Lösung der schwierigen Timing-Herausforderungen der drahtlosen 5G-Infrastruktur

Timing ist der Herzschlag jedes elektronischen Systems und 5G-Netzwerke werden besonders von der Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit ihrer Taktquellen abhängig sein. Herkömmliche Quarz-Zeitmessgeräte, die in 4G-Netzwerken verwendet werden, stehen vor neuen Herausforderungen, um höhere Bandbreiten und schmalere Kanäle künftiger 5G-Netzwerke zu unterstützen. Die MEMS-Technologie löst diese Probleme, indem sie alle Timing-Anforderungen erfüllt und gleichzeitig bei dynamischen Umwelteinflüssen wie Stößen, Vibrationen und schnellen Temperaturänderungen eine deutlich bessere Leistung als Quarzlösungen erbringt. Darüber hinaus bietet eine 100 %ige Halbleiterlieferkette MEMS-Lösungen von Natur aus eine überlegene Qualität und Zuverlässigkeit im Vergleich zu Quarz, was für die Unterstützung der für 5G-Anwendungen geplanten Servicequalität von entscheidender Bedeutung ist.

Neue Trends beim 5G-RRU-Timing

Der Übergang von 4G- zu 5G-Netzen hat zu zwei wichtigen aufkommenden Trends geführt: Cloudifizierung und Verdichtung. Um die Echtzeitverarbeitung von Sprach- und Videoanwendungen zu ermöglichen, ist der Einsatz von Cloud-Technologie in Kernnetzwerken oder die Cloudifizierung erforderlich. Die Verbindung zwischen Funkköpfen und Basisstationen, bei denen es sich bei 4G um physische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen handelt, wird bei 5G über paketbasierte Netzwerke hergestellt, die in der Cloud verwaltet werden. Die Zeitsynchronisierung in diesem Paketnetzwerk erfordert die Einführung neuer Standards, einschließlich IEEE 1588 und der weiterentwickelten Common Public Radio Interface (eCPRI), die neue Herausforderungen für die Zeitleistung und Zuverlässigkeit mit sich bringen.

Gleichzeitig wird erwartet, dass neue Mobilfunkdienste den Breitband-Mobilfunkverkehr erhöhen werden. Um die 5G-Datenraten zu erhöhen, wird die Entfernung zwischen Basisstationen und Benutzerterminals verringert, was zu einem entsprechenden Anstieg der Anzahl von Mobilfunkstandorten und Knoten im Netzwerk führt. Diese Verdichtung der Funkzugangsnetze ist ein grundlegender Wandel, der durch die 5G-Netze eingeführt wird, und ist entscheidend für die Kapazitätssteigerung in Ballungsräumen mit einer hohen Nutzerkonzentration. Mobilfunkgeräte werden in der gesamten 5G-Stadtlandschaft allgegenwärtig sein, wo sie an Telefonmasten, Laternenpfählen, Gebäudeecken und kommunalen Stromversorgungsschränken am Straßenrand angebracht sein werden. Eine solche Verdichtung wird 5G-Funkgeräte einem breiten Spektrum von Umgebungsbedingungen aussetzen, die ein höheres Leistungsniveau von Zeitmessgeräten erfordern.

Variation der Paketverzögerung

Dienstbetreiber, die neue Echtzeit-5G-Anwendungen anbieten möchten, benötigen zeitsynchronisierte Netzwerke. IEEE 1588- und eCPRI-Technologien ermöglichen diese Zeitsynchronisation über Paketnetzwerke. Eine Folge der Verbindung einer Zentraleinheit (CU) mit einem Remote Radio Head (RRH) über ein Paketnetzwerk ist die zeitliche Verzögerung von Paketen, die zwischen den Enden einer Verbindung übertragen werden. Eine solche Paketverzögerungsvariation (PDV), auch Netzwerk-Jitter oder Paket-Jitter genannt, fügt den aus dem Netzwerk abgeleiteten Zeitwerten Rauschen hinzu und beeinträchtigt daher das Benutzererlebnis von Echtzeitdiensten. PDV wird durch viele Faktoren im System verursacht. Beispielsweise ist jedes aktive Netzwerkelement, das Pakete verarbeitet, wie z. B. ein Switch, unterschiedlichen Lastbedingungen ausgesetzt. Diese Last ist eine Funktion der Anzahl der zu verarbeitenden Pakete und der Komplexität dieser Verarbeitung. Beide Faktoren variieren im Laufe der Zeit je nach Netzwerknutzung und sind die Hauptursachen für PDV.

