直接の下位側装置は周波数・時刻同期装置１７２（スレーブ側）である。

下位側装置（周波数・時刻同期装置１７２）では、上位側装置から取得したSyncE信号とPTPパケットとを処理し、周波数情報および時刻情報を保持する。そして、自装置（周波数・時刻同期装置１７２）の更に下位側装置（周波数・時刻同期装置１７３，１７４）へSyncE信号とPTPを利用して周波数情報および時刻情報の転送を実施し、ネットワーク１７０全体での周波数同期およぼ時刻同期を実現する。

尚、PTPによる時刻同期については、IEEE Std 1588^TM-2008規格に準拠した伝送遅延補正機能を有することで、マスタとスレーブ間の伝送遅延誤差を補正することができる。

次に、本実施形態に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置の概要について説明する。図４は図３で説明した周波数・時刻同期装置１７２の概要を示す図である。図４において、周波数・時刻同期装置１７２のイーサネット接続を終端するEther部１９１は、上位装置である図３の周波数・時刻同期装置１７１から送出されたSync-E信号による高精度な周波数信号１８１と、その周波数信号１８１に重畳されたPTPパケット１８２とを受信する。Ether部１９１は、Sync-E信号からクロック周波数を抽出し、発振器１９２を同期させて自装置内周波数とし、Sync-E信号上に重畳されたPTPパケットの時刻情報を取得して時計１９３の装置内時刻を同期させる。尚、時計１９３は、発振器１９２が出力するクロックにより時刻をカウントするので、PTPパケットを受信していない期間においても、上位側装置と周波数同期が取れたクロック周波数によって時刻をカウントアップすることができる。これにより、周波数・時刻同期装置１７２は、定常時においても周波数・時刻同期装置１７１との間で時刻の同期を保つことができる。

その後、周波数・時刻同期装置１７２の下位装置に接続されるEther部１９４において、発振器１９２が出力する装置内周波数に同期したSync-E信号上に時計１９３が出力する装置内時刻情報を付与したPTPパケットを生成して重畳し、下位装置側（図３の例では周波数・時刻同期装置１７３，１７４）へ転送する。

［最上位装置の構成例］
次に、最上位装置の構成例について説明する。図５は、最上位装置２０１の構成例を示すブロック図で、例えば図３で説明した周波数・時刻同期装置１７１に相当する。図５において、最上位装置２０１は、現用系マスタクロック２０２および予備系マスタクロック２０３から標準周波数を、現用系PRTC２０４および予備系PRTC２０５から標準時刻をそれぞれ入力する。

先ず、最上位装置２０１における周波数同期について説明する。現用系マスタクロック２０２は周波数変換部２０６において、予備系マスタクロック２０３は周波数変換部２０７において、それぞれ逓倍や分周などによって必要な周波数に変換された後、周波数選択部２０８を介して周波数同期・発振部２０９に入力される。

周波数選択部２０８は、周波数同期・発振部２０９が出力する切替命令によって現用系または予備系のマスタクロックを選択する。尚、切替命令は、例えば故障が発生した場合や保守・点検などにより、現用系マスタクロック２０２から予備系マスタクロック２０３に切り替える時などに出力される。

周波数同期・発振部２０９は、Rbや水晶振動子等による自走クロック２２０を有し、フィードバック制御によって周波数選択部２０８を介して入力する周波数に同期した周波数のクロックを生成して自装置内の各部に出力する。この時、フィードバック制御を行うための制御データの変化に対する周波数の追従速度を遅くして、生成する周波数のジッタ成分を抑圧する。そして、周波数同期・発振部２０９から出力されるクロックの周波数は周波数変換部２１２，２１３で必要な周波数に逓倍または分周などが行われた後、下位側装置に接続されるEther部２１４，２１５にそれぞれ供給される。

一方、時刻情報については、現用系PRTC２０４および予備系PRTC２０５から標準時刻をそれぞれ取得し、時刻情報蓄積・精度監視部２１０に蓄積し、時計２２１を有する配信時刻発振部２１１を監視する。例えば、時刻情報蓄積・精度監視部２１０は、蓄積された標準時刻を配信時刻発振部２１１の時計２２１に設定すると共に、周波数同期・発振部２０９が出力するクロック周波数を配信時刻発振部２１１に供給する。配信時刻発振部２１１は、時刻情報蓄積・精度監視部２１０により設定された時計２２１の時刻を時刻情報蓄積・精度監視部２１０を介して入力する周波数同期・発振部２０９が出力するクロック周波数でカウントアップし、時計２２１の時刻情報をEther部２１４，２１５に出力する。

