JP7193004B2 - スレーブ装置、時刻同期システム、時刻同期方法、および時刻同期プログラム - Google Patents

Description

本発明は、スレーブ装置、時刻同期システム、時刻同期方法、および時刻同期プログラムに関する。

産業用ロボットは、コントローラと複数のサーボモータ等によって制御される。産業用ロボットを制御するために、機器間で協調作業が必要となる。そのため、機器同士の高精度な時刻同期が必要である。

各機器のクロックソースは異なるので、各機器のクロックの周波数は、機器ごとに若干異なる。従って、設定された時刻が、時間が経過するにつれて他の機器上における時刻に対して徐々にずれる。そのため、異なるクロックソースの機器間では、ずれた時刻を修正するために同期をとる必要がある。

工場自動化システムなど産業用途における無線化の要求は高い。機器の柔軟な運用を実現する無線通信を使用した同期を行うことが要求される。しかし、無線通信では利用できる帯域が限定されているため無線リソース（例えば、１つの通信帯域におけるパケット量）を節減することが課題となる。また、無線通信では電波の揺らぎが発生するため、高精度な時刻同期を実現することが困難である。

ネットワーク通信を用いることによって、スレーブ装置となる機器のクロックをマスタ装置となる機器のクロックに合わせる方法は既に知られている。

例えば、ネットワークを介して接続される複数のクロックをマイクロ秒レベルで同期させる方法として、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers ）１５８８規格に基づく方法がある。無線ネットワークを介した機器間でＩＥＥＥ１５８８規格に従って時刻同期が行われる場合、１台のマスタ装置に複数台のスレーブ装置が接続されるシステム（１：Ｎ接続）では、マスタ装置と、各スレーブ装置とが時刻同期のためのメッセージの送受信を行う。そのため、１：１接続の場合のＮ倍の同期メッセージが発生する。すなわち、１：Ｎ接続では、無線リソースの消費量が大きい。無線リソースの大量消費は、周辺の通信に影響を及ぼす。例えば、通信の遅延時間が増大する。

また、無線通信では、電波の揺らぎのために伝送遅延を正確に測定することは困難である。従って、クロックのずれを正確に計測することは困難である。具体的には、スレーブ装置がマスタ装置から１つの同期パケットを受信する。スレーブ装置は、送信と受信のタイムスタンプの差分を取得できる。しかし、差分には、マスタクロックとスレーブクロックとのずれと、ネットワークの伝送遅延とが含まれている。すなわち、無線ネットワークを介して受信した同期パケットは、無線の伝送遅延の揺らぎの影響を受けている。タイムスタンプの差分から伝送遅延の揺らぎの影響を除去しないと、マスタクロックとスレーブクロックとの時刻の同期を高精度に行えない。

特許文献１には、ネットワークを介して一定間隔で送信された同期パケットを受信し、内部で発生させたクロックを送信側のクロックに同期させる同期方式が記載されている。特許文献１に記載された同期方式では、ブロードキャストによって同期パケットが一括して送信されるため、無線リソースを削減できる。しかし、達成できるクロック精度は、システムの伝送遅延の揺らぎの影響を受ける。無線ネットワークを介した場合には、伝送遅延の揺らぎが特に大きく、また、環境に応じて変動する。そのために、一般に、伝送遅延のランダム性を平準化して、揺らぎの影響を排除する処理が施される。

また、特許文献２には、複数の通信手段を併用することによって時刻同期を行う方法が記載されている。特許文献２に記載されている方法では、送信側の装置が、同期用パケットを複製して２つの経路に送信する。一方の経路の受信パケット数が想定と異なる場合に、他方の経路の受信パケット数による補完処理を行う。なお、特許文献２に記載された方法は、ＡＴＭ（Asynchronous Transfer Mode）網の多重ループの有線ネットワークに適用される。

また、特許文献３には、通信揺らぎの変動に対応する時刻同期方法が記載されている。特許文献３に記載されている時刻同期方法では、スレーブ装置において、遅延量が小さいパケットのみがクロック同期回路に取り込まれる。クロック同期回路は、時刻同期を行う。すなわち、周波数調整量が許容できるしきい値を超過する遅延が発生した場合に、そのパケットは廃棄される。その結果、遅延量が小さいパケットのみを用いて時刻同期制御が行われるので同期精度は向上する。

特開２００１－１８６１８０号公報 特開２００６－２１７５３１号公報 特開２０１０－２１２９４５号公報

しかし、特許文献１に記載された方式では、遅延量が大きいパケットが到着すると揺らぎの影響を十分に排除することが困難な場合がある。従って、同期精度が劣化することがある。特許文献２に記載された方法では、無線を使用した場合の通信リソースの制約や無線通信の揺らぎに対する対応が困難である。特許文献３に記載された方法では、使用している通信が劣化し、所定のしきい値を超えた遅延が継続した場合、時刻同期が行えない。その結果、時間の経過に併って同期精度が劣化する。

本発明は、無線リソースの消費を節減しつつ、精度の高いクロック同期を実現するスレーブ装置、時刻同期システム、時刻同期方法、および時刻同期プログラムを提供することを目的とする。