Der Einfluss von PDV auf den RRH kann reduziert werden, indem die Stabilität des in seiner IEEE 1588-Servoschleife verwendeten Oszillators erhöht wird. Diese Servoschleife fungiert als Tiefpassfilter für das eingehende PDV und als Hochpassfilter für das vom Oszillator eingespeiste Timing-Rauschen. Je leiser oder stabiler der Oszillator ist, desto geringer kann die Bandbreite der Servoschleife eingestellt werden, um den Eingangs-PDV zu filtern und einen Takt auszugeben, der die am anderen Ende der Verbindung vorhandene Zeitskala originalgetreu nachbildet. Dieser „gereinigte“ Ausgangstakt wird dann verwendet, um den Oszillator genau zu disziplinieren, und die Rückkopplungsschleife wiederholt sich.

Die Stabilität eines Oszillators hat daher direkten Einfluss auf die Timing-Genauigkeit eines 5G-Netzwerks. Die gebräuchlichste Stabilitätsspezifikation für einen Oszillator ist die Frequenzstabilität über Temperatur. Häufig werden Oszillatoren speziell für diese Zahl ausgewählt, von der allgemein angenommen wird, dass sie ein Indikator für die Gesamtstabilität ist. Diese Spezifikation erfasst jedoch nicht die Stabilität eines Oszillators, wenn er thermischen Gradienten ausgesetzt ist. Hier kann die Frequenz-Temperatur-Steigung, auch als dF/dT bezeichnet, ein wichtiger Faktor für die Zeitgenauigkeit sein. Die Abbildungen 1 und 2 veranschaulichen den Vorteil von SiTime Elite Platform™ TCXOs im Vergleich zu Quarzgeräten der Konkurrenz, da sie eine hervorragende Stabilität in wechselnden thermischen Umgebungen bieten.

Abbildung 1: SiTime SiT5356 (1 bis 60 MHz) und SiT5357 (60 bis 220 MHz) ±100 ppb TCXOs verfügen über eine branchenführende niedrige Frequenz-Temperatur-Steilheit (dF/dT), die die PDV-Filterung und damit die Timing-Genauigkeit verbessert. Dies ist für die Bereitstellung erfolgreicher Echtzeitdienste erforderlich.

Abbildung 2: SiTime SiT5356 (1 bis 60 MHz) und SiT5357 (60 bis 220 MHz) ±100 ppb TCXOs bieten überlegene Stabilität bei schnellen Temperaturgradienten im Vergleich zu ±50 ppb TCXOs der ersten Stufe auf Quarzbasis. Die Leistung des SiT5356/5357 wird durch die proprietäre DualMEMS™-Architektur und die Temperaturkompensationsschemata TurboCompensation™ ermöglicht [1].

Die Elektronik in 5G-Funkgeräten wird durch Konvektion gekühlt und ist daher unterschiedlichsten thermischen Bedingungen ausgesetzt. SiTime MEMS-basierte Geräte erfordern weder physische Abdeckungen noch spezielle PCB-Schutzbereiche, die bei Quarzgeräten häufig zum Wärmeschutz erforderlich sind, um die Datenblattspezifikationen einzuhalten.

Umweltschock und Vibration

Die Verdichtung in 5G-Netzen bedeutet, dass Funkgeräte an einer Vielzahl von Außenobjekten montiert werden, die Vibrationen aus vielen Quellen ausgesetzt sind, darunter Lastkraftwagen, Züge, Autos, Wind und Donner. In diesen Funkgeräten eingesetzte Oszillatoren müssen bei Vibrationen eine stabile Leistung aufrechterhalten, um Verbindungsabbrüche und damit verbundene Bußgelder für den Bediener zu verhindern. Abbildung 3 zeigt die Robustheit von SiTime Elite Platform TCXOs bei Vibration im Vergleich zu Quarz -TCXOs, die sich bei Vibration verschlechtern und potenziell außerhalb der Spezifikation liegen können, solange die Vibration anhält. Dies kann bei einem langen Güterzug in der Nähe Minuten sein, an einem windigen Tag sogar noch länger. Diese Robustheit ist der MEMS-Architektur eigen und macht teure Gehäuse oder thermischen und mechanischen Schutz überflüssig, der üblicherweise bei Quarzgeräten erforderlich ist.

