5G正在改变产业、社会以及我们的通信和生活方式。5G不仅仅是更快的4G LTE，还是电信史上最具变革性的技术之一。5G比4G快10倍，支持的网络流量是4G的1万倍，可处理的设备数量是4G的100倍，延迟是4G的1/50，且停机时间零感知。有助于兑现 5G 承诺的最重要的技术之一，就是微机电系统(MEMS)时钟。 MEMS 时钟所提供的解决方案，比基于石英的等效器件体积更小、功耗更低，并且更能抵抗恶劣的环境条件。
问：要完全实现5G功能，需要哪些技术变革？
答：尽管5G建立在现有的4G基础设施之上，但大规模部署的5G网络，需要对通信基础设施进行全面的重新设计。业内专家普遍认为，可能需要十年时间才能完全推出5G网络，并通过物联网、自动驾驶、远程医疗、人工智能以及虚拟和增强现实，来实现其全部价值。今年，领先的运营商已经开始在主要城市地区提供5G服务，到2021年底，我们可能会看到全球部署多达18亿个5G连接。实现端到端5G的最重要技术之一，是MEMS时钟技术。
问：是什么在继续推动实现5G的承诺？
答：要实现5G的全部承诺，所需要的性能、带宽和延迟，都超出了现有网络的可能范围。到目前为止，我们已经部署了6GHz以下的网络，而市场需要24GHz到40GHz范围内的超高速毫米波(mmWave)技术。这一转变将需要广泛部署户外设备，以克服与毫米波频率相关的视线传播、阻塞和覆盖范围的挑战。
随着5G的发展，出现了两项重要的部署需求：一是网络密集化，即在任何可能的地方增加基站，以增加可用的容量；二是云化，即利用灯柱和其他电线杆来改造网络，实现5G服务。由于暴露在具有冲击、振动、极端温度和其他恶劣的环境压力下，这些部署需要具有抗压性且坚固的时钟器件，也就是MEMS。
问：如何确保5G的可靠性？
确保可靠、具有抗压性的5G毫米波网络，可能需要在更靠近客户的场所(如灯柱、交通灯、体育场、屋顶和外墙)部署多达100倍的设备(基站、小蜂窝、中继器和转发器)。大多数设备会在恶劣的户外环境中运行，并需承受极端温度、大风、振动和冲击。
问： 5G实现会影响或涉及哪些技术？
5G实现会影响或涉及的硬件和软件技术，包括但不限于优化的RF IC(射频集成电路)、天线阵、放大器、波束成形和波束管理技术。在最近一次由运营商定义的开放式智能无线接入网络(O-RAN)会议上，5G的时钟同步需求，是一个备受讨论的话题。这是因为5G所涉及的许多基本技术不仅需要同步，而且事实上对时钟调校的要求，超过了以前在这种规模上所部署的任何技术。
问：为什么时钟器件对5G的部署如此重要？
时钟器件是所有电子系统的心脏，包括通信基础设施、工业设备、汽车系统和无数的电子产品。我们可以把时钟芯片想象成钢琴演奏者使用的节拍器，为音乐家提供精确、稳定的节拍，从而实现更鲜明、更清晰的音乐表演。尽管时钟技术在我们的生活中很普遍，但相对来说，除了系统工程师和建筑师之外，很少有人知道时钟和振荡器在过去几十年的通信革命中发挥了关键作用。随着我们进入5G时代，时钟技术比以往任何时候都更加关键。
问：5G有哪些不同的时钟技术？为什么是硅MEMS？
大多数电子系统在历史上都使用基于石英的时钟装置，其功能类似于在我们的指针手表内安静共振的石英晶体。石英是一种有70年历史的时钟技术，其谐振器和振荡器几十年来一直为我们服务。然而，时钟行业正在悄然发生一场革命。基于微小、巧妙的MEMS谐振器的新一代时钟器件，已经取代了石英，用于在恶劣环境下具有最高可靠性和抗压性的应用中。MEMS技术与模拟电路相结合，提供了一套完整的时钟解决方案，比等效的石英器件更小、功耗更低，并且更能抵抗恶劣的环境条件。
问：为什么MEMS会成为5G时钟技术的关键因素？
MEMS时钟器件已经过多代完善，在许多要求严格的通信和网络应用中，如4G LTE和5G无线基础设施，已经稳步取代了基于石英的同类产品。 与石英解决方案相比，基于MEMS的谐振器、振荡器和完整的“片上时钟系统”器件，提供了更高的性能、可靠性和抗压性。因此，MEMS是部署在户外的5G宏基站和小基站的理想精密时钟技术，有助于设备制造商和移动运营商实现5G的承诺。
总结
5G的成功将在一定程度上取决于客户的满意度，不仅是无与伦比的无线连接性能，还包括坚如磐石的可靠性。有了5G，根本不会出现因极端温度、过度振动或突然冲击而导致的掉线或网络中断。无论是自动驾驶汽车还是远程手术，运营商和用户都必须能够依赖5G作为一种免于故障的技术。5G设备制造商已经开始在网络基础设施中，使用基于MEMS的时钟技术。事实上，现在已有十多种不同的5G应用使用MEMS时钟器件。
现在是时候了：5G革命正在顺利进行，MEMS时钟技术的最新进展，将有助于推动即将到来的无线网络创新和转型。
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关于作者
Jeff Gao是SiTime的产品营销总监，该公司是MEMS技术的市场领导者。Jeff负责市场营销的各个方面，包括5G通信战略。
（本文编译自EDN姐妹网站EE Times，参考链接：Why product developers should rethink timing for 5G networks。责编：赵明灿。）
本文为《电子技术设计》2021年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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