JP5243786B2 - リモートｉ／ｏシステム及びリモートｉ／ｏシステムにおける時刻同期方法 - Google Patents

Description

本発明は、リモートＩ／Ｏシステム及びリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法、より詳細には、同期を必要とするフレームを通信するリモートＩ／Ｏシステム及びリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法に関する。

従来、複数のＩ／Ｏ装置を備えたリモートＩ／Ｏシステムが知られている。以下に、マスタノードが１又は複数のＩ／Ｏノードに対して分散計測制御データ等の通信遅延の保証が要求されるデータを送信する状況を考える。

各Ｉ／Ｏノードは分散計測制御データを出力する際に参照となる時計を備えているが、その時計は水晶発信器の持つ精度の範囲内で揺らぐのが普通である。Ｉ／Ｏノードが持つ実際の時計の進み度合いは、マスタノードの時計の進み度合いよりも、速かったり、又は、遅かったりする。また、Ｉ／Ｏノードの時計の進み度合いは、通常、各Ｉ／Ｏノードにより異なる。それゆえ、ノード間では時刻が相違してしまう。

しかし、例えばＩ／Ｏノードに対して分散計測制御データをリアルタイムに送信するような状況を例に取って考えると、マスタノードとＩ／Ｏノードとをお互いに高い精度で同期させる必要があることは明らかである。

これを実現させるための具体的な方法としては、Ｉ／Ｏノードをマスタノードに対して同期させる等の方法が考えられる。有線ＬＡＮ上でノード同士がお互いに同期を取る方法として、特願２００６−１７２４７４号の発明の提案がある。

上記特許文献における提案においては、各ノードは時計を有しており、それらをお互いに同期させる手段として、１つのノードがマスタノードとなる。マスタノードは通信フレームを受信してから送信されるまでの時間情報を算出し、算出した時間情報を同期用の通信フレームに入れてＩ／Ｏノードに対して送信する。Ｉ／Ｏノードは通信フレームが自分を通過したときのタイムスタンプと時間情報とから自分とマスタノードとの間の通信遅延を算出する。

特願２００６−１７２４７４号

しかるに、上述したような、通信フレームの通信遅延の補正を保証された値を用いて行なう方法では、無線ＬＡＮアクセスポイントのスループット、あるいは、パケットロスによる通信品質の変化等によって、その遅延時間が保証できない場合に対応できないという欠点がある。

この欠点は、例えば、時刻の正確さが不可欠な業務に用いるものである場合は極めて大きな欠点となり、その場合別途時刻の誤差を正確に知る手段を備えない限り、その信頼性が大きく損なわれることになる。

本発明は、上記従来技術における問題を解消するためになされたものであり、マスタノードとＩ／Ｏノードが通信を行なうリモートＩ／Ｏシステムを構成するノードにおいて、各Ｉ／Ｏノードにおける時計の時刻の同期をより精確に行なうことを可能にする、リモートＩ／Ｏシステム及びリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、マスタノードと１又は複数のＩ／Ｏノードが無線ＬＡＮアクセスポイントを介して無線ＬＡＮ接続されているリモートＩ／Ｏシステムであって、
前記マスタノードは、現在時刻を示す計時手段と、前記無線ＬＡＮアクセスポイントから前記マスタノード及び前記Ｉ／Ｏノードに対して送信されたビーコンの受信を検知するビーコン認識手段と、前記ビーコン認識手段によって、ビーコンの受信が検知された時のタイムスタンプを前記計時手段が示す時刻に基づいて決定する時刻検知手段と、前記タイムスタンプのリストであるマスタリストを生成するマスタリスト生成手段と、前記タイムスタンプを含むマスタリストを、前記無線ＬＡＮアクセスポイントを介して前記Ｉ／Ｏノードに送信するマスタリスト送信手段とを備え、前記ビーコンには、前記ビーコンを識別するＴＳＦタイマ値が含まれ、また、前記マスタリストには、前記マスタリストに含まれる前記計時手段の時刻のタイムスタンプに対応するビーコンのＴＳＦタイマ値が含まれ、
前記Ｉ／Ｏノードは、現在時刻を示す計時手段と、前記無線ＬＡＮアクセスポイントから前記マスタノード及び前記Ｉ／Ｏノードに対して送信されたビーコンの受信を検知するビーコン認識手段と、前記ビーコン認識手段によって、ビーコンの受信が検知された時のタイムスタンプを前記計時手段が示す時刻に基づいて決定する時刻検知手段と、前記タイムスタンプと前記ビーコン中に含まれるＴＳＦタイマ値とのローカルリストを生成するローカルリスト生成手段と、前記マスタノードから送信されるマスタリストを前記無線ＬＡＮアクセスポイントを介して受信するマスタリスト受信手段と、前記マスタリストに含まれているタイムスタンプと前記Ｉ／Ｏノードの前記時刻検知手段によって決定されたタイムスタンプとに基づいて、前記Ｉ／Ｏノードの前記計時手段の時刻を調整する調整手段とを備えて成るリモートＩ／Ｏシステムである。

