Schwierige Timing-Bedingungen in 5G-Infrastrukturen lösen

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Höhere Bandbreiten und schmalere Kanäle in 5G-Netzen stellen Taktgeber vor neue Herausforderungen. Quarzbasierende Oszillatoren stoßen hier an ihre Grenzen. Die Lösung sind MEMS-Oszillatoren.

Die Taktfrequenz ist der Herzschlag eines jeden elektronischen Systems. Die 5G-Netze hängen besonders von der Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit ihrer Taktquellen ab. Herkömmliche quarzbasierende Timing-Bauelemente, die in 4G-Netzen verwendet werden, stehen vor neuen Herausforderungen, um höhere Bandbreiten und schmalere Kanäle kommender 5G-Netze zu unterstützen.

Die MEMS-Technologie löst diese Probleme und erfüllt alle Timing-Anforderungen. Sie weist bei dynamischen Umweltbelastungen wie Schock, Vibrationen und schnellen Temperaturänderungen eine deutlich bessere Leistung als Quarzlösungen auf. Eine 100%ige Halbleiter-Lieferkette garantiert bei MEMS-Lösungen eine wesentlich höhere Qualität und Zuverlässigkeit im Vergleich zu Quarzen. Das ist für die Unterstützung der für 5G-Anwendungen geplanten Servicequalität von entscheidender Bedeutung.

Trends beim 5G-RRU- (Remote Radio Unit) Timing

Der Übergang von 4G- zu 5G-Netzen hat zu zwei wichtigen Trends geführt: Cloudifizierung und Verdichtung. Die Bereitstellung von Cloud-Technologie in Kernnetzwerken oder die Cloudifizierung ist erforderlich, um die Echtzeitverarbeitung von Sprach- und Videoanwendungen zu ermöglichen. Die Verbindung zwischen den Funkgeräten und Basisstationen, die in 4G physische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind, wird in 5G mithilfe von paketbasierten Netzwerken hergestellt, die in der Cloud verwaltet werden.

Die Zeitsynchronisation in diesem Paketnetzwerk erfordert die Einführung neuer Standards, einschließlich IEEE 1588 und der weiterentwickelten gemeinsamen öffentlichen Funkschnittstelle (eCPRI; Common Public Radio Interface), die neue Herausforderungen für die Timing-Leistung und Zuverlässigkeit darstellen.

Gleichzeitig wird erwartet, dass neue mobile Dienste den Breitband-Mobilfunkverkehr erhöhen. Um die 5G-Datenraten zu erhöhen, wird der Abstand zwischen Basisstationen und Benutzerterminals verringert. Das führt zu einem entsprechenden Anstieg der Zahl von Zellenstandorten und Knoten im Netzwerk. Diese Verdichtung von Funkzugangsnetzen ist eine grundlegende Verschiebung, die durch 5G-Netze eingeführt wird.

Sie ist entscheidend für die Erhöhung der Kapazität in städtischen Gebieten mit einer hohen Konzentration von Nutzern. Mobilfunkgeräte werden in der gesamten 5G-Stadtlandschaft allgegenwärtig sein und an Telefonmasten, Laternenpfählen, Gebäudeecken und kommunalen Stromversorgungsschränken am Straßenrand angebracht sein. Durch eine solche Verdichtung werden 5G-Funkgeräte einem breiten Spektrum von Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die ein höheres Leistungsniveau für Zeitmessgeräte erfordern.

Zeitverzögerte Variation von Paketen

Netzanbieter, die neue Echtzeit-5G-Anwendungen anbieten möchten, benötigen zeitsynchronisierte Netzwerke. IEEE-1588- und eCPRI-Technologien ermöglichen diese Zeitsynchronisation über Paketnetzwerke. Eine Folge des Verbindens einer Zentraleinheit (CU = Central Unit) mit einem entfernten Funkkopf (RRH = Remote Radio Head) über ein Paketnetzwerk ist die zeitverzögerte Variation von Paketen, die zwischen den Enden einer Verbindung übertragen werden.

Eine solche Paketverzögerungsvariation (PDV = Packet Delay Variation), auch Netzwerkjitter oder Paketjitter genannt, fügt den vom Netzwerk abgeleiteten Zeitwerten Rauschen hinzu und verschlechtert daher die Benutzerfreundlichkeit von Echtzeitdiensten. PDV wird durch viele Faktoren im System verursacht. Beispielsweise unterliegt jedes aktive Netzwerkelement, das Pakete verarbeitet, z.B. ein Switch, unterschiedlichen Lastbedingungen. Diese Last ist eine Funktion der Zahl der zu verarbeitenden Pakete und der Komplexität dieser Verarbeitung, die beide im Laufe der Zeit mit der Netzwerknutzung variieren und wichtige Quellen für PDV sind.

Der Einfluss von PDV auf die RRH lässt sich verringern, indem die Stabilität des Oszillators erhöht wird, der in seiner IEEE-1588-Regelschleife verwendet wird. Diese Regelschleife wirkt als Tiefpassfilter für das eingehende PDV und als Hochpassfilter für das vom Oszillator eingespeiste Zeitrauschen. Je stabiler der Oszillator ist, desto geringer kann die Regelschleifenbandbreite 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 zu synchronisieren, und die Rückkopplungsschleife wird wiederholt.

Die Stabilität eines Oszillators beeinflusst daher direkt die von einem 5G-Netzwerk abgeleitete Zeitgenauigkeit. Die gebräuchlichste Stabilitätsspezifikation für einen Oszillator ist Frequenzstabilität über Temperatur. Oft werden Oszillatoren speziell hinsichtlich dieser Spezifikation ausgewählt. Die Stabilität, als Over-all-Wert angegeben, fasst die Fertigungstoleranz und Stabilität über dem Temperaturbereich zusammen.

