特許 7586487 時刻同期装置及びネットワーク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】時刻同期装置及びネットワーク

(51)【国際特許分類】

   H04L 7/00 20060101AFI20241112BHJP

   G04G 7/00 20060101ALI20241112BHJP

   H04L 7/033 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

H04L7/00 990

G04G7/00

H04L7/033

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021063282

(22)【出願日】2021-04-02

(65)【公開番号】P2022158404

(43)【公開日】2022-10-17

【審査請求日】2024-03-14

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢野 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】井戸 哲也

(72)【発明者】

【氏名】原 基揚

【審査官】阿部 弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１４７１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０４９４７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｌ ７／００

Ｇ０４Ｇ ７／００

Ｈ０４Ｌ ７／０３３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

自装置と他装置との周波数差情報を用いて、前記他装置と時刻同期する時刻同期装置であって、
前記他装置からデータを受信し、受信した前記データに含まれるクロック信号を再生する通信部と、
前記自装置のクロック信号を生成し、生成した前記クロック信号をカウントするクロック部と、
前記クロック部と前記通信部とのクロック信号の周波数を比較することで、前記自装置と前記他装置との周波数差情報を生成する第１周波数比較部と、
最尤推定処理により、前記周波数差情報から各時刻同期装置の時刻情報を推定する時刻推定部と、
前記時刻推定部が推定した自装置の時刻情報に基づいて、前記クロック部のカウンタ値を補正するカウンタ値補正部と、
前記クロック部が生成したクロック信号で位相同期する位相同期部と、
前記クロック部と前記位相同期部とのクロック信号の周波数を比較する第２周波数比較部と、
前記第２周波数比較部の比較結果に基づいて、前記位相同期部の分周比を補正する分周比補正部と、
を備えることを特徴とする時刻同期装置。

【請求項2】

前記通信部は、前記他装置から前記周波数差情報を受信し、
前記第１周波数比較部は、前記自装置に接続されている他装置と前記自装置との周波数差情報を生成し、
前記時刻推定部は、前記最尤推定処理により、前記通信部が受信した周波数差情報及び前記第１周波数比較部が生成した周波数差情報から各時刻同期装置の前記時刻情報を推定することを特徴とする請求項１に記載の時刻同期装置。

【請求項3】

前記通信部は、前記周波数差情報と共に前記クロック信号のカウンタ値を受信し、
前記時刻推定部は、前記カウンタ値を参照し、同一時刻の前記周波数差情報から各時刻同期装置の前記時刻情報をカルマンフィルタで推定することを特徴とする請求項２に記載の時刻同期装置。

【請求項4】

自装置と他装置との周波数差情報を用いて、前記他装置と時刻同期する時刻同期装置であって、
前記他装置からデータを受信し、受信した前記データに含まれるクロック信号を再生する通信部と、
前記自装置のクロック信号を生成し、生成した前記クロック信号をカウントするクロック部と、
前記クロック部と前記通信部とのクロック信号の周波数を比較することで、前記自装置と前記他装置との周波数差情報を生成する第１周波数比較部と、
時刻情報を推定する時刻同期装置に前記周波数差情報を送信する周波数差情報送信部と、
前記時刻情報を推定する時刻同期装置から受信した自装置の時刻情報に基づいて、前記クロック部のカウンタ値を補正するカウンタ値補正部と、
前記クロック部が生成したクロック信号で位相同期する位相同期部と、
前記クロック部と前記位相同期部とのクロック信号の周波数を比較する第２周波数比較部と、
前記第２周波数比較部の比較結果に基づいて、前記位相同期部の分周比を補正する分周比補正部と、
を備えることを特徴とする時刻同期装置。

【請求項5】

前記通信部は、前記時刻情報を推定する時刻同期装置に、前記周波数差情報と共に前記カウンタ値を送信することを特徴とする請求項４に記載の時刻同期装置。

【請求項6】

請求項１から請求項３の何れか一項に記載された時刻同期装置と、
請求項４又は請求項５に記載された時刻同期装置と、
を備えるネットワーク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、時刻同期を行う時刻同期装置及びネットワークに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、各ノードの時刻の同時性を確保するために、ＮＴＰ（Network Time Protocol）、ＰＴＰ（Precision Time Protocol）、ＷｈｉｔｅＲａｂｂｉｔなどの有線を利用する方式や、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）などの無線を利用する方式が提案されている（非特許文献１及び２）。