前記計時手段の時刻を調整する調整手段は、前記ローカルリストのタイムスタンプと前記マスタノードから送出されたマスタリストにおけるタイムスタンプの差に、前記マスタノードに対する前記Ｉ／Ｏノードの前記ビーコン受信後のタイムスタンプを生成する遅延時間差を加えたものを誤差量として時刻補正を行うものである。

更に、上記課題を解決するための請求項３に記載の発明は、マスタノードと、前記マスタノードとは無線ＬＡＮにて接続され前記マスタノードから送出される信号を受信して時刻を生成する１又は複数のＩ／Ｏノードとから成るリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法であって、前記マスタノード及びＩ／Ｏノードのそれぞれが、同一無線ＬＡＮアクセスポイントから送信される同一ビーコンを受信してその中に含まれるＴＳＦタイマ値を抽出するステップと、前記マスタノードにおいて自ノードに備える計時手段の時刻のタイムスタンプと前記ビーコン中のＴＳＦタイマ値とのマスタリストを生成するステップと、前記マスタリストを、前記マスタノードから前記Ｉ／Ｏノードに同期情報として前記無線ＬＡＮアクセスポイントを介して送出するステップと、前記Ｉ／Ｏノードにおいて自ノードが備える計時手段の時刻タイムスタンプと前記ビーコン中に含まれるＴＳＦタイマ値とのローカルリストを生成するステップと、前記Ｉ／Ｏノードにおいて前記マスタノードから送信されるマスタリストを前記無線ＬＡＮアクセスポイントを介して受信するステップと、前記ローカルリストのタイムスタンプと前記マスタノードから送出されたマスタリストにおけるタイムスタンプの差に、前記マスタノードに対する前記Ｉ／Ｏノードの前記ビーコン受信後のタイムスタンプを生成する遅延時間差を加えたものを誤差量として算出するステップと、前記誤差量に基づいて前記Ｉ／Ｏノードに備える計時手段を制御することによって当該計時手段を前記マスタノードと同一の時刻に調整するステップとを有することを特徴とするリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法である。

本発明は上記のとおりであって、マスタノードの時計とＩ／Ｏノードの時計の同期は、ビーコン中のＴＳＦタイマ値を比較することで両者が共通して受信したビーコンのみを選別して用いるので、両者間を接続する無線ＬＡＮアクセスポイントを信号が通過する際に生ずる通信品質の影響を除去することが可能となって、時計合わせを確実に行なうことができるようになり、以て各Ｉ／Ｏノードにおける時計の同期をより精確に行なうことが可能なリモートＩ／Ｏシステム及びリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法を提供し得る効果がある。

本発明を実施するための最良の形態につき、添付図面に依拠して説明する。図１は、本発明に係るリモートＩ／Ｏシステムの概略構成を示すものであり、そこに示されるように、本リモートＩ／Ｏシステムは、マスタノード１と、１又は複数のＩ／Ｏノード２と、無線ＬＡＮアクセスポイント３とを備えた構成となっている。マスタノード１とＩ／Ｏノード２は、互いに無線ＬＡＮアクセスポイント３を介して無線ＬＡＮ接続されている。

図２は、本リモートＩ／Ｏシステムにおけるマスタノード１とＩ／Ｏノード２のノード内構成を示しており、図３は、時刻同期方法のタイムスタンプの比較を示すものであり、また、図４は、マスタノードの機能を示すブロック図、図５は、Ｉ／Ｏノードの機能を示すブロック図である。なお、図３及び図４において、実線のブロックはハードの構成を示し、破線のブロックは処理を表わしている。

