WO2015122027A1 - 時刻同期装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a time synchronization device that realizes time synchronization between wireless devices.
- a wireless device serving as a time reference called a time master is The time of the device is notified to the surroundings using a radio frame such as a beacon, and the time slave in the range where communication with the time master can be communicated is received by the time slave.
- a radio frame such as a beacon
- the time slave in the range where communication with the time master can be communicated is received by the time slave.
- the time master wireless LAN module and the time slave wireless LAN module operate independently of each other because the frequency oscillator of each module that generates time operates independently. Need to be estimated and corrected.
- CSMA Carrier Sense Multiple Access
- time information when time information is notified by a radio frame, it occurs when the frequency oscillator of the transceiver operates independently.
- a delay time is added due to the waiting for transmission of a radio frame that notifies time information according to the surrounding communication status, so the time difference that occurs when the frequency oscillator of the transceiver operates independently can be accurately estimated Can not.
- Patent Document 1 the time that the time master has is not inserted into the wireless frame when the wireless frame is generated, but the transmission completion time when the wireless frame is transmitted and the transmission is completed. Is disclosed, and the transmission completion time thus measured is inserted into the next radio frame to notify the time information, thereby avoiding the influence of delay time due to CSMA.
- the wireless LAN device must monitor the transmission state of a wireless frame such as a beacon and measure the transmission completion time when the wireless frame is transmitted and completed. Therefore, there has been a problem that it is necessary to newly implement and implement a function for measuring the completion time of transmission of a radio frame. In addition, it is necessary to add a new sequence for realizing time synchronization such as the time information must be notified by inserting the measured transmission completion time into the next radio frame. In addition, it is necessary to transmit two frames for calculating the time lag, and if any one of the frames is lost, the time lag cannot be calculated and is susceptible to the frame loss in the transmission path. was there.
- the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a time synchronization apparatus capable of improving the accuracy of time synchronization between wireless apparatuses by reducing the influence of delay of time information notification.
- the present invention provides a time synchronization apparatus for a time slave that synchronizes with the time of the time master in a wireless communication system including a time master and a time slave.
- Time deviation calculation for comparing the time information received from the time master with the internal time of the time slave when the time information is received to calculate the amount of time deviation of the internal time with respect to the time information Means for determining switching of a filter time constant of a filter used for the filter processing of the time lag amount based on the fluctuation amount calculated from the time lag amount, and the time according to the filter time constant.
- Filter processing means for filtering the amount of deviation, and when estimating the time deviation from the value obtained by filtering the time deviation amount
- a shift estimation unit based on the time shift estimated value by the time deviation estimating means, characterized in that it comprises, a time correction means for correcting the internal time.
- the time synchronization apparatus has an effect of reducing the influence of delay of time information notification and improving the accuracy of time synchronization between wireless apparatuses.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a wireless communication system according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the time synchronization filter unit according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a flowchart showing time synchronization processing.
- FIG. 4 is a diagram showing a relationship among transmission source time information, reception time information, transmission side time interval, reception side time interval, and time deviation amount.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an evaluation result of time lag estimation.
- FIG. 6 is a diagram illustrating a filter time constant switching process according to the second embodiment.
- FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the time synchronization filter unit of the third embodiment.
- FIG. 8 is a diagram illustrating the correction effect of the filter time constant switching timing.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a wireless communication system according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the time synchronization filter unit according
- FIG. 9 is a diagram illustrating the amount of change in the time lag when the slave time setting unit corrects the time of the time slave based on the time correction amount from the time lag estimation unit.
- FIG. 10 is a diagram illustrating synchronization state determination processing according to the fifth embodiment.
- FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a wireless communication system according to the sixth embodiment.
- FIG. 12 is a sequence diagram showing a time synchronization process when a plurality of time slaves are subordinately connected in multiple stages.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a wireless communication system according to the present embodiment.
- the wireless communication system includes a time master 1 that distributes a reference time, and a time slave 2 that receives the reference time distributed from the time master 1 and synchronizes the internal time of the device with the reference time of the time master 1. Is done.
- Time master 1 inserts its own time at the time of radio frame generation and notifies time slave 2.
- the time slave 2 performs time synchronization by comparing the time notified from the time master 1 and the time when the radio frame is received. At this time, the time slave 2 performs a filter process in order to reduce the influence on the time fluctuation due to the surrounding communication, and variably controls the filter time constant in the filter process in accordance with the fluctuation amount of the time shift.
- the time master 1 includes a reference time receiving unit 10, a master time setting unit 11, a master internal time generation unit 12, a time information insertion unit 13, and a frame transmission unit 14.
- the reference time receiving unit 10 receives the reference time from a server or the like in NTP (Network Time Protocol).
- the master time setting unit 11 uses the time information from the reference time receiving unit 10 to set the time of the own device (time master 1).
- the master internal time generation unit 12 generates the internal time of its own device (time master 1) using the setting information from the master time setting unit 11.
- the time information insertion unit 13 inserts the internal time generated by the master internal time generation unit 12 into a radio frame such as a beacon as time information of the own device (time master 1).
- the frame transmission unit 14 transmits a radio frame such as a beacon in which time information is inserted.
- the time slave 2 includes a frame reception unit 20, a time information extraction unit 21, a time synchronization filter unit 22, a slave time setting unit 23, and a slave internal time generation unit 24.
- the frame receiving unit 20 receives a radio frame such as a beacon transmitted from the time master 1.
- the time information extraction unit 21 extracts time information of the time master 1 inserted in the radio frame received from the time master 1.
- the time synchronization filter unit 22 compares the time information of the time master 1 extracted from the received radio frame with the internal time of its own device (time slave 2), and compares itself with the reference time (time information) of the time master 1.
- a time shift of the internal time of the device (time slave 2) is estimated, and a time correction amount is calculated.
- the slave time setting unit 23 corrects the time lag using the time correction amount estimated by the time synchronization filter unit 22, and sets the time of the own device (time slave 2).
- the slave internal time generation unit 24 uses the setting information from the slave time setting unit 23 to generate the internal time of the own device (time slave 2).
- the reference time receiving unit 10 receives the reference time from an NTP server or the like when the own device (time master 1) is connected to the network.
- the reference time receiving unit 10 sets the master internal time as the reference time when the own device (time master 1) is not connected to the network.
- the master time setting unit 11 uses the reference time from the NTP server received by the reference time receiving unit 10 to calculate a reference time to be set as the internal time of the own device (time master 1).
- the master internal time generation unit 12 adjusts the internal time of its own device (time master 1) to the reference time using the setting information from the master time setting unit 11, and outputs the adjusted internal time as the master internal time.
- the time information insertion unit 13 inserts the master internal time generated by the master internal time generation unit 12 into a radio frame such as a beacon as time information.
- the frame transmission unit 14 transmits the radio frame in which the time information is inserted in the time information insertion unit 13 to the time slave 2.
- the frame reception unit 20 receives a radio frame such as a beacon transmitted from the time master 1, acquires the internal time generated by the slave internal time generation unit 24, and receives the radio frame.
- Time of reception The time information extraction unit 21 extracts time information of the time master 1 inserted in the reception frame output from the frame reception unit 20. Moreover, the time information extraction part 21 acquires the information of the reception time (internal time) when a radio frame is received.
- the time synchronization filter unit 22 compares the time information of the time master 1 output from the time information extraction unit 21 with the reception time (internal time) of the radio frame, and compares itself with the reference time (time information) of the time master 1.
- a time shift of the internal time of the device (time slave 2) is estimated, and a time correction amount is calculated.
- the slave time setting unit 23 calculates time information to be set in the slave internal time generation unit 24 using the time correction amount estimated by the time synchronization filter unit 22.
- the slave internal time generation unit 24 sets the time information calculated from the slave time setting unit 23, and generates the internal time of the own device (time slave 2) according to the setting.
- the frame reception unit 20 acquires the internal time generated by the slave internal time generation unit 24 as the reception time.
- the present invention is not limited to this, and the time information extraction unit 21 When the information is extracted, the internal time generated by the slave internal time generation unit 24 may be acquired as the reception time.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the time synchronization filter unit 22 according to the present embodiment.
- the time synchronization filter unit 22 includes a time shift calculation unit 220, a filter time constant determination unit 221, a filter processing unit 222, a time shift estimation unit 223, and a synchronization determination unit 224.
- the time deviation calculation unit 220 compares the time information of the time master 1 with the internal time of the own apparatus (time slave 2), and the time deviation of the internal time of the own apparatus (time slave 2) with respect to the time information of the time master 1 Calculate the amount.
- the filter time constant determination unit 221 calculates the time lag fluctuation amount of the internal time of the own device (time slave 2) with respect to the time information of the time master 1 and uses the filter processing unit 222 according to the time lag fluctuation amount. Perform time constant switching judgment and set the filter time constant.