本発明によるスレーブ装置は、マスタ装置が無線帯域が異なる複数のパスを介して送信するパケットに基づいてマスタ装置との時刻同期を行うスレーブ装置であって、各々がいずれかのパスを介してパケットを受信する複数の受信手段と、複数の受信手段の各々が受信したパケットの受信間隔を計測する受信間隔計測手段と、マスタ装置がパケットを送信する間隔を自身のクロックを用いて送信間隔として計測する送信間隔計測手段と、各々の受信間隔と送信間隔との差を算出する時間差計算手段と、時間差計算手段が複数回算出した差を用いて分散値を算出する分散算出手段と、最も小さい分散値を呈した受信間隔が計測されたパケットを転送したパスを、時刻同期のために使用する定常状態のパスとして選択するパス選択手段と、定常状態のパスを介する通信に基づいて時刻補正を行う補正手段とを含み、定常状態のパスの品質が低下した場合に、分散算出手段は、定常状態のパスよりも高い品質の他のパスを介して受信を行う受信手段が受信したパケットを用いて、時刻同期のために定常状態のパスが用いられているときの周期よりも短い周期で分散値を算出する。

本発明による時刻同期システムは、スレーブ装置と、マスタ装置とが無線帯域が異なる複数のパスを介して接続され、マスタ装置は、タイムスタンプを含むパケットを生成するパケット生成手段と、パケットを送信する送信手段とを含む。

本発明による時刻同期方法は、マスタ装置が無線帯域が異なる複数のパスを介して送信するパケットに基づいてマスタ装置との時刻同期を行う時刻同期方法であって、複数のパスを介してパケットを受信し、複数のパスの各々について、受信したパケットの受信間隔を計測し、マスタ装置がパケットを送信する間隔を送信間隔として計測し、各々の受信間隔と送信間隔との差を算出し、複数回算出した差を用いて分散値を算出し、最も小さい分散値を呈した受信間隔が計測されたパケットを転送したパスを、時刻同期のために使用する定常状態のパスとして選択し、定常状態のパスを介する通信に基づいて時刻補正を行い、定常状態のパスの品質が低下した場合に、定常状態のパスよりも高い品質の他のパスを介して受信されたパケットを用いて、時刻同期のために定常状態のパスが用いられているときの周期よりも短い周期で分散値を算出する。

本発明による時刻同期プログラムは、マスタ装置が無線帯域が異なる複数のパスを介して送信するパケットに基づいてマスタ装置との時刻同期を行うための時刻同期プログラムであって、コンピュータに、複数のパスを介してパケットを受信する受信処理と、複数のパスの各々について、受信したパケットの受信間隔を計測する受信間隔計測処理と、マスタ装置がパケットを送信する間隔を送信間隔として計測する送信間隔計測処理と、各々の受信間隔と送信間隔との差を算出する時間差計算処理と、複数回算出した差を用いて分散値を算出する分散値計算処理と、最も小さい分散値を呈した受信間隔が計測されたパケットを転送したパスを、時刻同期のために使用する定常状態のパスとしてを選択するパス選択処理と、定常状態のパスを介する通信に基づいて時刻補正を行う時刻補正処理とを実行させ、定常状態のパスの品質が低下した場合に、定常状態のパスよりも高い品質の他のパスを介して受信されたパケットを用いて、時刻同期のために定常状態のパスが用いられているときの周期よりも短い周期で分散値を算出させる。

本発明によれば、無線リソースの消費を節減しつつ、精度の高いクロック同期を実現することができる。

時刻同期システムの一例を示すブロック図である。 時刻同期システムにおける接続シーケンスの一例を示すシーケンス図である。 データ転送装置の構成例を示すブロック図である。 受信データ処理部におけるＳｙｎｃパケット処理部の構成例を示すブロック図である。 Ｓｙｎｃパケット処理部における全パス状態判断部の構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態の時刻同期システムの動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態の時刻同期システムの動作を示すフローチャートである。 時刻同期に使用されるパスの選択の例を示す説明図である。 第２の実施形態のＳｙｎｃパケット処理部における全パス状態判断部の構成例を示すブロック図である。 第２の実施形態の時刻同期システムの動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態の時刻同期システムの動作を示すフローチャートである。 スレーブ装置の主要部を示すブロック図である。 時刻同期システムの主要部を示すブロック図である。

実施形態１．
以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態による時刻同期システムの構成を説明する。図１は、時刻同期システムの一例を示すブロック図である。本実施形態による時刻同期システムは、データ転送装置１０２（マスタ装置）と、データ転送装置１１１（スレーブ装置）とを含む。データ転送装置１０２は、無線通信部１０３，１０４，１０５，１０６を含む。データ転送装置１１１は、無線通信部１０７、１０８，１０９，１１０を含む。なお、図１には、マスタ装置としてのデータ転送装置１０２に、１台のスレーブ装置としてのデータ伝送装置１１１が接続された構成が示されているが、データ転送装置１０２に複数台のスレーブ装置が接続されてもよい。

端末１０１は、データ転送装置１０２に接続されたコントローラ等である。端末１１２は、データ転送装置１１１と接続されたサーボモータ等である。また、データ転送装置１０２とデータ転送装置１１１とは、無線帯域が異なる複数のパス（通信経路）を介して接続されている。具体的には、データ転送装置１０２の無線通信部１０３は、データ転送装置１１１の無線通信部１０７と、２．４ＧＨｚ帯の第１パスを介して通信を行う。無線通信部１０４は、５ＧＨｚ帯（Ｗ５２）の第２パスを介して無線通信部１０８と通信を行う。無線通信部１０５は、５ＧＨｚ帯（Ｗ５６）の第３パスを介して無線通信部１０９と通信を行う。無線通信部１０６は、１．９ＧＨｚ帯の第４パスを介して無線通信部１１０と通信を行う。