Ether部２１４，２１５は、周波数変換部２１２，２１３から出力される周波数で動作し、配信時刻発振部２１１から出力される時刻情報をPTPパケットに格納して下位側装置へ送信する。この時、Ether部２１４，２１５は、周波数変換部２１２，２１３から出力される周波数に同期したSyncE信号上にPTPパケットを重畳して送信する。尚、Ether部２１４，２１５は、点線枠内に示したように、時刻情報をPTPパケットに格納するPTP処理部２５１と、SyncE信号にPTPパケットを重畳するSyncE処理部２５２とを有する。

また、６４ｋＨｚなどのクロック信号を取得したい装置を考慮して、周波数変換部２１６で周波数同期・発振部２０９が出力するクロック周波数に同期したクロック信号に変換し、周波数分配部２１７を介して必要な装置に出力する。

［下位側装置］
次に、下位側装置の構成例について説明する。図６は、下位側装置３０１の構成例を示すブロック図で、例えば図３で説明した周波数・時刻同期装置１７２に相当する。図６において、下位側装置３０１は、上位側装置（周波数・時刻同期装置１７１）から送信されるSyncE信号に重畳されたPTPパケットをEther部３０２またはEther部３０３で受信する。尚、Ether部３０２，３０３は、点線枠内に示したように、PTPパケットから時刻情報を取り出すPTP処理部３５１と、SyncE信号の周波数を抽出するSyncE処理部３５２とを有する。

先ず、下位側装置３０１における周波数同期について説明する。Ether部３０２，３０３のSyncE処理部３５２でSyncE信号の周波数を抽出し、周波数変換部３０４，３０５で逓倍や分周などによって周波数同期・発振部３０８に入力可能な周波数に変換される。ここで、SyncE信号からの周波数の抽出は、SyncEに対応する一般的な装置で行われている方法を用いる。

周波数選択部３０７は、図５の周波数選択部２０８と同様に、周波数同期・発振部３０８が出力する切替命令によってEther部３０２またはEther部３０３が出力するクロック周波数を選択する。

周波数同期・発振部３０８は、図５の周波数同期・発振部２０９と同様に、Rbや水晶振動子等による自走クロック３２０を有し、フィードバック制御によって周波数選択部３０７を介して入力する周波数に同期した周波数のクロックを生成して自装置内の各部に出力する。この時、周波数同期・発振部２０９と同様に、フィードバック制御を行うための制御データの変化に対する周波数の追従速度を遅くして、生成する周波数のジッタ成分を抑圧する。そして、周波数同期・発振部３０８から出力されるクロックの周波数は周波数変換部３１０，３１１で必要な周波数に逓倍または分周などが行われた後、下位側装置に接続されるEther部３１２，３１３にそれぞれ供給される。

一方、時刻情報については、上位側装置から受信するPTPパケット（IEEE Std 1588^TM-2008規格に準拠した伝送遅延を補正した時刻情報）をEther部３０２，３０３で受信する。そして、Ether部３０２，３０３内のPTP処理部３５１でPTPパケットから取り出した時刻情報を時刻情報蓄積・精度監視部３０６に出力し、時刻情報蓄積・精度監視部３０６に時刻情報を蓄積する。

時刻情報蓄積・精度監視部３０６は、時刻情報の精度監視や配信時刻発振部３０９の時計３２１の時刻設定を行うと共に、周波数同期・発振部３０８が出力するクロックを配信時刻発振部３０９出力する。

配信時刻発振部３０９は、時刻情報蓄積・精度監視部３０６により設定された時計３２１の時刻を周波数同期・発振部３０８が出力するクロック周波数でカウントアップし、時計３２１の時刻情報をEther部３１２，３１３に出力する。ここで、SyncE信号から抽出した周波数に同期したクロックにより時計３２１をカウントアップした時刻情報または最新のPTPパケットの時刻情報のどちらを使用するかを設定によって選択できるようにしてもよい。本実施形態では、SyncE信号から抽出した周波数に同期して動作する時計３２１の時刻情報をEther部３１２，３１３に出力する。

