5G通信架构中基于GNSS的时间源同步性能评估与B5G/6G应用前景

《IEEE Access》：Synchronization performance assessment of GNSS-based time source in 5G communication architecture

本文针对5G通信网络对时间同步精度的严苛要求，研究了基于全球导航卫星系统(GNSS)的时间源在5G架构中的同步性能。研究人员采用精密单点定位(PPP)技术，结合载波相位平滑码观测值，评估了不同GNSS时钟产品（IGS、广播星历BRDC和台湾掩星观测系统TROPS）在时间同步中的表现。结果表明，平滑码在短期时间尺度上比原始码稳定约10倍，TROPS实时产品可实现约1纳秒的定时误差和约3.5厘米的定位精度。该研究为5G/6G通信网络的高精度时间同步验证提供了重要技术支撑，对未来B5G/6G通信网络的发展具有重要意义。

　　

在当今高度互联的数字时代，精确的时间同步已成为支撑现代通信、金融交易和电网管理等关键基础设施的隐形支柱。随着第五代移动通信技术(5G)的迅猛发展及其向Beyond 5G(B5G)和第六代移动通信技术(6G)的演进，网络对时间同步精度的要求达到了前所未有的严苛程度。例如，5G网络要求端到端绝对时间误差控制在±130纳秒以内，而基站间相对时间误差甚至需要压缩到±10纳秒，以支持时分双工(Time Division Duplexing, TDD)操作、协同多点传输(Coordinated Multipoint transmission)等高精度应用。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)，特别是全球定位系统(Global Positioning System, GPS)，因其能够提供全球覆盖、高精度的时间参考，自然成为5G网络中电信主时钟(Telecom Grandmaster Clock, T-GM)的首选时间源。然而，GNSS信号在传播路径上会受到卫星轨道误差、钟差、大气延迟（电离层、对流层）以及接收机噪声等多种因素的影响，这些因素如何具体影响5G架构下的时间同步性能，以及如何优化GNSS时间传递方案以满足未来通信网络的需求，成为摆在研究人员面前的重要课题。

为了解决上述问题，发表在《IEEE Access》上的这项研究，由成功大学测绘工程学系的Tzu-Pang Tseng等人完成，对基于GNSS的时间源在5G通信架构中的同步性能进行了系统性的评估。研究团队聚焦于一个关键问题：在5G网络的时间同步链条中，GNSS时间源的精度极限在哪里？以及如何通过数据处理技术的优化来逼近这一极限。为此，他们采用了精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)这一核心技术，该技术能够利用国际GNSS服务(International GNSS Service, IGS)等机构提供的高精度卫星轨道和钟差产品，实现单个接收机在全球范围内的精确定位和时间同步。

研究人员开展此项研究主要运用了几个关键技术方法：首先，他们采用了载波相位平滑码的技术，通过结合高精度的载波相位观测值和含有绝对时间信息的码观测值，显著降低了码观测噪声对时间同步解算的影响。其次，研究对比分析了三种不同的GNSS时钟产品：IGS事后精密钟差产品、广播星历(Broadcast Ephemeris, BRDC)实时钟差产品以及台湾自主研发的台湾掩星观测系统(Taiwan Radio Occultation Process System, TROPS)提供的近实时钟差产品，以评估不同精度等级的钟差产品对时间同步性能的提升效果。第三，研究利用艾伦偏差(Allan Deviation)和时间间隔误差(Time Interval Error, TIE)等时频分析工具，对时间同步序列的稳定性和精度进行了量化评估。实验数据主要来源于位于中华电信实验室的TLT1站（配备高精度氢脉泽H-maser原子钟）以及两个IGS跟踪站KMNM和CKSV（配备内部石英钟），观测时长覆盖30天。

