JP5409165B2 - クロック補正周期補正方法および無線基地局装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＴＰ（Network Time Protocol）サーバにアクセスして内部クロックの補正を行う場合のクロック補正周期補正方法に関する。

従来、３Ｇ無線基地局は、位相同期や無線周波数同期を確立するために自局の内部クロックを用いた基準タイミングを使用しているが、この基準タイミングは、誤差や許容範囲が狭く、また、誤差が生じ蓄積されることで許容範囲を超えてしまう可能性がある。これを回避するために、従来の装置では、精度が高く誤差の生じにくい高精度クロック源を具備する、または、ＧＰＳ（Global Positioning System）などを用いて随時タイミングを補正する、といった対策がとられる。

しかしながら、不感地対策で用いられるような小型基地局には、たとえば、低価格化を実現するために安価な低精度クロック源が搭載される可能性がある。または、このような小型基地局は、地下などのＧＰＳの電波が届かない場所で運用されることなどが考えられる。このため、ネットワークに接続された外部の高精度クロック源（たとえばＮＴＰなど）からタイムスタンプなどの情報を得ることで、内部クロックを補正する方式が考えられている。

たとえば、下記特許文献１では、スレーブタイムサーバが、専用線で接続されたマスタタイムサーバから基準クロックを取得して基地局に時刻情報を送出し、また、基地局の時刻補正を行う技術が開示されている。

特開２００８−１８２３８５号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、ＮＴＰによる内部クロックの補正を実施する場合に、遅延量が測定された遅延分布平均を大きく上回る場合には、ネットワーク障害が起こっている可能性が高いと判断し、タイムパケットを送出せず、時刻補正を行わない。したがって、タイムスタンプ送出経路の一時的な異常や半定常的なルーティング経路の変更などにより、ネットワーク遅延状況が変化した場合には、つぎの補正タイミングまでシステムが使用できなくなる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、遅延変動時にも内部クロック補正周期の補正を可能とするクロック補正周期補正方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、周期的にＮＴＰサーバへアクセスすることで自装置の内部クロックを補正する無線基地局装置におけるクロック補正周期補正方法であって、第１の回数にわたって、前記ＮＴＰサーバに対してＮＴＰパケットを送信し当該ＮＴＰパケットの送信に対する応答を受信するＮＴＰアクセスを実行するＮＴＰアクセスステップと、前記ＮＴＰアクセスステップの実行結果のなかから最も信頼度が高いアクセス結果を抽出し、その抽出結果をＮＴＰサーバへの伝送路遅延として決定するＮＴＰサーバ遅延決定ステップと、を含み、内部クロックの補正周期よりも短い周期であるＮＴＰアクセス周期にて、前記ＮＴＰアクセスステップおよび前記ＮＴＰサーバ遅延決定ステップを繰り返し実行することとし、さらに、前記ＮＴＰサーバ遅延決定ステップで決定された伝送路遅延と、前回の補正周期時の伝送路遅延との差分が、連続する第２の回数にわたって所定の閾値以上になったと判定した場合に、前記補正周期のずれを補正する補正周期調整ステップ、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、補正周期を一定に保つことが可能となる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかる無線基地局装置の、実施の形態の構成例を示す図である。 図２は、ＮＴＰ補正方式のクロック補正について説明するための図である。 図３は、残留誤差を求める方法を示す図である。 図４は、本実施の形態におけるＮＴＰアクセスを説明するための図である。 図５は、前回の補正周期時の遅延測定結果を基準に、今回の遅延測定結果を評価した様子を示す図である。 図６は、実施の形態におけるリトライ周期と補正周期との関係の一例を示す図である。

以下に、本発明にかかるクロック補正周期補正方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる無線基地局装置の、本実施の形態の構成例を示す図である。図１の無線基地局装置は、ＩＰ（Internet Protocol）Ｉ／Ｆ部１と、クロック補正部２と、基準クロック源３と、ＲＦ（Radio Frequency）部４とを備える。