Ether部３１０，３１１は、周波数変換部３１０，３１１から出力される周波数に同期したSyncE信号上に配信時刻発振部３０９から出力される時刻情報を格納したPTPパケットを重畳して下位側装置へ送信する。尚、Ether部３１０，３１１は、点線枠内に示したように、時刻情報をPTPパケットに格納するPTP処理部３５３と、SyncE信号にPTPパケットを重畳するSyncE処理部３５４とを有する。

また、６４ｋＨｚなどのクロック信号を取得したい装置を考慮して、周波数変換部３１４で周波数同期・発振部３０８が出力するクロック周波数に同期したクロック信号に変換し、周波数分配部３１５を介して必要な装置に出力する。

ここで、時刻情報蓄積・精度監視部３０６は、PTPパケットにより受信した過去の時刻情報を保持しており、周波数同期・発振部３０８から入力される周波数を利用して、配信時刻発振部３０９の時計３２１の時刻設定および時刻のカウントアップを制御する。また、時刻情報蓄積・精度監視部３０６は、過去に受信したPTPパケットの時刻情報を用いて時刻情報そのものの平均値及び分散を計算し、時刻精度劣化閾値を設定する。例えば図７は、過去の時刻情報のばらつき特性３５１の一例を示した図で、縦軸に時刻情報の値、横軸に回数を表している。図７において、過去の時刻情報の平均値をTとして、時刻精度劣化閾値３５２，３５３は、それぞれ分散σの３倍の範囲に設定した場合、正の時刻精度劣化閾値３５２は（T + 3σ）、負の時刻精度劣化閾値３５３は（T - 3σ）となる。

そして、新たに受信した時刻情報が時刻精度劣化閾値の範囲内であるか否かを判定する。例えば、過去の一定期間（例えば、図７の範囲３５６）に受信したPTPパケットの時刻情報が時刻精度劣化閾値の範囲外（時刻精度劣化範囲３５４，３５５）になる回数が予め設定した回数（例えばN回）以上になった場合は、時刻精度劣化警報をネットワークシステム全体を監視する監視制御装置などに発報する。このように、過去の時刻情報から得られる平均値および分散値に対してPTPパケットから取得した時刻情報とを比較して一定の分散範囲内に入っているか否かを判断することにより、時刻精度の品質監視を高精度で行うことができる。また、特定のクロック信号(64kHz等)を取得したい装置を考慮して、周波数同期・発振部３０８が出力するクロック周波数を接続先の装置に対応する周波数に周波数変換部３１４で変換して周波数分配部３１５から必要なクロック信号を出力することができる。尚、Ether部３０２，３０３から入力するSync-E信号が断となった場合は、周波数同期・発振部３０８は自走クロック３２０によって内部周波数を生成する。

このように、本実施形態に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置は、シンクロナスイーサネット（登録商標）によって同期制御された高精度な周波数信号上にPTPパケットを重畳して送出し、周波数同期と時刻同期とを一つの装置で実現することができ、従来のように、SyncEに対応して周波数同期を行う装置と、PTPによる時刻同期を行う装置とを重複して設ける必要がない。

[時刻情報を用いた無瞬断切替（例１）］
次に、本発明に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置において、時刻情報を用いて無瞬断切替を行う実施形態について説明する。図８は、本実施形態に係る周波数・時刻同期装置４０１の構成例を示すブロック図である。図８において、周波数・時刻同期装置４０１は、現用系の周波数同期・発振部４０２と、予備系の周波数同期・発振部４０３との二系統を有し、両方に同期が取れたクロック信号および時刻情報がそれぞれ入力される。そして、現用系の周波数同期・発振部４０２を稼働中は、図８（ａ）に示すように、現用系の周波数・時刻同期装置４０２から周波数変換部４０４および周波数変換部４０５にクロック信号を供給する。また、現用系の周波数同期・発振部４０２の故障や保守・点検などにより、現用系の周波数同期・発振部４０２から予備系の周波数・時刻同期装置４０３に切り替えた場合は、図８（ｂ）に示すように、予備系の周波数・時刻同期装置４０３から周波数変換部４０４および周波数変換部４０５にクロック信号を供給する。