【0003】

ＮＴＰ及びＰＴＰは、簡易な構成で、多数のノードに対して時刻情報を提供できる。ＷｈｉｔｅＲａｂｂｉｔは、ハードウェアに実装された専用ＩＣにより、ノード間で数ナノ秒程度の高精度な時刻情報を提供できる。ＧＳＮＮは、衛星からの電波を受信することで、数十マイクロ秒程度の高精度な時刻情報を提供できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】「ＮＴＰとは」、一般社団法人日本ネットワークインフォメーションセンター、［online］、［令和３年３月１５日検索］、インターネット<URL：https://www.nic.ad.jp/ja/basics/terms/ntp.html>

【文献】「ＧＮＳＳとは」、国土地理院、［online］、［令和３年３月１５日検索］、インターネット<URL：https://terras.gsi.go.jp/geo_info/GNSS.html>

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ＮＴＰ及びＰＴＰは、アプリケーション層の通信プロトコル方式であり、高精度な時刻同期が困難である。ＷｈｉｔｅＲａｂｂｉｔは、各ノードに専用ＩＣが必要であり、マスター・スレーブの関係により多数のノードに時刻を提供するには構成が複雑になる。ＧＮＳＳでは、アンテナの不具合、太陽風などの電波環境の劣化、及び、妨害電波に対して脆弱であり、信頼性の担保が困難である。

【0006】

そこで、本発明は、簡易な構成で、時刻同期の精度及び信頼性が高い時刻同期装置及びネットワークを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するため、本発明に係る時刻同期装置は、自装置と他装置との周波数差情報を用いて、前記他装置と時刻同期する時刻同期装置であって、前記他装置からデータを受信し、受信した前記データに含まれるクロック信号を再生する通信部と、前記自装置のクロック信号を生成し、生成した前記クロック信号をカウントするクロック部と、前記クロック部と前記通信部とのクロック信号の周波数を比較することで、前記自装置と前記他装置との周波数差情報を生成する第１周波数比較部と、最尤推定処理により、前記周波数差情報から各時刻同期装置の時刻情報を推定する時刻推定部と、前記時刻推定部が推定した自装置の時刻情報に基づいて、前記クロック部のカウンタ値を補正するカウンタ値補正部と、前記クロック部が生成したクロック信号で位相同期する位相同期部と、前記クロック部と前記位相同期部とのクロック信号の周波数を比較する第２周波数比較部と、前記第２周波数比較部の比較結果に基づいて、前記位相同期部の分周比を補正する分周比補正部と、を備える構成とした。

【0008】

また、前記課題を解決するため、本発明に係る時刻同期装置は、自装置と他装置との周波数差情報を用いて、前記他装置と時刻同期する時刻同期装置であって、前記他装置からデータを受信し、受信した前記データに含まれるクロック信号を再生する通信部と、前記自装置のクロック信号を生成し、生成した前記クロック信号をカウントするクロック部と、前記クロック部と前記通信部とのクロック信号の周波数を比較することで、前記自装置と前記他装置との周波数差情報を生成する第１周波数比較部と、時刻情報を推定する時刻同期装置に前記周波数差情報を送信する周波数差情報送信部と、前記時刻情報を推定する時刻同期装置から受信した自装置の時刻情報に基づいて、前記クロック部のカウンタ値を補正するカウンタ値補正部と、前記クロック部が生成したクロック信号で位相同期する位相同期部と、前記クロック部と前記位相同期部とのクロック信号の周波数を比較する第２周波数比較部と、前記第２周波数比較部の比較結果に基づいて、前記位相同期部の分周比を補正する分周比補正部と、を備える構成とした。