図２は、時刻同期システムにおける接続シーケンスの一例を示すシーケンス図である。図２には、時刻同期システムに、２台のスレーブ装置であるデータ転送装置１１１，１１３が含まれる構成が例示されている。

マスタ装置（データ転送装置１０２）とスレーブ装置（データ転送装置１１１，１１３）は、最初に時刻同期を確立する。図２では、ＩＥＥＥ１５８８規格に基づくシーケンスによる時刻同期方法を例示する。例えば、マスタ装置は、複数のスレーブ装置にＳｙｎｃパケットを送信する。各スレーブ装置は、自身のクロックで受信タイムスタンプを作成する。そして、各スレーブ装置は、受信タイムスタンプを含むＤｅｌａｙＲｅｑｕｅｓｔパケットをマスタ装置に送信する。マスタ装置は、ＤｅｌａｙＲｅｑｕｅｓｔパケットを受信してタイムスタンプを作成する。そして、マスタ装置は、ＤｅｌａｙＲｅｓｐｏｎｓｅパケットをスレーブ装置に送信する。マスタ装置とスレーブ装置とは、このような一連の処理を繰り返し時刻同期を行う。時刻同期のための方法として、他の方法が用いられてもよい。

マスタ装置（データ転送装置１０２）のクロックと複数のスレーブ装置（データ転送装置１１１，１１３）のクロックとの時間同期が確立した後、マスタ装置は、複数のスレーブ装置にＳｙｎｃパケットを送信間隔［Ｔ］（［Ｔ］は例えば１秒）でブロードキャストまたはマルチキャストで送信する。

図３は、データ転送装置３０１の構成例を示すブロック図である。図３に示す例では、データ転送装置３０１は、送信データ処理部３０２と、発振器３０６と、制御部３０７と、時計３０９と、受信データ処理部３１０と、第１無線通信部から第ｎ無線通信部を有する無線部３１４とを含む。送信データ処理部３０２は、Ｓｙｎｃパケット生成部３０３と、バッファ３０４と、送信間隔タイマ３０５とを含む。制御部３０７は、クロック補正部３０８を含む。受信データ処理部３１０は、Ｓｙｎｃパケット処理部３１１と、バッファ３１２と、受信解析フィルタ３１３とを含む。データ転送装置３０１は、図１に示されたデータ転送装置１０２，１１１の具体的な構成例に相当する。

送信データ処理部３０２は、時刻同期のためにＳｙｎｃパケットを送信する。また、データ転送装置３０１が、図１に示されたデータ転送装置１０２として使用される場合、端末１０１から入力されたデータをデータパケットとして送信する。

送信間隔タイマ３０５は、発振器３０６、時計３０９から時刻情報を得て、送信間隔［Ｔ］をカウントする。

Ｓｙｎｃパケット生成部３０３は、パケットを生成して無線部３１４へ渡す。

無線部３１４において、複数の無線通信部は、対向するスレーブ装置に、Ｓｙｎｃパケットをブロードキャストまたはマルチキャストで送信する。無線部３１４の無線通信部は、対応する周波数のパスでのプロトコルや無線通信機能を備える。なお、図３における複数の無線通信部は、図１における無線通信部１０３～１０６または無線通信部１０７～１１０に相当する。

制御部３０７は、図１に示された端末１０１からデータが入力されたときに、冗長符号化のエンコードを実施し、送信データ処理部３０２のバッファ３０４にデータ（符号化データ）を格納する。

バッファ３０４において、格納された符号化データには、時計３０９から得られた時刻情報に基づくタイムスタンプが付加される。符号化データは、バッファ３０４から無線部３１４に出力される。無線部３１４は、符号化データをデータパケットとして無線伝送路に送出する。

無線部３１４において、符号化データは、複数の無線通信部のいずれかに入力される。符号化データは、例えばラウンドロビン方式でいずれかの無線通信部に順番に渡される。

受信データ処理部３１０は、Ｓｙｎｃパケットの受信を契機として時刻同期の制御を行う。また、データ転送装置３０１が、図１に示されたデータ転送装置１１１として使用される場合、受信データ処理部３１０は、データパケットを受信する。

無線部３１４が、マスタ装置からのパケットを受信すると、パケットを受信データ処理部３１０の受信解析フィルタ３１３に出力する。

受信解析フィルタ３１３は、時計３０９より時刻情報を得る。すなわち、受信解析フィルタ３１３は、パケットの受信時刻を取得する。また、受信解析フィルタ３１３は、パケットがＳｙｎｃパケットかデータパケットかを判別する。パケットがＳｙｎｃパケットである場合には、受信解析フィルタ３１３は、受信時刻情報と共にＳｙｎｃパケットをＳｙｎｃパケット処理部３１１に渡す。パケットがデータパケットである場合には、受信解析フィルタ３１３は、制御部３０７にデータパケットを渡す。

Ｓｙｎｃパケット処理部３１１は、受信解析フィルタ３１３から受け取ったＳｙｎｃパケットに基づいて時刻同期処理を行う。

制御部３０７は、データパケットを受信した場合には、符号化されたデータのデコードを行い、データをバッファ３１２に格納する。Ｓｙｎｃパケットを受信した場合には、クロック補正部３０８は、Ｓｙｎｃパケット処理部３１１で算出された補正値に従って発振器３０６を補正する。

