JP5407568B2 - 同期信号生成装置及び同期信号生成方法 - Google Patents

Description

複数装置間の同期をとるための同期信号を生成する同期信号生成装置及び同期信号生成方法に関する。

従来、移動通信システムにおける基地局間同期方法がいくつか提案されている。例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）等の絶対時刻に同期させる方法や、上位の基地局制御装置でそれぞれの基地局間の伝播遅延を加味した送信タイミングを制御する方法などがある。また、各方法に応じて、障害が発生してしまった場合の対応策も提案されている。例えば、ＧＰＳ等の絶対時刻に同期させる方法においては、障害の発生によりＧＰＳ等から絶対時刻を取得できない場合、予め基地局装置内に備えられている高精度発振器によって同期をとる方法が提案されている（特許文献１参照）。このような高精度発振器は、水晶発振器などの高安定クロック発生機能を持つ装置によって構成される。

特開２００１−３３９３７３号公報

しかしながら、従来の障害対策の構成では、高価な高精度発振器を備える必要があり、コストが高くなってしまうという問題があった。一方で、高精度発振器を廉価なものにそのまま置き換えて使用した場合には、発振器から出力される信号のタイミングのずれが大きく、すぐに基地局間同期が維持できなくなってしまうという課題があった。

上記事情に鑑み、本発明は、コストの増大を抑止しつつ、障害発生時にも複数装置間の同期を障害回復まで維持することを可能とする同期信号生成装置及び同期信号生成方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、同期信号生成装置であって、他の装置との間で同期をとるための信号を受信し、受信された信号に基づいて第一同期用信号を出力する受信部と、前記第一同期用信号と所定のずれを生じながら第二同期用信号を出力する発振部と、前記第一同期用信号と前記第二同期用信号とのずれを予め記憶する記憶部と、前記受信部が前記信号を受信している場合には前記第一同期信号に基づいて同期信号を出力し、前記受信部が前記信号を受信していない場合には前記第二同期用信号及び前記記憶部に記憶されるずれに基づいて前記ずれを補正することにより同期信号を出力する同期信号生成部と、を備え、前記同期信号生成部が前記ずれを補正するときの補正誤差に関する値を記憶する補正誤差記憶部をさらに備え、前記同期信号生成部は、前記ずれを補正する処理よりも低い頻度で、前記補正誤差に関する値に基づいて前記補正誤差の補正を行う。

本発明の一態様は、同期信号生成方法であって、第一同期用信号と前記第二同期用信号とのずれを予め記憶する記憶部を備えた同期信号生成装置が、他の装置との間で同期をとるための信号を受信し、受信された信号に基づいて第一同期用信号を出力する受信ステップと、同期信号生成装置が、前記第一同期用信号と所定のずれを生じながら第二同期用信号を出力する発振ステップと、同期信号生成装置が、前記受信ステップにおいて前記信号を受信している場合には前記第一同期信号に基づいて同期信号を出力し、前記受信ステップにおいて前記信号を受信していない場合には前記第二同期用信号及び前記記憶部に記憶されるずれに基づいて前記ずれを補正することにより同期信号を出力する同期信号生成ステップと、を備え、前記同期信号生成ステップにおいて、前記ずれを補正する処理よりも低い頻度で、補正誤差記憶部に記憶されている補正誤差に関する値に基づいて前記補正誤差の補正を行う。

本発明により、コストの増大を抑止しつつ、障害発生時にも複数装置間の同期を障害回復まで維持することが可能となる。

基地局通信システムのシステム構成を表すシステム構成図である。 第一実施形態における基地局装置の機能構成を表す概略ブロック図である。 ＧＰＳタイミングパルスと予備タイミングパルスと位相偏差の概略を表す概略図である。 パルス生成部による位相偏差の補正の概略を表す図である。 パルス生成部の補正処理の概略を表す図である。 パルス生成部の補正処理の概略を表す図である。 パルス生成部の補正処理の概略を表す図である。 第二実施形態における基地局装置の機能構成を表す概略ブロック図である。

［第一実施形態］
図１は、基地局通信システム１のシステム構成を表すシステム構成図である。基地局通信システム１は、複数台の基地局装置１００（基地局装置１００−１〜基地局装置１００−３）、ＧＰＳ衛星２００を備える。基地局通信システム１は、例えば、３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）における移動通信システムに用いられる基地局システムとして動作する。

基地局装置１００は、移動通信システムに備えられる基地局装置であり、無線通信を行うタイミングを他の基地局装置１００との間で同期をとっている。
ＧＰＳ衛星２００は、ＧＰＳ（Global Positioning System）のための衛星であり、自身に搭載された原子時計に基づいて時刻のデータを含むＧＰＳ信号を送信する。