ＩＰ Ｉ／Ｆ部１は、外部のＮＴＰサーバ（図示せず）とのインターフェースである。クロック補正部２は、クロックの補正周期を調整する。基準クロック源３は、図１の無線基地局装置の基準クロックを発振する水晶発振器などである。ＲＦ部４は、デジタル回路などで構成され、基準クロック源３により生成されるクロックを用いて、無線基地局装置内部の無線信号を処理する。

源振カウンタ部１１は、基準クロック源３から受信するクロックのクロック数をカウントする。カウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、源振カウンタ部１１から通知されるクロック数に基づいて、当該クロック数に該当する時間を算出する。そして、自身が管理する「補正周期に相当するクロック数（時間）」ごとに、ＮＴＰパケット処理部１３に対して時刻の取得を指示し、また、算出時間をクロック調整量算出部１４に通知する。なお、「補正周期」とは、クロック精度を保持するために必要なタイムスタンプ間隔である。タイムスタンプ間隔は、最低限観測を継続する必要のある期間以上であればよい。

また、カウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、補正周期とは独立する周期であって、ＮＴＰサーバとの間の伝送路遅延を検出するためのＮＴＰアクセス周期（詳細後述）にて、ＮＴＰパケット送出を実行するようＮＴＰパケット処理部１３を制御する。

ＮＴＰパケット処理部１３は、ＩＰ Ｉ／Ｆ部１を介してＮＴＰサーバとの間でＮＴＰパケットを送受信し、ＮＴＰパケットに含まれるリファレンスタイムスタンプ（サーバ送信時刻：Transmit Timestamp）を取得し、クロック調整量算出部１４に通知する。クロック調整量算出部１４は、カウンタ値タイムスタンプ取得部１２から通知される算出時間、およびＮＴＰパケット処理部１３から通知されるサーバ送信時刻を用いてこれらの差分を算出し、当該差分から当該時刻におけるクロックずれを検出する。また、ＮＴＰアクセスによる遅延測定を実行し、その結果に基づいて補正周期の補正を行う。

つづいて、以上のように構成された無線基地局装置における動作を説明する。まず、ＮＴＰパケットによるクロック補正の動作について説明する。

ＮＴＰサーバから受信するＮＴＰパケットには、リファレンスタイムスタンプ（以下、単に「タイムスタンプ」ともいう）が含まれる。無線基地局装置のカウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、源振カウンタ部１１から通知されるクロック数をカウントして時間を算出し、一定時間ごとにＮＴＰパケット処理部１３に時刻取得を指示するとともに、クロック調整量算出部１４に算出時刻を通知する。ＮＴＰパケット処理部１３は、カウンタ値タイムスタンプ取得部１２から時刻取得を指示されるとＮＴＰパケットを送信し、ＮＴＰサーバより返信されたＮＴＰパケットを受信する。ＮＴＰパケット処理部１３は、受信したＮＴＰパケットからタイムスタンプを取得し、クロック調整量算出部１４に通知する。クロック調整量算出部１４は、カウンタ値タイムスタンプ取得部１２より算出時間を、ＮＴＰパケット処理部１３よりタイムスタンプを得る。無線基地局装置においては、このようなクロック数カウント，時間算出，時刻取得、といった処理を継続して行う。

図２は、ＮＴＰ補正方式のクロック補正について説明するための図である。図２に示すように、タイムスタンプ（ｎ）（ｎは自然数）とタイムスタンプ（ｎ＋１）の差分と、その間のクロックカウント数から算出される時間とを比較することで、当該タイムスタンプ間のクロックずれが検出できる。これを観測するために、補正周期にてＮＴＰパケットを送受信する。

無線基地局装置では、上記補正周期ごとに検出されるクロックずれの量に応じて補正量を決定し、クロック補正を実施する。このときの補正量は、補正周期ごとに受信するＮＴＰパケットのサーバ送信間隔とクロックカウント数とを比較することにより検出されるクロックずれを、ゼロとする値である。たとえば、基準クロック源３が生成するクロックのカウンタ値“Ｘ”に相当する時間が“ｘ”であるとすると、このときのクロック補正量は、以下の式（１）で算出される。

