JP6820851B2

JP6820851B2 - ネットワークデバイスのクロックを同期させる方法

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Publication number: JP6820851B2
Application number: JP2017533001A
Authority: JP
Inventors: エス．ペー．ファンデルスハールハンス; プリンスアントン
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: RU2660458C1; KR20170095234A; AU2014414438A1; TW201625040A; US10305616B2; JP2017539178A; AU2014414438B2; CN107113073A; KR102278867B1; EP3235156A1; TWI693850B; EP3235156B1; WO2016095972A1; US20170346588A1

Description

本発明は、ネットワークデバイスのクロックを同期させる方法に関する。

タイムセンシティブなデータを、特に非決定論的ネットワークにおいて、特に無線ネットワークにおいて、短い待ち時間で伝送するために、送信器のクロックと受信器のクロックとの同期を維持することが要求される。特に、データの転送に使用されるデータクロックは、同期されていなければならない。

クロックの同期を達成するために種々のプロトコルを利用することができる。いくつかの例として、ＮＴＰｖ３（ＮｅｔｗｏｒｋＴｉｍｅＰｒｏｔｏｃｏｌ）、ＩＥＥＥ１５８８（ＰＴＰ：ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＴｉｍｅＰｒｏｔｏｃｏｌ）、又は、その派生である８０２．１ＡＳ（ＴｉｍｉｎｇａｎｄＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＴｉｍｅ−ＳｅｎｓｉｔｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＢｒｉｄｇｅｄＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋｓ）及び８０２．１１ｖ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＬＡＮ）が挙げられる。有線ネットワークにおいてデータクロックを同期させるための解決手段は、同期が維持されているシステムクロックから、データクロックを導き出している。

２つのクロックを同期させるために、２つの値又はパラメータ、即ち、オフセット及びドリフトが特に重要である。オフセットは、２つのクロック間の瞬間的な差異である。ドリフトは、このオフセットの経時的な増加量である。また、オフセットは通常の場合、遅延時間（伝送遅延時間又は転送遅延時間とも称される）も考慮する。この遅延時間は、送信器と受信器との間でデータを伝送するために要する時間である。オフセット及びドリフトは、同期すべきクロックに関して０でなければならない。特に、スレーブクロックのオフセット及びドリフトは、このスレーブクロックをマスタクロックに同期させるために０に調整される。

有線ネットワークの公知の実現形態において、ドリフトは、オフセットを補償するために、かつ、制御ループを生成するために使用されている。この制御ループのコンバージェンス時間は、遅延時間も含めた、絶対的なオフセットに依存している。通常の場合、ロック状態に達するためには所定の時間が、即ち、スレーブシステムのオフセットが０になるまでの、ドリフトまでの時間が要求される。オフセットが大きい場合には、初期ドリフトは長い時間を要する。従って、２つのクロックが同期されるまで長い時間を要すると考えられる。

用いられることの多い解決策は、スレーブシステムクロックのハードウェア調整である。しかしながら、そのような調整は、このシステムクロックから導出される複数のクロックに、（復原性の）結果をもたらし得る。さらには、システムクロックの使用は、不所望な挙動をもたらす可能性があり、例えば、導出されたすべてのクロック（周辺クロックとも称される）は、クロックの同期が要求されているだけであったのに、それどころか「変動する」周波数を有することになる。

さらに、それらの公知の実現形態は、有線ネットワークのために設計されたものであって、通常の場合、非決定論的ネットワークとの互換性がない。非決定論的ネットワークにおいては、チャネルアクセス法によって、同一のマルチポイント伝送媒体に接続されている種々の端末が、非決定論的ネットワークを介して伝送を行うことができ、また、その非決定論的ネットワークの容量を共有することができる。種々のネットワークデバイスは、同一の媒体を共有する。特に、非決定論的ネットワークは、無線ネットワーク、バスネットワーク、リング型ネットワーク、スター型ネットワーク、又は、半二重ポイント・ツー・ポイントリンクである。

非決定論的ネットワークの媒体を共有しているネットワークデバイスがこのように多数にのぼることから、所定のネットワークデバイスが媒体にアクセスできるか否かを決定することは不可能である。さらに、所定のネットワークデバイスが非決定論的ネットワークを介してデータを伝送できるか否かを予測することは困難であり、又は、それどころか不可能であり、その結果、データ伝送において可変の（非決定論的な）待ち時間がもたらされる。

それらの種類のネットワークの非決定論性に基づき、非決定論的ネットワークは、より決定論的なネットワークとは異なる、ネットワークデバイスのクロックを同期させる方法を必要とする。従って、本発明の課題は、非決定論的ネットワークにおけるネットワークデバイスのクロックを、短時間で、かつ、ネットワークデバイスに関する安定性問題が生じることなく、同期させる方法を提供することである。

発明の開示
本発明によれば、独立請求項１の特徴部分に記載の構成を備えている、有利には非決定論的ネットワークにおける、ネットワークデバイスのクロックを同期させる方法が提案される。

本発明によれば、少なくとも、複数のネットワークデバイスを含んでいる非決定論的ネットワークにおける第１のネットワークデバイスのクロックと、第２のネットワークデバイスのクロックとが、同期されるべきである。

非決定論的ネットワークは、特に、（多重）チャネルアクセス方式を用いるネットワーク、即ち、ネットワークデバイスが非決定論的ネットワークにアクセスするために要する時間を決定することが不可能なネットワークである。有利には、ネットワークデバイスが非決定論的ネットワークにアクセスできるか否かを決定することは不可能である。さらに、ネットワークデバイスが非決定論的ネットワークを介してデータを伝送できるか否かを確実に決定することは不可能である（予測不可能な可変の待ち時間）。