- the filter processing unit 222 performs filtering processing of the time lag amount of the internal time of the own device (time slave 2) with respect to the time information of the time master 1 by the filter time constant according to the time lag fluctuation amount.
- the time lag estimation unit 223 estimates a time lag from a value obtained by filtering the time lag of the internal time of the own device (time slave 2) with respect to the time information of the time master 1, and calculates a time correction amount.
- the synchronization determination unit 224 determines the state of time synchronization based on the magnitude of the value obtained by filtering the time deviation amount of the internal time of the own device (time slave 2) with respect to the time information of the time master 1.
- FIG. 3 is a flowchart showing time synchronization processing. As an example, a case where a beacon frame is used as a radio frame for transmitting time information will be described.
- the time lag calculation unit 220 is inserted into the beacon transmitted from the wireless LAN module of the time master 1 as the time information of the time master 1 from the time information extraction unit 21 in the time information acquisition process (step S10).
- k ⁇ M ⁇ 1] is acquired as input data.
- the time lag calculating unit 220 acquires M data at a time.
- the time lag calculation unit 220 calculates the time lag amount of the internal time of the own device (time slave 2) with respect to the time information of the time master 1 as time lag calculation processing (step S11).
- the calculated time shift amount is used for determination of the filter time constant in the filter time constant determination unit 221 and filter processing in the filter processing unit 222.
- the time lag calculation unit 220 first calculates the transmission side time interval tTD (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] of the transmission source time information, which is the time information of the time master 1, as the time lag calculation. ), And the reception side time interval tRD (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] of the reception time information which is the internal time of the own device (time slave 2) is calculated by the equation (2).
- tTD (k + 1) tT (k + 1) ⁇ tT (k), 0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2 (1)
- tRD (k + 1) tR (k + 1) ⁇ tR (k), 0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2 (2)
- the time lag calculating unit 220 transmits the transmission side time interval tTD (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] of the source time information and the reception side time interval tRD (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ ] of the reception time information. M ⁇ 2], the amount of deviation of the reception side time interval of the reception time information with respect to the transmission side time interval of the transmission source time information is expressed as time deviation d (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M -2].
- FIG. 4 is a diagram showing a relationship among transmission source time information, reception time information, transmission side time interval, reception side time interval, and amount of time deviation.
- k 1, the transmission-side time interval, the reception-side time interval, and the time lag amount can be calculated by the equations (1) to (3).
- the filter time constant determination unit 221 performs the following equation (4) for the calculated time lag d (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] as the filter time constant determination process (step S12). , (5) is performed, and the value of the forgetting factor ⁇ , which is a parameter for determining the filter time constant used in the filter processing unit 222, is determined according to the determination result.
- the determination threshold Rth is a filter determination threshold for determining the amount of time shift variation.
- the filter time constant determination unit 221 prepares ⁇ L that is set when the time shift variation is large and ⁇ S that is set when the time shift variation is small as the forgetting factor ⁇ .
- a forgetting factor ⁇ that determines a time constant is determined. Note that the values of the forgetting factors ⁇ L and ⁇ S are ⁇ L> ⁇ S.
- the filter time constant determination unit 221 determines the filter time constant from the determined forgetting factor ⁇ , and sets the filter time constant of the filter processing unit 222.
- the filter processing unit 222 performs the time shift amount d (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] according to the equation (3) calculated by the time shift calculation unit 200. Then, filter processing by weighted average processing using the forgetting factor ⁇ is performed, and a filter processing result x (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] shown in Expression (6) is calculated.
- X (k + 1) ⁇ x (k) + d (k + 1), 0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2 (6)
- the filter processing unit 222 When the filter processing unit 222 acquires the next M pieces of data and performs the filter processing, the filter processing unit 222 performs processing using the final value of the previous filter processing result as an initial value, becomes an asynchronous state, and the like. The filter processing result is cleared to 0 only when the redrawing process is performed.
- the time lag estimation unit 223 integrates the filter processing result x (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] calculated by the filter processing unit 222 as time lag estimation processing (step S14), As shown in (7), a time lag s (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] after a certain time has elapsed is calculated.
- time lag estimation unit 223 performs processing with the initial value of the time lag amount set to 0 when the next M pieces of data are acquired and the time lag estimation process is performed.
- the synchronization determination unit 224 uses the following formulas (8), (8), and (b) for a time lag s (k + 1) [0 ⁇ k ⁇ M ⁇ 2] after a certain time has elapsed.
- the determination process shown in (9) is performed to determine the synchronous state and the asynchronous state in time synchronization.
- the determination threshold value Sth is a synchronization determination threshold value for determining the synchronization state.
- the time lag estimating unit 223 outputs a final time lag amount (time lag estimated value) s (M ⁇ 1) as a time correction amount for each of the acquired M pieces of time information data.
- the slave time setting unit 23 calculates time information to be set in the slave internal time generation unit 24 using the acquired time correction amount as the time shift correction process (step S16).
- FIG. 5 is a diagram illustrating an evaluation result of time lag estimation. The relationship between the actual measurement data of the time lag fluctuation amount, the time lag fluctuation amount when the filter time constant is fixed, and the time lag fluctuation amount when the filter time constant is variable according to the present embodiment is shown.
- the surrounding communication is not generated for the first 60 seconds, but is generated for the next 60 seconds, and the pattern with a period of 60 seconds is repeated. From this evaluation result, it can be seen that even when a beacon transmission delay occurs due to the influence of surrounding communications, the time lag can be estimated by the transmission / reception frequency oscillator while reducing the influence.
- the filter process is performed to reduce the influence on the time fluctuation due to the surrounding communication, and the filter time constant is variably controlled according to the fluctuation amount of the time fluctuation. If the fluctuation amount is larger than the set threshold, it is determined that the time is shifted due to the effect of waiting for transmission of the radio frame, and the filter time constant is increased to suppress the followability to the fluctuation, and the fluctuation amount is set. When it is smaller than the threshold, it is determined that the time difference is caused by the frequency oscillator between the communication devices, and control is performed to reduce the filter time constant.
- Embodiment 2 a method for determining the forgetting factor ⁇ different from that in the first embodiment will be described.
- the filter time constant determination unit 221 determines the forgetting factor ⁇ by comparing the time shift amount d (k + 1) and the determination threshold Rth as shown in the equations (4) and (5). The time constant was determined. In the present embodiment, processing for switching the filter time constant is performed when the same state is continuously established D times with respect to the determination threshold value Rth.
- FIG. 6 is a diagram showing a filter time constant switching process according to the present embodiment. In addition, the method for determining the forgetting factor ⁇ in the present embodiment is shown in equations (10) and (11).
- the filter time constant determination unit 221 determines that the forgetting factor ⁇ S is small in the filter time constant when the amount of time lag variation is small in the current state (S20). However, the forgetting factor of the filter time constant when the absolute value of the time lag fluctuation amount is larger than the determination threshold value Rth and the state is continuously established D times from this state, or when the time lag fluctuation amount is large (S21). A process of switching to ⁇ L is performed.
- the filter time constant determination unit 221 has the forgetting factor ⁇ L that is large in the filter time constant when the amount of time lag fluctuation is large as the current state (S21). Is smaller than the determination threshold value Rth, and the state is continuously established D times, or the process of switching to the forgetting factor ⁇ S of the filter time constant when the time lag fluctuation amount is small (S20) is performed.
- the filter time constant determination unit 221 is configured to perform the process of switching the filter time constant when the state with respect to the determination threshold Rth is continuously established D times. This prevents false detection of the fluctuation state with respect to the amount of time lag fluctuation, and it is accurate according to the fluctuation situation such as whether the cause for the time lag fluctuation is due to the frequency oscillator or due to delay due to transmission standby. Switching of time constants can be realized.
- Embodiment 3 FIG. In the present embodiment, a method of processing the filter processing start data from the data used for the determination will be described with respect to the filter time constant switching processing described in the second embodiment.
- FIG. 7 is a diagram showing a configuration of the time synchronization filter unit 22a of the present embodiment.
- the time synchronization filter unit 22 a includes a time shift calculation unit 220, a filter time constant determination unit 221, a filter processing unit 222, a time shift estimation unit 223, a synchronization determination unit 224, and a delay processing unit 225.
- the delay processing unit 225 performs a delay process for the number of radio frames (the number of beacons) required for the filter time constant switching determination. Other configurations are the same as those of the first and second embodiments (see FIG. 2).
- the filter time constant determination unit 221 outputs the number of radio frames (the number of beacons) as a result output at the time of switching determination of the filter time constant. Processing time for D occurs. For this reason, the delay processing unit 225 adjusts the delay so that the filter processing start data is processed from the data before D so that the filter time constant switching determination result of the filter time constant determination unit 221 can be accurately reflected. Do.