デコードされたデータがバッファ３１２に格納される際に、デコード時のタイムスタンプ情報が付与される。マスタ装置の送信データ処理部３０２が図１に示された端末１０１からデータを受信した間隔を保って、スレーブ装置の受信データ処理部３１０が図１に示された端末１１２へデータを出力する。そのために、制御部３０７は、マスタ装置でエンコード前にデータパケットに付与されたタイムスタンプ情報から次にエンコードされるパケットとのデータ間隔を確認する。受信データ処理部３１０は、図１に示された端末１１２へデータを出力するタイミングを制御する。

送信データ処理部３０２（バッファ３０４を除く。）、制御部３０７、および受信データ処理部３１０（バッファ３１２を除く。）は、プログラム（時刻同期プログラム）に従って動作するコンピュータのＣＰＵによって実現される。

例えば、プログラムは、データ転送装置３０１の記憶部（図示せず）に記憶され、ＣＰＵは、プログラムに従って、送信データ処理部３０２、制御部３０７、および受信データ処理部３１０として動作する。

図４は、受信データ処理部３１０におけるＳｙｎｃパケット処理部３１１の構成例を示すブロック図である。Ｓｙｎｃパケット処理部３１１は、伝送揺らぎ吸収部４０１と、全パス状態判断部４０２と、伝送揺らぎ検出部４０３と、時間差検出部４０４と、送信間隔カウント部４０５と、受信間隔計測部４０６とを含む。

受信間隔計測部４０６は、マスタ装置からパケットを受信した際に受信解析フィルタ３１３が付与したタイムスタンプ情報を元に、ひとつ前に受信したパケットの受信時刻からの受信間隔を計測する。

送信間隔カウント部４０５は、スレーブ装置の時計３０９が計時した時刻を用いて所定間隔をカウントする。具体的には、所定間隔は、マスタ装置で規定されている送信間隔［Ｔ］と同じ間隔［Ｔ’］である。以下、間隔［Ｔ’］を送信間隔という。

時間差検出部４０４は、受信間隔計測部４０６が計測した受信間隔と、送信間隔カウント部４０５がカウント（計測）した送信間隔［Ｔ’］との時間差を検出する。

伝送揺らぎ検出部４０３は、定常状態において、あらかじめ定められた回数分の時間差検出部４０４が検出した時間差の分散値を算出する。伝送揺らぎ検出部４０３は、算出した分散値に基づいてパスの伝送遅延の揺らぎの大きさを検出する。

全パス状態判断部４０２は、複数のパスの伝送遅延の揺らぎの状態を監視する。全パス状態判断部４０２は、非定常状態において、伝送遅延の揺らぎを検出する。全パス状態判断部４０２は、全てのパスの状態を比較し、全てのパスの中から最も安定したパスを選択する。なお、定常状態は、伝送遅延の揺らぎは安定していると判断されている状態である。非定常状態では、伝送遅延の揺らぎが大きくなったと判断されている。

伝送揺らぎ吸収部４０１は、伝送遅延の揺らぎの影響を排除して時計の補正値を算出する。伝送揺らぎ吸収部４０１は、例えば、全パス状態判断部４０２が選択したパスを対象として、あらかじめ定められた回数分の時間差検出部４０４が検出した時間差の平均値を伝送揺らぎ検出部４０３で算出し、平均値を時計の補正値とする。算出された補正値に従って、クロック補正部３０８が、発振器３０６を補正する。

図５は、Ｓｙｎｃパケット処理部３１１における全パス状態判断部４０２の構成例を示すブロック図である。図５には、３つのパスが存在する場合が例示されている。全パス状態判断部４０２は、第１パスに関する分散算出部５０１１および状態検出部５０２１を含む。また、全パス状態判断部４０２は、第２パスに関する分散算出部５０１２および状態検出部５０２２を含む。また、全パス状態判断部４０２は、第３パスに関する分散算出部５０１３および状態検出部５０２３を含む。全パス状態判断部４０２は、さらに、パス選択部５０３を含む。全パス状態判断部４０２は、データ転送装置３０１に搭載された複数の無線通信部における各パスの伝送状態を判断する。

図５には、第１パスに関する第１受信解析フィルタ３１３１、第２パスに関する第２受信解析フィルタ３１３２、および第３パスに関する第３受信解析フィルタ３１３３も示されている。それらは、図４に示された受信解析フィルタ３１３に含まれる。

図５には、第１パスに関する第１受信間隔計測部４０６１、第２パスに関する第２受信間隔計測部４０６２、および第３パスに関する第３受信間隔計測部４０６３も示されている。それらは、図４に示された受信間隔計測部４０６に含まれる。

図５には、第１パスに関する第１時間差検出部４０４１、第２パスに関する第２時間差検出部４０４２、および第３パスに関する第３時間差検出部４０４３も示されている。それらは、図４に示された時間差検出部４０４に含まれている。

分散算出部５０１１，５０１２，５０１３は、対応する時間差検出部４０４１，４０４２，４０４３が検出した時間差をサンプルとして、あらかじめ定めた定常状態における間隔よりも短い間隔（例えば１分）におけるサンプルｙ（例えば６０回分）の分散値を算出する。分散算出部５０１１，５０１２，５０１３が算出した分散値は、定常状態における周期よりも短い周期における伝送遅延の揺らぎの大きさに相当する。