各ネットワークデバイスは、少なくとも１つのクロックを、特に少なくとも２つのクロックを含んでいる。特に、ネットワークデバイスの一方のクロックは、ＣＰＵクロック、即ち、対応するネットワークデバイスのマスタクロックである。特に、ネットワークデバイスの他方のクロックは、データクロック、特にタイムセンシティブなデータクロックである。このデータクロックは、データ転送に使用される。

特に、ネットワークデバイスのうちの１つはマスタである。このマスタは、マスタタイムベースを有しており、このマスタタイムベースに、（スレーブとみなされる）その他のネットワークデバイスが同期されるべきである。非決定論的ネットワークを介してデータを伝送するために、スレーブのデータクロックは、マスタのクロックに同期されなければならない。

特に、第１のネットワークデバイスは、マスタとみなされ、また、第２のネットワークデバイスは、スレーブとみなされる。第１のネットワークデバイスの第１のクロックは、マスタクロックとみなされる。第２のネットワークデバイスの第２のクロックは、スレーブクロックとみなされる。スレーブクロックは、スレーブのこの第２のクロックを、マスタのマスタクロックに適応させるために調整される。マスタのマスタクロックは、データクロック、タイムセンシティブなマスタクロック、及び／又は、ＣＰＵクロックであってよい。

発明の利点
本発明の核心は、３つの異なる態様を含む。本発明の第１の態様は、ネットワークが非決定論的ネットワークであるということである。特に、第１の態様は、スレーブのスレーブクロックが、非決定論的ネットワークのマスタクロックに同期されるべきであって、その結果、データ伝送において可変の（非決定論的な）待ち時間がもたらされることを含む。

本発明の第２の態様は、このスレーブクロックが非決定論的ネットワークにおけるその他のすべてのクロックから切り離されているということである。本発明のこの態様によれば、すべてのネットワークデバイスのすべてのクロックは相互に切り離されている。特に、単一のネットワークデバイスの各クロックは、前述のネットワークデバイスのその他のすべてのクロックから切り離されており、また、その他のすべてのネットワークデバイスのその他のすべてのクロックからも切り離されている。

スレーブのスレーブクロック（即ち、第２のネットワークデバイスの第２のクロック）は、マスタのマスタクロック（即ち、第１のネットワークデバイスの第１のクロック）に同期される。従って、このスレーブクロックは、第２のネットワークデバイスのその他のすべてのクロックから独立して、それらの第２のネットワークデバイスのその他のすべてのクロックとは別個に適応させられ、また、その他のすべてのネットワークデバイスのその他のすべてのクロックとも別個に適応させられる。従って、スレーブクロックは、ネットワークデバイスのその他のすべてのクロックから切り離されている。

本発明によれば、このスレーブクロックは、スレーブのシステムクロック又はローカルクロックそれぞれから切り離されており、特にスレーブのＣＰＵクロックから切り離されている。従って、スレーブのローカル／システムクロックは、本発明に係る方法の過程において調整されず、また、スレーブクロックとマスタクロックとを同期させるために、このスレーブのローカル／システムクロックを適応させる必要はない。これによって、スレーブのシステム、及び、ローカル／システムクロックから導き出されたその他のクロックに対してより高い安定性がもたらされる。各クロックをこのように切り離すことによって、種々の利点及び可能性が提供される。従って、データクロックに対して円滑な調整を行うことができる。異なる速度の複数のデータクロックを有することも可能である。

本発明の第３の態様は、クロックの同期が安定した状況を介して達成されることである。特に、スレーブクロックとマスタクロックとを同期させるために、スレーブクロックとマスタクロックとの間のドリフトが求められて補償される。この補償されたドリフトによって、スレーブクロック及びマスタクロックが前述の安定した状況になる。

スレーブクロックを相応に調整することによって、ドリフトが補償される。特に、このドリフト補償は、スレーブクロックの１回の更新で達成される。この更新によって、スレーブクロックが強制的に、安定した状況になる。この更新のために、制御信号とクロック偏差との関係が既知でなければならない。特に、この制御信号は、スレーブクロックを特にクロック偏差によって調整する際に用いる信号である。この更新後に、マスタクロック及びスレーブクロックは安定した状況になり、従って、それら２つのクロック間にドリフトは存在しない。

従って、本発明は、２つのクロックが最終的に収束して同期状態になるまで２つのクロックを適応させるために、連続的なドリフト補償又は連続的な制御ループを使用しない。むしろ本発明は、ステップベースのアプローチを使用する。本発明によれば、ドリフトが直接的に求められ、固有に補償される。このようにして、クロックの同期を短時間で達成することができる。

同期は特に、適切なデータの交換によって、特に適切なメッセージ及び／又はリクエストの交換によって達成される。このデータは、特にデータパケットの形態で、即ち、適切な同期パケットの形態で交換される。

特に、時刻（ＴＯＤ：ＴｉｍｅｏｆＤａｙ）が、マスタクロックの絶対的な時間として使用される。時刻は、年、月、日にち、時間、分、秒及びナノ秒の情報を含んでいる。時刻を使用することによって、タイムセンシティブなデータを、異なる非決定論的ネットワーク間で伝送することもできる。

有利には、マスタクロックとスレーブクロックとの間のオフセットが補償される。ドリフトが求められ、そのドリフトが補償された後に、マスタクロック及びスレーブクロックは安定した状況になる。しかしながら、通常は２つのクロック間の（初期）オフセットが存在することになる。特にこのオフセットが求められて補償される。特に、（転送）遅延時間も補償される。特に、遅延時間を固有に設定する必要はないが、しかしながら、遅延時間はオフセットと共に自動的に補償される。

