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小基站中的時鐘和同步要求

來源：http://www.lnjyxx.com 作者：億金電子 2024年12月20

智能手機(jī)和平板電腦的普及導(dǎo)致了移動寬帶數(shù)據(jù)流量的巨大增長。因此，運(yùn)營商正在改進(jìn)其網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以適應(yīng)不斷增長的流量。在此背景下，人們提出了新一代的無線接入組件和子系統(tǒng)，稱為小基站。隨著小基站的推出，無線接入系統(tǒng)的構(gòu)建塊正在被重新繪制。本文著眼于同步要求的挑戰(zhàn)，討論了振蕩器的要求，并提出了 Small Cells 時鐘方面的設(shè)計考慮因素。本文還介紹了解決同步問題的高級解決方案。

Small Cells – 最適合服務(wù)提供商，最適合消費(fèi)者 Small Cells 包含一系列系統(tǒng)和組件，以簡化蜂窩移動通信的實施。Small Cells 以不同的容量為家庭和企業(yè)以及城市和鄉(xiāng)村環(huán)境提供移動覆蓋。Small Cells 與現(xiàn)有的 Macro Base Station 網(wǎng)絡(luò)一起部署，主要提供容量卸載——將繁重的數(shù)據(jù)用戶從 Macro Base Station 轉(zhuǎn)移到 Small Cell。Small Cells 還解決了覆蓋范圍問題，是一種經(jīng)濟(jì)高效的方式，可以到達(dá)建筑物最遠(yuǎn)的角落和最偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的整體效率。Small Cells 還為服務(wù)提供商提供了許多其他優(yōu)勢，例如增加客戶“粘性”、自組織能力和固定移動融合。對于消費(fèi)者，它提供覆蓋范圍和容量。它為基于位置的服務(wù)、統(tǒng)一計費(fèi)和其他應(yīng)用程序提供了巨大的機(jī)會。

然而，小基站的實施存在技術(shù)挑戰(zhàn)，例如干擾緩解（使用宏和其他小基站）、回程網(wǎng)絡(luò)、同步等。Small Cell Forum 等機(jī)構(gòu)正在努力解決這些問題。Small Cells 為推出改進(jìn)的移動網(wǎng)絡(luò)提供了出色的技術(shù)選擇。

小基站中的時鐘和同步要求

一般來說，基站需要兩組同步方面：網(wǎng)絡(luò)要求和空中接口要求。總體而言，GSM1 和 WCDMA2 以及 LTE-FDD3 網(wǎng)絡(luò)只需要在空中接口處進(jìn)行 50ppb 至 250ppb 的頻率精度進(jìn)行同步，以滿足移動用戶設(shè)備（如手機(jī)）的多普勒頻移效應(yīng)。對于 4G/LTE-A4 和 4G/LTE-TDD5 系統(tǒng)，由于切換和接口緩解等各種原因，相鄰基站之間還有 ±1.5μs 的額外相位精度要求。4G/LTE-A 具有額外的定位精度要求，表明相位誤差要求 <±0.5μs。

傳統(tǒng)上，基站是通過電路交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回程的，這些網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步。傳統(tǒng)方法與 GNSS6 系統(tǒng)相結(jié)合，使基站能夠輕松滿足同步要求。像 Macro Base Stations 這樣的高端設(shè)備可以負(fù)擔(dān)得起多個昂貴的高穩(wěn)定性振蕩器，這些振蕩器可以保持同步完好無損，并且可以在沒有來自網(wǎng)絡(luò)的同步信號的情況下工作數(shù)天。

隨著基于數(shù)據(jù)包的回程技術(shù)的引入，同步已成為一個具有挑戰(zhàn)性的話題。隨著小基站的低成本結(jié)構(gòu)，人們正在重新審視同步方法。GNSS、蜂窩網(wǎng)絡(luò)偵聽（宏嗅探）、同步以太網(wǎng)、其他物理級恢復(fù)時鐘（如 Cable 和 DSL7）以及基于數(shù)據(jù)包的同步技術(shù)（如 PTP8 和 NTP9）是同步小基站的最流行方法。在許多情況下，考慮使用 hybrid technology options （GNSS， PTP 和 SyncE10）來保持恢復(fù)的 clocks 的質(zhì)量盡可能高。本白皮書主要假設(shè)基于數(shù)據(jù)包的同步方法在概述的要求和注意事項中。

RF 接口以及準(zhǔn)確的頻率和相位信息也需要低相位噪聲，以保持高效的 RF 性能。傳統(tǒng)上，系統(tǒng)中包括多個振蕩器來執(zhí)行各種功能。隨著新的成本模型，新的架構(gòu)設(shè)想使用單個振蕩器來處理同步要求以及 RF 接口時鐘。