状態検出部５０２１，５０２２，５０２３は、対応する時間差検出部である第１時間差検出部４０４１、第２時間差検出部４０４２、または第３時間差検出部４０４３が検出したデータと以前に検出されたデータとに基づいて変動を監視する。具体的には、状態検出部５０２１，５０２２，５０２３は、伝送遅延の変動量を算出する。また、状態検出部５０２１，５０２２，５０２３は、分散算出部５０１１，５０１２，５０１３が算出した分散値を入力する。状態検出部５０２１，５０２２，５０２３は、伝送遅延の変動量と分散値とをパス選択部５０３に出力する。

パス選択部５０３は、第１パス～第３パスのそれぞれに対応する状態検出部５０２１，５０２２，５０２３から通知された伝送遅延の変動量と分散値とに基づいて、伝送遅延が相対的に小さく、かつ、伝送遅延の揺らぎの変動が最も小さい安定したパスを、時刻同期に適用するための一時的なパスすなわち非定常状態におけるパス（一時避難パスともいう。）として選択する。

次に、図６および図７のフローチャートを参照して第１の実施形態の時刻同期システムの動作を説明する。一例として、図５に例示されたように、第１パス、第２パスおよび第３パスがあるとする。また、一例として、定常状態のパス（定常状態で使用されるパス）を第１パスとする。

スレーブ装置がマスタ装置からＳｙｎｃパケットを受信すると（ステップＳ６０１）、以下の処理が実行される。

Ｓｙｎｃパケットは、無線部３１４を介して受信解析フィルタ３１３（この例では、第１受信解析フィルタ３１３１、第２受信解析フィルタ３１３２、および第３受信解析フィルタ３１３３の各々）に入力される。受信解析フィルタ３１３は、Ｓｙｎｃパケットに、時計３０９に基づくタイムスタンプ情報を付与する（ステップＳ６０４）。

送信間隔カウント部４０５は、時計３０９を用いてカウント処理を行う（ステップＳ６０２）。カウント値が送信間隔［Ｔ’］に達したら、送信間隔カウント部４０５は、時間差検出部４０４に、送信間隔［Ｔ’］がカウントされたことを通知する（ステップＳ６０３）。送信間隔［Ｔ’］がカウントされたことは、送信間隔［Ｔ’］が計測されたことを意味する。

受信間隔計測部４０６（この例では、第１受信間隔計測部４０６１、第２受信間隔計測部４０６２、および第３受信間隔計測部４０６３の各々）は、受信されたＳｙｎｃパケットに付与されたタイムスタンプ情報で示される時刻（［ｎ］）を受信解析フィルタ３１３から得て、直前に受信されたＳｙｎｃパケットの受信時刻（［ｎ－１］）との時間差を計測し、時間差を受信間隔とする（ステップＳ６０５）。そして、受信データ処理部３１０は、時間差検出部４０４（この例では、第１時間差検出部４０４１、第２時間差検出部４０４２、および第３時間差検出部４０４の各々）に受信間隔を通知する。

マスタ装置でカウントされた送信間隔［Ｔ］と、スレーブ装置でカウントされた送信間隔［Ｔ’］とは、機器ごとにクロックが異なるため、わずかなカウントのずれが生じる。時間差検出部４０４は、送信間隔カウント部４０５から通知された送信間隔［Ｔ’］と、受信間隔計測部４０６から通知された受信間隔との時間差を、各々のパスについて算出する（ステップＳ６０６）。時間差は、伝送遅延に相当する。

後述するステップＳ６２１の処理で定常状態のパスと異なるパスが選択された場合には、ステップＳ６０８，Ｓ６０９の処理が実行される状態に移行する。なお、ステップＳ６２１の処理で一旦定常状態のパスが定められた後に、ステップＳ６２１の処理で、そのパスとは異なるパスが選択された場合に、異なるパスが選択されたことになる。また、異なるパスが選択されたときには、そのパスの品質に比べて、定常状態のパスの品質が低下したことになる。

異なるパスが選択されなかった場合には、伝送揺らぎ検出部４０３は、あらかじめ定めた時間（例えば、１０分間）において時間差検出部４０４が検出したサンプル数ｘ（例えば、６００回分）の時間差から各々のパスの分散値を算出する。伝送揺らぎ検出部４０３は、分散値を、各パスにおける伝送遅延の揺らぎの大きさとする（ステップＳ６１６，Ｓ６１７）。

伝送揺らぎ検出部４０３は、それぞれのパスについて検出された分散値（伝送遅延の揺らぎの大きさ）を比較し、最も揺らぎが小さいパスを選択して伝送揺らぎ吸収部４０１に通知する（ステップＳ６１８）。

伝送揺らぎ吸収部４０１は、通知を受けたパスについてのサンプル数ｘ（例えば、６００回分）の時間差の平均値を算出する（ステップＳ６１９）。クロック補正部３０８は、時計３０９を、伝送揺らぎ吸収部４０１が算出した平均値（補正値）分補正する（ステップＳ６２０）。なお、具体的には、クロック補正部３０８は、例えば、発振器３０６の発振周波数を補正する。

上記の一連の動作（ステップＳ６０２～Ｓ６０６，Ｓ６１６～Ｓ６２０の処理）が所定回数実行されると（ステップＳ６２１）、品質が安定しているパスが定まる。なお、品質が安定しているパスは、ステップＳ６１８の処理で繰り返し選択されたパス（例えば、所定回選択されたパス）である。また、品質が安定しているパスは、伝送遅延の揺らぎの大きさが、あらかじめ定められている値（しきい値）以下になっているパス、または、伝送遅延の揺らぎが最も小さいパスである。伝送遅延の揺らぎの大きさが、あらかじめ定められているしきい値よりも大きくなるパスを品質低下のパス（品質が低下しているパス）とする。そして、制御部３０７は、品質が安定しているパスを選択して、そのパスを定常状態のパスとして記憶する（ステップＳ６２２）。この例では、第１パスを示すデータが記憶される。