オフセット及び遅延は、更新メカニズムを介してスレーブクロックが設定されることによって補償される。この更新メカニズムは、データクロックの周期時間を考慮する。データクロックの１つ又は複数の完全な周期時間がスキップされる。ここに安定した状況が維持され、従って、マスタクロックとスレーブクロックとの間にドリフトは存在しない。

この段階において、オフセットは、特に遅延補償されたオフセットは、マスタクロックの周期内にある。ドリフトが０になると、その段階でクロックがロック状態になる。即ち、マスタクロックとスレーブクロックとが同期される。この同期を経時的に維持するために、適応補償を実施することができる。

有利には、クロックがステップベースのアプローチで同期される。このステップベースのアプローチの第１のステップである解析ステップにおいては、２つのクロックのドリフトが求められる。第２のステップであるドリフト補償ステップにおいては、ドリフトが補償される。特にドリフトは、上記において述べたように、スレーブクロックの１回の更新で補償される。このドリフト補償ステップにおけるドリフト補償後に、マスタクロック及びスレーブクロックは安定した状況になり、従って、それら２つのクロック間にドリフトは存在しない。第３のステップであるオフセット修正ステップにおいては、オフセットが求められて補償される。特に、（転送）遅延時間もこのオフセット修正ステップにおいて補償される。その段階でクロックはロック状態になり、従って、マスタクロックとスレーブクロックとが同期される。この同期を経時的に維持するために、第４のステップである適応補償ステップにおいて、適応補償を実施することができる。

上記において述べたように、本発明は、２つのクロックが最終的に収束して同期状態になるまで２つのクロックを適応させるために、同期、連続的なドリフト補償又は制御ループを最初に達成する適応的なアプローチは使用しないが、しかしながら、有利には前述のステップベースのアプローチを使用する。この決定論的なアプローチによって、ドリフトもオフセットも直接的に求められ、また、固有に補償される。このようにして、クロックの同期を短時間で達成することができる。

有利には、スレーブクロックに適用される変化は、スレーブクロックの整数倍である。このようにして、クロックエッジは正しい位置に維持され、その一方でカウンタ値（時間）だけは変化する。ドリフトを使用する最大要求修正時間は、スレーブクロックの周期時間の半分の時間である。

例えば、スレーブクロックの周期時間が１秒であり、かつ、オフセット５．５秒である場合、５周期がスキップされる。このことは、スレーブクロックの周期の５倍の時間（即ち、上記において述べた、スレーブクロックの整数倍の時間）の変化が適用されることを意味している。従って、１秒の５倍の時間の変化、即ち、５秒が適用される。従って、修正されたオフセットは僅か０．５秒（５．５秒−５秒）、即ち、スレーブクロックの周期時間の半分の時間である。

有利には、スレーブクロック（即ち、第２のネットワークデバイスの第２のクロック）は、データクロックであり、特にタイムセンシティブなデータクロックである。スレーブは、このデータクロックを使用して、非決定論的ネットワークを介してデータを伝送する。さらに、マスタクロックは、タイムセンシティブなマスタクロックとして設計されている。本発明により各クロックを相互に切り離すことによって、スレーブのデータクロックを、スレーブのその他のすべてのクロックから切り離すことができる。

有利には、データクロックをスレーブのシステム／ローカルクロックから切り離すことができ、特にスレーブのＣＰＵクロックから切り離すことができる。従って、データクロックによって特徴付けられている、スレーブのタイムセンシティブなデータ領域を、システムクロック、ローカルクロック又はＣＰＵクロックによって特徴付けられている、スレーブのローカルクロック領域から切り離すことができ、かつ、そのようなスレーブのローカルクロック領域とは別個に調整することができる。

有利には、タイムセンシティブな（時間に敏感な）データが非決定論的ネットワークを介して伝送される。特に、タイムクリティカルな（時間が重要な）データが非決定論的ネットワークを介して伝送される。特に、第２のネットワークデバイスが、非決定論的ネットワークを介して前述のタイムセンシティブなデータを伝送する。例えば、タイムセンシティブなデータを、第２のネットワークデバイスから第３のネットワークデバイスに伝送することができる。第３のネットワークデバイスは、第２のネットワークデバイスと同じ手法で、第１のネットワークデバイスに、即ち、マスタに同期される。このようにして、第２のネットワークデバイスのクロックと第３のネットワークデバイスのクロックとがやはり同期される。従って、マスタクロックに同期されるスレーブクロックは、特にタイムセンシティブなデータクロックである。マスタクロックは、又は、一般的にマスタは、特にタイムセンシティブなデータマスタクロックデバイスである。

タイムクリティカルなデータは、短い待ち時間のデータ及び／又はタイムセンシティブなデータであってよい。タイムセンシティブなデータは、イベント駆動型データであってもよく、例えば測定データ又は投票（ｖｏｔｉｎｇ）データであってよい。そのようなデータを、例えば、複数の電子制御ユニット（ＥＣＵ）間で非決定論的ネットワークを介して伝送することができる。

有利には、スレーブクロックとマスタクロックとの間のドリフトを求めることは、以下のステップを含む：マスタは、２つの同期メッセージをスレーブに伝送する。マスタは、第１の同期メッセージを第１の伝送時間に送信する。スレーブは、その第１の同期メッセージを第１の受信時間に受信する。マスタは、第２の同期メッセージを第２の伝送時間に送信する。スレーブは、その第２の同期メッセージを第２の受信時間に受信する。マスタクロックとスレーブクロックとの間のドリフトを、第１の受信時間、第２の受信時間、第１の伝送時間及び第２の伝送時間を考慮して求める。