図２は、第一実施形態における基地局装置１００の機能構成を表す概略ブロック図である。基地局装置１００は、送受信部１０及びタイミングパルス生成装置２０を備える。送受信部１０は、タイミングパルス生成装置２０によって生成される通信タイミングパルスに応じて、他の基地局装置１００と同期をとりながら無線信号の送受信を行う。

タイミングパルス生成装置２０は、他の基地局装置１００に備えられたタイミングパルス生成装置２０と同期がとれた通信タイミングパルスを出力する。具体的には、タイミングパルス生成装置２０は、ＧＰＳ受信部１１、発振部１２、補正データ記憶部１３、パルス生成部１４を備えることによって通信タイミングパルスを出力する。

ＧＰＳ受信部１１は、ＧＰＳ衛星２００からＧＰＳ信号を受信し、ＧＰＳ信号に含まれる時刻データに基づいてＵＴＣ（協定世界時：Universal Time, Coordinated）に同期したＧＰＳタイミングパルスを出力する。ＧＰＳ受信部１１は、例えば周期が１秒のＧＰＳタイミングパルスを出力する。ＧＰＳタイミングパルスにより、基地局装置１００同士の絶対時刻が合い同期をとることが可能となる。

発振部１２は、一般的な発振器を用いて構成され、予備タイミングパルスを出力する。発振部１２に用いられる一般的な発振器はＧＰＳ衛星２００に搭載される原子時計に比べて精度が低いため、時間が経つにつれてＧＰＳタイミングパルスと予備タイミングパルスには位相のズレ（位相偏差）が生じてしまう。ただし、発振部１２は、ＧＰＳ受信部１１からＧＰＳタイミングパルスを入力し、ＧＰＳタイミングパルスが入力される度にＧＰＳタイミングパルスと予備タイミングパルスとの同期をとり位相のズレを修正する。発振部１２が出力する予備タイミングパルスの周波数はどのような値であってもよく、例えばＧＰＳタイミングパルスよりも高い周波数の予備タイミングパルスが出力されても良いし、ＧＰＳタイミングパルス及び通信タイミングパルスよりも高い周波数の予備タイミングパルスが出力されても良い。より具体的には、例えば数メガヘルツの予備タイミングパルスが発振部１２から出力される。

補正データ記憶部１３は、半導体記憶装置や磁気ハードディスク装置などを用いて構成され、パルス生成部１４が補正処理に用いる補正データを記憶する。補正データは、ＧＰＳタイミングパルスと予備タイミングパルスとの位相偏差の量を含む。また、補正データは、パルス生成部１４が補正誤差を補正する際に用いるデータも含む。ＧＰＳタイミングパルスと予備タイミングパルスとの位相偏差の量は、予めＧＰＳ受信機等のタイミングマスターで発振部１２の自走精度を一定時間測定して経時偏差を統計することによって算出される。また、補正誤差の補正に用いられるデータも、パルス生成部１４の補正精度に応じて予め測定や統計が行われることにより算出される。

パルス生成部１４は、ＧＰＳ受信部１１から出力されるＧＰＳタイミングパルス、発振部１２から出力される予備タイミングパルス、補正データ記憶部１３に記憶される補正データに基づいて通信タイミングパルスを生成し出力する。具体的には、ＧＰＳ受信部１１がＧＰＳ信号を正常に受信しＧＰＳタイミングパルスを生成できている場合には、パルス生成部１４はＧＰＳタイミングパルスに基づいて通信タイミングパルスを生成する。一方、ＧＰＳシステムにおける障害の発生によりＧＰＳ受信部１１がＧＰＳ信号を正常に受信できずＧＰＳタイミングパルスを生成できない場合には、パルス生成部１４は予備タイミングパルス及び補正データに基づいて通信タイミングパルスを生成する。

図３は、ＧＰＳタイミングパルスと予備タイミングパルスと位相偏差の概略を表す概略図である。以下の説明において、基地局装置１００−１は障害の発生によりＧＰＳ信号を受信できなくなり、基地局装置１００−２はＧＰＳ信号を受信できていると仮定する。上段のタイミングチャートは、ＧＰＳ信号を受信できている基地局装置１００−２の通信タイミングパルスの出力タイミングを表す。この場合、通信タイミングパルスは、ＧＰＳタイミングパルスとずれることなく出力される。

