時刻同期とは、通信ネットワーク内のシステムや装置間の時刻が一致し、かつその時刻が協定世界時であるUTC(Coordinated Universal Time：協定世界時)に整合していることを意味します。これまで時刻同期は4G（第4世代移動通信システム）以降のモバイル通信において必要とされ、UTCに同期した時刻情報を携帯基地局へ配信する技術が開発されてきました。また昨今、ITサービスの多様化・高品質化に伴い、モバイル分野以外にも時刻情報の応用分野が拡がっています。例えば、金融分野の高頻度取引における高精度なタイムスタンプ打刻や、データセンタ間の分散処理における同期、映像ストリーミングにおけるフレーム同期、原子物理学における加速器などの大規模科学実験における機器間の時刻同期などがあります。このように、多岐にわたる産業や科学分野において重要な役割を果たす時刻同期技術は、多くのフォーラムや標準化団体で議論され、製品化・サービス導入が進められています。特にITU-Tでは、通信網における時刻同期への要求条件や、高精度時刻同期装置の規定に関する議論を行っています。

はじめに、ITU-Tが検討対象としている通信事業者のネットワークにおける時刻同期のユースケースと携帯基地局や産業応用における要求条件の一例を紹介します。
4G以降のモバイル通信では、携帯基地局の帯域有効活用のため、上りと下りで同一の周波数を時分割通信します(TDD: Time Division Duplex)。TDDのためには±1.5 µsの時刻同期精度が必要とされますが、4G/5G通信では、各通信事業者に割り当てられる無線周波数帯域を最大限活用するために事業者間のガードバンドを設けない方式が採用されており、時刻同期誤差が増大した場合、通信事業者間の電波干渉が懸念されます（図1(a)）。 これは、 一部通信事業者の時刻同期誤差が増大した場合、隣接する他通信事業者との間で上り下りのフレームパターンが逆転し、干渉する可能性を示唆します（図1（b））。 日本国内でも4G以降はガードバンドなしの運用となっており、時刻同期誤差による干渉の影響が懸念されます（1）。これを回避するためには、通信事業者間で共通の時刻基準(GPSなど)に同期すること、上り下りのTDDフレーム構成を統一することが前提となっています。NTTでは、時刻同期誤差による干渉メカニズムや詳細な発生条件を整理、ITU-T SG15において検討することを提案し、2020年1月会合で時刻同期の要求条件の勧告G.8271への反映を行いました。
近年、IEEEでは低遅延かつ時刻同期によるリアルタイム監視・制御を実現するための産業向けイーサネット規格としてTSN(Time Sensitive Network)を標準化しており、IEEE802.1ASにおいて時刻同期の標準を規定しています。その中で、通信事業者の5G（第5世代移動通信システム）ネットワークを活用して時刻情報を伝送し、TSNで想定する産業アプリケーションに時刻情報を配信するユースケースが提案されています（図2）。 2021年4月のITU-T SG15会合では、ITU-Tで規定する通信事業者のネットワークに要求される時刻精度として、900 nsという数値が提案されており、今後要件の詳細を議論することになりました。
また、将来の時刻同期ユースケースとして、量子通信や量子暗号といった次世代通信方式への応用が考えられています。ITU-Tでは量子鍵配信(QKD: Quantum Key Distribution)に関する標準化議論が活発化しており、QKDの一方式では、送信側からの微弱な光子の信号をタイミング良く受信側で検出するために高精度な時刻同期が必要とされています。QKDにおける時刻同期に関しては、海外の通信事業者からも関心が寄せられており、今後、各方式に応じた同期技術の要求条件が議論される見込みです。