有利には、ドリフトは、第１の受信時間と第２の受信時間との差を、第１の伝送時間と第２の伝送時間との差で除算したものとして求められる。特に、ドリフトは、次式によって求められる：
ドリフト＝（Ｔ２_slave−Ｔ１_slave）／（Ｔ２_master−Ｔ１_master）

有利には、スレーブクロックとマスタクロックとの間のオフセットが、遅延要求／応答要求によって求められる。マスタは、第３の同期メッセージを第３の伝送時間に伝送し、スレーブは、第３の同期メッセージを第３の受信時間に受信する。その後、スレーブは、遅延要求を第４の伝送時間に伝送し、マスタは、遅延要求を第４の受信時間に受信する。オフセット及び遅延時間が、第３の受信時間、第３の伝送時間、第４の伝送時間及び第４の受信時間によって求められる。

以下では、添付の図面を参照しながら、本発明を例示的にさらに説明する。

本発明による１つの有利な実施の形態を実行するように設計されている、第１のネットワークデバイス、第２のネットワークデバイス及び第３のネットワークデバイスを備えている非決定論的ネットワークを概略的に示す。本発明に係る方法の１つの有利な実施の形態をフローチャートとして概略的に示す。本発明に係る方法の１つの有利な実施の形態をフローチャートとして概略的に示す。

詳細な説明
図１には、ワイヤレスネットワークとして設計されている非決定論的ネットワークが概略的に示されており、また、参照番号１によって表されている。

第１のネットワークデバイスは、マスタ１００である。マスタ１００は、マスタクロックを表し、また特に、タイムセンシティブなマスタクロックデバイスとして構成されている。ワイヤレスネットワーク１内の他のすべてのネットワークデバイスは、マスタクロック１００に同期されていなければならない。それぞれマスタによって配布される時間又は時間信号は、絶対的な時間である。特に、マスタ１００のこの絶対的な時間は、時刻（ＴＯＤ：ＴｉｍｅｏｆＤａｙ）である。

この特定の例においては、ワイヤレスネットワークに関与している他の２つのネットワークデバイス、即ち、第２のネットワークデバイス２００及び第３のネットワークデバイス３００が存在している。第２のネットワークデバイス２００及び第３のネットワークデバイス３００は、類似に構成されており、かつ、同一のコンポーネントを含んでいる。以下では、第２のネットワークデバイス２００及びそのコンポーネントのみを詳細に説明する。類似の説明は、第３のネットワークデバイス３００に対しても当てはまる。第３のネットワークデバイス３００に関する参照番号は、以下の記載においては括弧内に示している。

各ネットワークデバイス２００（３００）は、ローカルクロック領域２１０（３１０）を含んでいる。ローカルクロック領域２１０（３１０）は、ネットワークデバイス２００（３００）のシステムクロック及び／又はローカルクロックをそれぞれ示す。ローカルクロック領域２１０（３１０）内では、内部ソフトウェアＩＳが実行される。特に、内部ソフトウェアＩＳは、ネットワークデバイス２００（３００）のオペレーティングシステムである。システム／ローカルクロックＸＯは、特に発振器によって提供される。このシステム／ローカルクロックＸＯは、特にネットワークデバイス２００（３００）のＣＰＵクロックである。

さらに、ネットワークデバイス２００（３００）は、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ及び２０１ｂ（３０１ａ及び３０１ｂ）を含んでいる。各タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ及び２０１ｂは、タイムセンシティブなデータクロックと称される、固有のクロックを含んでいる。また特に、このタイムセンシティブなデータクロックは、各制御水晶発振器ＶＣＸＯａ及びＶＣＸＯｂによって提供される。タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ及び２０１ｂ（３０１ａ及び３０１ｂ）のタイムセンシティブなデータクロックＶＣＸＯａ及びＶＣＸＯｂは、ローカルクロック領域２１０（３１０）のシステムクロックＸＯからは切り離されている。

特に、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ及び３０１ｂは、すべて同じように構成されており、かつ、同一のコンポーネントを含んでいる。

この例において、第２のネットワークデバイス２００と第３のネットワークデバイス３００との間のタイムセンシティブなデータは、無線ネットワーク１を介して交換されるものとする。このデータ交換のために、第２のネットワークデバイス２００及び第３のネットワークデバイス３００は、第１のネットワークデバイス１００に同期されなければならない。従って、ネットワークデバイス１００、２００及び３００は、本発明に係る方法の有利な実施の形態を実行するように構成されている。

ローカルクロック領域２１０及び３１０のシステム／ローカルクロックは、マスタクロック１００に同期されない。その代わりに、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ及び３０１ｂのタイムセンシティブなデータクロックＶＣＸＯａ／ＶＣＸＯｂが、マスタクロック１００に同期される。従って、ローカルクロック領域２１０及び３１０のシステム／ローカルクロックは、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ及び３０１ｂの調整可能なクロックからは切り離されている。

制御ロジック、例えばローカルクロック領域２１０（３１０）において実行されるオペレーティングシステムＩＳによって、また、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ及び２０１ｂ（３０１ａ及び３０１ｂ）において実行されるタイムクリティカルな部分、即ち、タイムセンシティブなデータによって、明確な利点を達成することができ、また、責任を分担させることができる。このようにして、単一のネットワークデバイス２００（３００）において、異なるレートの複数のタイムセンシティブなデータクロックを確立することができ、また、確実にローカル／システムクロックＸＯを安定状態に維持することができる。