- FIG. 8 is a diagram showing the correction effect of the filter time constant switching timing. 8 shows the relationship between the actual measurement data of the time lag fluctuation amount, the time lag fluctuation amount with correction, and the time lag fluctuation amount without correction.
- the lower diagram in FIG. 8 is an enlarged view of a part of the upper diagram in FIG. It is.
- the filter time constant after the switching determination from the filter time constant switching determination time and the filter processing unit 222 performs the filter processing is indicated by “no correction”.
- the filter processing unit 222 performs the filtering process with “correction” by the delay processing unit 225, and transmits the CSMA as compared with the case of performing the filtering process with “no correction” by the delay processing unit 225. It can be confirmed that the influence of delay due to waiting can be further reduced.
- the delay processing unit 225 is provided before the filter processing unit 222.
- the present invention is not limited to this, and the filter processing unit 222 performs delay processing corresponding to the delay processing unit 225. You may make it perform.
- the processing time corresponding to the number of radio frames (the number of beacons) is generated in the result output at the time of switching determination of the filter time constant.
- the filter processing start data is processed from D previous data so that it can be accurately reflected. As a result, it is possible to reduce an error in time deviation at the time of switching the time constant due to the influence of the delay due to the CSMA transmission standby.
- Embodiment 4 FIG. In the present embodiment, a case will be described in which the time lag estimation unit 223 outputs a time correction amount including an initial time lag amount to the slave time setting unit 23.
- FIG. 9 is a diagram illustrating the amount of change in the time lag when the slave time setting unit 23 corrects the time of the own device (time slave 2) based on the time correction amount from the time lag estimation unit 223.
- the time lag estimation unit 223 sets the time for every M pieces of time information data for which the final time lag amount (time lag estimated value) s (M ⁇ 1) based on Expression (7) is acquired.
- the slave time setting unit 23 performs correction using the time correction amount from the time lag estimation unit 223.
- the time lag estimation unit 223 includes the time lag amount (initial time lag amount) tR (0) ⁇ tT of the reception time information with respect to the transmission source time information at the start of the filtering process.
- (0) and the final time shift amount (time shift estimated value) s (M ⁇ 1) are output as the time correction amount
- the slave time setting unit 23 uses the time correction amount from the time shift estimation unit 223.
- a certain initial time lag amount tR (0) -tT (0) and a time lag estimated value s (M-1) by subtracting from the reception time information of the current device (time slave 2).
- the time can be corrected to the time synchronized with the transmission source time information of the time master 1.
- the time correction using the initial time shift amount tR (0) -tT (0) is performed only at the start of the filter processing, and the subsequent time correction is performed with the estimated time shift value s (M Perform correction only in -1).
- the slave time setting unit 23 when starting the filtering process, the initial time lag amount tR (0) -tT (0) and the time lag estimated value s (M-1). Is the time correction amount, the time correction of the own device (time slave 2) is performed, and thereafter, the time correction is performed only by the estimated time lag s (M-1). Thereby, it is possible to perform correction including the initial time deviation amount at the start of the filter processing, and to realize a process of synchronizing the time of the time slave 2 with the time of the time master 1 including the initial time deviation. it can.
- Embodiment 5 FIG. In the present embodiment, a synchronization state determination method different from that in Embodiment 1 will be described.
- the synchronization determination unit 224 determines the synchronization state by comparing the time deviation amount s (k + 1) after a certain time and the determination threshold value Sth as shown in the equations (8) and (9). It was. In the present embodiment, a process of switching the determination of the synchronization state is performed when the same state is continuously established E times with respect to the determination threshold Sth.
- FIG. 10 is a diagram illustrating a synchronization state determination process according to the present embodiment. Further, the method for determining the synchronization state in the present embodiment is shown in equations (12) and (13).
- the synchronization determination unit 224 has the current state in the asynchronous state (S30). From this state, the absolute value of the time lag is smaller than the determination threshold Sth. If the state is continuously established E times, a process of switching to the synchronous state (S31) is performed.
- the synchronization determination unit 224 determines that the current state is the synchronization state (S31). If the absolute value of the time lag amount is larger than the determination threshold value Sth from this state and the state is continuously established E times, the synchronization determination unit 224 is asynchronous. Processing to switch to the state (S30) is performed.
- the synchronization determination unit 224 is configured to perform the process of switching the determination of the synchronization state when the state for the determination threshold Sth is continuously established E times. Thereby, the erroneous determination of the synchronous state in time synchronization can be prevented, and accurate determination of the synchronous state and the asynchronous state can be realized.
- Embodiment 6 FIG. In this embodiment, a case will be described in which a time slave that has performed time synchronization with a time master performs time synchronization with another time slave in a wireless communication system having a plurality of time slaves.
- FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of the wireless communication system according to the present embodiment.
- the wireless communication system includes a time master 1 that distributes the reference time, and a first time slave 2a that receives the reference time distributed from the time master 1 and synchronizes the internal time of its own device with the reference time of the time master 1. And a second time slave 2 that receives the reference time distributed from the time slave 2a and synchronizes the internal time of its own device with the reference time of the time slave 2a.
- the object of time synchronization is changed from the time slave 2 to the time slave 2a, but the configuration and operation are the same as in the first embodiment.
- the time slave 2a performs time synchronization by comparing the time notified from the time master 1 with the time when the radio frame is received. At this time, the time slave 2a performs filter processing in order to reduce the influence on the time variation due to surrounding communication, and variably controls the filter time constant in the filter processing in accordance with the amount of variation in time shift. Further, the time slave 2a inserts its own time when generating a radio frame and notifies the time slave 2 of the time.
- the target of time synchronization is changed from the time master 1 to the time slave 2a, but the configuration and operation are the same as in the first embodiment.
- the time slave 2a includes a frame reception unit 20, a time information extraction unit 21, a time synchronization filter unit 22, a slave time setting unit 23, a slave internal time generation unit 24, a time synchronization start unit 25, and a time information insertion.
- Unit 26 and a frame transmission unit 27.
- the time synchronization start unit 25 starts time synchronization for the time slave 2 based on the synchronization determination result of the time synchronization filter unit 22.
- the time information insertion unit 26 inserts time information generated from the internal time of its own device (time slave 2a) into a radio frame such as a beacon.
- the frame transmission unit 27 transmits a radio frame such as a beacon in which time information is inserted.
- the time information insertion unit 26 and the frame transmission unit 27 constitute time information transmission means.
- the time synchronization start unit 25 when the time synchronization state is determined to be the synchronization state based on the synchronization determination result from the time synchronization filter unit 22, from the own device (time slave 2a) 2 is instructed to start time synchronization.
- the time information insertion unit 26 inserts the internal time generated by the slave internal time generation unit 24 into a radio frame such as a beacon as time information.
- the internal time may be acquired directly from the slave internal time generation unit 24, or the time synchronization start unit 25 instructing the start of time synchronization acquires the internal time from the slave internal time generation unit 24. Then, the internal time may be acquired from the time synchronization start unit 25.
- the frame transmission unit 27 transmits the radio frame in which the time information is inserted by the time information insertion unit 26 to the time slave 2.
- the time slave 2 receives the time information distributed from the time slave 2a and performs a process of synchronizing the internal time of its own device with the time information of the time slave 2a.
- the operation of time information in the time slave 2 is the same as that in the first embodiment.
- the time slave 2 is configured as the time slave 2 at the last stage, and the time slave arranged between the time master 1 and the time slave 2 Is a time slave 2a.
- time synchronization can be repeatedly performed between each apparatus, and the time synchronization which matched the time of all the time slaves in the system with the time master 1 can be performed.
- the most subsequent (second stage) time slave is configured as the time slave 2 that does not include the time synchronization start unit 25 or the like, but the most subsequent (second stage) time slave is the time The slave 2a may be configured.
- FIG. 12 is a sequence diagram showing a time synchronization process when a plurality of time slaves are subordinately connected in multiple stages.
- the time master 1 transmits time information in a beacon frame or the like to the time slave 2a at the time synchronization start (step S40) (steps S41-1 to M).
- the time slave 2 a performs time synchronization processing using the time information received from the time master 1 and synchronizes with the time of the time master 1.
- the time slave 2a determines the completion of time synchronization to the time of the time master 1 by the time synchronization determination process (step S42), and starts time synchronization with respect to the time slave 2 (step S43).
- the time slave 2a transmits time information to the time slave 2 by using a beacon frame or the like (steps S44-1 to S44-M) when the time synchronization is started (step S43).
- the time slave 2 performs time synchronization processing using the time information received from the time slave 2a, and synchronizes with the time of the time slave 2a.