［｛ＴＳ（ｎ＋１）−ＴＳ（ｎ）｝−ｘ］／［ＴＳ（ｎ＋１）−ＴＳ（ｎ）］（ppm）
…（１）

クロック調整量算出部１４は、式（１）によって求めたクロック補正量を用いて、１クロックに相当する時間を補正する。

ところで、補正を行っても補正量における誤差（以下、「残留誤差」ともいう）は存在する。残留誤差は、ＮＴＰパケットが伝送されるネットワークに対して想定する最大遅延揺らぎ（実質最大遅延揺らぎ）と補正周期との比で決まる。図３は、残留誤差を求める方法を示す図である。たとえば、タイムスタンプ到着にあたり、±Ｚmsの遅延揺らぎが含まれると仮定すると、実際のクロックカウント時間は、下記、式（２）で表されるＭＩＮ〜式（３）で表されるＭＡＸ、の間の値を取ることになる。

ＭＩＮ＝（ＴＳ（ｎ＋１）−Ｚms）−（ＴＳ（ｎ）＋Ｚms） …（２）
ＭＡＸ＝（ＴＳ（ｎ＋１）＋Ｚms）−（ＴＳ（ｎ）−Ｚms） …（３）

したがって、上記の場合には、補正周期に対する遅延揺らぎの最大誤差が±２Ｚであるため、このときの最大補正残留誤差は、以下に示す、式（４）で表される。
最大残留誤差＝±｛２Ｚ／補正周期｝（ppm） …（４）

つぎに、遅延状態の監視によりクロック補正周期を補正する動作について説明する。本実施の形態では、補正周期とは別の短周期で、ＮＴＰサーバにアクセスするＮＴＰアクセスを実施する。以下、この短周期を「ＮＴＰアクセス周期」という。ＮＴＰアクセス周期とは、ＮＴＰサーバとの間の伝送路遅延を検出するためにＮＴＰアクセスを実行する周期である。図４は、本実施の形態におけるＮＴＰアクセスを説明するための図である。無線基地局装置は、１ＮＴＰアクセス周期ごとに、たとえば１００回以上のＮＴＰアクセスを行ってサンプルを得る。無線基地局装置は、当該ＮＴＰアクセスにてＮＴＰサーバとの間の伝送路の遅延状態を監視する。

無線基地局装置のカウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、上述同様、源振カウンタ部１１からのカウンタ値に基づいて時刻を算出し、ＮＴＰアクセス周期に達するごとに、遅延監視を行う旨をＮＴＰパケット送受信処理部１３に指示する。ＮＴＰパケット送受信処理部１３は、ＮＴＰパケットを送信し、当該ＮＴＰパケットの返信をＮＴＰサーバから受信すると、その旨をカウンタ値タイムスタンプ取得部１２に通知する。これを受けたカウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、源振カウンタ部１１からのカウンタ値を用いて時刻を算出し、当該ＮＴＰパケットの基地局受信時刻（クロックカウンタ値）を得る。カウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、基地局受信時刻をクロック調整量算出部１４に通知する。また、ＮＴＰパケット送受信処理部１３は、ＮＴＰパケットから取得したサーバ送信時刻を、クロック調整量算出部１４に通知する。ＮＴＰパケット送受信処理部１３は、以上の処理を所定のＮＴＰアクセス回数（ここでは、１００アクセス）にわたって行う。

クロック調整量算出部１４は、このようにして得られたサンプル（サンプル数：１００）を用いて遅延測定を行う。具体的には、まず、サンプル全てのなかから、最も信頼度の高いサンプルとして、たとえば、サーバ送信時刻と基地局受信時刻（クロックカウンタ値）との差分が最小となるサンプルを抽出する。そして、往復の遅延を得るために、そのサンプルの遅延を２倍にしたアクセス結果（往復の伝送路遅延）を、今回のＮＴＰアクセス周期の遅延測定結果とする。なお、遅延測定結果は、他の抽出方法により決定されてもよい。