タイムセンシティブなデータは、例えば投票データの測定のようなイベント駆動型データであってよい。例えば、タイムセンシティブなデータは、測定、オーディオ、ビデオ、センサ及び／又はモータ位置に関連するデータを含むことができる。

図１の特定の例においては、第２のネットワークデバイス２００及び第３のネットワークデバイス３００は、無線ネットワーク１を介して相互に通信する電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。特に、第２のネットワークデバイス２００は、センサから伝送された信号を受信する。各タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ及び２０１ｂは、アナログ／ディジタル変換器Ａ／Ｄａ及びＡ／Ｄｂをそれぞれ含んでいる。アナログ／ディジタル変換器Ａ／Ｄａ及びＡ／Ｄｂは、センサから受信した測定信号をディジタル化する。それらのディジタル化された信号は、それぞれタイムセンシティブなデータ又はタイムクリティカルなデータであり、また、無線ネットワーク１を介して、第３のネットワークデバイス３００と交換されるべきである。

特に、第３のネットワークデバイス３００は、第２のネットワークデバイス２００から送信されたタイムセンシティブなデータを受信して処理する。ディジタル／アナログ変換器Ｄ／Ａａ及びＤ／Ａｂによって、タイムセンシティブなデータクロック領域３０１ａ及び３０１ｂは、ディジタル化された信号を再びアナログ信号に戻すことができる。それらのディジタル化された信号は、第３のネットワークデバイス３００の出力であってよく、また、別のコンポーネントを制御するために使用することができる。

以下の特定の例において、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａとタイムセンシティブなデータクロック領域３０１ａとの間のタイムセンシティブなデータは、無線ネットワーク１を介して交換されるものとする。このデータ交換のために、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａのタイムセンシティブなデータクロックＶＣＸＯａ及びタイムセンシティブなデータクロック領域３０１ａのタイムセンシティブなデータクロックＶＣＸＯａは、本発明に係る方法の有利な実施の形態に従い、マスタクロック１００に同期されなければならない。以下では、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａのタイムセンシティブなデータクロックＶＣＸＯａが、どのようにマスタクロック１００に同期されるかを説明する。以下の説明は、タイムセンシティブなデータクロック領域３０１ａの同期についても同様に当てはまる。

分かり易くするために、以下の説明においては、タイムセンシティブなデータクロックは、スレーブクロックＶＣＸＯａと記し、また、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａは、スレーブ２０１ａと記す。交換されるべきタイムセンシティブなデータは、単純に交換データと記す。

マスタ１００は、適切なデータを、特に適切な信号、メッセージ及び／又はリクエストを、スレーブに伝送する。有利には、このデータは、データパケットの形態で交換される。以下の説明においては、それらの適切なデータ及び／又は適切なデータパケットを、同期データと記す。

マスタ１００は、それらの同期データを、スレーブ２０１ａのタイムスタンプセクションＴａに伝送又は送信し、また、反対に、スレーブ２０１ａのタイムスタンプセクションＴａは、それらの同期データを、マスタ１００に伝送又は送信する。それらの信号を用いて、マスタクロック１００とスレーブクロックＶＣＸＯａとの間のドリフト及びオフセットが、本発明によって求められる。タイムスタンプセクションＴａは、ローカルクロック領域２１０におけるサーボ制御部ＳＣａと通信する。サーボ制御部ＳＣａは、スレーブクロックＶＣＸＯａを制御及び調整し、かつ、ドリフト及びオフセットを補償する。

本発明に係る、スレーブクロックＶＣＸＯａとマスタクロック１００とを同期させるための方法を、図２を参照しながら詳細に説明する。

タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ及び３０１ａのスレーブクロックＶＣＸＯａがマスタクロック１００に同期されると、交換データを第２のネットワークデバイス２００と第３のネットワークデバイス３００との間で交換することができる。スレーブ２０１ａのスレーブクロックＶＣＸＯａは、同期時間又は時間信号をアナログ／ディジタル変換器Ａ／Ｄａに伝送する。アナログ／ディジタル変換器Ａ／Ｄａは、相応のタイムスタンプを有する交換データを、サンプルセクションＳａに伝送する。サンプルセクションＳａは、ローカルクロック領域２１０におけるパッケージングセクションＰに、交換データを伝送する。パッケージングセクションＰにおいては、交換データの伝送の準備が行われる。特に、交換データが複数のパケットに分割される。

交換データは、データ伝送クロック領域２２０を介して、第３のネットワークデバイス３００に送信される。データ伝送クロック領域２２０は、固有のクロック、即ち、物理的なパケット変換及び／又は物理的なデータ変換に使用されるデータ伝送クロックを含んでいる。データ伝送クロック領域２２０においては、交換データの他に同期データも、マスタ１００に送信され、また、マスタ１００から受信される。

第３のネットワークデバイス３００は、自身のデータ伝送クロック領域３２０を介して、送信された交換データを受信する。ローカルクロック領域３１０のパッケージングセクションＰにおいては、交換データをパージングによって、即ち、構文解析によって、アンパックすることができる。アンパックされた交換データは、パッケージングセクションＰからタイムセンシティブなデータクロック領域３０１ａのサンプルセクションＳａへと伝送され、また、そこからさらにディジタル／アナログ変換器Ｄ／Ａａへと伝送される。スレーブ３０１ａのスレーブクロックＶＣＸＯａは、同期時間又は時間信号を、ディジタル／アナログ変換器Ａ／Ｄａに伝送する。

上記の説明は、同様に、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ｂ及び３０１ｂのタイムスタンプセクションＴｂ、サンプルセクションＳｂ、電圧制御水晶発振器ＶＣＸＯｂ及びサーボ制御部ＳＣｂについても妥当する。