中段のタイミングチャートは、障害の発生によりＧＰＳ信号を受信できなくなった直後の基地局装置１００−１の予備タイミングパルスの出力タイミングを表す。ＧＰＳ信号を受信できなくなった直後の予備タイミングパルスは、ＧＰＳタイミングパルスとＰｓ分の位相偏差が生じている。Ｐｓは、単位時間（１Ｔ）当たりのＧＰＳタイミングパルスと予備タイミングパルスとの位相偏差を表す。また、ＧＰＳ信号を受信できなくなった直後２回目の予備タイミングパルスは、ＧＰＳタイミングパルスと２×Ｐｓ分の位相偏差が生じている。そのため、もし補正データが用いられることなく予備タイミングパルスのみによって通信タイミングパルスが生成されると、基地局装置１００−１と基地局装置１００−２との間では、上記のような位相偏差に基づくずれが生じ、装置間の同期が維持できなくなってしまう。

下段のタイミングチャートは、障害の発生によりＧＰＳ信号を受信できないＧＰＳ信号を受信できなくなった直後の基地局装置１００−１の通信タイミングパルスの出力タイミングを表す。

位相偏差の値Ｐｓは、補正データとして補正データ記憶部１３に記憶される。パルス生成部１４は、通信タイミングパルスを生成する際に、発振部１２から出力される予備タイミングパルスを補正データに基づいて、ＧＰＳ信号を正常に受信できている他の基地局装置１００の通信タイミングパルスと同期した通信タイミングパルスを生成する。

中段のタイミングチャートが示すように、Ｐｓのズレは、時間が経過するにつれて累積するため、Ｐｓの値自体が小さかったとしても、一定時間経過するとシステムで想定している許容時間を超えてしまう。許容時間とは、基地局システム１において基地局装置１００同士の同期のズレとして許容される時間の長さを表す。例えば、基地局システム１の許容時間が１０マイクロ秒の場合、ＧＰＳタイミングパルスに対する基地局装置１００−１の通信タイミングパルスの位相偏差が１ｐｐｍ（１秒間に１マイクロ秒の偏差）であれば、１０秒後にこのシステム許容時間１０マイクロ秒を超えることになる。そのため、ＧＰＳ受信障害発生後１０秒後には許容時間を超えてしまう。

図４は、パルス生成部１４による位相偏差の補正の概略を表す図である。１Ｔ当たりＰｓの位相偏差があるため、パルス生成部１４は１Ｔ毎に予備タイミングパルスに対してＰｓの補正をかける。この補正により、予備タイミングパルスを用いて生成される通信タイミングパルスと、ＧＰＳタイミングパルスを用いて生成される通信タイミングパルスとのズレが減少する。

ただし、一般的にパルス生成部１４は補正を行う際に厳密にＰｓ分の補正をかけることができないため、補正時に補正誤差ΔＰが生じてしまう。補正誤差は、補正回数が増加する度に累積するため、補正誤差の値自体が小さかったとしても、一定時間経過すると許容時間を超えてしまう。そこで、パルス生成部１４は、補正誤差ΔＰの累積値に対してもさらに補正処理を行う。補正誤差に関する値は補正データとして予め補正データ記憶部１３に記憶され、パルス生成部１４は補正データ記憶部１３に記憶される値に基づいて補正誤差の補正を行う。

次に、パルス生成部１４の補正処理について、具体例に基づいて説明する。図５〜７は、ＧＰＳタイミングパルスに対する予備タイミングパルスとの位相偏差が１ｐｐｍ（１秒間に１マイクロ秒の偏差）、許容時間を１０マイクロ秒、想定されるＧＰＳ障害の復旧時間を２４時間（８６４００秒）、補正周期（Ｔ）を１００ミリ秒、補正量（Ｐ（Ｔ））を１００ナノ秒（１００億分の１秒）とした場合の、パルス生成部１４の補正処理の概略を表す図である。補正がない場合には、１０秒でズレが許容時間を越えてしまう。

パルス生成部１４が補正処理を行うことにより、計算上は１ｐｐｍの補正がかかるため、ＧＰＳタイミングパルスと通信タイミングパルスとの位相偏差は、１００ミリ秒当たりの位相偏差の許容量Ｐｃ＝１００ナノ秒以内となる。
ただし、上述のように、補正時に生じる補正誤差（ΔＰ）が存在するため、復旧時間内のズレが許容時間内となるための条件は以下の式によって表される。

すなわち、１秒間に約０．１ナノ秒以内のズレが条件となる。例えば１００ｍｓ毎の補正誤差ΔＰが１ナノ秒である場合、パルス生成部１４は図６に示されるように、１秒単位で１０ナノ秒の補正誤差の補正をおこなう。さらに、パルス生成部１４は図７に示されるように１０秒周期で１ナノ秒の補正をおこなう。このように、一般的に位相偏差の値は補正誤差の値よりも大きいため、パルス生成部１４は位相偏差の値の補正処理の頻度に比べて低い頻度で補正誤差の補正を行う。また、図６に示されるように補正誤差の補正処理の際にもさらに補正誤差が生じるため、パルス生成部１４は、図７に示されるように補正誤差の補正処理における補正誤差を補正するように構成されても良い。