ここで、本実施形態に係る周波数・時刻同期装置４０１の特徴は、クロック信号と時刻情報とを入力し、時刻に同期してクロック信号が変化するタイミングで現用系の周波数同期・発振部４０２から予備系の周波数同期・発振部４０３への切り替えを行うことにより、位相跳躍などによる瞬断の発生を防止し、現用サービスに影響を与えない無瞬断切替を実現できることである。

図８において、周波数・時刻同期装置４０１の具体的な動作について説明する。先ず、現用系の周波数同期・発振部４０２および予備系の周波数同期・発振部４０３に同期が取れたクロック信号と時刻情報とを入力する。周波数同期・発振部４０２，４０３では、現用系と予備系のクロック信号の位相を合わせるためのタイミングとしてクロック信号の立ち上がり時刻を予め設定しておく。そして、周波数同期・発振部４０２，４０３に入力される時刻情報を参照し、設定した時刻にクロック信号のパルスが立ち上がるように、周波数同期・発振部４０２，４０３内で外部から入力するクロック信号の位相を調整する。例えば、図８（ａ）の例では、クロック信号の立ち上がり時刻が００時００分（実際には回路動作の最高精度の分解能の時刻に設定）に現用系の周波数・時刻同期装置４０２が出力するクロック信号と、予備系の周波数・時刻同期装置４０３が出力するクロック信号とが同時に立ち上がるように位相調整を行う。

これにより、現用系の周波数同期・発振部４０２が出力するクロック信号の位相と、予備系の周波数同期・発振部４０３が出力するクロック信号の位相とを合わせることができ、故障が発生して現用系と予備系のクロック信号の切り替えを行う場合に、両系統のクロック信号の位相が同期しているため、切り替え時にクロック信号の位相跳躍が発生しないので、現用サービスに影響を与えることなく無瞬断で切り替えを行うことができる。

[時刻情報を用いた無瞬断切替（例２）］
次に、本発明に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置において、複数の装置間で時刻情報を用いて無瞬断切替を行う実施形態について説明する。尚、図８で説明した無瞬断切替（例１）では一つの装置内で切り替える構成になっていたが、本実施形態では周波数同期および時刻同期が取れている複数の装置間で無瞬断切替を行うことができる。

図９は、本実施形態に係る周波数・時刻同期装置５０１および周波数・時刻同期装置５０２の２つの装置により冗長化され、各種のサービスノード５０３に二系統のクロック信号を供給する例を示している。図９において、運用中の周波数・時刻同期装置５０１は、周波数同期・発振部５０４と、周波数変換部５０６と、遅延回路５０８とを有する。同様に、置換先の周波数・時刻同期装置５０２は、周波数同期・発振部５０５と、周波数変換部５０７と、遅延回路５０９とを有する。

ここで、図９の周波数同期・発振部５０４と周波数変換部５０６は、図８の現用系の周波数同期・発振部４０２と周波数変換部４０４に対応し、図９の周波数同期・発振部５０５と周波数変換部５０７は、図８の予備系の周波数同期・発振部４０３と周波数変換部４０５に対応する。そして、周波数同期・発振部５０４から周波数変換部５０６に出力されるクロック信号の位相と、周波数同期・発振部５０５から周波数変換部５０７に出力されるクロック信号の位相とは、PRTC５００から得られる時刻情報によって同期化されている。

図９において、具体的には、先ず運用中の周波数・時刻同期装置５０１の周波数同期・発振部５０４に外部またはSync-E信号によるクロック信号と、PRTC５００から標準時刻情報とをそれぞれ入力する。尚、図９では、PRTC５００から直接、時刻情報を入力するように描いてあるが、先の実施形態で説明したように、PTPパケットを利用して上位側装置を介してネットワーク上の標準時刻（PRTC）を取得するようにしてもよい。また、先の実施形態で説明したように、本実施形態においても、クロック信号の立ち上がり時刻を設定しておき、周波数・時刻同期装置５０１と周波数・時刻同期装置５０２との間でクロック信号の位相を同期させることができる。