すべてのタイムセンシティブなデータクロックＶＣＸＯａ、ＶＣＸＯｂは、マスタと関係を有しており、特に、マスタの絶対的な時間と関係を有している。この関係は、ローカルクロック領域２１０（３１０）におけるサーボ制御部ＳＣａ及びＳＣｂによって管理される。マスタの絶対的な時間としての時刻によって、複数の非決定論的ネットワーク間において、特に複数の無線ネットワーク間において、タイムセンシティブなデータを伝送することができる。それらの非決定論的ネットワークを、特に無線ネットワークを、それぞれ、図１に示した無線ネットワーク１と同様に構成することができる。各無線ネットワークには、それらの無線ネットワーク固有のマスタクロックが提供されている。

図２には、スレーブクロックＶＣＸＯａとマスタクロック１００とが同期される、本発明の有利な実施の形態がフローチャートとして概略的に示されている。スレーブクロックＶＣＸＯａとマスタクロック１００とは、ステップベースのアプローチによって同期される。図２のフローチャートは、一般的には、第１のネットワークデバイス１００と、第２のネットワークデバイス２００と、の間で交換される同期データを表しており、また特には、それぞれ、タイムセンシティブなマスタクロックデバイス１００と、スレーブ、即ち、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａと、の間で交換される同期データを表している。

垂直方向の軸は、どの時点にマスタ及びスレーブが同期データを相互に伝送するかをシンボリックに表している時間軸である。左側の時間軸は、マスタを表しており、また、右側の時間軸は、スレーブを表している。

図２ａには、本発明に係る方法の有利な実施の形態の第１のステップ（解析ステップ）が示されており、この第１のステップにおいては、マスタクロックとスレーブクロックとの間のドリフトが求められる。

第１の伝送時間Ｔ１_masterでは、マスタが同期データとしての第１の同期メッセージｓｙｎｃ１をスレーブに伝送する。第１の受信時間Ｔ１_slaveでは、スレーブが第１の同期メッセージｓｙｎｃ１を受信する。

第２の伝送時間Ｔ２_masterでは、マスタが同期データとしての第２の同期メッセージｓｙｎｃ２をスレーブに伝送する。第２の受信時間Ｔ２_slaveでは、スレーブが第２の同期メッセージｓｙｎｃ２を受信する。

ドリフトは、第１の受信時間Ｔ１_slave、第２の受信時間Ｔ２_slave、第１の伝送時間Ｔ１_master及び第２の伝送時間Ｔ２_masterを考慮して求められる。有利には、ドリフトは、受信時間の差と伝送時間の差との比率として求められる。有利には、ドリフトは次式に従って求められる：
ドリフト＝（Ｔ２_slave−Ｔ１_slave）／（Ｔ２_master−Ｔ１_master）

第２のステップ（ドリフト補償ステップ）においては、ドリフトがスレーブにおいて補償される。特に、タイムスタンプセクションＴａは、この求められたドリフトをサーボ制御部ＳＣａに伝送する。サーボ制御部ＳＣａは、電圧制御水晶発振器ＶＣＸＯａを相応に制御し、それによってこのドリフトが補償される。スレーブ及びマスタは、安定した状況になる。

同期メッセージの経過において、マスタは、フォローアップメッセージをスレーブに伝送することもできる。フォローアップメッセージは、どの正確な時点にマスタが同期メッセージをスレーブに送信したかという情報を含んでいる。従って、第１のフォローアップメッセージｆｏｌｌｏｗ１は、正確な第１の伝送時間Ｔ１_masterを含んでいる。また、第２のフォローアップメッセージｆｏｌｌｏｗ２は、正確な第２の伝送時間Ｔ２_masterを含んでいる。

図２ｂには、本発明に係る方法の有利な実施の形態の第３のステップ（オフセット修正ステップ）が示されており、この第３のステップにおいては、マスタクロック１００とスレーブクロックＶＣＸＯａとの間のオフセットが求められて、補償される。

第３の伝送時間Ｔ３_masterでは、マスタが同期データとしての第３の同期メッセージｓｙｎｃ３をスレーブに伝送する。第３の受信時間Ｔ３_slaveでは、スレーブが第３の同期メッセージｓｙｎｃ３を受信する。

第３の伝送時間Ｔ３_masterと第３の受信時間Ｔ３_slaveとの間には、以下の関係が存在している：
Ｔ３_slave−Ｔ３_master＝オフセット＋Ｔｄｅｌａｙ
但し、Ｔｄｅｌａｙは、遅延時間、即ち、マスタとスレーブとの間でデータ（特に同期データ）を伝送するために要する時間である。

正確な第３の伝送時間Ｔ３_masterを、第３のフォローアップメッセージｆｏｌｌｏｗ３の経過において供給することができる。

第４の伝送時間Ｔ４_slaveでは、スレーブが遅延要求ｄｅｌａｙ１をマスタに伝送する。第４の受信時間Ｔ４_masterでは、マスタが遅延要求ｄｅｌａｙ１を受信する。第４の受信時間Ｔ４_masterにおいて遅延要求を受信した後に、マスタは、この遅延要求ｄｅｌａｙ１に対する応答として、遅延応答ｄｅｌａｙ２を（即座に）スレーブに伝送する。

遅延時間と第４の受信時間Ｔ４_masterとの間には、以下の関係が存在している：
Ｔｄｅｌａｙ＝１／２（Ｔ４_master−Ｔ４_slave＊）
但し：
Ｔ４_slave＊＝Ｔ４_slave−（オフセット＋Ｔｄｅｌａｙ）

