A 5G cell must hold its phase within 3 µs of its neighbours, ±1.5 µs of a common reference1; a synchrophasor’s one per cent vector error leaves room for only tens of microseconds of timing error2. Most of that time comes from satellites, which can be jammed or spoofed. A national order in 2020 named the problem3.
Systems
GNSS, Precision time protocol, Holdover clocks
Toward 2030
Authenticated satellite navigation, Resilient PNT
Figures
4, systems diagram, simulator, data story, timeline to 2030
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01Systems diagram
Where the time comes from.
A primary reference time clock disciplined by satellite navigation feeds a grandmaster; the precision time protocol carries time through boundary clocks to the radio and the substation4. An enhanced reference clock adds an atomic standard that can hold time for days when the satellites are lost5. Jam the receiver and see what still has time.
Scenario
Figure as text: A time distribution chain with an enhanced reference
A four-tier diagram: satellite navigation and an atomic clock, reference clocks, boundary clocks, and the radio sites and substations that need time.
Sources: GNSS, Atomic clock
Reference clocks: PRTC, ePRTC
Transport: Boundary clock, Boundary clock
End applications: Radio site, Substation
9 links. Scenarios: Satellites available; Satellite signal jammed; Jammed, no atomic reference.
02Simulator
How long a clock can coast.
Without a reference, a clock drifts by its frequency offset every second. The time it can coast within a budget is the budget divided by the offset: at one part per billion, ±1.5 µs lasts 25 minutes. Reference clocks are specified to their accuracy against UTC6; the network budget is shared between them and the transport7.
Figure as text: Holdover time against a time error budget
A line chart of time error growing with holdover time, crossing the dashed budget line at the point marked in red.
Holdover time against a time error budget, at the starting values
Frequency offset
1 ppb
Time error budget
1.5 µs
Holdover within the budget
25 min
Error after one hour
3.60 µs
Error after one day
86.4 µs
03Data story
Holdover by oscillator stability.
The same arithmetic for five frequency offsets, from a hundredth of a part per billion to fifty. Each tenfold improvement in stability buys ten times the holdover; this is why atomic references sit at the top of the chain.
Figure as text: Holdover within ±1.5 µs by frequency offset
A bar chart of holdover hours for five frequency offsets, from about 42 hours at 0.01 ppb to about half a minute at 50 ppb.
Holdover within ±1.5 µs by frequency offset (h)
Frequency offset
Hours
0.01 ppb
41.67
0.1 ppb
4.17
1 ppb
0.42
10 ppb
0.04
50 ppb
0.01
04Timeline to 2030
Toward resilient positioning, navigation and timing.
Authentication of navigation messages lets a receiver reject forged signals; Galileo declared its open-service authentication operational in 20258. With enhanced reference clocks and terrestrial distribution, it is part of making time a resilient public good3.
Figure as text: Timing standards and resilient PNT policy
A timeline from 2016 to 2030 with the enhanced reference clock recommendation, the time and phase budget, the precision time protocol revision, the PNT executive order and authenticated Galileo signals.
2016-11 Enhanced reference clocks specified (ITU-T G.8272.1). Atomic-backed reference clocks with long holdover.5
2020 Network time and phase budget (ITU-T G.8271). Time error limits for telecom networks.7
2020-02 PNT resilience order. Responsible use of positioning, navigation and timing services in critical infrastructure.3
2020-06 Precision time protocol revised (IEEE 1588-2019). The 2019 edition of the protocol published.4
Figure 1. A time distribution chain with an enhanced reference. A four-tier diagram: satellite navigation and an atomic clock, reference clocks, boundary clocks, and the radio sites and substations that need time.
IEEE C37.118.1-2011: Standard for synchrophasor measurements for power systems. IEEE Standards Association, 2011.
Executive Order 13905: Strengthening national resilience through responsible use of positioning, navigation, and timing services. Executive Office of the President of the United States, Federal Register 85 FR 9359, 2020.
IEEE 1588-2019: Standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems. IEEE Standards Association, 2020.
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4 services
Site Planner "Plan anywhere" vector basemap and label glyphs (OpenMapTiles schema)
Site Planner "Plan anywhere" elevation (Terrarium) for hillshade, line of sight, profiles and sky view
ProviderFournisseur
Terrain: Mapzen Terrain Tiles (AWS Open Data), incl. SRTM, GMTED, ETOPO1, USGS 3DEP and Canadian DEM data
Hosts contactedHôtes contactés
elevation-tiles-prod.s3.amazonaws.com
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ProviderFournisseur
Data Source: Environment and Climate Change Canada
Hosts contactedHôtes contactés
geo.weather.gc.ca
Observatory Builder hazard layer and report (earthquakes of magnitude 2.5 and above in the past 30 days, GeoJSON summary feed)
ProviderFournisseur
Earthquakes: U.S. Geological Survey
Hosts contactedHôtes contactés
earthquake.usgs.gov
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