- the time slave 2 determines the completion of time synchronization to the time of the time slave 2a by the time synchronization determination process (step S45), and if there is no time slave connected subsequently thereafter, the time slave process is completed. If the number of time slaves is two or more, the current time slave 2 configuration is replaced with the time slave 2a configuration. Thereby, in a radio
- the time master 1 After the time synchronization of all the time slaves in the system is completed, the time master 1 periodically transmits time information to the time slave 2a using a beacon frame or the like (step S41-n).
- the time slave 2a corrects the time so as to follow the time fluctuation of the time master 1 caused by a frequency oscillator or the like (step S46). Further, the time slave 2a periodically transmits time information to the time slave 2 using a beacon frame or the like (step S44-n).
- the time slave 2 performs time correction so as to follow the time fluctuation of the time slave 2a caused by a frequency oscillator or the like (step S47). Even when the number of time slave stages is three or more, by repeating this, time synchronization correction is performed by matching the time of all time slaves in the wireless communication system with the time master 1. In FIG. 12, although the illustration is simplified after step S41-n, time synchronization is performed using M pieces of time information as in the case up to step S45.
- the time possessed by the time master 1 is notified to the surroundings, and the first-stage time slave 2a within the range capable of communicating with the time master 1 is synchronized with the internal time of the time master 1. Then, the time slave 2a notifies the periphery of the synchronized time, and the second time slave 2 in the range communicable with the time slave 2a is synchronized with the time slave 2a, and this is repeated. Thereby, the time synchronization which matched the time of all the time slaves in a system with the time master 1 is realizable.
- the time synchronization apparatus is useful for a wireless communication system, and is particularly suitable for time synchronization between communication apparatuses.
- time master 1 time master, 2, 2a time slave, 10 reference time receiving unit, 11 master time setting unit, 12 master internal time generating unit, 13 time information inserting unit, 14 frame transmitting unit, 20 frame receiving unit, 21 time information extracting unit 22 time synchronization filter unit, 23 slave time setting unit, 24 slave internal time generation unit, 25 time synchronization start unit, 26 time information insertion unit, 27 frame transmission unit, 220 time deviation calculation unit, 221 filter time constant determination unit, 222 filter processing unit, 223 time lag estimation unit, 224 synchronization determination unit, 225 delay processing unit.
Landscapes
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Abstract
時刻情報通知の遅延の影響を低減して無線装置間の時刻同期の精度を向上可能な時刻同期装置を得ること。時刻マスタから受信した時刻マスタの時刻情報と時刻情報受信時の時刻スレーブの内部時刻とを比較して、時刻情報に対する内部時刻の時刻ずれ量を算出する時刻ずれ算出部220と、時刻ずれ量から算出した変動量に基づいて、時刻ずれ量のフィルタ処理に使用するフィルタのフィルタ時定数の切り替え判定を行うフィルタ時定数判定部221と、フィルタ時定数により時刻ずれ量のフィルタ処理を行うフィルタ処理部222と、時刻ずれ量をフィルタ処理した値から時刻ずれを推定する時刻ずれ推定部223と、時刻ずれ推定部223による時刻ずれ推定値に基づいて、内部時刻を補正するスレーブ時刻設定部23、を備える。
Description
本発明は、無線装置間で時刻同期を実現する時刻同期装置に関する。
従来、ディジタルサイネージの普及に伴い、1つのコンテンツを複数枚に分割描画して擬似的に大型化する、また、人の動線上に同じコンテンツを複数描画して接触時間を増やす等の差別化技術の検討が行われている。一方、敷設コストの低減、レイアウト変更を容易にするため、無線配信による省線化が望まれている。
時刻同期装置において、無線配信手段として無線LAN(Local Area Network)を使用し、複数のディスプレイに表示する描画間の同期を確立する方法として、時刻マスタと呼ばれる時刻の基準となる無線装置が、自装置が持つ時刻をビーコン等の無線フレームを使用して周辺に通知し、時刻マスタと通信が可能な範囲にある時刻スレーブが、時刻マスタから通知された時刻とその無線フレームを時刻スレーブが受信した時刻を比較して時刻同期を行う方法がある。しかしながら、この時刻同期装置では、時刻マスタの無線LANモジュールと時刻スレーブの無線LANモジュールは時刻を生成する各モジュールの周波数発振器が独立して動作するため、時刻ずれが生じることになり、この時刻ずれを推定し補正する必要がある。
また、CSMA(Carrier Sense Multiple Access:搬送波感知多重アクセス)によるアクセス制御を行う無線LANシステムでは、無線フレームにより時刻情報を通知する場合に、送受信機の周波数発振器が独立して動作することにより発生する時刻差以外に、周囲の通信状況により時刻情報を通知する無線フレームの送信待機による遅延時間が付加されるため、送受信機の周波数発振器が独立して動作することにより発生する時刻ずれを正確に推定できない。
このような問題に対して、下記特許文献1では、時刻マスタが持つ時刻を無線フレーム生成時にその無線フレームに挿入するのではなく、無線フレームが送出されてその送出が完了した時点の送出完了時刻を計測し、その計測した送出完了時刻を次の無線フレームに挿入して時刻情報を通知することにより、CSMAによる遅延時間の影響を回避する技術が開示されている。
しかしながら、上記従来の技術によれば、無線LAN装置において、ビーコンなどの無線フレームの送出状態をモニタし、その無線フレームが送出され完了した送出完了時刻を計測しなければならない。そのため、無線フレームの送出完了時刻の計測機能を新たに実現して実装する必要がある、という問題があった。また、計測した送出完了時刻を次の無線フレームに挿入して時刻情報を通知しなければならない等の時刻同期実現のための新たなシーケンスを追加する必要があった。また、時刻ずれ算出のために2つのフレームを送信する必要があり、どちらか1つでもフレームロスとなった場合は時刻ずれを算出できず、伝送路におけるフレームロスの影響を受けやすい、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、時刻情報通知の遅延の影響を低減して無線装置間の時刻同期の精度を向上可能な時刻同期装置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、時刻マスタと時刻スレーブとから構成される無線通信システムにおいて、前記時刻マスタの時刻に同期する前記時刻スレーブの時刻同期装置であって、前記時刻マスタから受信した前記時刻マスタの時刻情報と前記時刻情報受信時の前記時刻スレーブの内部時刻とを比較して、前記時刻情報に対する前記内部時刻の時刻ずれ量を算出する時刻ずれ算出手段と、前記時刻ずれ量から算出した変動量に基づいて、前記時刻ずれ量のフィルタ処理に使用するフィルタのフィルタ時定数の切り替え判定を行うフィルタ時定数判定手段と、前記フィルタ時定数により前記時刻ずれ量のフィルタ処理を行うフィルタ処理手段と、前記時刻ずれ量をフィルタ処理した値から時刻ずれを推定する時刻ずれ推定手段と、前記時刻ずれ推定手段による時刻ずれ推定値に基づいて、前記内部時刻を補正する時刻補正手段と、を備えることを特徴とする。
本発明にかかる時刻同期装置は、時刻情報通知の遅延の影響を低減して無線装置間の時刻同期の精度を向上できる、という効果を奏する。
以下に、本発明にかかる時刻同期装置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1.