ところで、上記サンプルの数は、ネットワークでのパケットロス，異常遅延対策による廃棄などを考慮しない場合の総数である。したがって、ネットワークにおける遅延，パケットロスの状況によって、取得される有効サンプル数は変動する。サンプル数の値は、チューニングパラメータによる変更を可能とする。

また、サンプルとして取得した複数ＮＴＰパケット間の比較における、基地局受信時刻の時間軸が変動しないように、同一パケット群（同一ＮＴＰアクセス周期）のＮＴＰパケットを受信している間は、通常のＮＴＰクライアントが行う自装置内の時刻補正に相当する処理（クロックカウンタの補正）は行わないこととする。

つづいて、クロック調整量算出部１４は、前回の補正周期時に測定した遅延測定結果（補正周期前の最後の遅延測定結果）と、今回の遅延測定結果とを比較する。そして、「遅延測定結果の差分が、所定の回数にわたり連続して、所定の閾値以上となった」場合に、ルーティング経路の変化などによる定常的な遅延変動が発生したと判断し、補正周期のずれを補正する制御を行う。この際、補正周期は変化しないように、次回の補正周期の起動タイミングを補正する。具体的には、たとえば、カウンタ値タイムスタンプ取得部１２が保持する「補正周期に相当するクロック数」を、遅延の変動量に相当するクロック数だけ増減させる。たとえば、往復で１秒であった伝送遅延が２秒に変化した場合には、差分となる１秒に相当するクロック数を、現行の補正周期に相当するクロック数から減算する。また、たとえば、往復で２秒であった伝送遅延が１秒に変化した場合には、差分となる１秒に相当するクロック数を、現行の補正周期に相当するクロック数に加算する。このように、補正周期の起動タイミングを遅延の変動に追随して調整することで、補正周期を一定周期にて維持可能となる。

図５は、前回の補正周期時の遅延測定結果を基準に、今回の遅延測定結果を評価した様子を示す図である。図５では、前回補正周期の遅延測定結果との差が、３回連続して、図に示す閾値以上となった場合を示す。

なお、図５では、差分がプラスである場合、すなわち、遅延測定結果が増加した例を示しているが、閾値を示す点線にて示すように、差分がマイナスである場合もある。差分がマイナスである場合は、今回の遅延測定結果が前回の補正周期時の遅延測定結果と比較して減少した場合である。この場合にも、上記同様に、補正周期のずれを補正し、次回の補正周期の起動タイミングを補正する。

これにより、ネットワーク遅延状況やルーティング経路の変化が発生した際にも、当該変化を検出し、クロックの補正周期ずれを補正可能となる。

ところで、定常的な遅延と判定するには、閾値以上の遅延が所定の回数にわたり連続することが条件であるため、遅延が検出されているが、補正周期に達した時点で所定の回数に満たない場合がある。この場合、定常的な遅延が発生している可能性があるにも関わらず、補正周期のずれを補正する必要があるとは判定できない。そのため、クロック調整量算出部１４は、補正周期に達した時点で、遅延測定により閾値以上の遅延を検出したが、補正周期のずれを補正しないと判断した場合には、予め設定されたリトライのための周期（以下、リトライ周期という）でリトライを継続するよう、カウンタ値タイムスタンプ取得部１２に指示する。

カウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、当該指示を受けると、ＮＴＰアクセスのリトライを実行するようＮＴＰパケット処理部１３に指示する。ＮＴＰパケット処理部１３は、上述同様、ＮＴＰパケットを送信し、当該ＮＴＰパケットの返信をＮＴＰサーバから受信すると、その旨をカウンタ値タイムスタンプ取得部１２に通知する。これを受けたカウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、上述のように時刻を算出し、当該ＮＴＰパケットの基地局受信時刻（クロックカウンタ値）を得て、クロック調整量算出部１４に通知する。また、ＮＴＰパケット送受信処理部１３は、ＮＴＰパケットから取得したサーバ送信時刻を、クロック調整量算出部１４に通知する。ＮＴＰパケット送受信処理部１３は、以上の処理を所定のＮＴＰアクセス回数（ここでは、１００アクセス）にわたって行う。

クロック調整量算出部１４は、このようにして得られたサンプル（サンプル数：１００）を用いて上述同様に遅延測定を行う。すなわち、最も信頼度の高いサンプルを抽出し、その遅延を２倍にしたアクセス結果を今回のＮＴＰアクセス周期の遅延測定結果とする。

そして、クロック調整量算出部１４は、前回の補正周期時に測定した遅延測定結果（補正周期前の最後の遅延測定結果）と、今回の遅延測定結果とを比較する。クロック調整量算出部１４は、「遅延測定結果の差分が、所定の回数にわたり連続して、所定の閾値以上となった」場合には、ルーティング経路の変化などによる定常的な遅延変動が発生したと判断する。この場合、クロック調整量算出部１４は、上述同様、補正周期のずれを補正する処理を行い、また、その時点を新たに補正周期の起点とする。具体的には、たとえば、カウンタ値タイムスタンプ取得部１２が保持する、補正周期の検出に用いるカウンタの値をクリアする。その後、無線基地局装置の各部は、通常通りクロック監視動作を継続する。

一方、クロック調整量算出部１４は、「遅延測定結果の差分が、所定の回数にわたり連続して、所定の閾値以上となった」と判断できない場合には、リトライを継続するようカウンタ値タイムスタンプ取得部１２に指示する。カウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、これを受けると、上述同様に、ＮＴＰアクセスのリトライを実行するようＮＴＰパケット処理部１３に指示する。以後の処理は上記同様である。

図６は、本実施の形態におけるリトライ周期と補正周期との関係の一例を示す図である。図６では、リトライを行って有効なサンプルが得られたことで、補正周期の起点が変更された場合を示している。

また、カウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、源振カウンタ部１１からのカウンタ値に基づいて時刻を算出し、リトライ周期のタイマ管理を行う。カウンタ値タイムスタンプ取得部１２は、リトライ周期が満了したと認識すると、その旨をクロック調整量算出部１４に通知する。リトライ周期が満了するまでの間に有効サンプルが取得できなかった場合には、クロック調整量算出部１４は、たとえば、ＲＦ部４に対し、無線送信を停止させる制御を行う。リトライ周期は、たとえば１時間程度とし、チューニングパラメータでの変更を可能とする。

以上説明したように、本実施の形態では、内部クロックの補正を行う周期である補正周期、よりも短い周期であるＮＴＰアクセス周期にて、ＮＴＰサーバとの伝送路の遅延を監視し、その結果を用いて補正周期のずれを補正する構成とした。これにより、通信区間の遅延変動（増加または減少）が発生した場合にも、当該変動を検出して補正周期の起動タイミングを補正し、補正周期を一定に保つことが可能となる。これにより、取得すべき補正用データの選択基準を動的に変更できる。

また、本実施の形態では、遅延に対応した補正周期の補正を行うことを前提とするため、ネットワーク遅延やルーティング経路の変化にも対応できる。

また、定常的な遅延変動であることが補正周期までに判断できない場合には、さらにＮＴＰアクセス頻度を上げて遅延測定（リトライ）を行い、ネットワーク遅延の状況を把握することで、上記同様に、遅延変動に応じて補正周期のずれを補正可能となる。したがって、ネットワーク遅延状況やルーティング経路の変化の発生タイミングに関わらず、補正周期のずれを補正可能となる。

