5G のタイミングと同期とは

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タイミングと同期は、5G ワイヤレスネットワークのパフォーマンスにとって重要であり、相互に関連する要件です。タイミングは、ワイヤレスネットワーク全体で通信する必要がある正確で標準化された時間値の確立に基づいています。同期という密接に関連した概念は、この共通の時間基準を使用してのみ正常に完了できるネットワークアクティビティの調整されたリズムを指します。

5G ネットワークの精密なタイミングと同期の要件は、速度の大幅な高速化、レイテンシの短縮、基地局の高密度化によって高度化しています。ワイヤレスネットワークのタイミングと同期の規格により、メッセージの相互干渉を防ぎ、基地局間のスムーズな転送が可能になります。また、パケットベースのトランスポートおよび時分割複信（TDD）テクノロジーへの移行により、タイミングと同期テストソリューションには正確性と汎用性も要求されるようになっています。

タイミングと同期の重要性

米国にサービスを提供する全地球測位システム（GPS）をはじめとする、全球測位衛星システム（GNSS）群から生成されるタイミングは、ワイヤレスネットワークの運用において重要な役割を果たしています。この一貫性があり信頼できる時間標準にアクセスできなければ、効率的なスペクトラム利用と高速、広帯域幅のワイヤレスサービスの提供は不可能です。 

• 同期技術は、5G ネットワークを含むすべてのワイヤレス通信に不可欠です。二重化、多重化、およびパケットベースの戦略はすべて、データ送信の調整、干渉の防止、エラー率の低減、周波数または位相の移行の補償をタイミング基準に大きく依存しています。
  • 周波数同期は、異なるシステムクロックの周波数（繰り返し間隔）は整列しているが、位相と時間は整列していない状態を表します。
  • 位相同期は、周波数と位相に関してはクロックは整列しているが、共通の時間原点がない状態を意味します。 
  • 時間同期は、位相と周波数の両方が一致しており、クロックも協定世界時（UTC）などの共通の時間原点をもっている状態を指します。 
• 5G RAN 分割により、ベースバンドユニット（BBU）は、柔軟な集約ノード（CU）と分散ノード（DU）に分割されています。5G ユースケースの要件を満たすには、これらの要素間の絶対的および相対的なタイミングを厳密に制御する必要があります。フロントホールネットワークの同期により、RAN は CU と DU 間の距離に関係なく、正常に機能します。

二重通信は、１ つの通信チャネル上の双方向の伝送を意味します。時分割複信（TDD）は、同じ周波数でアップリンク信号とダウンリンク信号に異なるタイムスロットを使用することでこれを実現します。この独創的な方法により、半二重（シリアル - バイナリ）リンクを介して全二重（同時）通信が可能になります。 

• 時分割複信ワイヤレスは、世界中の 5G 導入の基本技術です。アップリンク信号とダウンリンク信号が同じ周波数で動作し、送信間に短いガード期間だけがある場合、スペクトル効率は向上します。二重通信リンクでは、セル内またはセル間の干渉を防ぐために精密なタイミングと同期が必要です。TDD では、位相と周波数の両方の同期が必要です。
• 5G のTDD スロット形式は、データを一連の 10ms 無線フレームに分割し、各無線フレームには 10 個の 1ms サブフレームが含まれます。3GPP TS 38.213 のリリース 15.3 には、使用可能フレームとスロット構成が 56 通りあり、広範な 5G のユースケースとトラフィックパターンに対応しています。 
• 5G TDD が変動するタイムスロットはクロスリンク干渉を引き起こす可能性があります。形式によっては、アップリンク時間とダウンリンク時間が等しいものとバランスが良くないものがあります。干渉を防ぐために、フレームとスロットの構造も隣接するネットワーク間で同期する必要があります。 

非同期スロット形式の 2 つのネットワーク

• 周波数分割複信（FDD）は、TDD よりも前の全二重通信方式であり、送信周波数帯域と受信周波数帯域を別々に必要とします。5G の FDD と TDD を比較する議論では、通常、FDD テクノロジーが消費するスペクトラム部分の大きさが話題になります。 
• 干渉を最小限に抑えるために、FDD の送信チャネルと受信チャネルの間にガードバンドが必要です。FDD はタイミングと同期の要件に関してより寛容ですが、MIMO、ビームフォーミング、および C バンドスペクトラムとの互換性が、FDD 5G よりも TDD が優先されるもう 1 つの理由です。 

IEEE 1588 規格で定義された高精度時間プロトコル（PTP）では、パケットベースのネットワークに対するサブミクロン範囲の正確なクロック同期の方法が規定されています。これには、イーサネットベースの 5G ミッドホールおよびフロントホールネットワークが対象になります。2008 年にリリースされた PTP バージョン 2 (1588v2) と、2019 年に完成した追加の下位互換性の改訂により、このプロトコルの確度、精度、明確さが向上しました。  

• 高精度時間プロトコル（PTP）インフラには、GNSS 衛星ソースに直接同期されるプライマリクロックが含まれています。絶対時間は UTC に基づいています。この情報は、境界クロックと二次クロックを使用してネットワーク全体で共有されます。二次クロックは、他のクロックのタイミングソースとしては機能しません。5G ネットワーク内のすべての無線装置が共通の時間と位相に同期すると、スケジューラーは干渉を最小限に抑えることができます。
• PTP に使用される境界ブロックは、プライマリクロックとしてもセカンダリクロックとしても機能します。元のプライマリクロックからタイミングメッセージを受信すると、遅延を調整してネットワーク内の他のクロックに新しいプライマリタイム信号を送信できます。
• PTP Over Ethernetが、5G フロントホールネットワークの主要なタイミング源として、GNSS を置き換えつつあります。イーサネットは自動的には同期しませんが、タイミングと周波数情報は、PTP と同期イーサネット（SyncE）を使用してイーサネットレイヤー上で配信できます。