図1は、本実施の形態の無線通信システムの構成例を示す図である。無線通信システムは、基準時刻を配信する時刻マスタ1と、時刻マスタ1から配信された基準時刻を受信して自装置の内部時刻を時刻マスタ1の基準時刻に同期させる時刻スレーブ2と、から構成される。
図1は、本実施の形態の無線通信システムの構成例を示す図である。無線通信システムは、基準時刻を配信する時刻マスタ1と、時刻マスタ1から配信された基準時刻を受信して自装置の内部時刻を時刻マスタ1の基準時刻に同期させる時刻スレーブ2と、から構成される。
時刻マスタ1は、自身の持つ時刻を無線フレーム生成時に挿入して時刻スレーブ2に通知する。時刻スレーブ2は、時刻マスタ1から通知された時刻とその無線フレームを受信した時刻を比較して時刻同期を行う。このとき、時刻スレーブ2では、周囲の通信による時刻変動に対する影響を低減するためにフィルタ処理を行い、そのフィルタ処理におけるフィルタ時定数を時刻ずれの変動量に応じて可変制御する。
つぎに、時刻マスタ1の構成について説明する。時刻マスタ1は、基準時刻受信部10と、マスタ時刻設定部11と、マスタ内部時刻生成部12と、時刻情報挿入部13と、フレーム送信部14と、を備える。
基準時刻受信部10は、NTP(Network Time Protocol)におけるサーバなどから基準時刻を受信する。マスタ時刻設定部11は、基準時刻受信部10からの時刻情報を用いて自装置(時刻マスタ1)の時刻を設定する。マスタ内部時刻生成部12は、マスタ時刻設定部11からの設定情報を用いて自装置(時刻マスタ1)の内部時刻を生成する。時刻情報挿入部13は、マスタ内部時刻生成部12で生成された内部時刻を自装置(時刻マスタ1)の時刻情報としてビーコンなどの無線フレームに挿入する。フレーム送信部14は、時刻情報が挿入されたビーコンなどの無線フレームを送信する。
つぎに、時刻スレーブ2の構成について説明する。時刻スレーブ2は、フレーム受信部20と、時刻情報抽出部21と、時刻同期フィルタ部22と、スレーブ時刻設定部23と、スレーブ内部時刻生成部24と、を備える。
フレーム受信部20は、時刻マスタ1から送信されたビーコンなどの無線フレームを受信する。時刻情報抽出部21は、時刻マスタ1から受信した無線フレームに挿入された時刻マスタ1の時刻情報を抽出する。時刻同期フィルタ部22は、受信した無線フレームから抽出された時刻マスタ1の時刻情報と自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻とを比較して、時刻マスタ1の基準時刻(時刻情報)に対する自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻の時刻ずれを推定し、時刻補正量を算出する。スレーブ時刻設定部23は、時刻同期フィルタ部22で推定された時刻補正量を用いて時刻ずれを補正し、自装置(時刻スレーブ2)の時刻を設定する。スレーブ内部時刻生成部24は、スレーブ時刻設定部23からの設定情報を用いて自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻を生成する。
つづいて、時刻マスタ1と時刻スレーブ2との間で行う時刻同期の動作について説明する。
時刻マスタ1では、基準時刻受信部10は、自装置(時刻マスタ1)がネットワークに接続されている場合、NTPサーバなどから基準時刻を受信する。なお、基準時刻受信部10は、自装置(時刻マスタ1)がネットワークに接続されていない場合、マスタ内部時刻を基準時刻とする。マスタ時刻設定部11は、基準時刻受信部10で受信されたNTPサーバなどからの基準時刻を用いて自装置(時刻マスタ1)の内部時刻に設定する基準時刻を算出する。マスタ内部時刻生成部12は、マスタ時刻設定部11からの設定情報を用いて自装置(時刻マスタ1)の内部時刻を基準時刻に調整し、その調整した内部時刻をマスタ内部時刻として出力する。時刻情報挿入部13は、マスタ内部時刻生成部12で生成されたマスタ内部時刻を時刻情報としてビーコンなどの無線フレームに挿入する。フレーム送信部14は、時刻情報挿入部13において時刻情報が挿入された無線フレームを時刻スレーブ2へ送信する。
時刻スレーブ2では、フレーム受信部20は、時刻マスタ1から送信されたビーコンなどの無線フレームを受信し、また、スレーブ内部時刻生成部24で生成された内部時刻を取得し、無線フレームを受信したときの受信時刻とする。時刻情報抽出部21は、フレーム受信部20から出力された受信フレームに挿入されている時刻マスタ1の時刻情報を抽出する。また、時刻情報抽出部21は、無線フレームを受信したときの受信時刻(内部時刻)の情報を取得する。時刻同期フィルタ部22は、時刻情報抽出部21から出力された時刻マスタ1の時刻情報と無線フレームの受信時刻(内部時刻)とを比較して、時刻マスタ1の基準時刻(時刻情報)に対する自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻の時刻ずれを推定し、時刻補正量を算出する。スレーブ時刻設定部23は、時刻同期フィルタ部22で推定された時刻補正量を用いてスレーブ内部時刻生成部24に設定する時刻情報を算出する。スレーブ内部時刻生成部24は、スレーブ時刻設定部23から算出された時刻情報を設定し、設定に応じた自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻を生成する。
なお、時刻スレーブ2では、フレーム受信部20においてスレーブ内部時刻生成部24で生成された内部時刻を受信時刻として取得しているが、これに限定するものではなく、時刻情報抽出部21が、時刻情報を抽出したときに、スレーブ内部時刻生成部24で生成された内部時刻を受信時刻として取得してもよい。
ここで、時刻同期フィルタ部22の詳細な構成について説明する。図2は、本実施の形態の時刻同期フィルタ部22の構成例を示す図である。時刻同期フィルタ部22は、時刻ずれ算出部220と、フィルタ時定数判定部221と、フィルタ処理部222と、時刻ずれ推定部223と、同期判定部224と、を備える。
時刻ずれ算出部220は、時刻マスタ1の時刻情報と自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻とを比較して、時刻マスタ1の時刻情報に対する自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻の時刻ずれ量を算出する。フィルタ時定数判定部221は、時刻マスタ1の時刻情報に対する自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻の時刻ずれ変動量を算出し、時刻ずれ変動量に応じて、フィルタ処理部222で使用するフィルタ時定数の切り替え判定を行い、フィルタ時定数を設定する。フィルタ処理部222は、時刻ずれ変動量に応じたフィルタ時定数により時刻マスタ1の時刻情報に対する自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻の時刻ずれ量のフィルタ処理を行う。時刻ずれ推定部223は、時刻マスタ1の時刻情報に対する自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻の時刻ずれ量をフィルタ処理した値から、時刻ずれを推定し、時刻補正量を算出する。同期判定部224は、時刻マスタ1の時刻情報に対する自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻の時刻ずれ量をフィルタ処理した値の大きさから、時刻同期の状態を判定する。
つづいて、時刻同期フィルタ部22において、時刻マスタ1の時刻情報と自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻とを比較してから同期補正量を算出し、スレーブ時刻設定部23が時刻ずれを補正するまでの時刻同期処理の動作について説明する。図3は、時刻同期処理を示すフローチャートである。なお、一例として、時刻情報を伝達する無線フレームとしてビーコンフレームを使用する場合について説明する。
まず、時刻ずれ算出部220は、時刻情報取得処理(ステップS10)において、時刻情報抽出部21から、時刻マスタ1の時刻情報として、時刻マスタ1の無線LANモジュールから送信されたビーコンに挿入されている送信元時刻情報tT(k)[0≦k≦M-1]、および、自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻として、ビーコンを受信した時の受信時時刻情報tR(k)[0≦k≦M-1]を入力データとして取得する。なお、時刻ずれ算出部220は、この入力データの取得例としては、M個分のデータを一括して取得するものとする。
時刻ずれ算出部220は、時刻ずれ算出処理(ステップS11)として、時刻マスタ1の時刻情報に対する自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻の時刻ずれ量を算出する。算出した時刻ずれ量は、フィルタ時定数判定部221におけるフィルタ時定数の判定およびフィルタ処理部222におけるフィルタ処理に使用する。時刻ずれ算出部220は、時刻ずれ量の算出として、まず、時刻マスタ1の時刻情報である送信元時刻情報の送信側時間間隔tTD(k+1)[0≦k≦M-2]を式(1)により、また、自装置(時刻スレーブ2)の内部時刻である受信時時刻情報の受信側時間間隔tRD(k+1)[0≦k≦M-2]を式(2)により算出する。
tTD(k+1)=tT(k+1)-tT(k)、0≦k≦M-2 …(1)
tRD(k+1)=tR(k+1)-tR(k)、0≦k≦M-2 …(2)
tRD(k+1)=tR(k+1)-tR(k)、0≦k≦M-2 …(2)
時刻ずれ算出部220は、送信元時刻情報の送信側時間間隔tTD(k+1)[0≦k≦M-2]、および、受信時時刻情報の受信側時間間隔tRD(k+1)[0≦k≦M-2]を用いて、式(3)により、送信元時刻情報の送信側時間間隔に対する受信時時刻情報の受信側時間間隔のずれ量を時刻ずれ量d(k+1)[0≦k≦M-2]として算出する。
d(k+1)=tRD(k+1)-tTD(k+1)、0≦k≦M-2 …(3)
図4は、送信元時刻情報、受信時時刻情報、送信側時間間隔、受信側時間間隔、および時刻ずれ量の関係を示す図である。k=1以降では、式(1)~(3)により、送信側時刻間隔、受信側時間間隔、および時刻ずれ量を算出することができる。