無線ＬＡＮアクセスポイント３は、ビーコンを定期的に送信する通信装置である。ビーコンは無線ＬＡＮアクセスポイント３より送信され、無線ＬＡＮを通ってマスタノード１とＩ／Ｏノード２に到着する。

マスタノード１は、図２及び図４に示されるように、無線ＬＡＮモジュール（ビーコン認識手段とマスタリスト送信手段を含む）１１、タイムスタンパ（時刻検知手段）１２、ＣＰＵ（マスタリスト生成手段）１３、及び時計（計時手段）１４を備えた構成となっている。

マスタノード１では、ビーコンが受信されるとビーコンは無線ＬＡＮモジュール１１で認識され、無線ＬＡＮモジュール１１は、ビーコンのようなフレームの受信通知を割り込み信号としてタイムスタンパ１２に知らせ、タイムスタンパ１２はこの瞬間に時計１４の時刻をタイムスタンプとして生成する。

ＣＰＵ１５はＴＳＦタイマ値とタイムスタンプを含んだマスタリスト３１（図３参照）を作成し、マスタノード１は、このマスタリスト３１をＩ／Ｏノード２に送信する。

なお、ビーコンがマスタノード１に到着してからタイムスタンプ生成までの時間は時刻補正に必要となる受信通知遅延時間である。受信通知遅延時間の具体的な内容は後述する（段落００２７乃至００２９参照）。

マスタリスト３１は、無線ＬＡＮアクセスポイント３を通ってＩ／Ｏノード２に到着する。Ｉ／Ｏノード２は、図２及び図５に示されるように、無線ＬＡＮモジュール（ビーコン認識手段とマスタリスト受信手段を含む）２１、タイムスタンパ（時刻検知手段）２２、ＣＰＵ（ローカルリスト生成手段と調整手段を含む）２３、及び時計（計時手段）２４を備えた構成となっている。

マスタノード１でビーコンが受信されるのとほぼ同時に、同じビーコンがＩ／Ｏノード２で受信される。ここで受信されたビーコンはＩ／Ｏノード２の無線ＬＡＮモジュール２１で認識され、無線ＬＡＮ２１モジュールは、ビーコンのようなフレームの受信通知を割り込み信号としてタイムスタンパ２２に知らせ、タイムスタンパ２２はこの瞬間に時計２４の時刻をタイムスタンプとして生成し、タイムスタンプはＣＰＵ２５に渡される。ＣＰＵ２５では、ビーコンからＴＳＦタイマ値を導出すると共に、これとタイムスタンプとのローカルリスト４１（図３参照）を生成する。

なお、ビーコンがＩ／Ｏノード２に到着してからタイムスタンプ生成までの時間は、時刻補正に必要となる受信通知遅延時間である。受信通知遅延時間の具体的な内容は後述する（段落００２７乃至００２９参照）。

次に、マスタノード１が送信したマスタリスト３１はＩ／Ｏノード２に到着する。ここでマスタリスト３１はＣＰＵ２５に渡され、ＣＰＵ２５はマスタリスト３１にあるＴＳＦタイマ値を取り出して時計２４を調整するための調整処理を行なう。

調整処理は、ローカルリスト４１のＴＳＦタイマ値を比較することで、マスタノード１とＩ／Ｏノード２が共通して受信したビーコンのみを選別し、対応するタイムスタンプの差を０とすべく時計２４の制御を行なう。この時、マスタノード１に対するＩ／Ｏノード２のビーコン受信後のタイムスタンプを生成する受信通知遅延時間差を、補正値として加える。

マスタノード１の受信通知遅延時間とＩ／Ｏノード２の受信通知遅延時間のそれぞれを個別に求めることはできず、両者の相対的な時間差のみが実際に利用できる情報となる。この両者の相対的な時間差は、予め求めておいて、各Ｉ／Ｏノード２に記録しておく。

次に、上記時間差の求め方について説明する。それには先ず、マスタノード１のキャリブレーション出力と、Ｉ／Ｏノード２のキャリブレーション入力を接続する。マスタノード１のキャリブレーション出力からは、毎秒１回、正秒にパルスが出力される。そして、無線ＬＡＮ経由で、マスタノード１とＩ／Ｏノード２間の同期動作を行なう。この時、受信通知遅延時間差は０であると仮定しておく。

Ｉ／Ｏノード２は、キャリブレーション入力端子のタイムスタンプを記録する。この時刻は、Ｉ／Ｏノード２の時計２４に基づくものである。そして、得たタイムスタンプの正秒からのズレを、マスタノード１に対するＩ／Ｏノード２の受信通知遅延時間差として記録する。

