5Gの高精度時刻同期を支えるセシウム原子時計：GNSS障害時も高精度な時刻同期（2/3 ページ）

[Benjamin Bunyatipanon（Microchip Technology），EDN]

セシウム原子時計：安定した自律的な時刻同期源

　セシウム原子時計は、安定性と精度に優れた時刻同期装置の1つだ。その動作は、長期間にわたって極めて一定に保たれるセシウム原子の固有の共振周波数に基づいている。この安定性によって、セシウム原子時計は外部の基準信号がなくても、数カ月にわたって高精度な時刻を維持できる。

　主な特長として、優れた長期周波数安定性、経時的なドリフトの小ささ、環境変化に対する予測可能な動作、GNSSを使用しない自律動作などが挙げられる。

　通信ネットワークでは、セシウム原子時計は一次基準源（PRS）として、または高度な一次基準時刻クロックシステムの一部として使用される。その役割は、グランドマスタークロック、バウンダリークロック、無線ユニットなど、他のネットワーク要素が利用できる、安定性とトレーサビリティーを備えた時刻同期基盤を提供することである。

ホールドオーバー：セシウム原子時計の重要な優位性

　5Gに対するセシウム原子時計の最も重要な貢献の1つが、ホールドオーバー性能である。ホールドオーバーとは、通常はGNSSである外部基準信号が失われた場合でも、クロックが高精度な時刻同期を維持する能力を指す。

　高品質なセシウム原子時計は、極めて厳しい許容範囲内で周波数精度を維持し、位相ずれを100ナノ秒以内に抑え、協定世界時（UTC）へのトレーサビリティーを長期間確保できる。クロックの設計や環境条件によっては、この状態を数週間から数カ月にわたって維持できる。

　5Gネットワークでは、これによりTDD無線装置の同期が維持され、Massive MIMOやビームフォーミングが継続して機能し、高次変調方式も引き続き利用できる。また、GNSSの障害が発生してもネットワークの安定性を維持できる。GNSSへの干渉がますます一般的になる中、この機能は単に有益であるだけでなく、不可欠なものになっている。

最新の5G時刻同期アーキテクチャにおけるセシウム原子時計

　セシウム原子時計は通常、通信事業者のコアネットワーク内にある集中型の時刻同期ハブに配置される。これらのハブは、ネットワーク全体に時刻と周波数を提供する基準源として機能する。

　一般的な5Gアーキテクチャの主要な構成要素には、次のものがある。

• 一次基準源（PRS）： セシウム原子時計は、10MHzと1ppsの出力によって基本となる周波数基準と時刻基準を提供し、時刻同期分配システムに供給する。
• GNSSレシーバー： GNSSが利用できる場合には引き続き使用し、国際的な時刻標準へのトレーサビリティーを提供する。セシウム原子時計はGNSSからの入力と自身の安定性を組み合わせ、複合的な基準信号を生成する。
• グランドマスタークロック： IEEE 1588 Precision Time Protocol（PTP）を使用して時刻同期情報を分配する。多くの場合、G.8275.1やG.8275.2などの通信向けプロファイルに従う。
• バウンダリークロックとトランスペアレントクロック： 遅延やジッタを補正しながら、ネットワークのより末端まで時刻同期情報を伝達する。
• 無線ユニット： ネットワークの末端では、分配された時刻同期情報を利用してTDDの同期を維持し、高度な無線機能をサポートする。

　このモデルでは、セシウム原子時計が基準となり、GNSSが妨害された場合でも安定性を確保する。