次に、定常状態のパスとは異なるパスが選択された場合の処理を説明する（ステップＳ６０７の処理で「Ｙ」の場合）。

制御部３０７は、定常状態のパスの品質が低下したと判断した場合に（ステップＳ６０７）、他のパスを一時的に使用するパス（一時避難パス）とする。そして、制御部３０７は、短い周期で各パスの状態を検出するようにＳｙｎｃパケット処理部３１１に通知する。

なお、制御部３０７は、例えば、ステップＳ６２１の処理で、定常状態のパスとは異なるパスが選択された場合に、定常状態のパスの品質が低下したと判断する。

Ｓｙｎｃパケット処理部３１１が制御部３０７から通知を受けると、全パス状態判断部４０２における状態検出部（図５に示された例では、状態検出部５０２１，５０２２，５０２３の各々）は、時間差検出部４０４（図５に示された例では、第１時間差検出部４０４１、第２時間差検出部４０４２、および第３時間差検出部４０４３の各々）から取得した伝送遅延の揺らぎを示す時間差と、以前に取得した時間差とから、伝送遅延の変動量を算出する。

分散算出部（図５に示された例では、分散算出部５０１１，５０１２，５０１３の各々）は、対応する時間差検出部４０４（図５に示された例では、時間差検出部４０４１，４０４２，４０４３）が検出した時間差をサンプルとして、あらかじめ定めた定常状態における間隔よりも短い間隔（例えば１分）におけるサンプルｙ（例えば６０回分）の分散値を算出する。状態検出部（図５に示された例では、状態検出部５０２１，５０２２，５０２３）は、時間差検出部４０４（図５に示された例では、第１時間差検出部４０４１、第２時間差検出部４０４２、第３時間差検出部４０４３）が検出した時間差と以前に検出された時間差とに基づいて、伝送遅延の変動量を算出する（ステップＳ６０８）。

また、状態検出部５０２１，５０２２，５０２３は、分散算出部５０１１，５０１２，５０１３が算出した分散値を入力する。状態検出部５０２１，５０２２，５０２３は、伝送遅延の変動量と分散値とをパス選択部５０３に出力する。

パス選択部５０３は、状態検出部（図５に示された例では、状態検出部５０２１，５０２２，５０２３の各々）から入力された各パスの状態を相対的に比較して一時避難パスを選択する（ステップＳ６１０，Ｓ６１１）。

例えば、パス選択部５０３は、状態検出部５０２１，５０２２，５０２３から入力された各々のパスについての伝送遅延の変動量を比較するとともに各々のパスについての分散値の推移を比較する。そして、パス選択部５０３は、伝送遅延が急激に変化していないパスであって、伝送遅延の変動が最も小さいパスを選択し、選択したパスを一時避難パスとする。なお、分散値の推移は、複数回算出された分散値に基づいて判断される。

パス選択部５０３は、パスを切替える前、すなわち、定常パスの品質が低下する前のあらかじめ定められた回数分の時間差の平均値（補正値）を算出する。クロック補正部３０８は、時計３０９を補正値で補正する。クロック補正部３０８は、時計３０９を補正するために、例えば、発振器３０６の発振周波数を補正する。そして、制御部３０７は、使用するパスを、定常状態のパス（この例では、第１パス）から、一時避難パスに切替える（ステップＳ６１３，Ｓ６１４）。

定常状態で使用されていたパス（この例では、第１パス）の品質が安定し、ステップＳ６１１の処理で再度選択された場合には、Ｓｙｎｃパケット処理部３１１は、制御部３０７に、定常状態のパスが安定したことを通知する。制御部３０７は、短い周期のパス選択動作（ステップＳ６０８～Ｓ６１４の処理）を終了し、定常状態時の動作に戻る（ステップＳ６１５）。

図８は、時刻同期に使用されるパスの選択の例を示す説明図である。

図８において、横軸は、経過時間を示す。縦軸は、遅延の大きさを示す。図８に示す例では、最初の１０秒間において第１パスが用いられ、次の１０秒間において第３パスが用いられ、２０秒経過時に、使用されるパスが第１パスに戻る。

以上に説明したように、第１の実施形態の時刻同期システムにおいて、スレーブ装置は、無線帯域が異なる複数のパスの伝送遅延を比較する。スレーブ装置は、伝送遅延の揺らぎが最も安定しているパスを介する通信に基づいて時刻同期を行う。そのため、第１の実施形態の時刻同期システムは、単独の無線帯域を使用する時刻同期に比べて、無線環境の変動があっても、精度よく時刻同期を行うことができる。

また、第１の実施形態の時刻同期システムにおいて、スレーブ装置は、使用しているパス（定常状態のパス）で品質の低下が検出された場合に、定常状態での間隔よりも短い間隔で伝送遅延の揺らぎを検出し、検出した揺らぎに基づいて時刻同期を行う。従って、定常状態のパスにおいて品質が低下しても、精度よく時刻同期を行うことができる。