ここで、先の図８と異なるのは、周波数・時刻同期装置５０１と周波数・時刻同期装置５０２とは別の独立した装置なので配置されている場所が異なったり、各種サービスノード５０３までの経路が異なる場合がある。この場合、二つの装置間でクロック信号の位相同期が図られても、両装置から送信されるクロック信号が各種サービスノード５０３に到着するまでの遅延時間の違いにより、受信するクロック信号の位相がずれることがある。

そこで、本実施形態に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置では、クロック信号を遅延させて位相調整を行うための遅延回路５０８および遅延回路５０９をそれぞれの装置に設け、事前に取得した装置間の遅延時間のずれを補正する。例えば、運用中の周波数・時刻同期装置５０１から各種サービスノード５０３までの間、置換先の周波数・時刻同期装置５０２から各種サービスノード５０３までの間のそれぞれの伝送遅延を事前に把握しておくことにより、各種サービスノード５０３に入力される二系統のクロック信号の位相を同期させるために必要な遅延量を算出することができる。尚、各種サービスノード５０３までの伝送遅延は、例えばPTPと同様の方法で特定パケットを送受信することによって把握することができる。

そして、算出した遅延量だけクロック信号を遅延回路で遅らせることにより、クロック信号の位相同期を実現することができるので、図８で説明した例１と同様に、周波数・時刻同期装置５０１と周波数・時刻同期装置５０２との間で相互に切り替えを行う時の位相跳躍の発生を防止し、現用サービスに影響を与えることなく二つの装置の置換を無瞬断で行うことができる。

このようにして、本実施形態に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置は、図８の例と同様に、時刻情報を用いることにより、各種サービスノード５０３で利用中の現用サービスに影響を与えることなく無瞬断で切り替えを行うことができる。

以上、各実施形態で説明してきたように、本発明に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置は、時刻同期と周波数同期を一つの装置で実現することができる。特に、SyncE信号を利用することで、一般的なPTPパケットによる時刻同期でPTPパケットを受信していない期間においても高精度な時刻同期が可能になる。

また、本発明に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置は、過去の時刻情報を蓄積して統計的に解析することにより、時刻同期精度の品質監視を行うことができ、品質が低下した場合に警報を発報することができる。

さらに、一つの周波数・時刻同期装置内に周波数同期・発振部の冗長化を図り、時刻情報によってクロック信号の位相同期を行うことにより、いずれかの周波数同期・発振部が故障した場合でも現用系から予備系への切り替えを無瞬断で行うことができる。

同様に、複数の周波数・時刻同期装置が出力するクロック信号の位相を時刻情報によって同期させることによって、現用系の周波数・時刻同期装置から予備系の周波数・時刻同期装置への切り替えを無瞬断で行うことができる。特に、各周波数・時刻同期装置からサービスノードまでの遅延時間が異なる場合でも、遅延時間のずれを遅延回路によって補正することにより、各種サービスノードで利用中の現用サービスに影響を与えることなく無瞬断切替を実現することができる。

以上、本発明に係る周波数・時刻同期方法および周波数・時刻同期装置について、各実施形態で例を挙げて説明してきたが、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の多様な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。

１０１，１５１・・・マスタ装置
１０２・・・スレーブ装置
１５２，１７５・・・マスタクロック
１５３，１６２・・・ローカル発振器
１５４，１６３・・・G.8262EEC
１５５，１６４・・・発振器
１５６，１６０・・・SyncEタイミングデバイス
１５７，１５９・・・PHY部
１５８，１６１・・・MAC部
１６５・・・スレーブクロック
１７０・・・ネットワーク
１７１，１７２，１７３，１７４，４０１，５０１，５０２・・・周波数・時刻同期装置
１７６・・・PRTC
１９１，１９４，２１４，２１５，３０２，３０３，３１２，３１３・・・Ether部
１９２・・・発振器
１９３，２２１，３２１・・・時計
２０１・・・最上位装置
２０２・・・現用系マスタクロック
２０３・・・予備系マスタクロック
２０４・・・現用系PRTC
２０５・・・予備系PRTC
２０６，２０７，２１２，２１３，２１６，３０４，３０５，３１０，３１１，３１４，４０４，４０５，５０６，５０７・・・周波数変換部
２０８，３０７・・・周波数選択部
２０９，３０８，５０４・・・周波数同期・発振部
２２０，３２０・・・自走クロック
２１０，３０６・・・時刻情報蓄積・精度監視部
２１１，３０９・・・配信時刻発振部
２１７，３１５・・・周波数分配部
２５１，３５１，３５３・・・PTP処理部
２５２，３５２，３５４・・・SyncE処理部
３０１・・・下位側装置
４０２・・・現用系の周波数同期・発振部
４０３・・・予備系の周波数同期・発振部
５０３・・・各種サービスノード
５０８，５０９・・・遅延回路