上記のように構成した本発明に係るリモートＩ／Ｏシステムにおいては、従来の方法と異なり、マスタノード１がＩ／Ｏノード２に対して送出する同期情報であるマスタリスト３１に、タイムスタンプと共にビーコン中のＴＳＦタイマ値が含まれる。

この点はＩ／Ｏノード２においても同様で、Ｉ／Ｏノード２において生成されるローカルリスト４１は、自ノードの時計２４のタイムスタンプとビーコン中のＴＳＦタイマ値とのローカルリスト４１となる。このように本発明に係るリモートＩ／Ｏシステムにおいて生成されるマスタリスト３１とローカルリスト４１は、共にビーコンに含まれるＴＳＦタイマ値をラベルとするものである。

マスタノード１の時計１４とＩ／Ｏノード２の時計２４の同期は、ビーコン中のＴＳＦタイマ値を比較することで、両者が共通して受信したビーコンのみを選別して用いるので、両者間を接続する無線ＬＡＮアクセスポイント３を信号が通過する際に生ずる通信品質の変動の影響は除去される。

マスタノード１におけるマスタリスト３１を参照し、且つ、タイムスタンプを両ノード１、２が生成する受信通知遅延時間差を補正値として、両ノード１、２のタイムスタンプ差を０ならしめるようにＩ／Ｏノード２の時計２４を制御すれば、マスタノード１とＩ／Ｏノード２の時計の時刻を正確に一致させることができる。

本発明に係るＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法は、マスタノード１と、マスタノード１とは無線ＬＡＮにて接続されマスタノード１から送出される信号を受信して時刻を生成する１又は複数のＩ／Ｏノード２、とから成るリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法であって、次の各ステップを含む。

マスタノード１及びＩ／Ｏノード２のそれぞれが、同一無線ＬＡＮアクセスポイント３から送信される同一ビーコンを受信してその中に含まれるＴＳＦタイマ値を抽出するステップ（ステップＳ１）。

マスタノード１において、自ノードに備える時計１４の時刻のタイムスタンプとビーコン中のＴＳＦタイマ値とのマスタリスト３１を生成するステップ（ステップＳ２）。

マスタリスト３１を、マスタノード１からＩ／Ｏノード２に同期情報として無線ＬＡＮアクセスポイント４を介して送出するステップ（ステップＳ３）。

Ｉ／Ｏノード２において、自ノードが備える時計２４の時刻タイムスタンプとビーコン中に含まれるＴＳＦタイマ値とのローカルリスト４１を生成するステップ（ステップＳ４）。

Ｉ／Ｏノード２において、マスタノード１から送信されるマスタリスト３１を無線ＬＡＮアクセスポイント３を介して受信するステップ（ステップＳ５）。

ローカルリスト４１のタイムスタンプとマスタノード１から送出されたマスタリスト３１におけるタイムスタンプの差に、マスタノード１に対するＩ／Ｏノード２のビーコン受信後のタイムスタンプを生成する遅延時間差を加えたものを誤差量として算出するステップ（ステップＳ６）。

前記誤差量に基づいてＩ／Ｏノード２に備える時計２４を制御することによって、計時手段２４をマスタノード１と同一の時刻に調整するステップ（ステップＳ７）。

この発明をある程度詳細にその最も好ましい実施形態について説明してきたが、この発明の精神と範囲に反することなしに広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は添付請求の範囲において限定した以外はその特定の実施形態に制約されるものではない。

本発明に係るリモートＩ／Ｏシステムの概略構成を示すブロック図である。 本発明に係るリモートＩ／Ｏシステムにおけるノード内構成図である。 本発明に係るリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法のタイムスタンプの比較を説明する図である。 本発明に係るリモートＩ／Ｏシステムにおけるマスタノードの機能ブロック図である。 本発明に係るリモートＩ／ＯシステムにおけるＩ／Ｏノードの機能ブロック図である。

符号の説明

１ マスタノード
２ Ｉ／Ｏノード
３ 無線ＬＡＮアクセスポイント
１１ 無線ＬＡＮモジュール
１２ タイムスタンパ
１３ タイムスタンパ
１４ 時計
１５ ＣＰＵ
２１ 無線ＬＡＮモジュール
２２ タイムスタンパ
２３ タイムスタンパ
２４ 時計
２５ ＣＰＵ
３１ マスタリスト
４１ ローカルリスト