【0009】

かかる構成によれば、ノードは、時刻を単純に比較するのではなく、専用ＩＣを用いずに、物理層ベースでクロック信号の周波数を比較する。また、ノードは、ＧＮＳＳのように衛星からの電波を利用しないので、電波環境の劣化や妨害電波の影響を受けにくくなる。従って、ノードは、簡易な構成を実現し、時刻同期の精度及び信頼性を向上させることができる。

【0010】

なお、本発明は、前記した時刻同期装置で構成されたネットワークで実現することもできる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、簡易な構成で、時刻同期の精度及び信頼性が高い時刻同期装置及びネットワークを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係るネットワークの概略構成図である。

【図2】実施形態において、時刻情報を推定するノードの構成を示すブロック図である。

【図3】実施形態において、時刻情報を推定しないノードの構成を示すブロック図である。

【図4】図２のノードの動作を示すフローチャートである。

【図5】図３のノードの動作を示すフローチャートである。

【図6】比較例におけるシミュレーション結果を示すグラフである。

【図7】実施例におけるシミュレーション結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

【0014】

［ネットワークの全体構成］
図１を参照し、実施形態に係るネットワーク１の全体構成について説明する。
ネットワーク１は、複数のノード（時刻同期装置）２で構成されており、各ノード２が時刻同期を行って通信するものである。ここで、ネットワーク１は、有線通信回線又は無線通信回線を介して、隣接するノード２が多対一で接続されており、片方向通信及び双方向通信の何れも可能である。また、ネットワーク１は、後記するように物理層ベースで各ノード２が時刻同期を行う。

【0015】

図１に示すように、ネットワーク１は、時刻情報を推定するノード２Ａを少なくとも１台備えている。図１の例では、ネットワーク１は、時刻情報を推定する１台のノード２Ａ、時刻情報を推定しない４台のノード２Ｂ（２Ｂ_１～２Ｂ_４）、計５台のノード２で構成されている。ノード２Ａは、ノード２Ｂ_１～２Ｂ_３に接続されているが、ノード２Ｂ_４には接続されていない。また、ノード２Ａは、他のネットワークに属するノード９（例えば、絶対時刻源）にも接続されており、このノード９と片方向通信を行う。また、ノード２Ｂ_１～２Ｂ_４は、同一の構成である。

【0016】

ノード２は、自ノードと他ノードとの周波数差情報を用いて他ノードと時刻同期し、データを通信するものである。例えば、ノード２は、チップスケール原子時計、コンパクトな光時計などの原子時計や分子時計を搭載したコンピュータや携帯端末である。

【0017】

なお、「自ノード（自装置）」とはそのノード２自体を指し、「他ノード（他装置）と」はそのノード２以外のノード２を指すこととする。
また、ノード９は、ネットワーク１に属さない一般的なノードであるため、詳細な説明を省略する。

【0018】

［時刻情報を推定するノードの構成］
図２を参照し、時刻情報を推定するノード２Ａの構成について説明する。
ノード２Ａは、自ノードの時刻情報と、自ノードに接続されている他ノードの時刻情報と、自ノードに接続されていない他ノードの時刻情報とを推定するノードである。以後、自ノードに接続されている他ノードを「接続ノード」と略記し、自ノードに接続されていない他ノードを「非接続ノード」と略記する場合がある。

【0019】

図２に示すように、ノード２Ａは、通信モジュール（通信部）１０と、高精度クロックモジュール（クロック部）２０と、第１位相・周波数比較モジュール（第１周波数比較部）３０と、メモリ４０と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５０と、フラクショナルＰＬＬ回路（位相同期部）６０と、第２位相・周波数比較モジュール（第２周波数比較部）７０とを備える。

【0020】

通信モジュール１０は、接続ノード（例えば、ノード２Ｂ_１～２Ｂ_３）と通信を行うものである。ここで、通信モジュール１０は、接続ノードからデータを受信し、受信したデータに含まれるクロック信号を再生する。