次に、高精度に時刻同期を実現する技術であるPTP(Precision Time Protocol)の動向について紹介します。PTPは専用の時刻同期用パケットにタイムスタンプを埋め込み、システム間でこのパケットを交換することで双方の時刻を同期する方式です（2）。PTPの基本プロトコルはIEEE1588として標準化され、IEEE1588をベースに各産業分野の標準化団体や研究機関が互換性を維持し、各利用シーンの要件に応じて拡張するといった構図になっています（図3）。 通信分野はITU-Tが担当し、3GPPで議論されているモバイルアプリケーションを実現するための通信網のPTP規格を制定しています。また、産業分野はIEEEが担当し、前述のTSN規格の制定によるローカル5G＊1の実現等が期待されています。
現行のPTPは2008年にIEEE1588-2008(Version 2.0)として標準化され、ITU-TでPTPテレコムプロファイルとして拡張仕様が標準化された後、市販の通信装置や通信事業者のネットワークに導入・普及してきました。さらに、IEEE1588-2019(Version 2.1)として新たな標準規格が完成し、2020年に公開されました（3）。このVersion 2.1は、Version 2.0との後方互換性を維持したものになっていますが、標準文書としては、Version 2.0で約300ページだったものがVersion 2.1では約500ページと大幅追加されており、多くの新機能が盛り込まれています。
IEEE1588-2019では、アプリケーションにおける時刻同期の重要度の高まりや、各分野からの高精度な時刻同期要件の登場を受け、従来のPTP規格から主に柔軟性・ロバスト性・精度の3つの観点で拡充を図っています(表)。柔軟性については、PTPパケット転送方式においてユニキャスト・マルチキャスト混在を許容しています。ロバスト性については、セキュリティ機能やPTP受信ポートの品質監視、PTPドメイン＊2の冗長性などに関する機能が追加され、異常動作時におけるプロトコルの耐性が強化されています。精度については、これまでのnsレベルからサブns(0.1 nsオーダ)へ高精度化するとともに、同期精度に影響を与える上り下りの光ファイバ光路差やPTPパケットの送信・受信間のタイムスタンプ打刻誤差の校正機能が追加されています。ITU-Tでは、このIEEE1588-2019とPTPテレコムプロファイルの互換性を実現するため、対象となる勧告群の更新作業を進めています（図4）。2021年4月会合では、 IEEE1588-2019に対応するための多くのテレコムプロファイルパラメータが追加・修正されました。

＊1　ローカル5G: 通信事業者が提供する5Gに対して、各産業の個別要件に応じて企業や自治体が主体となり局所的に構築・提供する5Gシステム。
＊2　PTPドメイン： 1つの時刻基準装置に属するPTP装置の論理グループ。

これまでITU-Tでは5Gモバイルの要求条件の実現に向けて、PTP装置の高精度化を長期にわたり検討してきましたが、現在もさらなる高精度化に向けた議論が進められています。時刻情報をPTPによりネットワークで伝送する装置として、ITU-TではT-BC(Telecom-Boundary Clock)をG.8273.2で規定しています（4）。T-BCはPTPパケットを終端・再生し、次装置へ中継する装置です（図5）。T-BCの装置当り最大時刻誤差をこれまでClass Bとして70 nsに規定していましたが、新たな規格をClass Cとして30 nsと規定しました。さらに2019年以降はさらなる高精度化を実現するためのClass D規定を議論しています。一方T-BCに対して、PTPパケットを終端せず透過伝送させる装置であるT-TC(Telecom-Transparent Clock)がG.8273.3で定義されています（図5）。T-TCについても、Class C以降の高精度クラスの議論を開始しており、Class Cの一部の誤差パラメータについては2020年9月会合にて合意されています。最大時刻誤差については現状未規定ですが、T-BC　Class Cと同等の30 nsにする案も出ており、今後議論される見込みです。