この関係は、遅延が対称的であるという仮定、即ち、マスタからスレーブへのデータ伝送に関する平均時間は、スレーブからマスタへのデータ伝送に関する平均時間に等しく、かつ、この平均時間は一定であるか又は無視できる程度にしか経時的に変化しないという仮定に相当する。

上記の関係によって、オフセットを求めることができる。オフセットは、有利には、第３の受信時間Ｔ３_slave、第３の伝送時間Ｔ３_master、第４の伝送時間Ｔ４_slave及び第４の受信時間Ｔ４_masterを考慮して求められる。有利には、オフセットは、次式に従って求められる：
オフセット＝（Ｔ３_slave−Ｔ３_master）−Ｔｄｅｌａｙ
但し：
Ｔｄｅｌａｙ＝１／２（Ｔ４_master−Ｔ４_slave＊）

求められたオフセット（従って、遅延）を用いて、ドリフトと同様に、オフセット（従って、遅延）を補償することができる。本発明に係る方法によって、スレーブクロックに関するドリフト、オフセット及び遅延を非常に円滑かつ高速に修正することができる。

第２の受信時間Ｔ２_slave後にドリフトを高速に補償できる場合には、又は、最小限のドリフトしか求められなかった場合には、第３の同期メッセージｓｙｎｃ３を伝送する必要はなくなる。この場合には、第２の伝送時間Ｔ２_master及び第２の受信時間Ｔ２_slaveが、遅延及びオフセットを計算するための入力として使用される。この場合、上記の式において、第３の伝送時間Ｔ３_masterが、第２の伝送時間Ｔ２_masterに置換され、かつ、第３の受信時間Ｔ３_slaveが、第２の受信時間Ｔ２_slaveに置換される：
オフセット＝（Ｔ２_slave−Ｔ２_master）−Ｔｄｅｌａｙ
但し：
Ｔｄｅｌａｙ＝１／２（Ｔ４_master−Ｔ４_slave＊）

従って、オフセットは、第２の受信時間Ｔ２_slave、第２の伝送時間Ｔ２_master、第４の伝送時間Ｔ４_slave及び第４の受信時間Ｔ４_masterを考慮して求められる。

本発明に係る方法によって、スレーブは、正確な周期となるように設定され、また、スレーブのクロックとマスタのクロックとが同期される。同期を経時的に維持するために、第４のステップ（適応補償ステップ）において、適応補償を適用することができる。この適応補償は、ドリフトを使用して最後の周期内オフセットの補償を処理する。適応補償の経過において、制御水晶発振器ＶＣＸＯａは、サーボ制御部ＳＣａによって相応に制御される。

本発明により、ローカルクロック領域２１０のシステム／ローカルクロックＸＯを、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａの調整可能なスレーブクロックＶＣＸＯａから分離して切り離すことによって、サーボ制御部ＳＣａは、同期データの受信時間によって影響を受けず又はトリガされない。同期データは、オフセット及びドリフトを求めるための情報を供給する。サーボ制御部ＳＣａは、タイムセンシティブなデータクロック領域２０１ａ及びデータ伝送クロック領域２２０から切り離された固有の領域において、即ち、ローカルクロック領域において動作する。サーボ制御部ＳＣａは、オフセット情報及びドリフト情報を使用する。この切り離しは、サーボ制御部ＳＣａを、ネットワークジッタ性能からより一層独立したものにする。

例えば、マスタクロックの絶対的な時間が３５．７秒であり、かつ、スレーブクロックの時間が２５秒である場合には、オフセット及び遅延時間に関して、−１０．７秒の（オフセット＋Ｔｄｅｌａｙ）値が求められる。スレーブクロックの周波数は例えば、ｆ＝４８Ｈｚであり、かつ、相応の周期時間は：
Ｔ_period＝１／４８Ｈｚ＝２０．８３３ｓ

従って、オフセット（及び遅延時間）を補償するために、
Ｔ_{correction_offset}＝１０．７ｓ／Ｔ_period＝５１３６０８
の修正が求められ、即ち、５１３６０８周期の調整が適用されなければならない。

ドリフトを補償するために、
Ｔ_{correction_drift}＝４．５３６μｓ
の修正が求められる。

本発明に係る方法によって、マスタクロックとスレーブクロックとの同期を、適応的なアプローチ、連続的なドリフト補償又は制御ループに比較して高速に、かつ、短時間で達成することができる。

本発明によってスレーブクロックをマスタクロックにロックするために、３つの同期メッセージ、即ち、（少なくとも）１つのフォローアップメッセージ、１つの遅延要求／応答シーケンス及び最後の周期内のドリフトまでの時間が必要になる。

例えば、毎秒４回、例えば２５０ｍｓ毎に同期メッセージが送信される場合、３つの同期メッセージは、７５０ｍｓの時間を必要とする。

遅延要求及び遅延応答が、各遅延時間で交換される。従って、１回の遅延要求／遅延応答シーケンスは、遅延時間の２倍の時間を必要とする。典型的な遅延時間は１ｍｓである。

２０ｐｐｍ（百万分率）のドリフトでは、最後の周期内のドリフトまでの時間は、
４．５３６μｓ／（２０×１０^-6）＝２２６．８ｍｓ
である。

従って、スレーブクロックとマスタクロックとが同期するまでの時間は、９７９．８ｍｓである。

第２の受信時間Ｔ２_slave後にドリフトを高速に補償できる場合、又は、最小限のドリフトしか求められなかった場合、従って、第３の同期メッセージｓｙｎｃ３を伝送する必要がない場合には、同期がより高速に達成されることになる。この場合、同期メッセージは２つだけが送信されればよい。従って、スレーブクロックとマスタクロックとが同期するための時間は、２５０ｍｓだけ短縮されて、７２９．８ｍｓである。

