解决 5G 无线基础设施的严峻时序挑战

定时是任何电子系统的心跳， 5G 网络将特别依赖于其时钟源的准确性、稳定性和可靠性。 4G 网络中使用的传统石英计时器件面临着支持即将到来的 5G 网络更高带宽和更窄通道的新挑战。 MEMS 技术解决了这些问题，满足所有时序要求，同时在存在冲击、振动和快速温度变化等动态环境压力源的情况下，其性能明显优于石英解决方案。此外，与石英相比，100% 半导体供应链本质上可以提供具有卓越质量和可靠性的 MEMS 解决方案，这对于支持 5G 应用规划的服务质量至关重要。

5G RRU 时序的新兴趋势

从 4G 到 5G 网络的过渡带来了两个主要的新兴趋势：云化和致密化。需要在核心网络中部署云技术，或者说云化，以实现语音和视频应用的实时处理。无线电头端和基站之间的连接（4G 中是点对点物理链路）在 5G 中是使用云中维护的基于分组的网络建立的。整个数据包网络的时间同步需要采用新标准，包括 IEEE 1588 和演进通用公共无线电接口 (eCPRI)，这对定时性能和可靠性提出了新的挑战。

与此同时，新的移动服务预计将增加宽带蜂窝流量。为了提高5G数据速率，基站和用户终端之间的距离将缩短，从而导致网络中的蜂窝基站和节点数量相应增加。无线接入网络的密集化是 5G 网络带来的根本性转变，对于增加用户高度集中的城域地区的容量至关重要。蜂窝无线电将在 5G 城市景观中无处不在，它们将安装在电话杆、灯柱、建筑角落和路边市政供电柜上。这种致密化将使 5G 无线电面临广泛的环境条件，从而要求计时设备具有更高水平的性能。

数据包延迟变化

计划提供新的实时 5G 应用的服务运营商需要时间同步的网络。 IEEE 1588 和 eCPRI 技术实现了分组网络上的时间同步。通过分组网络将中央单元 (CU) 连接到远程无线电头端 (RRH) 的后果之一是在链路两端之间传输的分组的时延变化。这种数据包延迟变化（PDV）也称为网络抖动或数据包抖动，它会给从网络导出的时间值添加噪声，从而降低实时服务的用户体验。 PDV是由系统中的许多因素引起的。例如，任何处理数据包的活动网络元件（例如交换机）都会受到变化的负载条件的影响。此负载是要处理的数据包数量和处理复杂性的函数，两者都随着网络使用情况而变化，并且是 PDV 的关键来源。

通过提高 IEEE 1588 伺服环路中使用的振荡器的稳定性，可以减少 RRH 中 PDV 的影响。该伺服环路充当传入 PDV 的低通滤波器，以及针对振荡器注入的定时噪声的高通滤波器。因此，振荡器越安静或越稳定，可以调整的伺服环路带宽越低，以过滤输入 PDV 并输出忠实地重新创建链路另一端存在的时间尺度的时钟。然后使用这个“干净的”输出时钟来精确控制振荡器，并且重复反馈循环。

因此，振荡器的稳定性直接影响 5G 网络的定时精度。振荡器最常见的稳定性指标是温度范围内的频率稳定性。通常，振荡器是专门针对这个数字选择的，通常被认为是整体稳定性的代表。然而，该规范未能捕获振荡器在受到热梯度时的稳定性。这里，频率与温度的斜率（也称为 dF/dT）可能是定时精度的一个重要因素。图 1 和图 2 说明了 SiTime Elite Platform™ TCXO 与竞争石英器件相比的优势，可在不断变化的热环境中提供出色的稳定性。

图 1：SiTime SiT5356 （1 至 60 MHz）和SiT5357 （60 至 220 MHz）±100 ppb TCXO 具有业界领先的低频与温度斜率 (dF/dT)，可改善 PDV 滤波，从而提高定时精度，部署成功的实时服务所必需的。

图 2：与一级 ±50 ppb 石英 TCXO 相比，SiTime SiT5356 （1 至 60 MHz）和SiT5357 （60 至 220 MHz）±100 ppb TCXO 在快速热梯度期间可提供卓越的稳定性。 SiT5356/5357 的性能由专有的 DualMEMS™ 架构和 TurboCompensation™ 温度补偿方案实现 [1]。

5G 无线电中的电子器件采用对流冷却，因此会受到各种热条件的影响。基于 SiTime MEMS 的设备不需要物理盖或专用 PCB 禁止区域，而石英设备通常需要这种物理盖来进行热保护，以维持数据表规格。

环境冲击和振动

5G 网络的致密化意味着无线电将安装在各种室外物体上，这些物体会受到多种来源的振动，包括卡车、火车、汽车、风和雷声。这些无线电中部署的振荡器需要在振动期间保持稳定的性能，以防止链路丢失和相关的运营商罚款。图 3 说明了SiTime Elite Platform TCXO在振动下与石英 TCXO 相比的鲁棒性，石英 TCXO 在振动过程中会退化，并且只要振动持续，就可能超出规格。对于附近的长途货运列车来说，这可能需要几分钟，或者在大风天甚至更长。这种稳健性是 MEMS 架构所固有的，消除了石英器件通常所需的昂贵外壳或热和机械保护。

图 3：与石英器件相比，SiTime MEMS 振荡器具有出色的冲击和振动性能，为 5G 网络的致密化提供了更多选择。显示的数据适用于 7.5 g RMS，符合 MIL-STD-883F，方法 2026。

质量和可靠性

致密化还需要更高水平的质量和可靠性，以最大限度地减少 5G 无线电广泛部署的服务呼叫。 5G RRU 中的精密 TCXO 和 OCXO 设备（4G 中不存在）为难以访问的服务故障提供了新的位置。

SiTime MEMS 振荡器比石英器件具有固有的优势，使其在极端环境下能够更可靠地运行。 SiTime 开发了 MEMSFirstTM 工艺，其中谐振器完全封装在硅中并封闭在微真空室内 [2]。谐振器质量非常小，加上坚硬的硅晶体结构，使其非常耐用，并且对冲击和振动等外部应力具有极强的抵抗力。与石英不同的是，全硅 MEMS 谐振器的老化可以忽略不计。此外，集成到振荡器电路中的优化设计的稳压器可抑制电源噪声，以在噪声环境中保持稳定性。与石英器件相比，这些功能使 SiTime MEMS 振荡器具有更高的质量和可靠性水平，并减少现场故障。

比较 SiTime MEMS 和石英器件

与用于 5G RRU 设备的传统石英 TCXO 相比，SiTime Elite Platform TCXO 的主要优势包括：

• 质量提高 50 倍 (DPPM)
• 可靠性 (MTBF) 提高 30 倍
• 抗机械冲击性能提高 20 倍（MIL-STD-883 方法 2002）
• 在存在快速热梯度的情况下，频率稳定性提高 10 倍
• 抗随机振动性能提高 3 倍（MIL-STD-883，方法 2007）
• 无频率跳跃或活动下降
• 出色的电源噪声抑制

由于这些优势，设计到 5G RRU 设备中的 Elite Platform TCXO 使单一无线电设计能够在全球范围内部署，无论环境条件如何。这种设计可以节省开发时间、加快上市时间并简化生产。这些无线电提供的强大定时功能一旦部署在现场，将最大限度地减少对 5G 服务的干扰，并确保更好的用户体验。

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[1] SiTime Corp.，“DualMEMS 和 TurboCompensation 温度传感技术”，技术论文。

[2] SiTime Corp.， “ SiTime 的 MEMS First 和 EpiSeal™ 工艺”，应用说明 20001。