Diese Spezifikation erfasst jedoch nicht die Stabilität eines Oszillators, wenn er thermischen Gradienten ausgesetzt wird. Hier kann die Frequenz-Temperatursteigung, auch als dF/dT bezeichnet, ein wichtiger Faktor für die Zeitgenauigkeit sein. Die Bilder 1 und 2 veranschaulichen den Vorteil von SiTime-Elite-Platform-TCXOs im Vergleich zu quarzbasierenden Bauelementen der Marktbegleiter und zeigt die hervorragende Stabilität in sich ändernden thermischen Umgebungen.

Die Elektronik in 5G-Funkgeräten ist konvektionsgekühlt und unterliegt daher zahlreichen thermischen Bedingungen. SiTime-MEMS-basierende Oszillatoren erfordern keine physischen Abdeckungen oder dedizierte PCB-Sperrbereiche, die häufig von Quarzgeräten zum Wärmeschutz benötigt werden, um die Datenblattspezifikationen einzuhalten.

Umwelteinflüsse wie Schock und Vibration

Aufgrund der Verdichtung in 5G-Netzen werden Funkgeräte an zahlreichen Außenobjekten montiert, die Vibrationen von vielen Quellen ausgesetzt sind. Darunter sind u.a. Kraftfahrzeuge, Züge, Wind und Gewitter. In Funkgeräten eingesetzte Oszillatoren müssen während der Vibration eine stabile Performance aufrechterhalten, um Verbindungsabbrüche zu vermeiden. Bild 3 zeigt die Robustheit von SiTime-Elite-Platform-TCXOs unter Vibration im Vergleich zu Quarz-TCXOs, die sich während der Vibration verschlechtern und möglicherweise so lange außerhalb der Spezifikation liegen können, wie die Vibration anhält.

Dies kann bei Minuten liegen, z.B. für einen langen Güterzug in der Nähe oder sogar länger beispielsweise an einem windigen Tag. Diese Robustheit ist durch die MEMS-Architektur inhärent und eliminiert teure Gehäuse oder thermischen und mechanischen Schutz, der üblicherweise von Quarzvorrichtungen benötigt wird.

Qualität und Zuverlässigkeit sind gefordert

Die Verdichtung erfordert auch ein höheres Maß an Qualität und Zuverlässigkeit, um Serviceanrufe für einen expansiven Einsatz von 5G-Funkgeräten zu minimieren. Präzisions-TCXO- und OCXO-Geräte in 5G-RRUs, die in 4G nicht vorhanden sind, bieten neue Standorte für die Beseitigung von Fehlern, auf die möglicherweise nur schwer zugegriffen werden kann.

MEMS-Oszillatoren von SiTime bieten gegenüber Quarzoszillatoren inhärente Vorteile, die es ihnen ermöglichen, in extremen Umgebungen zuverlässiger zu arbeiten. SiTime entwickelte das MEMSFirst-Verfahren, bei dem Resonatoren vollständig in Silizium eingekapselt und in einer Mikrovakuumkammer eingeschlossen sind [2]. Die Kombination der sehr kleinen Masse des Resonators und seiner steifen Siliziumkristallstruktur macht ihn langlebig und äußerst widerstandsfähig gegen äußere Beanspruchungen wie Stöße und Vibrationen.

Im Gegensatz zum Quarz weisen MEMS-Resonatoren aus Silizium zudem eine vernachlässigbare Alterung auf. Darüber hinaus unterdrücken optimal ausgelegte Spannungsregler, die in die Oszillatorschaltung integriert sind, Stromversorgungsrauschen, um die Stabilität in rauen Umgebungen aufrechtzuerhalten. Diese Merkmale führen bei SiTime-MEMS-Oszillatoren im Vergleich zu Quarzgeräten zu einer höheren Qualität und Zuverlässigkeit sowie zu weniger Feldausfällen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2020 (Download PDF)

Vergleich von SiTime-MEMS- und Quarz-Bauelementen

Zu den Hauptvorteilen von SiTime-Elite-Platform-TCXOs im Vergleich zu herkömmlichen Quarz-TCXOs zur Verwendung in 5G-RRU-Geräten gehören:

• 50x bessere Qualität (DPPM Defective Parts Per Million),

• 30x verbesserte Zuverlässigkeit (MTBF Mean Time Between Failures ),

• 20x bessere mechanische Stoßfestigkeit (MIL-STD-883-Methode 2002),

• 10x bessere Frequenzstabilität bei schnellen Wärmegradienten,

• 3x bessere zufällige Vibrationsbeständigkeit (MIL-STD-883, Methode 2007),

• keine Frequenzsprünge oder Activity Dips,

• hervorragende Unterdrückung von Rauschen auf der Stromversorgung.

Aufgrund dieser Vorteile ermöglicht der Einsatz der Elite-TCXOs in 5G-RRU-Geräten die Entwicklung von Funkdesigns die weltweit eingesetzt werden können, unabhängig von den Umgebungsbedingungen. Ein solches Design spart Entwicklungszeit, beschleunigt die Markteinführung und optimiert die Produktion. Das robuste Timing dieser Funkgeräte nach dem Einsatz vor Ort minimiert Störungen bei 5G-Diensten und sorgt für eine bessere Benutzererfahrung.

Quarzoszillatoren – gestern, heute, morgen