5G ネットワークノードが同期していない場合、受信信号は正しく復調できません。これは、顧客体験を損なう高いビット誤り率（BER）、遅延、ジッターを引き起こす可能性があります。これに対処するため、3GPP と ITU-T をはじめとする複数の標準化団体によって同期要件が確立されています。

• 同期の定義と手順は、通信システムによって異なります。搬送波とタイミングの精度要件は、TDD の場合 FDD 5G よりも厳しくなります。ユースケースごとに、同期の種類、要件、およびコンプライアンス違反がパフォーマンスに与える影響も異なります。
• 時間誤差（TE）は、任意の 2 つのノードクロック間の時間差です。一次時間基準と任意のノードとの間の絶対時間の誤差は、LTE/5G TDD ではわずか 1.5μs に制限されます。これには、バックホールの 1.1μs の絶対時間誤差と、バックホール出力から無線アンテナポートまでの残りのリンクの 0.4μs が含まれます。

5G のタイミングと同期の課題

RAN 分離、TDD、および MIMO、ビームフォーミング、ミリ波テクノロジーの採用により、5G ワイヤレスの可能性を最大限に引き出すことができるようになりました。また、これらのイノベーションが組み合わせられることで、5G のタイミングおよび同期要件も前例のないレベルに引き上げられています。パケットネットワークにおけるタイミングと同期の等式は、自動運転車や IoT などのリアルタイムアプリケーションによって変化しています。

• 基地局間干渉は、5G 時分割複信ワイヤレスの望ましくない副産物になる可能性があります。併置され、隣接する周波数が割り当てられたネットワーク間で互換性のあるフレーム構造が規定されている必要があります。 

• TDD を使用する搬送波は、アップリンク送信とダウンリンク送信の間にガード期間が必要です。DL 信号は、TDD を使用している隣接チャネルに漏れる可能性があり、その影響を軽減するために FDD LTE ガードバンドは使用されなくなりました。 

• 5G の要件を満たすには、衛星アンテナによって取得される GPS 信号の品質の信頼性が高い必要があります。複数の場所からの GNSS 信号の強度の検証と完全なアンテナの検証により、干渉の問題の可能性を最小限に抑えることができます。

• 5G 基地局の精密なタイミングと同期の要件により、たとえわずかな時間の変動も許容できなくなっています。3G および 4G ネットワークでは同期に必要な衛星のラインオブサイト（LOS）は 1 つだけでしたが、5G ネットワークでは衛星の位置の影響を最小限に抑えるために 4 つ以上の衛星位置をロックする必要があります。 

  

  
  GPS ベースの同期

何をテストできるか？ 

VIAVI テストソリューションの強力なスイートを使用すると、非常に要求の厳しいタイミングおよび同期要件を正確かつ確実に確認できます。厄介なフレーム落ち、干渉、およびハンドオーバーの問題は、プロアクティブな検証アプローチを採用することで防ぐことができます。

• PTP テストを実施することで、すべてのネットワーククロックがプライマリクロックに整列され、フロアパケットパーセンタイルなどの PTP 周波数プロファイルの制限が満たされていることが保証されます。また、時間誤差（TE）制限に対する時間および位相プロファイルの準拠を設立することもできます。VIAVI MTS-5800 や OneAdvisor 800 ワイヤレスを使うと、プライマリクロックからのダウンストリームの PTP 端末をエミュレートすることにより、タイミングエラーと接続性を簡単にテストできます。

  5G NR フレーム形式テストでは、合意されたスロットおよびフレーム形式への準拠を検証します。OneAdvisor 800 ワイヤレスを使用した無線テストを使用して、隣接するネットワーク上の複数の事業者の TDD フレーム形式を検証できます。時分割複信ワイヤレスによる基地局間干渉は防止できます。 

  
• また、GNSS テストでは、MTS-5800 を利用することで、導入時とその後の GNSS アンテナ位置の適合性を確立することもできます。目に見える衛星の数、その信号強度、およびセクターとサイトライン全体の衛星位置の多様性をすべて、単一の直感的なインターフェイスを使用して評価できます。 

RAN 分離、TDD、および MIMO、ビームフォーミング、ミリ波テクノロジーの採用により、5G ワイヤレスの可能性を最大限に引き出すことができるようになりました。また、これらのイノベーションが組み合わせられることで、5G のタイミングおよび同期要件も前例のないレベルに引き上げられています。パケットネットワークにおけるタイミングと同期の等式は、自動運転車や IoT などのリアルタイムアプリケーションによって変化しています。

• 基地局間干渉は、5G 時分割複信ワイヤレスの望ましくない副産物になる可能性があります。併置され、隣接する周波数が割り当てられたネットワーク間で互換性のあるフレーム構造が規定されている必要があります。 

• TDD を使用する搬送波は、アップリンク送信とダウンリンク送信の間にガード期間が必要です。DL 信号は、TDD を使用している隣接チャネルに漏れる可能性があり、その影響を軽減するために FDD LTE ガードバンドは使用されなくなりました。

• 5G の要件を満たすには、衛星アンテナによって取得される GPS 信号の品質の信頼性が高い必要があります。複数の場所からの GNSS 信号の強度の検証と完全なアンテナの検証により、干渉の問題の可能性を最小限に抑えることができます。

• 5G 基地局の精密なタイミングと同期の要件により、たとえわずかな時間の変動も許容できなくなっています。3G および 4G ネットワークでは同期に必要な衛星のラインオブサイト（LOS）は 1 つだけでしたが、5G ネットワークでは衛星の位置の影響を最小限に抑えるために 4 つ以上の衛星位置をロックする必要があります。 

  

  
  GPS ベースの同期