【0021】

また、通信モジュール１０は、他ノードに周波数差情報を要求する。例えば、通信モジュール１０は、後記するカウンタ２１０が予め設定された回数だけカウントされた場合、周波数差情報を要求する。ここで、ネットワーク１が初期状態の場合、通信モジュール１０は、ネットワーク１の全ノード２に周波数差情報の要求をブロードキャストする。一方、ネットワーク１が構築されている場合、通信モジュール１０は、接続ノードに周波数差情報を要求する。さらに、通信モジュール１０は、非接続ノードの周波数差情報を、その非接続ノードに隣接する接続ノード（例えば、ノード２Ｂ_３）に要求する。

【0022】

その後、通信モジュール１０は、周波数差情報の要求に応じて他ノードから周波数差情報を受信し、ＣＰＵ５０を介して又はＤＭＡ（Direct Memory Access）によって、受信した周波数差情報をメモリ４０に書き込む。

【0023】

図２に示すように、通信モジュール１０は、ＰＨＹ（Physical Layer）１１と、ＭＡＣ（Medium Access Controller）１２とを備える。
ＰＨＹ１１は、物理層の機能を実装したものであり、有線通信回線又は無線通信回線にＭＡＣ１２を接続する。また、ＰＨＹ１１は、クロックデータリカバリ（ＣＤＲ：Clock and Data Recovery）１１０を備える。

【0024】

クロックデータリカバリ１１０は、接続ノード（例えば、ノード２Ｂ_１～２Ｂ_３）から受信したデータに含まれるクロック信号を再生（リカバリ）ものである。例えば、クロックデータリカバリ１１０は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路やインターポレータを用いて、クロック信号を再生する。この再生したクロック信号は、接続ノードに位相同期している。そして、クロックデータリカバリ１１０は、再生した接続ノードのクロック信号を第１位相・周波数比較モジュール３０に出力する。

【0025】

ＭＡＣ１２は、接続ノードとの通信制御を行うものであり、一般的なものである。例えば、ＭＡＣ１２は、通信モジュール１０が受信したデータ（非接続ノードであるノード２Ｂ_４についての周波数差情報を含む）をＣＰＵ５０に出力する。

【0026】

高精度クロックモジュール２０は、自ノードのクロック信号を生成し、生成したクロック信号をカウントするものである。図２に示すように、高精度クロックモジュール２０は、安定化クロック２００と、カウンタ２１０とを備える。

【0027】

安定化クロック２００は、例えば、自ノードのクロック信号を生成するチップスケール原子時計、コンパクトな光時計などの原子時計又は分子時計である。そして、安定化クロック２００は、生成した自ノードのクロック信号を第１位相・周波数比較モジュール３０及び第２位相・周波数比較モジュール７０に出力する。
カウンタ２１０は、安定化クロック２００が生成したクロック信号の個数をカウントする一般的なものである。また、カウンタ２１０は、後記するカウンタ値補正部５１０からの指示に基づいて、そのカウンタ値を変更する。

【0028】

第１位相・周波数比較モジュール３０は、通信モジュール１０と高精度クロックモジュール２０とのクロック信号の周波数を比較することで、自ノードと接続ノードとの周波数差情報を生成するものである。つまり、第１位相・周波数比較モジュール３０は、安定化クロック２００から入力された自ノードのクロック信号と、クロックデータリカバリ１１０から入力された接続ノードのクロック信号との周波数の差分を求め、周波数差情報を生成する。例えば、第１位相・周波数比較モジュール３０としては、ＤＭＴＤ（Dual Mixer Time Difference System)があげられる。そして、第１位相・周波数比較モジュール３０は、ＣＰＵ５０を介して又はＤＭＡによって、生成した周波数差情報をメモリ４０に書き込む。

【0029】

メモリ４０は、所定期間（例えば、０．１秒～１．０秒）の周波数差情報を蓄積するＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ(Solid State Drive)などの記憶装置である。

【0030】

ＣＰＵ５０は、ノード２Ａでの各種演算を行うものであり、時刻推定部５００と、カウンタ値補正部５１０と、分周比補正部５２０とを備える。

【0031】

時刻推定部５００は、最尤推定処理により、メモリ４０に蓄積されている周波数差情報から各ノード２（ノード２Ａ及びノード２Ｂ_１～２Ｂ_４）の時刻情報を推定するものである。本実施形態では、時刻推定部５００は、最尤推定処理として、カルマンフィルタを用いることとする。