以上のように、本発明にかかるクロック補正周期補正方法は、内部クロックの補正を行う基地局に有用であり、特に、ＮＴＰサーバを用いて補正を行う基地局に適している。

１ ＩＰ Ｉ／Ｆ部
２ クロック補正部
３ 基準クロック源
４ ＲＦ部
１１ 源振カウンタ部
１２ カウンタ値タイムスタンプ取得部
１３ ＮＴＰパケット処理部
１４ クロック調整量算出部

Claims (4)

1. 周期的にＮＴＰサーバへアクセスすることで自装置の内部クロックを補正する無線基地局装置におけるクロック補正周期補正方法であって、
   第１の回数にわたって、前記ＮＴＰサーバに対してＮＴＰパケットを送信し当該ＮＴＰパケットの送信に対する応答を受信するＮＴＰアクセスを実行するＮＴＰアクセスステップと、
   前記ＮＴＰアクセスステップの実行結果のなかから最も信頼度が高いアクセス結果を抽出し、その抽出結果をＮＴＰサーバへの伝送路遅延として決定するＮＴＰサーバ遅延決定ステップと、
   を含み、
   内部クロックを補正する周期である補正周期よりも短い周期であるＮＴＰアクセス周期にて、前記ＮＴＰアクセスステップおよび前記ＮＴＰサーバ遅延決定ステップを繰り返し実行することとし、
   さらに、
   前記ＮＴＰサーバ遅延決定ステップで決定された伝送路遅延と、前回の補正周期時の伝送路遅延との差分が、連続する第２の回数にわたって所定の閾値以上になったと判定した場合に、前記補正周期のずれを補正する補正周期調整ステップ、
   を含むことを特徴とするクロック補正周期補正方法。
2. 前記補正周期調整ステップにて、前記差分が所定の閾値以上となったが、その回数が連続する前記第２の回数に達しないと判定したことにより、前記補正周期のずれを補正しなかった場合に、所定のリトライ周期にわたって、前記ＮＴＰアクセスステップ、前記ＮＴＰサーバ遅延決定ステップおよび前記補正周期調整ステップを実行するリトライステップと、
   前記リトライステップの実行により、前記ＮＴＰサーバ遅延決定ステップで決定された伝送路遅延と、前回の補正周期時の伝送路遅延との差分が、連続する第２の回数にわたって所定の閾値以上になったと判定した場合に、その時点を前記補正周期の起点として設定する補正周期起点設定ステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のクロック補正周期補正方法。
3. 周期的にＮＴＰサーバへアクセスすることで自装置の内部クロックを補正する無線基地局装置であって、
   内部クロックを補正する周期である補正周期を管理し、当該補正周期よりも短いＮＴＰアクセス周期にて、前記ＮＴＰサーバに対してＮＴＰパケットを送信し当該ＮＴＰパケットの送信に対する応答を受信するＮＴＰアクセス、を実行させるカウンタ値タイムスタンプ取得手段と、
   第１の回数にわたって前記ＮＴＰアクセスを実行するＮＴＰパケット処理手段と、
   前記ＮＴＰアクセスの実行結果のなかから最も信頼度が高いアクセス結果を抽出し、その抽出結果をＮＴＰサーバへの伝送路遅延として決定し、また、決定した伝送路遅延と、前回の補正周期時の伝送路遅延との差分が、連続する第２の回数にわたって所定の閾値以上になったと判定した場合に、前記補正周期のずれを補正するクロック調整量算出手段と、
   を備えることを特徴とする無線基地局装置。
4. 前記クロック調整量算出手段は、さらに、
   前記差分が所定の閾値以上となったが、その回数が連続する前記第２の回数に達しないと判定したことにより、前記補正周期を補正しない場合には、前記カウンタ値タイムスタンプ取得手段に対して、所定のリトライ周期にわたってＮＴＰアクセスのリトライを実行するよう指示し、
   さらに、リトライにより前記差分が連続する前記第２の回数にわたって所定の閾値以上になったと判定した場合には、前記補正周期のずれを補正し、また、その時点を前記補正周期の起点として設定する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線基地局装置。

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