Claims

パケットネットワークを介して接続される装置間で周波数同期と時刻同期とを行う周波数・時刻同期方法において、
上位側の装置は、標準周波数に同期する周波数情報を含む信号上に標準時刻に同期する時刻情報を含む時刻同期パケットを重畳して伝送し、
前記信号を受信する下位側の装置は、前記信号に含まれる前記周波数情報を抽出して自装置内の時刻のカウントアップに使用し、前記時刻同期パケットの前記時刻情報を用いて自装置の時刻を設定する
ことを特徴とする周波数・時刻同期方法。
請求項１に記載の周波数・時刻同期方法において、
前記下位側の装置は、過去に受信した前記時刻情報を逐次蓄積し、蓄積した前記時刻情報の値の平均および分散を計算し、前記平均値からの値のずれに対して前記計算結果から閾値を設定し、新たに受信した前記時刻情報が予め設定された回数だけ連続して前記閾値を超えた場合に時刻精度が劣化したと判定する
ことを特徴とする周波数・時刻同期方法。
請求項１または２に記載の周波数・時刻同期方法において、
前記下位側の装置に、前記上位側の装置との間で周波数同期および時刻同期を行う複数の周波数同期発振部を設け、運用中の前記周波数同期発振部が出力するクロック周期が変化する時刻のタイミングで置換先の前記周波数同期発振部に切り替える
ことを特徴とする周波数・時刻同期方法。
請求項１から３のいずれか一項に記載の周波数・時刻同期方法において、
複数の前記下位側の装置から同一のサービスノードに前記信号を送信する場合に、前記下位側の装置から前記サービスノードまでの遅延時間に応じて、前記信号を送信するタイミングを遅らせる
ことを特徴とする周波数・時刻同期方法。
パケットネットワークを介して接続される装置間で周波数同期と時刻同期とを行う周波数・時刻同期装置において、
周波数情報を含む信号上に時刻情報を含むパケットを重畳して送信し、通信先の装置から前記周波数情報を含む前記信号と前記時刻情報を含む前記パケットとを受信する網接続部と、
前記網接続部で受信した前記周波数情報に同期したクロック信号を生成する周波数同期発振部と、
前記周波数同期発振部が生成するクロック信号により時を刻む時計部と、
前記網接続部で受信した前記時刻情報に同期して前記時計部の時刻を設定する時刻情報制御部と、
前記時計部が出力する時刻情報を含むパケットを前記周波数同期・発振部が出力するクロック信号に重畳して前記網接続部から送出する時刻配信部と
を有することを特徴とする周波数・時刻同期装置。
請求項５に記載の周波数・時刻同期装置において、
前記時刻情報制御部は、過去に受信した前記時刻情報を逐次蓄積し、蓄積した前記時刻情報の値の平均および分散を計算し、前記平均値からの値のずれに対して前記計算結果から閾値を設定し、新たに受信した前記時刻情報が予め設定された回数だけ連続して前記閾値を超えた場合に時刻精度が劣化したと判定する
ことを特徴とする周波数・時刻同期装置。
請求項５または６に記載の周波数・時刻同期装置において、
前記周波数同期発振部を複数設け、
運用中の前記周波数同期発振部が出力するクロック周期が変化する時刻のタイミングで置換先の前記周波数同期発振部に切り替える
ことを特徴とする周波数・時刻同期装置。
請求項５から７のいずれか一項に記載の周波数・時刻同期装置において、
複数の前記周波数・時刻同期装置から同一のサービスノードに前記信号を送信する場合に、前記各周波数・時刻同期装置から前記サービスノードまでの遅延時間に応じて、前記信号を送信するタイミングを遅らせる遅延部をさらに設けた
ことを特徴とする周波数・時刻同期装置。