【0032】

＜時刻情報の推定＞
以下、時刻推定部５００による時刻情報の推定について具体的に説明する。
ノード２Ｂからノード２Ａに周波数差情報を送信するときに遅延が発生するので、その影響を抑制するように、同一時刻の周波数差情報を用いることが好ましい。この際、クロック信号のカウンタ値は、各ノード２の時刻を示す情報として利用できる。そこで、通信モジュール１０は、ノード２Ｂについての周波数差情報と共にノード２Ｂのカウンタ値を受信し、受信した周波数差情報及びカウンタ値をメモリ４０に書き込む。そして、時刻推定部５００は、周波数差情報の受信時刻を表すカウンタ値を参照し、同一時刻の周波数差情報から各ノード２の時刻情報をカルマンフィルタで推定する。

【0033】

カルマンフィルタは、内部状態を記述する状態方程式（１）と、観測値を記述する観測方程式（２）とで構成されており、実際の観測値から最も確かな内部状態ｘ（ｔ）を推定する。本実施形態では、内部状態ｘ（ｔ）が各ノード２の時刻情報を表し、実際の観測値が周波数差情報を表す。従って、時刻推定部５００は、式（１）及び式（２）を解くことで、各ノード２の時刻情報を推定できる。なお、ｖ（ｔ）がシステムノイズであり、ｗ（ｔ）が観測ノイズであり、ｆ_ｉ（ｔ）－ｆ_ｊ（ｔ）がノード２_ｉ，２_ｊ間のクロック信号の周波数差である（但し、ｉ≠ｊ≧１）。

【0034】

【数1】

【0035】

図２に戻り、ノード２Ａの構成について説明を続ける。
カウンタ値補正部５１０は、時刻推定部５００が推定した自ノードの時刻情報に基づいて、高精度クロックモジュール２０のカウンタ値を補正するものである。つまり、カウンタ値補正部５１０は、時刻推定部５００で推定されたノード２Ａの時刻に一致するように、カウンタ２１０のカウンタ値を補正する。

【0036】

分周比補正部５２０は、後記する第２位相・周波数比較モジュール７０の比較結果に基づいて、フラクショナルＰＬＬ回路６０の分周比を補正するものである。つまり、分周比補正部５２０は、第２位相・周波数比較モジュール７０から入力された比較結果が、カウンタ値補正部５１０で補正されたカウンタ値に一致するように、フラクショナルＰＬＬ回路６０の分周比を補正する。

【0037】

フラクショナルＰＬＬ回路６０は、高精度クロックモジュール２０が生成したクロック信号で位相同期するものである。また、フラクショナルＰＬＬ回路６０は、分周比補正部５２０からの指示に基づいて、その分周比を変更する。

【0038】

なお、ノード２Ａは、他ノードなどの外部から時刻の問い合わせがあった場合、フラクショナルＰＬＬ回路６０が生成するクロック信号を、ノード２Ａの時刻情報としてデジタル出力してもよい。一方、ノード２Ａは、スペクトルアナライザやオッシロスコープなどの測定器に高い精度の時刻情報を提供する場合、カウンタ２１０のカウンタ値をノード２Ａの時刻情報としてアナログ出力してもよい。

【0039】

第２位相・周波数比較モジュール７０は、高精度クロックモジュール２０とフラクショナルＰＬＬ回路６０とのクロック信号の周波数を比較するものである。つまり、第２位相・周波数比較モジュール７０は、安定化クロック２００から入力されたクロック信号と、フラクショナルＰＬＬ回路６０から入力されたクロック信号との周波数の差分を求める。例えば、第２位相・周波数比較モジュール７０としては、ＤＭＴＤがあげられる。そして、第２位相・周波数比較モジュール７０は、求めた周波数の差分を比較結果として分周比補正部５２０に出力する。