つぎに、フィルタ時定数判定部221は、フィルタ時定数判定処理(ステップS12)として、算出された時刻ずれ量d(k+1)[0≦k≦M-2]に対し、以下の式(4),(5)に示す判定処理を行い、判定結果に応じて、フィルタ処理部222で使用するフィルタ時定数を決定するパラメータである忘却係数λの値を決定する。
時刻ずれ変動量が大きい場合(|d(k+1)|>Rth)、λ←λL …(4)
時刻ずれ変動量が小さい場合(|d(k+1)|<Rth)、λ←λS …(5)
時刻ずれ変動量が小さい場合(|d(k+1)|<Rth)、λ←λS …(5)
なお、判定閾値Rthは、時刻ずれ変動量を判定するためのフィルタ判定閾値である。フィルタ時定数判定部221は、忘却係数λとして、時刻ずれ変動量が大きい場合に設定するλLと、時刻ずれ変動量が小さい場合に設定するλSを準備し、時刻ずれ変動量の判定結果からフィルタ時定数を決定する忘却係数λを決定する。なお、忘却係数λL、λSの値は、λL>λSである。フィルタ時定数判定部221は、決定した忘却係数λからフィルタ時定数を決定し、フィルタ処理部222のフィルタ時定数を設定する。
つぎに、フィルタ処理部222は、フィルタ処理(ステップS13)として、時刻ずれ算出部200で算出された式(3)による時刻ずれ量d(k+1)[0≦k≦M-2]に対して、忘却係数λを用いた加重平均処理によるフィルタ処理を行い、式(6)に示すフィルタ処理結果x(k+1)[0≦k≦M-2]を算出する。
x(k+1)=λx(k)+d(k+1)、0≦k≦M-2 …(6)
なお、フィルタ処理部222は、次回のM個分のデータを取得してフィルタ処理を行う場合、前回のフィルタ処理結果の最終値を初期値として処理を行い、非同期状態などになって時刻同期の再引き込み処理を行う場合のみ、フィルタ処理結果を0にクリアする。
つぎに、時刻ずれ推定部223は、時刻ずれ推定処理(ステップS14)として、フィルタ処理部222で算出されたフィルタ処理結果x(k+1)[0≦k≦M-2]を積分処理し、式(7)に示すように、ある時刻経過後の時刻ずれ量s(k+1)[0≦k≦M-2]を算出する。
s(k+1)=s(k)+(1-λ)x(k+1)、0≦k≦M-2 …(7)
なお、時刻ずれ推定部223は、次回のM個分のデータを取得して時刻ずれ推定処理を行う場合、この時刻ずれ量の初期値は0として処理を行う。
つぎに、同期判定部224は、同期判定処理(ステップS15)として、ある時刻経過後の時刻ずれ量s(k+1)[0≦k≦M-2]に対して、以下の式(8),(9)に示す判定処理を行い、時刻同期における同期状態、非同期状態の判定を行う。
|s(k+1)|>Sth[0≦k≦M-2]の場合、非同期状態 …(8)
|s(k+1)|<Sth[0≦k≦M-2]の場合、 同期状態 …(9)
|s(k+1)|<Sth[0≦k≦M-2]の場合、 同期状態 …(9)
なお、判定閾値Sthは、同期状態を判定するための同期判定閾値である。
時刻ずれ推定部223は、取得したM個分の時刻情報データ毎に最終的な時刻ずれ量(時刻ずれ推定値)s(M-1)を時刻補正量として出力する。
そして、スレーブ時刻設定部23は、時刻ずれ補正処理(ステップS16)として、取得した時刻補正量を用いてスレーブ内部時刻生成部24に設定する時刻情報を算出する。
本実施の形態の性能評価として、ビーコンを送受信しながら周囲に通信を発生させた場合の時刻ずれの実測データを取得し、その実測データに対して本実施の形態の時刻同期フィルタ部22による時刻ずれの推定結果をシミュレーションにより評価した。図5は、時刻ずれ推定の評価結果を示す図である。時刻ずれ変動量の実測データ、フィルタ時定数固定時の時刻ずれ変動量、本実施の形態によるフィルタ時定数可変時の時刻ずれ変動量の関係を示す。周囲の通信を、最初の60秒間は発生させず、次の60秒間で発生させるという60秒間周期のパターンを繰り返すものである。この評価結果より、周囲の通信の影響によるビーコンの送信遅延が発生した場合でも、その影響を低減しながら送受の周波数発振器による時刻ずれの推定ができることがわかる。
以上説明したように、本実施の形態では、時刻同期装置において、周囲の通信による時刻変動に対する影響を低減するためにフィルタ処理を行い、そのフィルタ時定数を時刻変動の変動量に応じて可変制御し、その変動量が設定した閾値に対して大きい場合は無線フレームの送信待機の影響による時刻ずれと判断しフィルタ時定数を大きくしてその変動に対する追従性を抑制し、その変動量が設定した閾値に対して小さい場合は通信装置間の周波数発振器による時刻ずれと判断しフィルタ時定数を小さくする制御を行う構成とした。これにより、送受信の周波数ずれによる時刻変動に追従させながら通信装置間の影響による時刻ずれの影響を低減し、無線LAN通信システム、特に、CSMAを使用した環境でも精度の良い時刻同期を実現することができる。
実施の形態2.
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる忘却係数λの決定方法について説明する。
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる忘却係数λの決定方法について説明する。
実施の形態1では、フィルタ時定数判定部221は、式(4),(5)に示すように、時刻ずれ量d(k+1)と判定閾値Rthとの比較によって忘却係数λを決定してフィルタ時定数を決定した。本実施の形態では、判定閾値Rthに対して同じ状態が連続してD回成立した場合にフィルタ時定数を切り替える処理を行う。図6は、本実施の形態のフィルタ時定数の切り替え処理を示す図である。また、本実施の形態における忘却係数λの決定方法を式(10),(11)に示す。
|d(k+1)|>Rth[0≦k≦M-2]が連続D回成立の場合、λ←λL
…(10)
|d(k+1)|<Rth[0≦k≦M-2]が連続D回成立の場合、λ←λS
…(11)
…(10)
|d(k+1)|<Rth[0≦k≦M-2]が連続D回成立の場合、λ←λS
…(11)
図6および式(10),(11)に示すように、フィルタ時定数判定部221は、現在の状態として時刻ずれ変動量が小さい場合(S20)はフィルタ時定数ではその値が小さい忘却係数λSであるが、この状態から時刻ずれ変動量の絶対値が判定閾値Rthより大きくなりその状態が連続してD回成立した場合、時刻ずれ変動量が大きい場合(S21)のフィルタ時定数の忘却係数λLに切り替える処理を行う。
また、フィルタ時定数判定部221は、現在の状態として時刻ずれ変動量が大きい場合(S21)はフィルタ時定数ではその値が大きい忘却係数λLであるが、この状態から時刻ずれ変動量の絶対値が判定閾値Rthより小さくなりその状態が連続してD回成立した場合、時刻ずれ変動量が小さい場合(S20)のフィルタ時定数の忘却係数λSに切り替える処理を行う。
以上説明したように、本実施の形態では、フィルタ時定数判定部221は、判定閾値Rthに対する状態が連続してD回成立した場合にフィルタ時定数を切り替える処理を行う構成とした。これにより、時刻ずれ変動量に対する変動状態の誤検知を防ぎ、時刻ずれの変動に対する要因が周波数発振器に起因するものか、あるいは、送信待機による遅延に起因するものかなどの変動状況に応じた正確な時定数の切り替えを実現することができる。
実施の形態3.
本実施の形態では、実施の形態2に示すフィルタ時定数の切り替え処理に対して、フィルタ処理の開始データを、判定に用いたデータから処理する方法について説明する。
本実施の形態では、実施の形態2に示すフィルタ時定数の切り替え処理に対して、フィルタ処理の開始データを、判定に用いたデータから処理する方法について説明する。
図7は、本実施の形態の時刻同期フィルタ部22aの構成を示す図である。時刻同期フィルタ部22aは、時刻ずれ算出部220と、フィルタ時定数判定部221と、フィルタ処理部222と、時刻ずれ推定部223と、同期判定部224と、遅延処理部225と、を備える。遅延処理部225は、フィルタ時定数の切り替え判定に要した無線フレーム数(ビーコン数)だけ遅延処理を行う。その他の構成は実施の形態1,2(図2参照)と同様である。
実施の形態2で説明した忘却係数λを決定する式(10),(11)では、フィルタ時定数判定部221において、フィルタ時定数の切り替え判定時の結果出力に無線フレーム数(ビーコン数)のD個分の処理時間が発生する。そのため、フィルタ時定数判定部221のフィルタ時定数の切り替え判定結果が正確に反映できるように、遅延処理部225では、フィルタ処理の開始データをD個分前のデータから処理するように遅延調整を行う。
これは、フィルタ時定数の切り替え判定でD回の判定が連続して成立した場合に時定数の切り替えが必要な状況はD回前から発生していると考えられるため、本実施の形態では、実際のフィルタ時定数切り替え後の計算をD回前に遡って計算を行うことにより、時刻ずれの変動による誤差を低減する。
図8は、フィルタ時定数切り替えタイミングの補正効果を示す図である。時刻ずれ変動量の実測データ、補正ありのときの時刻ずれ変動量、補正なしのときの時刻ずれ変動量の関係を示し、図8の下図は、図8の上図の一部を拡大したものである。
フィルタ時定数判定部221は、フィルタ時定数の切り替え判定でD回(この場合はD=6)の判定が連続して成立した場合に、フィルタ時定数の切り替え判定を行う。図8において、時刻変動が大きくなり始めたD回前(この場合はD=6)に遡って切り替え判定後のフィルタ時定数でフィルタ処理部222がフィルタ処理を行ったものを「補正あり」で示し、フィルタ時定数の切り替え判定時点から切り替え判定後のフィルタ時定数でフィルタ処理部222がフィルタ処理を行ったものを「補正なし」で示す。このように、フィルタ処理部222では、遅延処理部225による「補正あり」でフィルタ処理を行うことにより、遅延処理部225による「補正なし」でフィルタ処理を行う場合と比較して、CSMAの送信待機による遅延の影響をさらに低減可能であることを確認することができる。
なお、本実施の形態では、フィルタ処理部222の前段に遅延処理部225を設ける構成としたが、これに限定するものではなく、フィルタ処理部222において、遅延処理部225に相当する遅延処理を行うようにしてもよい。
以上説明したように、本実施の形態では、フィルタ時定数の切り替え判定時の結果出力に無線フレーム数(ビーコン数)のD個分の処理時間が発生するため、フィルタ時定数の切り替え判定結果が正確に反映できるように、フィルタ処理の開始データをD個分前のデータから処理する構成とした。これにより、CSMAの送信待機による遅延の影響に起因する時定数切り替え時の時刻ずれの誤差を低減することができる。
実施の形態4.