时间同步中原始码与平滑码的性能对比

研究首先验证了使用原始码观测值与经过载波相位平滑后的码观测值对时间同步精度的影响。结果显示，在短时间平均（如300秒）下，基于平滑码(Smoothed Code, SMT)的时间同步解的RMS TIE约为0.234纳秒，而基于原始码的解算结果则为2.35纳秒，平滑码的稳定性提升了约10倍。

随着平均时间的延长，两者的差距逐渐缩小，但在长达约6.96天的观测期内，平滑码方案依然保持优势。这表明，对于5G/6G应用中要求极高的短期时间同步，采用载波相位平滑码技术是至关重要的。

IGS与BRDC时钟产品在时间同步中的有效性分析

研究进一步比较了使用高精度的IGS最终钟差产品和实时性更强但精度较低的广播星历(BRDC)钟差产品进行时间同步的效果。对于配备高稳定度氢脉泽原子钟的TLT1站，使用IGS产品能获得非常稳定的时间序列，误差波动远小于使用BRDC产品（波动范围在±10纳秒内）。然而，对于使用内部石英钟的KMNM和CKSV站，由于其接收机钟本身的噪声水平已经高于IGS钟差产品的精度，因此使用IGS产品带来的改善并不显著。

艾伦偏差分析也证实了这一点，IGS产品的优势只有在像氢脉泽这样的高稳定度振荡器上才能充分体现。

此外，在KMNM和CKSV站的时间同步误差中观察到明显的半日（约12小时）周期性变化，这主要与GPS卫星轨道重复周期以及半日大气效应有关。

TROPS实时产品的性能评估

研究还对台湾自主研发的TROPS实时/近实时GNSS钟差产品的性能进行了评估。与BRDC产品相比，TROPS产品与IGS最终产品的钟差标准差(STD)更小，表明其精度更高。

在时间同步应用方面，使用TROPS产品得到的时间同步误差与IGS产品非常接近，波动范围在±0.1纳秒以内，仅在10分钟的预测区间末尾出现轻微退化。

更重要的是，利用TROPS产品进行实时定位和时间同步，其时间同步误差的均方根(RMS)值可达约0.85纳秒，三维位置解的RMS误差约为3.51厘米，

这充分证明了TROPS产品在实时高精度应用中的潜力。

本研究通过系统的实验和分析，得出了几个关键结论。首先，在5G/6G通信网络对时间同步要求日益苛刻的背景下，采用载波相位平滑码的PPP技术能够显著提升短期时间同步的稳定性，是满足未来网络需求的优选方案。其次，高精度GNSS钟差产品（如IGS产品）的有效性高度依赖于接收端时钟的质量，只有与氢脉泽等高稳定度原子钟配合使用，才能充分发挥其精度优势。对于使用普通石英钟的接收设备，其本身的时钟噪声会成为限制时间同步精度的主要瓶颈。第三，研究证实了台湾自主研发的TROPS实时GNSS产品在时间同步和实时定位方面具有与IGS最终产品相媲美的精度，为未来B5G/6G通信网络中的实时高精度时间同步验证提供了可靠的本土化技术方案。最后，研究强调了绝对时间校准（如由国际计量局BIPM协调的校准）对于实现高精度时间同步的重要性，硬件延迟的漂移需要通过定期校准来补偿。

该研究的深刻意义在于，它不仅量化评估了当前GNSS技术在5G时间同步中的应用潜力与局限，更重要的是为未来B5G/6G通信网络的演进指明了关键技术路径：即结合高稳定度原子钟、优化的GNSS数据处理算法（如PPP与平滑码）以及高精度的实时GNSS改正数服务（如TROPS），来构建更加 robust 和精确的时间同步体系。尤其是在非地面网络(Non-Terrestrial Network, NTN)如低轨卫星(Low Earth Orbit, LEO)通信成为6G重要组成部分的背景下，空间基站直接接收GNSS时间参考并利用类似TROPS的实时产品，有望将时间误差显著降低至±20纳秒量级，从而极大提升未来天地一体化通信网络的性能与可靠性。