MEMS TCXO振蕩器系列的5G無線基站方案挑戰(zhàn)
　　時序是任何電子系統(tǒng)的心跳,而5G網(wǎng)絡將特別取決于其時鐘源的準確性,穩(wěn)定性和可靠性.4G網(wǎng)絡中使用的傳統(tǒng)石英計時設備面臨新的挑戰(zhàn),以支持即將到來的5G網(wǎng)絡更高的帶寬和更窄的信道.MEMS技術解決了這些問題,滿足了所有時序要求,同時在動態(tài)環(huán)境壓力(例如沖擊,振動和溫度快速變化)的情況下,其性能明顯優(yōu)于石英晶振解決方案.此外,與石英相比,100％的半導體供應鏈固有地為MEMS解決方案提供了卓越的質(zhì)量和可靠性,這對于支持5G應用計劃的服務質(zhì)量至關重要.
5GRRU時序的新興趨勢
　　從4G到5G網(wǎng)絡的過渡導致了兩個關鍵的新興趨勢:云化和致密化.需要在核心網(wǎng)絡中部署云技術或云化,以實現(xiàn)語音和視頻應用程序的實時處理.無線頭和基站之間的連接是4G中的點對點物理鏈路,它是使用云中維護的基于分組的網(wǎng)絡在5G中建立的.整個數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡中的時間同步要求采用新標準,包括IEEE1588和演進的通用公共無線電接口(eCPRI),這對定時性能和可靠性提出了新的挑戰(zhàn).
　　同時,新的移動服務有望增加寬帶蜂窩業(yè)務.為了增加5G數(shù)據(jù)速率,基站和用戶終端之間的距離將減小,從而導致網(wǎng)絡中的站點和節(jié)點數(shù)量相應增加.無線電接入網(wǎng)絡的這種密集化是5G網(wǎng)絡帶來的根本性轉變,對于增加用戶高度集中的城域容量至關重要.蜂窩無線電將在整個5G城市景觀中變得無處不在,它們將被安裝在電線桿,燈柱,建筑物角落和路邊的市政電源柜上.這種致密化將使5G無線電設備遭受各種環(huán)境條件的影響,這些環(huán)境條件要求計時設備具有更高的性能水平.
數(shù)據(jù)包延遲變化
　　計劃提供新的實時5G應用的服務運營商需要時間同步網(wǎng)絡.IEEE1588和eCPRI技術可在分組網(wǎng)絡上實現(xiàn)此時間同步.通過分組網(wǎng)絡將中央單元(CU)連接到遠程無線電頭(RRH)的一個結果是,在鏈路的兩端之間傳播的分組的時間延遲變化.這種數(shù)據(jù)包延遲變化(PDV),也稱為網(wǎng)絡抖動或數(shù)據(jù)包抖動,會將噪聲添加到源自網(wǎng)絡的時間值中,從而降低實時服務的用戶體驗.PDV是由系統(tǒng)中的許多因素引起的.例如,任何處理數(shù)據(jù)包的活動網(wǎng)絡元素(例如交換機)都將承受變化的負載條件.此負載是要處理的數(shù)據(jù)包數(shù)量和處理復雜性的函數(shù),
　　可以通過增加其IEEE1588伺服環(huán)路內(nèi)使用的振蕩器的穩(wěn)定性來減少PDV對RRH的影響.該伺服環(huán)路充當輸入PDV的低通濾波器,并充當計時振蕩器注入的噪聲的高通濾波器.因此,振蕩器越安靜或更穩(wěn)定,可以調(diào)節(jié)的伺服環(huán)路帶寬就越低,以對輸入PDV進行濾波并輸出忠實地重現(xiàn)鏈路另一端的時標的時鐘.然后,使用該”干凈”的輸出時鐘來精確控制石英晶體振蕩器,并重復進行反饋環(huán)路.
　　因此,振蕩器的穩(wěn)定性直接影響5G網(wǎng)絡得出的定時精度.振蕩器最常見的穩(wěn)定性指標是溫度的頻率穩(wěn)定性.通常,振蕩器是專門為此數(shù)字選擇的,通常被認為是整體穩(wěn)定性的代名詞.但是,該規(guī)格書無法描述受到熱梯度影響時振蕩器的穩(wěn)定性.這里,頻率與溫度的斜率,也稱為dF/dT,可能是定時精度的重要因素.圖1和圖2說明了SiTime Elite Platform™TCXO與競爭性石英器件相比在不斷變化的熱環(huán)境中具有出色穩(wěn)定性的優(yōu)勢.