本実施の形態では、時刻ずれ推定部223が、スレーブ時刻設定部23に対して、初期時刻ずれ量を含めて時刻補正量を出力する場合について説明する。
本実施の形態では、時刻ずれ推定部223が、スレーブ時刻設定部23に対して、初期時刻ずれ量を含めて時刻補正量を出力する場合について説明する。
図9は、スレーブ時刻設定部23が時刻ずれ推定部223からの時刻補正量に基づいて自装置(時刻スレーブ2)の時刻を補正した場合の時刻ずれの変化量を示す図である。
実施の形態1では、時刻ずれ推定部223は、式(7)に基づく最終的な時刻ずれ量(時刻ずれ推定値)s(M-1)を取得したM個分の時刻情報データ毎に時刻補正量として出力し、スレーブ時刻設定部23は、時刻ずれ推定部223からの時刻補正量を用いて補正していた。
本実施の形態では、図9に示すように、時刻ずれ推定部223は、フィルタ処理開始時における送信元時刻情報に対する受信時時刻情報の時刻ずれ量(初期時刻ずれ量)tR(0)-tT(0)、および、最終的な時刻ずれ量(時刻ずれ推定値)s(M-1)を時刻補正量として出力し、スレーブ時刻設定部23は、時刻ずれ推定部223からの時刻補正量である初期時刻ずれ量tR(0)-tT(0)、および、時刻ずれ推定値s(M-1)を、現在の自装置(時刻スレーブ2)の受信時時刻情報から差し引いて補正することにより、時刻マスタ1の送信元時刻情報に同期した時刻に修正することができる。なお、スレーブ時刻設定部23において、初期時刻ずれ量tR(0)-tT(0)による時刻補正は、フィルタ処理開始時にのみ行うものとし、それ以降の時刻補正では、時刻ずれ推定値s(M-1)のみで補正を行う。
以上説明したように、本実施の形態では、スレーブ時刻設定部23は、フィルタ処理開始時には、初期時刻ずれ量tR(0)-tT(0)、および、時刻ずれ推定値s(M-1)を時刻補正量として、自装置(時刻スレーブ2)の時刻補正を行い、それ以降は時刻ずれ推定値s(M-1)のみで時刻補正を行う構成とした。これにより、フィルタ処理開始時の初期の時刻ずれ量を含めた補正を行うことができ、時刻スレーブ2の時刻を時刻マスタ1の時刻に初期の時刻ずれも含めて同期させる処理を実現することができる。
実施の形態5.
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる同期状態の判定方法について説明する。
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる同期状態の判定方法について説明する。
実施の形態1では、同期判定部224は、式(8),(9)に示すように、ある時刻経過後の時刻ずれ量s(k+1)と判定閾値Sthとの比較によって同期状態を判定していた。本実施の形態では、判定閾値Sthに対して同じ状態が連続してE回成立した場合に同期状態の判定を切り替える処理を行う。図10は、本実施の形態の同期状態の判定処理を示す図である。また、本実施の形態における同期状態の判定方法を式(12),(13)に示す。
|s(k+1)|>Sth[0≦k≦M-2]が連続E回成立の場合、非同期状態
…(12)
|s(k+1)|<Sth[0≦k≦M-2]が連続E回成立の場合、 同期状態
…(13)
…(12)
|s(k+1)|<Sth[0≦k≦M-2]が連続E回成立の場合、 同期状態
…(13)
図10および式(12),(13)に示すように、同期判定部224は、現在の状態が非同期状態(S30)であるが、この状態から時刻ずれ量の絶対値が判定閾値Sthより小さくなりその状態が連続してE回成立した場合、同期状態(S31)に切り替える処理を行う。
また、同期判定部224は、現在の状態が同期状態(S31)であるが、この状態から時刻ずれ量の絶対値が判定閾値Sthより大きくなりその状態が連続してE回成立した場合、非同期状態(S30)に切り替える処理を行う。
以上説明したように、本実施の形態では、同期判定部224は、判定閾値Sthに対する状態が連続してE回成立した場合に同期状態の判定を切り替える処理を行う構成とした。これにより、時刻同期における同期状態の誤判定を防ぎ、同期状態、非同期状態の正確な判定を実現することができる。
実施の形態6.
本実施の形態では、複数の時刻スレーブを有する無線通信システムにおいて、時刻マスタと時刻同期を行った時刻スレーブが、他の時刻スレーブと時刻同期を行う場合について説明する。
本実施の形態では、複数の時刻スレーブを有する無線通信システムにおいて、時刻マスタと時刻同期を行った時刻スレーブが、他の時刻スレーブと時刻同期を行う場合について説明する。
図11は、本実施の形態の無線通信システムの構成例を示す図である。無線通信システムは、基準時刻を配信する時刻マスタ1と、時刻マスタ1から配信された基準時刻を受信して自装置の内部時刻を時刻マスタ1の基準時刻に同期させる1段目の時刻スレーブ2aと、時刻スレーブ2aから配信された基準時刻を受信して自装置の内部時刻を時刻スレーブ2aの基準時刻に同期させる2段目の時刻スレーブ2と、から構成される。
時刻マスタ1では、時刻同期の対象が時刻スレーブ2から時刻スレーブ2aに変更されているが、構成および動作は実施の形態1と同様である。時刻スレーブ2aは、時刻マスタ1から通知された時刻とその無線フレームを受信した時刻を比較して時刻同期を行う。このとき、時刻スレーブ2aでは、周囲の通信による時刻変動に対する影響を低減するためにフィルタ処理を行い、そのフィルタ処理におけるフィルタ時定数を時刻ずれの変動量に応じて可変制御する。また、時刻スレーブ2aは、自身の持つ時刻を無線フレーム生成時に挿入して時刻スレーブ2に通知する。時刻スレーブ2では、時刻同期の対象が時刻マスタ1から時刻スレーブ2aに変更されているが、構成および動作は実施の形態1と同様である。
つぎに、時刻スレーブ2aの構成について説明する。時刻スレーブ2aは、フレーム受信部20と、時刻情報抽出部21と、時刻同期フィルタ部22と、スレーブ時刻設定部23と、スレーブ内部時刻生成部24と、時刻同期開始部25と、時刻情報挿入部26と、フレーム送信部27と、を備える。時刻同期開始部25は、時刻同期フィルタ部22の同期判定結果に基づいて時刻スレーブ2に対する時刻同期を開始する。時刻情報挿入部26は、自装置(時刻スレーブ2a)の内部時刻から生成された時刻情報をビーコンなどの無線フレームに挿入する。フレーム送信部27は、時刻情報が挿入されたビーコンなどの無線フレームを送信する。なお、時刻情報挿入部26およびフレーム送信部27で、時刻情報送信手段を構成する。
つづいて、時刻マスタ1、時刻スレーブ2a、時刻スレーブ2との間で行う時刻同期の動作について説明する。なお、時刻マスタ1と時刻スレーブ2aとの間の時刻同期の動作は実施の形態1と同様のため省略し、時刻スレーブ2aと時刻スレーブ2との間の時刻同期の動作について説明する。
時刻スレーブ2aでは、時刻同期開始部25は、時刻同期フィルタ部22からの同期判定結果に基づいて、時刻同期の状態が同期状態と判定された場合に、自装置(時刻スレーブ2a)から時刻スレーブ2に対する時刻同期の開始を指示する。時刻情報挿入部26は、スレーブ内部時刻生成部24で生成された内部時刻を時刻情報としてビーコンなどの無線フレームに挿入する。なお、時刻情報挿入部26では、スレーブ内部時刻生成部24から直接内部時刻を取得してもよいし、時刻同期開始を指示した時刻同期開始部25がスレーブ内部時刻生成部24から内部時刻を取得し、時刻同期開始部25から内部時刻を取得してもよい。フレーム送信部27は、時刻情報挿入部26において時刻情報が挿入された無線フレームを時刻スレーブ2へ送信する。
時刻スレーブ2では、時刻スレーブ2aから配信された時刻情報を受信して自装置の内部時刻を時刻スレーブ2aの時刻情報に同期させる処理を行う。時刻スレーブ2における時刻情報の動作は、実施の形態1と同様である。
