如果您参与过蜂窝技术的设计，您就知道复杂性是什么样子。协议和标准相互堆叠，就像许多不稳定的积木一样。它们能协同工作，这要归功于精心制定的规范、精心的设计以及精准的时间把控。

如今，5G 风靡一时，而这次也不例外——实际上，它会更具挑战性。与前几代相比，5G 有望成为更多应用的首选解决方案。因此，期望很高——这意味着，为了实现 5G 的承诺，规范、设计和时间把控又得精心规划和实施。

5G 全在于更严格的时间把控 

5G 技术对时间解决方案的压力将远超以往，原因有很多。 

- 更高的频率意味着更短的周期——要在更短的时间内完成更多的工作。 

- 带宽将被更谨慎地使用；信道将更窄。这意味着能容忍的时间误差更小。 

- 更高的频率意味着更短的范围和更小的绕弯能力。这意味着需要更多的无线电设备，每个覆盖的区域更小。预计每一个当前的 4G 无线电设备大约需要 10 到 20 个 5G 无线电设备。 

- 关键在于：无线电之间的延迟预算为 130 纳秒。这分解为两个无线电之间的每个网络节点 10 纳秒的预算。作为参考，全球导航卫星系统（GNSS）的定时精度为 15 纳秒（99.7%的时间）。这意味着更少的信道间干扰，有助于更好地利用带宽。您可能认为满足这一要求不是什么大问题——至少在正常情况下——但要尝试在所有条件下都能保持这种时间把控。

要使所有这些都平稳运行所需的时间把控将给定时源带来难以置信的负担。对于本地定时，它将需要微机电系统（MEMS）时钟的精度、稳定性和可靠性。

网络定时的来源

在 5G 系统中，将有三个定时来源。主要来源是网络本身，通过以太网使用 IEEE 1588 标准接收定时，以及同步定时的 SyncE 频率。但是，如果网络中断，那么您就无法从网络获取定时。备用方案是 GNSS，它每秒提供一个脉冲。精度不是很高，但很有用。但是，如果您的设备在 GNSS 信号不强的地方怎么办？您需要保持时间，直到网络恢复，否则您的设备也会停止工作。

因此，保持时钟的作用非常重要：这是一个本地派生的时钟，在主要定时源恢复之前一直运行。它就像一个飞轮，即使没有主动驱动，也能以恒定速度旋转。这需要一个非常稳定的时钟源，没有石英振荡器表现出的“活动下降”和突然的频率跳跃。

保持时钟运行的具体时间取决于网络运营商；对此没有标准。在边缘设备附近，保持时钟在 2 或 4 小时内的漂移不应超过 1 微秒。同时，靠近后端，时钟在 8 或 12 或 24 小时内的漂移不应超过 1 微秒。具体持续时间由网络运营商选择。您可能会发现，例如在印度，网络运营商要求更严格的规格——特别是因为基础设施的其他部分不够强大。

图 1. 网络同步器选择三个定时源中的一个，切换期间没有相位跳跃。

当然，您不能只是有一个在这些来源之间进行简单切换的开关。因为它们彼此完全独立，所以它们不是相位对齐的。如果您简单地从一个切换到另一个，您会得到一个相位跳跃，可能会导致严重的下游问题。因此，网络同步器负责执行“隐藏”切换——选择一个源，而不会中断输出时钟信号的相位。

是什么让定时变得困难？

把已经很严格的 4G 定时变得更严格，然后把设备放在以前从未去过的恶劣位置。这就是 5G 的简要概括，这给任何本地时钟源带来了许多挑战。 

振动

第一个问题是振动。在更多的地方有更多的无线电设备——比如在路边的电话杆上——您将在恶劣环境中有更多的设备。想象一下，当一辆重型卡车经过并使附近的一切都震动时。定时源必须不受这种振动的影响。石英振荡器很容易受到震动影响，并且会超出规格，潜在地，这种情况可能会持续到振动结束。对于附近的长途货运列车，这可能会持续数分钟，在有风的日子里甚至会更久。相比之下，MEMS 振荡器不会因振动而超出规格。

图 2. 石英温度补偿晶体振荡器（TCXOs）对热、气流和快速温度变化敏感，表现出显著的频率变化，而 MEMS TCXOs 在这些条件下极其稳定。

5G 设备发热问题：5G 设备将被放置在各种可能的环境中。这意味着一些设备会变得非常热，而另一些则会在极冷的条件下运行。例如，在明尼阿波利斯的同一设备可能在夏季和冬季都必须应对极端温度。而且，由于风扇容易出现故障，设计师们正试图省去风扇，这意味着 5G 设备将没有内置冷却装置。  

在所有温度下保持精确的计时极其困难。但保持网络运行至关重要。这意味着即使在极端温度条件下，网络也必须持续运行。高性能的 MEMS 振荡器在高达 125°C 的温度下能够稳定运行。 

快速温度变化：

似乎在烈日和严寒条件下运行还不够，在快速温度变化的情况下，条件会变得更加艰难。例如，如果你在西南部，那里的锋面碰撞和移动的急流使冷热空气团汇聚，环境温度在几分钟内就可能变化 20°C。这给时钟源带来了进一步的压力，因为在温度升高或降低时，它会暴露在剧烈的温度梯度下。石英晶振在应对快速温度变化方面存在困难。频率可能会跳动数百个 ppb（十亿分之一），远远超出规格，然后需要数分钟才能恢复到所需的频率。相比之下，MEMS 定时设备则能轻松跟上。

5G 定时需求MEMS 振荡器：

对于 5G 设计，定时将比以往任何时候都更重要。如果没有紧密、精确的时钟源，5G 的承诺将只是夸夸其谈。有了 MEMS 振荡器，这种夸夸其谈才能变成现实；这就是网络运营商能够确保其网络不会因定时功能而中断的方式。

像 SiTime 这样的公司的 MEMS 振荡器能够在 5G 设备将面临的广泛条件下不受干扰地运行。与石英晶振相比，MEMS 振荡器： 

- 温度额定值高达 125°C 

- 抗振能力是石英晶振的 10 倍

- 不存在微相位跳跃，减少掉话次数

- 可靠性是石英晶振的 100 倍，最大限度地减少了现场维修（例如，SiTime 已出货超过 10 亿个单元，现场零故障）。

MEMS 振荡器能够做到这一切，同时能耗仅为石英晶振的五分之一，这意味着不同寻常的是，真的不存在权衡取舍。MEMS硅晶振 已做好充分准备，成为计划在短短几年内投入使用的众多 5G 设计的首选时钟源。