【0040】

［時刻情報を推定しないノードの構成］
図３を参照し、時刻情報を推定しないノード２Ｂの構成について、ノード２Ａと異なる点を説明する。
ノード２Ｂは、ノード２Ａが推定した時刻情報を用いて、時刻同期を行うノードである。図１の例では、ノード２Ｂは、ノード２Ａからの周波数差情報の要求に応じて、自ノードと他ノードとの周波数差情報を生成し、生成した周波数差情報をノード２Ａに送信する。そして、ノード２Ｂは、ノード２Ａから受信したノード２Ｂの時刻情報を用いて、時刻同期を行う。

【0041】

図３に示すように、ノード２Ｂは、通信モジュール（通信部）１０Ｂと、高精度クロックモジュール２０と、第１位相・周波数比較モジュール３０と、メモリ４０と、ＣＰＵ５０Ｂと、フラクショナルＰＬＬ回路６０と、第２位相・周波数比較モジュール７０とを備える。なお、通信モジュール１０Ｂ及びＣＰＵ５０Ｂ以外は、図２のノード２Ａと同様のため、説明を省略する。

【0042】

通信モジュール１０Ｂは、周波数差情報をノード２Ａに送信すると共に、ノード２Ａから時刻情報を受信する。このとき、通信モジュール１０Ｂは、周波数差情報と共に、カウンタ２１０のカウンタ値を送信してもよい。

【0043】

また、通信モジュール１０Ｂは、ノード２Ａに対する周波数差情報の送信タイミングを制御する。具体的には、通信モジュール１０Ｂは、周波数差情報を連続的又は断続的に送信する制御を行う。例えば、有線シリアル通信の通常モードの場合、通信モジュール１０Ｂは、周波数差情報を連続的に送信する。その一方、通信モジュール１０Ｂは、通信モジュール１０Ｂのリンクが確立できた場合に周波数差情報を送信し、休止又は省電力モードの場合に周波数差情報の送信を中断する（断続的な送信）。
他の点、通信モジュール１０Ｂは、図２のノード２Ａと同様のため、これ以上の説明を省略する。

【0044】

ＣＰＵ５０Ｂは、ノード２Ｂでの各種演算を行うものであり、周波数差情報送信部５３０と、カウンタ値補正部５１０Ｂと、分周比補正部５２０とを備える。なお、分周比補正部５２０は、ノード２Ａと同様のため、説明を省略する。

【0045】

周波数差情報送信部５３０は、時刻情報を推定するノード２Ａに周波数差情報を送信するものである。具体的には、周波数差情報送信部５３０は、ノード２Ａから周波数差情報が要求された場合、通信モジュール１０Ｂを介して、ノード２Ａに周波数差情報を送信する。

【0046】

カウンタ値補正部５１０Ｂは、時刻情報を推定するノード２Ａから受信した自ノードの時刻情報に基づいて、高精度クロックモジュール２０のカウンタ値を補正するものである。つまり、カウンタ値補正部５１０Ｂは、ノード２Ａが推定したノード２Ｂの時刻に一致するように、カウンタ２１０のカウンタ値を補正する。

【0047】

＜周波数差情報及び時刻情報の送受信＞
図１を参照し、時刻情報を推定するノード２Ａと時刻情報を推定しないノード２Ｂとの間における周波数差情報及び時刻情報の送受信を説明する。

【0048】

図１の例では、ノード２Ａは、第１位相・周波数比較モジュール３０によって、ノード２Ａとノード２Ｂ_１との周波数差情報、ノード２Ａとノード２Ｂ_２との周波数差情報、及び、ノード２Ａとノード２Ｂ_３との周波数差情報を生成する。また、ノード２Ｂ_１は、第１位相・周波数比較モジュール３０によって、ノード２Ｂ_１とノード２Ａとの周波数差情報、及び、ノード２Ｂ_１とノード２Ｂ_２との周波数差情報を生成する（ノード２Ｂ_２及びノード２Ｂ_３も同様）。また、ノード２Ｂ_４は、第１位相・周波数比較モジュール３０によって、ノード２Ｂ_４とノード２Ｂ_２との周波数差情報、及び、ノード２Ｂ_４とノード２Ｂ_３との周波数差情報を生成する。