時刻スレーブの段数がさらに増えて従属に3段以上になる無線通信システムでは、最も後段の時刻スレーブの構成を時刻スレーブ2とし、時刻マスタ1と時刻スレーブ2との間に配置されている時刻スレーブの構成を時刻スレーブ2aとする。これにより、各装置間で時刻同期を繰り返し行うことができ、システム内の全時刻スレーブの時刻を時刻マスタ1に合わせた時刻同期を行うことができる。なお、図11において、最も後段(2段目)の時刻スレーブを、時刻同期開始部25等を備えていない時刻スレーブ2の構成としているが、最も後段(2段目)の時刻スレーブを、時刻スレーブ2aの構成にしてもよい。
図12は、複数台の時刻スレーブが従属に多段接続した場合の時刻同期の処理を示すシーケンス図である。
時刻マスタ1は、時刻同期開始(ステップS40)時に、時刻スレーブ2aに時刻情報をビーコンフレーム等で送信する(ステップS41-1~M)。
時刻スレーブ2aは、時刻マスタ1から受信した時刻情報を用いて時刻同期処理を行い、時刻マスタ1の時刻に同期する。時刻スレーブ2aは、時刻同期の判定処理により時刻マスタ1の時刻への時刻同期完了を判定し(ステップS42)、時刻スレーブ2に対する時刻同期を開始する(ステップS43)。時刻スレーブ2aは、時刻同期開始(ステップS43)時に、時刻スレーブ2に時刻情報をビーコンフレーム等で送信する(ステップS44-1~M)。
時刻スレーブ2は、時刻スレーブ2aから受信した時刻情報を用いて時刻同期処理を行い、時刻スレーブ2aの時刻に同期する。時刻スレーブ2は、時刻同期の判定処理により時刻スレーブ2aの時刻への時刻同期完了を判定し(ステップS45)、これ以降従属に接続する時刻スレーブがなければ、時刻同期処理を完了する。なお、時刻スレーブの段数が2段以上ある場合は、現在の時刻スレーブ2の構成を時刻スレーブ2aの構成に置き換える。これにより、無線通信システムでは、以降の時刻スレーブに対して時刻同期処理を繰り返し行うことにより、システム内の全時刻スレーブの時刻を時刻マスタ1に合わせた時刻同期を行うことができる。
システム内の全時刻スレーブの時刻同期が完了した後も、時刻マスタ1では、時刻スレーブ2aに時刻情報をビーコンフレーム等で定期的に送信する(ステップS41-n)。
時刻スレーブ2aは、周波数発振器等に起因する時刻マスタ1の時刻変動に追従するように時刻補正を行う(ステップS46)。また、時刻スレーブ2aは、時刻スレーブ2に時刻情報をビーコンフレーム等で定期的に送信する(ステップS44-n)。
時刻スレーブ2は、周波数発振器等に起因する時刻スレーブ2aの時刻変動に追従するように時刻補正を行う(ステップS47)。時刻スレーブの段数が3段以上の場合でも、これを繰り返し行うことにより、無線通信システム内の全時刻スレーブの時刻を時刻マスタ1に合わせた時刻同期の補正を行う。なお、図12において、ステップS41-n以降においては図示を簡略化しているが、ステップS45までと同様に、M個の時刻情報を用いて時刻同期を行うものとする。
以上説明したように、本実施の形態では、時刻マスタ1が持つ時刻を周辺に通知し、時刻マスタ1と通信可能な範囲にある1段目の時刻スレーブ2aは時刻マスタ1の内部時刻と同期し、時刻スレーブ2aは同期した時刻を周辺に通知し、時刻スレーブ2aと通信可能な範囲にある2段目の時刻スレーブ2は時刻スレーブ2aに同期し、これを繰り返し行う構成とした。これにより、システム内の全時刻スレーブの時刻を時刻マスタ1に合わせた時刻同期を実現することができる。
以上のように、本発明にかかる時刻同期装置は、無線通信システムに有用であり、特に、通信装置間の時刻同期に適している。
1 時刻マスタ、2,2a 時刻スレーブ、10 基準時刻受信部、11 マスタ時刻設定部、12 マスタ内部時刻生成部、13 時刻情報挿入部、14 フレーム送信部、20 フレーム受信部、21 時刻情報抽出部、22 時刻同期フィルタ部、23 スレーブ時刻設定部、24 スレーブ内部時刻生成部、25 時刻同期開始部、26 時刻情報挿入部、27 フレーム送信部、220 時刻ずれ算出部、221 フィルタ時定数判定部、222 フィルタ処理部、223 時刻ずれ推定部、224 同期判定部、225 遅延処理部。
Claims (7)
- 時刻マスタと時刻スレーブとから構成される無線通信システムにおいて、前記時刻マスタの時刻に同期する前記時刻スレーブの時刻同期装置であって、
前記時刻マスタから受信した前記時刻マスタの時刻情報と前記時刻情報受信時の前記時刻スレーブの内部時刻とを比較して、前記時刻情報に対する前記内部時刻の時刻ずれ量を算出する時刻ずれ算出手段と、
前記時刻ずれ量から算出した変動量に基づいて、前記時刻ずれ量のフィルタ処理に使用するフィルタのフィルタ時定数の切り替え判定を行うフィルタ時定数判定手段と、
前記フィルタ時定数により前記時刻ずれ量のフィルタ処理を行うフィルタ処理手段と、
前記時刻ずれ量をフィルタ処理した値から時刻ずれを推定する時刻ずれ推定手段と、
前記時刻ずれ推定手段による時刻ずれ推定値に基づいて、前記内部時刻を補正する時刻補正手段と、
を備えることを特徴とする時刻同期装置。 - 前記フィルタ時定数判定手段は、前記時刻ずれ量と前記フィルタ時定数の切り替え判定に使用するフィルタ判定閾値とを比較し、前記フィルタ判定閾値に対する前記時刻ずれ量の大小関係において、現在のフィルタ時定数に対応する状態とは異なる大小関係の状態が複数回連続して成立した場合に、前記フィルタ時定数を切り替える、
ことを特徴とする請求項1に記載の時刻同期装置。 - さらに、
前記時刻ずれ算出手段で算出された前記時刻ずれ量に対して遅延処理を行って前記フィルタ処理手段へ出力する遅延処理手段、
を備え、
前記フィルタ処理手段は、前記フィルタ判定閾値に対する状態が連続して複数回成立した場合の前記フィルタ時定数の切り替え処理タイミングを、その状態が始まった時点の前記時刻ずれ量に遡ってフィルタ処理を行う、
ことを特徴とする請求項2に記載の時刻同期装置。 - 前記時刻補正手段は、時刻同期開始時には前記時刻情報の初期値と前記内部時刻の初期値とから算出した初期時刻ずれ量、および前記時刻ずれ推定手段による前記時刻ずれ推定値に基づいて、前記内部時刻を補正し、以降は前記時刻ずれ推定手段による前記時刻ずれ推定値に基づいて、前記内部時刻を補正する、
ことを特徴とする請求項1に記載の時刻同期装置。 - さらに、
前記時刻ずれ推定値に基づいて、前記時刻マスタに対して前記時刻スレーブが同期状態か非同期状態かの同期判定を行う時刻同期判定手段、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の時刻同期装置。 - 前記時刻同期判定手段は、前記時刻ずれ推定値と前記同期判定に使用する同期判定閾値とを比較し、前記同期判定閾値に対する前記時刻ずれ推定値の大小関係において、現在の状態に対応する大小関係とは異なる状態が複数回連続して成立した場合に、同期状態または非同期状態の判定を切り替える、
ことを特徴とする請求項5に記載の時刻同期装置。 - 前記無線通信システムに前記時刻スレーブが複数含まれ、前記時刻マスタと直接時刻同期できない時刻スレーブがある場合に、
さらに、
前記時刻同期判定手段で同期状態と判定されている場合に、他の時刻スレーブに対する時刻同期開始を判定する時刻同期開始手段と、
自時刻スレーブの前記内部時刻から生成された時刻情報を、他の時刻スレーブへ送信する時刻情報送信手段と、
を備えることを特徴とする請求項5または6に記載の時刻同期装置。
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