Claims

複数のネットワークデバイス（１００、２００）のクロックを同期させる方法であって、
−各ネットワークデバイス（１００、２００）は、少なくとも１つのクロックを含んでおり、
−第１のネットワークデバイス（１００）の第１のクロックと、第２のネットワークデバイス（２００）の第２のクロック（ＶＣＸＯａ）とは、オフセットの分だけ異なっている可能性があり、かつ、当該オフセットは、ドリフトに起因して経時的に変化する可能性があり、
−前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）は、前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックに同期されるべきである、方法において、
前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）を、前記第２のネットワークデバイス（２００）のその他のすべてのクロックとは別個に調整し、かつ、その他のすべてのネットワークデバイスのその他のすべてのクロックとは別個に調整し、
前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックと、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）との間の前記ドリフトを求めて補償し、
前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックは、絶対的な時間を示し、
前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックと、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）との間の前記オフセットを求めて補償し、
前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックと、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）との間の前記オフセットを求めることは、
−前記第１のネットワークデバイス（１００）が、第３の同期メッセージ（ｓｙｎｃ３）を第３の伝送時間（Ｔ３_master）に伝送し、前記第２のネットワークデバイス（２００）が、前記第３の同期メッセージ（ｓｙｎｃ３）を第３の受信時間（Ｔ３_slave）に受信するステップと、
−前記第２のネットワークデバイス（２００）が、遅延要求（ｄｅｌａｙ１）を第４の伝送時間（Ｔ４_slave）に伝送し、前記第１のネットワークデバイス（１００）が、前記遅延要求（ｄｅｌａｙ１）を第４の受信時間（Ｔ４_master）に受信するステップと、
−前記オフセット及び遅延時間を、前記第３の受信時間（Ｔ３_slave）、前記第３の伝送時間（Ｔ３_master）、前記第４の伝送時間（Ｔ４_slave）及び前記第４の受信時間（Ｔ４_master）によって求めるステップと、
を備えており、
−第１のステップにおいて、前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックと、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）との間の前記ドリフトを求め、
−第２のステップにおいて、前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックと、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）との間の、求められた前記ドリフトを補償し、
−第３のステップにおいて、前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックと、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）との間の前記オフセットを求めて補償する、
ことを特徴とする、方法。
前記オフセットを補償するために、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）の周期の整数倍である変化を、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）に適用する、請求項１に記載の方法。
前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）は、データクロックである、請求項１または２に記載の方法。
前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）は、タイムセンシティブなデータクロックである、請求項３に記載の方法。
前記第２のネットワークデバイス（２００）は、データクロック（ＶＣＸＯａ）及びシステムクロック（ＸＯ）を含んでおり、前記データクロック（ＶＣＸＯａ）は、前記システムクロック（ＸＯ）とは別個に調整されており、かつ、前記システムクロック（ＸＯ）から切り離されている、請求項３または４に記載の方法。
前記データクロック（ＶＣＸＯａ）によって特徴付けられている、前記第２のネットワークデバイス（２００）のタイムセンシティブなデータ領域（２０１ａ）は、前記システムクロック（ＸＯ）によって特徴付けられている、前記第２のネットワークデバイス（２００）のローカルクロック領域（２１０）からは切り離されており、かつ、前記第２のネットワークデバイス（２００）のローカルクロック領域（２１０）とは別個に調整されている、請求項５に記載の方法。
前記第２のネットワークデバイス（２００）は、ネットワークを介して、タイムセンシティブなデータを伝送する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
前記第２のネットワークデバイス（２００）は、非決定論的ネットワーク（１）を介して、タイムセンシティブなデータを伝送する、請求項７に記載の方法。
前記複数のネットワークデバイス（１００、２００）は、非決定論的ネットワーク（１）におけるネットワークデバイスである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
前記非決定論的ネットワーク（１）は、無線ネットワーク、バスネットワーク、リング型ネットワーク、スター型ネットワーク、又は、半二重ポイント・ツー・ポイントリンクである、請求項８または９に記載の方法。
前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックと、前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）との間の前記ドリフトを求めることは、
−前記第１のネットワークデバイス（１００）が、第１の同期メッセージ（ｓｙｎｃ１）を第１の伝送時間（Ｔ１_master）に伝送し、前記第２のネットワークデバイス（２００）が、前記第１の同期メッセージ（ｓｙｎｃ１）を第１の受信時間（Ｔ１_slave）に受信するステップと、
−前記第１のネットワークデバイス（１００）が、第２の同期メッセージ（ｓｙｎｃ２）を第２の伝送時間（Ｔ２_master）に伝送し、前記第２のネットワークデバイス（２００）が、前記第２の同期メッセージ（ｓｙｎｃ２）を第２の受信時間（Ｔ２_slave）に受信するステップと、
−前記第１のネットワークデバイス（１００）の前記第１のクロックと前記第２のネットワークデバイス（２００）の前記第２のクロック（ＶＣＸＯａ）との間の前記ドリフトを、前記第１の受信時間（Ｔ１_slave）、前記第２の受信時間（Ｔ２_slave）、前記第１の伝送時間（Ｔ１_master）及び前記第２の伝送時間（Ｔ２_master）を考慮して求めるステップと、
を備えている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
前記ドリフトを、前記第１の受信時間（Ｔ１_slave）と前記第２の受信時間（Ｔ２_slave）との差を、前記第１の伝送時間（Ｔ１_master）と前記第２の伝送時間（Ｔ２_master）との差で除算したものとして求める、請求項１１に記載の方法。