【0049】

ノード２Ａは、通信モジュール１０によって、ノード２Ｂ_１に周波数差情報を要求する。この要求に応じて、ノード２Ｂ_１は、周波数差情報送信部５３０によって、ノード２Ｂ_１とノード２Ａとの周波数差情報、及び、ノード２Ｂ_１とノード２Ｂ_２との周波数差情報をノード２Ａに送信する（ノード２Ｂ_２及びノード２Ｂ_３も同様）。

【0050】

次に、ノード２Ａは、通信モジュール１０によって、ノード２Ｂ_４に隣接するノード２Ｂ_３を介して、ノード２Ｂ_４の周波数差情報を要求する。この要求に応じて、ノード２Ｂ_４は、周波数差情報送信部５３０によって、ノード２Ｂ_４に隣接するノード２Ｂ_３を介して、ノード２Ｂ_４とノード２Ｂ_２との周波数差情報、及び、ノード２Ｂ_４とノード２Ｂ_３との周波数差情報をノード２Ａに送信する。

【0051】

次に、ノード２Ａは、時刻推定部５００によって、各周波数差情報を用いて、ノード２Ａ及びノード２Ｂ_１～２Ｂ_４の時刻情報を推定する。そして、ノード２Ａは、推定したノード２Ｂ_１～２Ｂ_４の時刻情報をノード２Ｂ_１～２Ｂ_４に送信する。

【0052】

ここで、ネットワーク１では、同一区間の周波数差情報を異なるノード２が生成している。図１の例では、ノード２Ａがノード２Ａとノード２Ｂ_１との周波数差情報を生成し、ノード２Ｂ_１もノード２Ｂ_１とノード２Ａとの周波数差情報を生成している。これら同一区間の周波数差情報は、同一の周波数差を表した情報ではなく、ある不確かさの範囲内で一致した異なる周波数差を表す情報である。従って、ノード２Ａは、これら同一区間の周波数差情報を別々の周波数差情報として扱って、時刻情報を推定すればよい。

【0053】

［時刻情報を推定するノードの動作］
図４を参照し、時刻情報を推定するノード２Ａの動作について説明する。
図４に示すように、ステップＳ１において、第１位相・周波数比較モジュール３０は、安定化クロック２００とクロックデータリカバリ１１０とのクロック信号の周波数を比較し、周波数差情報を生成する。また、通信モジュール１０は、他ノードの周波数差情報を要求する。

【0054】

ステップＳ２において、第１位相・周波数比較モジュール３０は、ＣＰＵ５０を介して又はＤＭＡによって、周波数差情報をメモリ４０に書き込む。そして、メモリ４０は、所定期間の周波数差情報を蓄積する。

【0055】

ステップＳ３において、時刻推定部５００は、最尤推定処理により、メモリ４０に蓄積されている周波数差情報から各ノード２の時刻情報を推定する。例えば、時刻推定部５００は、最尤推定処理として、カルマンフィルタを用いる。
ステップＳ４において、カウンタ値補正部５１０は、時刻推定部５００が推定した自ノードの時刻情報に基づいて、高精度クロックモジュール２０のカウンタ値を補正する。

【0056】

ステップＳ５において、第２位相・周波数比較モジュール７０は、安定化クロック２００とフラクショナルＰＬＬ回路６０とのクロック信号との周波数を比較する。
ステップＳ６において、分周比補正部５２０は、第２位相・周波数比較モジュール７０の比較結果に基づいて、フラクショナルＰＬＬ回路６０の分周比を補正する。
ステップＳ７において、フラクショナルＰＬＬ回路６０は、このフラクショナルＰＬＬ回路６０が生成したクロック信号をノード２Ａの時刻情報として出力する。

【0057】

［時刻情報を推定するノードの動作］
図５を参照し、時刻情報を推定するノード２Ｂの動作について説明する。
なお、ステップＳ２Ｂ～Ｓ４Ｂ以外の処理は、図４と同様のため、説明を省略する。