PTPは、上り下りの遅延が一定であることを前提としたプロトコルのため、同期精度劣化の主要因である装置内遅延と光ファイバ伝送路遅延に関してもITU-T SG15で議論が活発化しています。
装置内遅延に関しては、IEEE1588で規定しているハードウェアタイムスタンプ機能で除去しきれない低レイヤの処理遅延変動の影響がITU-Tでは懸念されています（図6（a））。特に、光モジュールにおける物理層のデータ処理について、ナノ秒精度で遅延を規定すべきという意見があります。その中でも、光信号送受信に用いられるDSP(Digital Signal Processing)におけるフレーム多重分離処理、誤り訂正処理・FEC(Forward Error Correction)における遅延変動は、数10 nsレベルになるということが指摘されています。装置内遅延の変動はPTPの同期誤差に直結するため、遅延量の明確な規定と変動の抑制が要望される一方で、光モジュール構成やFEC処理等はシステムベンダの実装依存性があるため、標準としての規定は困難という見解もあり、現状継続検討中となっています。
さらに、PTPパケットが通過する光ファイバ伝送路遅延についても上り下りの遅延差を1 ns以下で測定することが求められています。光ファイバ伝送路遅延では、周囲の環境温度変動時の光ファイバの屈折率変化と機械的な膨張収縮による光路長変動を考慮する必要があります。IEEE1588-2019で規定されている上り下り遅延差校正機能は、PTP装置間を光ファイバで直結かつ運用中の遅延差変化がないことを前提とした機能ですが、ITU-Tでは通信事業者の複雑なネットワークに即し、時間的な変化も考慮して高精度に遅延差を把握する必要性が提起されています。特に、 NTTが海外通信事業者と共同で概念を提示し、標準化を進めてきた高精度時刻生成アーキテクチャであるcnPRTC(coherent network Primary Reference Time Clock)＊3 （4）では、分散配置したPRTC装置(時刻基準装置)間をネットワークでつなぎ、時刻情報を比較します。このPRTC間の比較用リンクの時刻伝送精度として、Class A: 5 ns、 Class B: 1 nsと非常に高精度な要求条件が2021年4月会合で合意されました。中でもClass Bは一心の光ファイバ伝送路によるPTPパケット伝送が想定されており、上り下りのPTPパケットをそれぞれ異なる波長で伝送するため、波長によって光ファイバの伝搬時間が異なる波長分散の影響があります（図6（b））。そこで、光ファイバ伝送路遅延を正確に測定する技術についても、各技術分野の専門家が合同で議論を行っています。一般に、光ファイバ伝送路遅延は、OTDR(Optical Time Domain Reflectometerｙ)＊4によって測定可能ですが、光パルスに変調をかけ受信側で相関をとることでさらに高精度な測定を可能とするcorrelation OTDRの活用も議論しています。しかし、OTDRの測定波長とPTP伝送用波長が異なる場合の影響、測定区間に光増幅器が介在しOTDRの光パルス反射経路が確保できない場合の対処等の課題があり、今後も継続的に議論される予定です。

＊3　cnPRTC： 時刻基準となるPRTCの時刻を高精度化するため、分散配置されたPRTC間の時刻を相互に比較し、最適な時刻を生成する新たなアーキテクチャ。
＊4　OTDR： 光ファイバに光パルスを入射し、その反射光を測定することで光ファイバの伝送損失や距離を測定、破断点を検出する技術。

同期信号基準として、従来用いられてきたセシウム原子時計に代わる次世代の高精度原子時計として、光時計＊5の利用が検討されています。光時計は商用セシウム原子時計を5桁以上凌駕する精度が期待されており、将来の1秒の新たな標準としても注目されています。ITU-T SG15においても、UTCに同期した光時計を新たな時刻源とした時刻同期方式や、運用中のセシウム原子時計を高精度な光時計でモニタする等の新たな議題も提案され始めています。NTTは、光時計を前提とした同期ネットワークコンセプトを提案しており、今後も次世代同期装置およびネットワークに関する構成、 要求条件を積極的に提案していく予定です。

＊5　光時計： 光周波数を基準とした次世代の原子時計。近年、各国の研究機関・大学などで高精度化に向けた研究が活発化しています。現在の1秒の標準であるセシウム原子時計に代わる次世代の秒の標準候補として期待されています。

5GおよびBeyond 5Gネットワークを利用するシーンが多様化し、今後も高精度な時刻情報を活用したITサービスが多数出てくることが予想されることから、時刻同期に対する重要性はさらに高まっていくものと思われます。NTTとしても今後、潜在的なサービス要件の把握と最先端の技術開発状況を見極めながら、同期技術の標準化活動に積極的に貢献していきます。

■参考文献
（1）　藤井・諏訪・鳥羽・戸枝：“3.5GHz帯TD-LTE導入に向けた基地局装置の開発,”NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル,Vol.24, No.2, pp.8-12, 2016.
（2）　新井・村上：“ITU-Tにおける網同期技術の標準化動向,”NTT技術ジャーナル,Vol.27, No.12, pp.63-67, 2015.
（3）　IEEE Std 1588-2019：“IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems,” 2019.
（4）　新井・村上：“5Gモバイルネットワーク実現に向けた高精度時刻・周波数同期技術の標準化動向,”NTT技術ジャーナル,Vol.30, No.11, pp.44-48, 2018.