Abbildung 3: SiTime MEMS-Oszillatoren bieten im Vergleich zu Quarzgeräten eine hervorragende Stoß- und Vibrationsleistung und ermöglichen so mehr Möglichkeiten zur Verdichtung für 5G-Netzwerke. Die angezeigten Daten gelten für 7,5 g RMS gemäß MIL-STD-883F, Methode 2026.

Qualität und Zuverlässigkeit

Die Verdichtung erfordert auch ein höheres Maß an Qualität und Zuverlässigkeit, um Serviceeinsätze zu minimieren, was zu einem umfassenden Einsatz von 5G-Funkgeräten führt. Präzisions-TCXO- und OCXO-Geräte in 5G-RRUs, die in 4G nicht vorhanden sind, bieten neue Standorte für die Behebung von Fehlern, die möglicherweise schwer zugänglich sind.

SiTime MEMS-Oszillatoren haben gegenüber Quarzgeräten inhärente Vorteile, die es ihnen ermöglichen, in extremen Umgebungen zuverlässiger zu funktionieren. SiTime hat den MEMSFirstTM-Prozess entwickelt, bei dem Resonatoren vollständig in Silizium eingekapselt und in einer Mikrovakuumkammer eingeschlossen sind [2]. Die Kombination aus sehr geringer Masse des Resonators und seiner steifen Siliziumkristallstruktur macht ihn langlebig und äußerst widerstandsfähig gegen äußere Belastungen wie Stöße und Vibrationen. Und im Gegensatz zu Quarz weisen Vollsilizium-MEMS-Resonatoren eine vernachlässigbare Alterung auf. Darüber hinaus unterdrücken optimal ausgelegte Spannungsregler, die in die Oszillatorschaltung integriert sind, Störungen der Stromversorgung, um die Stabilität in lauten Umgebungen aufrechtzuerhalten. Diese Merkmale führen bei SiTime MEMS-Oszillatoren im Vergleich zu Quarzgeräten zu einer höheren Qualität und Zuverlässigkeit sowie zu weniger Feldausfällen.

Vergleich von SiTime MEMS- und Quarzgeräten

Zu den wichtigsten Vorteilen der SiTime Elite Platform TCXOs im Vergleich zu herkömmlichen Quarz-TCXOs für den Einsatz in 5G-RRU-Geräten gehören:

• 50x bessere Qualität (DPPM)
• 30-fach verbesserte Zuverlässigkeit (MTBF)
• 20x bessere mechanische Schockfestigkeit (MIL-STD-883 Methode 2002)
• 10x bessere Frequenzstabilität bei schnellen Temperaturgradienten
• 3x bessere zufällige Vibrationsbeständigkeit (MIL-STD-883, Methode 2007)
• Keine Frequenzsprünge oder Aktivitätseinbrüche
• Hervorragende Unterdrückung von Netzteilgeräuschen

Aufgrund dieser Vorteile ermöglicht ein in 5G-RRU-Geräte integrierter Elite Platform TCXO den weltweiten Einsatz eines einzigen Funkdesigns, unabhängig von den Umgebungsbedingungen. Ein solches Design spart Entwicklungszeit, beschleunigt die Markteinführung und rationalisiert die Produktion. Das robuste Timing dieser Funkgeräte minimiert nach dem Einsatz vor Ort Störungen der 5G-Dienste und sorgt für ein besseres Benutzererlebnis.

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[1] SiTime Corp., „DualMEMS and TurboCompensation Temperature Sensing Technology “, Technologiepapier.

[2] SiTime Corp., „ SiTime's MEMS First and EpiSeal™ Process “, Application Note 20001.