【0058】

図５に示すように、ステップＳ２Ｂにおいて、周波数差情報送信部５３０は、ノード２Ａからの要求に応じて、通信モジュール１０Ｂを介して、ノード２Ａに周波数差情報を送信する。
ステップＳ３Ｂにおいて、通信モジュール１０Ｂは、ノード２Ａから時刻情報を受信する。
ステップＳ４Ｂにおいて、カウンタ値補正部５１０Ｂは、通信モジュール１０Ｂが受信した自ノードの時刻情報に基づいて、高精度クロックモジュール２０のカウンタ値を補正する。

【0059】

なお、ノード２Ａ及びノード２Ｂは、周波数差情報を連続的に送受信する場合、図４及び図５の処理を繰り返し実行する。一方、ノード２Ａ及びノード２Ｂは、周波数差情報を断続的に送受信する場合、通信モジュール１０，１０Ｂのリンクが確立しているタイミングで図４及び図５の処理を実行する。

【0060】

［作用・効果］
実施形態に係るネットワーク１において、ノード２は、時刻を単純に比較するのではなく、専用ＩＣを用いずに、物理層ベースでクロック信号の周波数を比較する。また、ノード２は、ＧＮＳＳのように衛星からの電波を利用しないので、電波環境の劣化や妨害電波の影響を受けにくくなる。従って、ノード２は、簡易な構成を実現し、時刻同期の精度及び信頼性を向上させることができる。

【0061】

すなわち、ネットワーク１は、専用ＩＣを用いないので、次世代通信で想定される多数のノード２で時刻同期が可能となる。このため、ネットワーク１は、簡易な構成を実現し、部品コストと、運用・保守・管理コストとを大きく抑えることができる。また、ネットワーク１は、各ノード２の間で周波数差情報を収集し、最尤推定処理を行うことで、ノード２の異常検出も可能となるため、より信頼性の高い時刻同期ネットワークを構築することができる。また、ネットワーク１は、何れかのノード２が絶対時刻源に接続されている場合、最尤推定処理を行うことで、より高精度な時刻同期が可能となる。

【0062】

（実施例）
図６及び図7を参照し、実施例として、ノード２による時刻同期の精度について説明する。
図６には、比較例として、チップスケール原子時計を搭載した従来の小型原子時計について、時刻同期の精度のシミュレーション結果を図示した。図６の縦軸は、精度が非常に高い仮想的な時計が刻む時刻と、単体の原子時計が刻む時刻との時刻差を表す。また、図７には、実施例として、ノード２による時刻同期の精度のシミュレーション結果を図示した。図７の縦軸は、単体の原子時計が刻む時刻と、周波数差情報による最尤推定処理で推定した時刻との時刻差を表す。

【0063】

図６に示すように、比較例では、２３１．５日後に、理想的な原子時計の時刻（絶対時刻）に対して、約１５ミリ秒の誤差が生じる。一方、図７に示すように、実施例では、絶対周波数源に基づいて周波数差情報を収集することで、小型原子時計の時刻を高精度に推定可能となり、約１．５ナノ秒以下の誤差に収まることがわかった。

【符号の説明】

【0064】

１ ネットワーク
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｂ_１～２Ｂ_４ ノード（時刻同期装置）
９ ノード
１０，１０Ｂ 通信モジュール（通信部）
１１ ＰＨＹ
１２ ＭＡＣ
２０ 高精度クロックモジュール（クロック部）
３０ 第１位相・周波数比較モジュール（第１周波数比較部）
４０ メモリ
５０，５０Ｂ ＣＰＵ
６０ フラクショナルＰＬＬ回路（位相同期部）
７０ 第２位相・周波数比較モジュール（第２周波数比較部）
１１０ クロックデータリカバリ
２００ 安定化クロック
２１０ カウンタ
５００ 時刻推定部
５１０，５１０Ｂ カウンタ値補正部
５２０ 分周比補正部
５３０ 周波数差情報送信部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】