このように構成された第一実施形態のタイミングパルス生成装置２０によれば、ＧＰＳ受信部１１がＧＰＳ信号を受信できなくなるような障害が発生した場合であっても、パルス生成部１４がこの経時偏差分を補正することによって、高価な高安定のクロック発生機能を備えることなく、ある一定期間の間システム上許容できる範囲内に基地局間の同期を実現することが可能となる。また、位相偏差の補正時の補正誤差や補正誤差の補正時の補正誤差についても補正処理を行うことによって、さらに通信タイミングパルスの精度を向上させ、通信タイミングパルスのズレが許容時間に達する時間を長くすることが可能となる。

〔変形例〕
タイミングパルス生成装置２０は、複数装置間で同期をとる必要がある装置であれば、基地局装置１００に限らずどのような装置に備えられても良い。
また、タイミングパルス生成装置２０のＧＰＳ受信部１１は、他の装置（上記の説明では他の基地局装置１００）との間で高精度の同期をとることができれば他の装置であっても良く、例えば上位の制御装置から同期信号を受信する機能部として構成されても良いし、他の基地局装置１００から同期信号を受信する機能部として構成されても良い。この場合、パルス生成部１４は、これらの機能部が正常に動作しない場合に、発振部１２から出力される予備タイミングパルス及び補正データ記憶部１３に記憶される補正データに基づいて通信タイミングパルスを生成する。

［第二実施形態］
図８は、第二実施形態における基地局装置１００ａの機能構成を表す概略ブロック図である。第一実施形態の基地局装置１００と同じ機能部には図８において図２と同じ符号を付して表し、その説明を省く。

基地局装置１００ａは、補正データ記憶部１３に代えて位相偏差検出部１５を備える点で基地局装置１００と異なり、他の構成は基地局装置１００と同様である。
位相偏差検出部１５は、ＧＰＳ受信部１１からＧＰＳタイミングパルスを受信し、発振部１２から予備タイミングパルスを受信する。そして、位相偏差検出部１５は、ＧＰＳタイミングパルスと予備タイミングパルスとの位相偏差を算出し、その結果をパルス生成部１４に出力する。この場合、パルス生成部１４は、補正データ記憶部１３に記憶される位相偏差ではなく、位相偏差検出部１５によって算出された位相偏差に基づいて補正処理を行う。

このように構成された第二実施形態のタイミングパルス生成部２０ａによれば、予め補正データを算出して補正データ記憶部１３に記憶させる必要が無くなる。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１１…ＧＰＳ受信部， １２…発振部， １３…補正データ記憶部， １４…パルス生成部， １５…位相偏差検出部， ２０…タイミングパルス生成装置

Claims (2)

1. 他の装置との間で同期をとるための信号を受信し、受信された信号に基づいて第一同期用信号を出力する受信部と、
   前記第一同期用信号と所定のずれを生じながら第二同期用信号を出力する発振部と、
   前記第一同期用信号と前記第二同期用信号とのずれを予め記憶する記憶部と、
   前記受信部が前記信号を受信している場合には前記第一同期信号に基づいて同期信号を出力し、前記受信部が前記信号を受信していない場合には前記第二同期用信号及び前記記憶部に記憶されるずれに基づいて前記ずれを補正することにより同期信号を出力する同期信号生成部と、を備え、
   前記同期信号生成部が前記ずれを補正するときの補正誤差に関する値を記憶する補正誤差記憶部をさらに備え、
   前記同期信号生成部は、前記ずれを補正する処理よりも低い頻度で、前記補正誤差に関する値に基づいて前記補正誤差の補正を行う同期信号生成装置。
2. 第一同期用信号と前記第二同期用信号とのずれを予め記憶する記憶部を備えた同期信号生成装置が、他の装置との間で同期をとるための信号を受信し、受信された信号に基づいて第一同期用信号を出力する受信ステップと、
   同期信号生成装置が、前記第一同期用信号と所定のずれを生じながら第二同期用信号を出力する発振ステップと、
   同期信号生成装置が、前記受信ステップにおいて前記信号を受信している場合には前記第一同期信号に基づいて同期信号を出力し、前記受信ステップにおいて前記信号を受信していない場合には前記第二同期用信号及び前記記憶部に記憶されるずれに基づいて前記ずれを補正することにより同期信号を出力する同期信号生成ステップと、を備え、
   前記同期信号生成ステップにおいて、前記ずれを補正する処理よりも低い頻度で、補正誤差記憶部に記憶されている補正誤差に関する値に基づいて前記補正誤差の補正を行う同期信号生成方法。

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