　　圖1:SiTime SiT5356 ±100ppb TCXO具有業(yè)界領先的低頻與溫度斜率(dF/dT),可改善PDV濾波,從而提高時序精度,這是部署成功的實時服務所必需的.

　　圖2:SiTime SiT5356 ±100ppb的基于MEMS的溫補晶振與一級±50ppb的石英TCXO相比,在快速熱梯度期間提供了卓越的穩(wěn)定性.SiT5356的性能通過專有的Dual MEMS™結構和Turbo Compensation™溫度補償方案實現(xiàn).
　　5G無線電中的電子設備是對流冷卻的,因此要經(jīng)受多種熱條件.基于SiTime MEMS的設備不需要物理覆蓋層,也不需要專用的PCB保留區(qū)域,石英設備通常需要進行熱保護以保持數(shù)據(jù)表規(guī)格.
環(huán)境沖擊和振動
　　5G網(wǎng)絡的致密化意味著無線電將被安裝在各種戶外物體上,這些物體會受到來自卡車,火車,汽車,風和雷聲等多種來源的振動的影響.這些無線電中部署的振蕩器需要在振動過程中保持穩(wěn)定的性能,以防止鏈路掉線和相關的操作員罰款.圖3顯示了MEMS溫補晶振與quartz TCXO相比,在振動下的堅固性,在振動過程中會退化,并且只要振動持續(xù)下去就可能超出規(guī)格范圍.對于附近的長途貨運火車,這可能是幾分鐘,或者在大風天甚至更長.這種堅固性是MEMS體系結構所固有的,從而消除了石英設備通常所需的昂貴外殼或熱保護和機械保護.

　　圖3:與石英設備相比,SiTime MEMS振蕩器提供了出色的沖擊和振動性能,為5G網(wǎng)絡的致密化提供了更多選擇.顯示的數(shù)據(jù)是根據(jù)MIL-STD-883F(方法2026)的7.5gRMS得出的.
質(zhì)量與可靠性
　　致密化還要求更高水平的質(zhì)量和可靠性,以最大程度地減少廣泛部署5G無線電的服務要求.5GRRU中的Precision TCXO和OCXO晶振設備是4G中不存在的設備,它們?yōu)榫S修難以訪問的故障提供了新的位置.
　　SiTime MEMS振蕩器具有優(yōu)于石英器件的固有優(yōu)勢,這使它們在極端環(huán)境下的性能更加可靠.SiTime開發(fā)了MEMS FirstTM工藝,其中諧振器完全封裝在硅中并封裝在微真空腔中[2].諧振器的極小質(zhì)量及其堅硬的硅晶體結構相結合,使它們具有耐用性,并且極耐外部沖擊,例如沖擊和振動.與石英不同,全硅MEMS諧振器的老化可以忽略不計.此外,集成到振蕩器電路中的優(yōu)化設計的穩(wěn)壓器可抑制電源噪聲,以在嘈雜的環(huán)境中保持穩(wěn)定性.與石英器件相比,這些特性可為SiTime MEMS振蕩器帶來更高的質(zhì)量和可靠性,以及更少的現(xiàn)場故障.
比較SiTime MEMS和Quartz器件
　　與用于5GRRU設備的傳統(tǒng)石英TCXO相比,SiTime Elite Platform TCXO的主要優(yōu)勢包括:
　　質(zhì)量提高50倍(DPPM)
　　可靠性提高30倍(MTBF)
　　抗機械沖擊性能提高20倍(MIL-STD-883方法2002)
　　在快速熱梯度的情況下,頻率穩(wěn)定性提高了10倍
　　抗隨機振動性提高3倍(MIL-STD-883,Method2007)
　　沒有頻率跳躍或活動下降
　　出色的電源噪聲抑制
　　由于這些好處,無論環(huán)境如何,在5GRRU設備中設計的Elite Platform TCXO都可以在全球范圍內(nèi)部署單個無線電設計.這樣的設計節(jié)省了開發(fā)時間,加快了上市時間,并簡化了生產(chǎn).一旦在現(xiàn)場部署,這些無線電提供的強大定時功能將最大程度地減少對5G服務的干擾,并確保更好的用戶體驗.
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