なお、本実施形態では、データのばらつきを判別する値として分散値を使用していたが標準偏差を使用してもよい。

実施形態２．
第２の実施形態では、スレーブ装置は、全てのパスについて品質の劣化を検出すると、マスタ装置の時刻同期制御に関して障害が発生したと判定する。

図９は、第２の実施形態のＳｙｎｃパケット処理部３１１における全パス状態判断部４０２の構成例を示すブロック図である。Ｓｙｎｃパケット処理部３１１以外のデータ転送装置（特に、スレーブ装置）の構成は、第１の実施形態における構成と同じである。

全パス状態判断部４０２は、マスタ異常検出部５０４を含む。マスタ異常検出部５０４は、各パスにおける状態検出部（図９に示された例では、状態検出部５０２１，５０２２，５０２３の各々）の検出データ（伝送遅延の変動量および分散値）を確認する。マスタ異常検出部５０４は、全てのパスについて品質の低下が検出した場合に、マスタ装置に障害が発生したと判断する。全パス状態判断部４０２におけるその他の構成は、第１の実施形態における構成と同じである。

図１０および図１１は、第２の実施形態の時刻同期システムの動作を示すフローチャートである。なお、ステップＳ６０１～ステップＳ６２２の動作は、第１の実施形態における動作と同様である。

ステップＳ７０１で、マスタ異常検出部５０４は、全パスにおける状態検出部５０２１，５０２２，５０２３の検出データを確認する。マスタ異常検出部５０４は、全パスについて品質の低下を確認した場合には、マスタ装置において時刻同期に関する障害が発生したと判断する。

マスタ異常検出部５０４がマスタ装置において時刻同期に関する障害が発生したと判断した場合には、クロックの補正（ステップＳ６１２，Ｓ６１３の処理）は実行されない。

以上に説明したように、第２の実施形態の時刻同期システムにおいて、マスタ異常検出部５０４は、いずれのパスを用いても精度よく時刻同期できないと判断した場合、すなわち、全パスについて品質の低下を確認した場合には、時刻同期の制御を行うことなく、マスタ装置に障害が発生したとする。

なお、スレーブ装置において表示手段や音出力手段が設けられている場合には、それらを用いて、マスタ装置において障害が発生したと判断されたことをユーザに報知してもよい。

次に、本発明の概要を説明する。図１２は、本発明によるスレーブ装置の主要部を示すブロック図である。スレーブ装置８００は、マスタ装置が無線帯域が異なる複数のパスを介して送信するパケットに基づいてマスタ装置との時刻同期を行うスレーブ装置８００であって、各々がいずれかのパスを介してパケットを受信する複数の受信手段８０１（例えば、無線部３１４における第１～第ｎ無線通信部で実現される。）と、複数の受信手段の各々が受信したパケットの受信間隔を計測する受信間隔計測手段８０２（例えば、受信間隔計測部４０６で実現される。）と、マスタ装置がパケットを送信する間隔を自身のクロックを用いて送信間隔として計測する送信間隔計測手段８０３（例えば、送信間隔カウント部４０５で実現される。）と、各々の受信間隔と送信間隔との差を算出する時間差計算手段８０４（例えば、時間差検出部４０４で実現される。）と、時間差計算手段８０４が時間経過により送信間隔毎に算出した一定数の差から分散をとり標準偏差の値を算出する標準偏差計算手段８０５（例えば、伝送揺らぎ吸収部４０１および伝送揺らぎ検出部４０３で実現される。）と、各々のパスで標準偏差計算手段８０５が算出した値のうち最も小さい値を選択する比較選択手段８０６（例えば、パス選択部５０３で実現される。）と、選択した値を用いて時刻補正を行う補正手段８０７（例えば、クロック補正部３０８）とを備える。

そのような構成により、無線リソースの消費を節減しつつ、精度の高いクロック同期を実現することができる。

スレーブ装置は、時間差計算手段８０４が複数回算出した差を用いて分散値を算出する分散算出手段（例えば、伝送揺らぎ検出部４０３、分散算出部５０１１，５０１２，５０１３）と、最も小さい分散値を呈した受信間隔が計測されたパケットを転送したパスを、時刻同期のために使用する定常状態のパスとして選択するパス選択手段（例えば、制御部３０７、パス選択部５０３）とを備えていてもよい。

なお、定常状態では、伝送揺らぎ検出部４０３が分散算出手段として機能し、制御部３０７が、パス選択手段として機能する。非定常状態では、分散算出部５０１１，５０１２，５０１３が分散算出手段として機能し、パス選択部５０３が、パス選択手段として機能する。

図１３は、本発明による時刻同期システムの主要部を示すブロック図である。時刻同期システム１０００は、スレーブ装置８００と、マスタ装置９００とが無線帯域が異なる複数のパスを介して接続され、マスタ装置９００は、タイムスタンプを含むパケットを生成するパケット生成手段９０１（例えば、Ｓｙｎｃパケット生成部３０３）と、パケットを送信する送信手段９０２（例えば、送信データ処理部３０２）とを備える。

