6G网络中的弹性时间同步：一种热备份解决方案

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论文标题

**中文标题：**6G网络中的弹性时间同步：一种热备份解决方案
**英文标题：**Resilient Time Synchronization in 6G Networks: A Hot Standby Solution

作者信息

Mahin Ahmed, Raheeb Muzaffar, Damir Hamidovic, Armin Hadziaganovic, Hans-Peter Bernhard, Oliver Höftberger, Franz Profelt, Emilio Trigili, Giulia Bigoni, Marilet De Andrade, János Farkas

论文出处

IEEE Communications Standards Magazine, March 2025

摘要

本文探讨了6G网络中时间同步的弹性问题，并提出了一种热备份主时钟（GM）的解决方案。6G网络将物理世界与数字世界深度融合，低延迟和确定性通信的需求不断增加。文章重点讨论了6G与时间敏感网络（TSN）的集成，并提出了选择GM位置的重要考虑因素。此外，文章还提出了几种时间同步架构，并分析了这些架构在标准化时间同步支持下的表现，最后探讨了冗余热备份GM在某些用例中的潜在优势。

引言

随着云计算和边缘计算等技术的发展，数字孪生和信息物理系统逐渐成为现实。6G网络作为智能化网络基础设施的关键部分，将支持车辆通信、虚拟现实和自适应制造等低延迟和确定性通信应用。3GPP对工业自动化的支持表明，与TSN的无缝高效集成至关重要。6G-TSN网络的时间感知和同步能力对于实现端到端（E2E）确定性通信至关重要。然而，当前的5G-TSN网络在时间同步方面仍存在挑战，尤其是在设备或链路故障时的连续时间同步问题。本文提出了一种通过冗余GM时钟来提高6G-TSN网络时间同步弹性的方法。

标准化的时间同步机制

5G-TSN网络中的时间同步

5G系统（5GS）可以以时间感知系统、边界时钟、端到端透明时钟或对等透明时钟等多种模式运行。5G-TSN网络通过内部5G同步机制（如3GPP TS 38.331和ITU-T G.8275.1）和TSN节点的精确时间协议（PTP）实现端到端时间同步。3GPP标准化了三种GM位置选项：下行同步（GM位于网络侧）、上行同步（GM位于设备侧）和5G GM作为时间同步服务。这些机制的准确性受到无线链路和网络拓扑的影响。

弹性支持与局限性

3GPP在Rel-18中引入了时间弹性服务，用于监控5G时间同步性能并提供状态报告。IEEE 802.1AS使用最佳时间传输器时钟算法（BTCA）动态选择GM，但该算法在设备或链路故障时响应较慢，可能导致时间同步中断。IEEE 802.1ASdm标准提出了热备份GM的概念，通过静态配置两个独立的GM（主GM和热备份GM）来减少故障恢复时间。然而，当前的标准化机制仍存在局限性，尤其是在无线链路和多跳网络中的时间同步精度问题。

弹性时间同步架构

为了实现6G网络的弹性时间同步，本文提出了几种时间同步架构，重点在于如何在6G-TSN网络中部署主GM和热备份GM。这些架构考虑了GM的时钟精度、通信链路质量和网络拓扑对时间同步精度的影响。以下是几种可能的架构：

主GM和热备份GM均位于网络侧TSN终端设备：该架构可能缺乏高质量时间源，且在6G虚拟桥中断时，设备侧TSN终端设备可能会失去同步时间。
主GM和热备份GM均位于设备侧TSN终端设备：该架构同样缺乏高质量时间源，并且由于无线链路的影响，设备侧TSN终端设备的时间误差会更大。
网络侧TSN终端设备作为主GM，设备侧TSN终端设备作为热备份GM：该架构在6G虚拟桥中断时，网络两侧的TSN终端设备仍能保持同步时间。
6G GM作为主GM，网络侧TSN终端设备作为热备份GM：该架构利用6G GM的高质量时钟（如GNSS时间），在主GM故障时，网络侧TSN终端设备仍能保持低时间误差。
6G GM作为主GM，设备侧TSN终端设备作为热备份GM：该架构同样利用6G GM的高质量时钟，但设备侧TSN终端设备的时间误差可能因无线链路而增加。
6G GM作为主GM，网络侧和设备侧TSN终端设备分别作为热备份GM：该架构通过三个不同的时间域（一个主GM和两个热备份GM）实现冗余，确保网络两侧的TSN终端设备在主GM故障时仍能保持同步。

重要考虑因素

选择GM时，需要考虑时钟精度、时钟粒度、通信链路质量和网络拓扑等因素。高质量的时间源（如GNSS）和低误差的有线链路通常优于无线链路。此外，GM的位置对时间同步精度有显著影响，尤其是在多跳网络中。选择合适的GM位置对于减少时间误差和提高网络弹性至关重要。

讨论与用例

本文探讨了冗余GM在不同用例中的潜在优势，包括智能农业、自适应制造、外骨骼技术、扩展现实（XR）、远程手术和自动驾驶等领域。这些场景对时间同步的连续性和准确性要求极高，冗余GM能够显著提高系统的可靠性和可用性。例如，在智能农业中，无人机和无人驾驶车辆需要精确的时间同步来协调作业；在远程手术中，冗余时间源可以确保机器人组件之间的精确协调。