Claims (2)

1. マスタノードと１又は複数のＩ／Ｏノードが無線ＬＡＮアクセスポイントを介して無線ＬＡＮ接続されているリモートＩ／Ｏシステムであって、
   前記マスタノードは、現在時刻を示す計時手段と、前記無線ＬＡＮアクセスポイントから前記マスタノード及び前記Ｉ／Ｏノードに対して送信されたビーコンの受信を検知するビーコン認識手段と、前記ビーコン認識手段によって、ビーコンの受信が検知された時のタイムスタンプを前記計時手段が示す時刻に基づいて決定する時刻検知手段と、前記タイムスタンプのリストであるマスタリストを生成するマスタリスト生成手段と、前記タイムスタンプを含むマスタリストを、前記無線ＬＡＮアクセスポイントを介して前記Ｉ／Ｏノードに送信するマスタリスト送信手段とを備え、前記ビーコンには、前記ビーコンを識別するＴＳＦタイマ値が含まれ、また、前記マスタリストには、前記マスタリストに含まれる前記計時手段の時刻のタイムスタンプに対応するビーコンのＴＳＦタイマ値が含まれ、
   前記Ｉ／Ｏノードは、現在時刻を示す計時手段と、前記無線ＬＡＮアクセスポイントから前記マスタノード及び前記Ｉ／Ｏノードに対して送信されたビーコンの受信を検知するビーコン認識手段と、前記ビーコン認識手段によって、ビーコンの受信が検知された時のタイムスタンプを前記計時手段が示す時刻に基づいて決定する時刻検知手段と、前記タイムスタンプと前記ビーコン中に含まれるＴＳＦタイマ値とのローカルリストを生成するローカルリスト生成手段と、前記マスタノードから送信されるマスタリストを前記無線ＬＡＮアクセスポイントを介して受信するマスタリスト受信手段と、前記マスタリストに含まれているタイムスタンプと前記Ｉ／Ｏノードの前記時刻検知手段によって決定されたタイムスタンプとに基づいて、前記Ｉ／Ｏノードの前記計時手段の時刻を調整する調整手段とを備えて成り、
   前記計時手段の時刻を調整する調整手段は、前記ローカルリストのタイムスタンプと前記マスタノードから送出されたマスタリストにおけるタイムスタンプの差に、前記マスタノードに対する前記Ｉ／Ｏノードの前記ビーコン受信後のタイムスタンプを生成する遅延時間差を加えたものを誤差量として時刻補正を行うものであることを特徴とするリモートＩ／Ｏシステム。
2. マスタノードと、前記マスタノードと無線ＬＡＮにて接続されて前記マスタノードから送出される信号を受信して時刻を生成する１又は複数のＩ／Ｏノードとから成るリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法であって、
   前記マスタノード及びＩ／Ｏノードのそれぞれが、同一無線ＬＡＮアクセスポイントから送信される同一ビーコンを受信してその中に含まれるＴＳＦタイマ値を抽出するステップと、
   前記マスタノードにおいて自ノードに備える計時手段の時刻のタイムスタンプと前記ビーコン中のＴＳＦタイマ値とのマスタリストを生成するステップと、
   前記マスタリストを、前記マスタノードから前記Ｉ／Ｏノードに同期情報として前記無線ＬＡＮアクセスポイントを介して送出するステップと、
   前記Ｉ／Ｏノードにおいて自ノードが備える計時手段の時刻タイムスタンプと前記ビーコン中に含まれるＴＳＦタイマ値とのローカルリストを生成するステップと、
   前記Ｉ／Ｏノードにおいて前記マスタノードから送信されるマスタリストを前記無線ＬＡＮアクセスポイントを介して受信するステップと、
   前記ローカルリストのタイムスタンプと前記マスタノードから送出されたマスタリストにおけるタイムスタンプの差に、前記マスタノードに対する前記Ｉ／Ｏノードの前記ビーコン受信後のタイムスタンプを生成する遅延時間差を加えたものを誤差量として算出するステップと、
   前記誤差量に基づいて前記Ｉ／Ｏノードが備える計時手段を制御することによって当該計時手段を前記マスタノードと同一の時刻に調整するステップと、
   を有することを特徴とするリモートＩ／Ｏシステムにおける時刻同期方法。

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