以上、本実施形態および実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１９年９月９日に出願された日本特許出願２０１９－１６３５９９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０１ 端末
１０２ データ転送装置（マスタ装置）
１０３～１１０ 無線通信部
１１１ データ転送装置（スレーブ装置）
１１２ 端末
１１３ データ転送装置（スレーブ装置）
３０１ データ転送装置
３０２ 送信データ処理部
３０３ Ｓｙｎｃパケット生成部
３０４ バッファ
３０５ 送信間隔タイマ
３０６ 発振器
３０７ 制御部
３０８ クロック補正部
３０９ 時計
３１０ 受信データ処理部
３１１ Ｓｙｎｃパケット処理部
３１２ バッファ
３１３ 受信解析フィルタ
３１４ 無線部
４０１ 伝送揺らぎ吸収部
４０２ 全パス状態判断部
４０３ 伝送揺らぎ検出部
４０４ 時間差検出部
４０５ 送信間隔カウント部
４０６ 受信間隔計測部
５０１１，５０１２，５０１３ 分散算出部
５０２１，５０２２，５０２３ 状態検出部
５０３ パス選択部
５０４ マスタ異常検出部
８００ スレーブ装置
８０１ 受信手段
８０２ 受信間隔計測手段
８０３ 送信間隔計測手段
８０４ 時間差計算手段
８０５ 標準偏差計算手段
８０６ 比較選択手段
８０７ 補正手段
９００ マスタ装置
９０１ パケット生成手段
９０２ 送信手段
１０００ 時刻同期システム

Claims (8)

1. マスタ装置が無線帯域が異なる複数のパスを介して送信するパケットに基づいてマスタ装置との時刻同期を行うスレーブ装置であって、
   各々がいずれかのパスを介してパケットを受信する複数の受信手段と、
   前記複数の受信手段の各々が受信したパケットの受信間隔を計測する受信間隔計測手段と、
   前記マスタ装置がパケットを送信する間隔を自身のクロックを用いて送信間隔として計測する送信間隔計測手段と、
   各々の前記受信間隔と前記送信間隔との差を算出する時間差計算手段と、
   前記時間差計算手段が複数回算出した差を用いて分散値を算出する分散算出手段と、
   最も小さい分散値を呈した前記受信間隔が計測されたパケットを転送したパスを、時刻同期のために使用する定常状態のパスとして選択するパス選択手段と、
   前記定常状態のパスを介する通信に基づいて時刻補正を行う補正手段とを備え、
   前記定常状態のパスの品質が低下した場合に、前記分散算出手段は、前記定常状態のパスよりも高い品質の他のパスを介して受信を行う前記受信手段が受信したパケットを用いて、時刻同期のために前記定常状態のパスが用いられているときの周期よりも短い周期で分散値を算出する
   ことを特徴とするスレーブ装置。
2. 前記補正手段は、前記時間差計算手段が複数回算出した差の平均値を補正値として時刻補正を行う
   請求項１記載のスレーブ装置。
3. 全てのパスの品質が低下したときに、前記マスタ装置に障害が発生したと判断するマスタ異常検出手段を備える
   請求項１または請求項２記載のスレーブ装置。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のスレーブ装置と、マスタ装置とが無線帯域が異なる複数のパスを介して接続され、
   前記マスタ装置は、
   タイムスタンプを含むパケットを生成するパケット生成手段と、
   前記パケットを送信する送信手段とを備える
   ことを特徴とする時刻同期システム。
5. マスタ装置が無線帯域が異なる複数のパスを介して送信するパケットに基づいてマスタ装置との時刻同期を行う時刻同期方法であって、
   前記複数のパスを介してパケットを受信し、
   前記複数のパスの各々について、受信したパケットの受信間隔を計測し、
   前記マスタ装置がパケットを送信する間隔を送信間隔として計測し、
   各々の前記受信間隔と前記送信間隔との差を算出し、
   複数回算出した前記差を用いて分散値を算出し、
   最も小さい分散値を呈した前記受信間隔が計測されたパケットを転送したパスを、時刻同期のために使用する定常状態のパスとして選択し、
   
   
   前記定常状態のパスを介する通信に基づいて時刻補正を行い、
   前記定常状態のパスの品質が低下した場合に、前記定常状態のパスよりも高い品質の他のパスを介して受信されたパケットを用いて、時刻同期のために前記定常状態のパスが用いられているときの周期よりも短い周期で分散値を算出する
   ことを特徴とする時刻同期方法。
6. 複数回算出された前記受信間隔と前記送信間隔との差の平均値を補正値として時刻補正を行う
   請求項５記載の時刻同期方法。
7. マスタ装置が無線帯域が異なる複数のパスを介して送信するパケットに基づいてマスタ装置との時刻同期を行うための時刻同期プログラムであって、
   コンピュータに、
   前記複数のパスを介してパケットを受信する受信処理と、
   前記複数のパスの各々について、受信したパケットの受信間隔を計測する受信間隔計測処理と、
   前記マスタ装置がパケットを送信する間隔を送信間隔として計測する送信間隔計測処理と、
   各々の前記受信間隔と前記送信間隔との差を算出する時間差計算処理と、
   複数回算出した前記差を用いて分散値を算出する分散値計算処理と、
   最も小さい分散値を呈した前記受信間隔が計測されたパケットを転送したパスを、時刻同期のために使用する定常状態のパスとしてを選択するパス選択処理と、
   前記定常状態のパスを介する通信に基づいて時刻補正を行う時刻補正処理とを実行させ、
   前記定常状態のパスの品質が低下した場合に、前記定常状態のパスよりも高い品質の他のパスを介して受信されたパケットを用いて、時刻同期のために前記定常状態のパスが用いられているときの周期よりも短い周期で分散値を算出させる
   ための時刻同期プログラム。
8. コンピュータに、
   複数回算出された前記受信間隔と前記送信間隔との差の平均値を補正値として時刻補正を行わせる
   請求項７記載の時刻同期プログラム。

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