隨著 Small Cells 朝著集成各種功能（如寬帶接口和網(wǎng)關(guān)功能）的方向發(fā)展，需要使用高速、高質(zhì)量的無關(guān)時鐘。這些要求是簡單、經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)備，這些設(shè)備以最低的功耗、最少的外部元件和最小的占用空間提供多個不相關(guān)的輸出。

小基站的同步方面

下圖說明了當(dāng)前的 Small Cells clocking 架構(gòu)。

宏基站要求傳統(tǒng)系統(tǒng)的精度為 16ppb。傳統(tǒng)上，此類系統(tǒng)中的同步是由 GPS11 或電路交換 T1 或 E112 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的，這些網(wǎng)絡(luò)回傳流量。Stratum 2 電平振蕩器用于其他時序源發(fā)生故障時的保持。結(jié)合以上所有內(nèi)容，可以滿足網(wǎng)絡(luò)接口計時要求。

Small Cell 標(biāo)準(zhǔn)目前沒有對回程時序要求的明確定義，但標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在審查這些要求。但是，如果傳輸接口是 Small Cell 設(shè)備的一部分，則所需的標(biāo)準(zhǔn)一致性已到位。如果 Small Cell 通過以太網(wǎng) PHY 使用同步，則需要滿足 SyncE 合規(guī)性。

在空中接口，對頻率精度和相位對準(zhǔn)有要求。需要頻率精度來處理移動手機(jī)的多普勒頻移效應(yīng)。在 FDD 系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路傳輸發(fā)生在不同的頻段上，下行鏈路使用一種稱為正交頻分多址（OFDMA）的調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)要求子載波之間保持正交性。對于多普勒問題，在用戶設(shè)備定義的最大速度和所用振蕩器的最大不穩(wěn)定性下，只有在空中接口處以定義的頻率精度才能避免子載波之間的干擾。為了將用戶設(shè)備從一個小區(qū)順利切換到另一個小區(qū)而不會掉線，還需要頻率同步。所有這些都假設(shè)用戶設(shè)備首先能夠與小基站同步，并且根據(jù)規(guī)格，小基站具有正確的頻率誤差限制。

借助 4G/LTE-A 所需的接口緩解技術(shù)，即使對于 FDD 系統(tǒng)，相位對齊要求也已到位。在 HetNet 場景中，宏小區(qū)和小區(qū)之間的信令通道需要同步，因此需要相位對齊。

在 4G/LTE TDD 系統(tǒng)中，同一通道用于發(fā)送和接收，并且需要相位對齊，以允許該通道的雙工，并同步小區(qū)和用戶設(shè)備。干擾緩解技術(shù)的問題仍然適用于 4G/LTE TDD 系統(tǒng)。CoMP、eICIC 要求目前由 3GPP 定義。

同步的振蕩器要求

當(dāng)使用 GPS 或 GNSS 計時技術(shù)時，與網(wǎng)絡(luò) PLL 標(biāo)準(zhǔn)相比，PLL 循環(huán)可以很寬，環(huán)路帶寬為 10Hz 或更高。商用 GPS 模塊提供數(shù)十納秒（ns）的相位對準(zhǔn)精度，TCXO （100 – 500ppb）作為源定時參考。使用網(wǎng)絡(luò)偵聽（Macro Sniff）技術(shù)應(yīng)該可以獲得類似的結(jié)果。基于 Packet 的 timing 技術(shù)更具不確定性，性能取決于許多因素。

Small Cell 回程可能能夠也可能無法實現(xiàn) ITU 同步研究組建議的傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。因此，需要正確的回程和主站定位工程設(shè)計，以有效支持相位精度要求。使用 Packets synchronisation 技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型和流量模式，在 timing servos 中使用較窄的帶寬。例如，對于僅頻率規(guī)范的 G.8263 時鐘，建議的帶寬為 1mHz 或更低，網(wǎng)絡(luò)的其他元素不提供 on path 支持。G.8273.2 電信時間從時鐘規(guī)格建議 0.05 – 0.1Hz 環(huán)路濾波器，所有元件都在網(wǎng)絡(luò)中并支持?jǐn)?shù)據(jù)包定時。建議使用 OCXO （10 – 50ppb）進(jìn)行此類實施。

對于基于數(shù)據(jù)包的同步，振蕩器的中期穩(wěn)定性要求是關(guān)鍵。傳統(tǒng)上，傳輸設(shè)備過去需要 Stratum 3 級穩(wěn)定性，以支持系統(tǒng)中 0.1Hz 至 10Hz 的環(huán)路帶寬。基于 Packet 的 clocks 具有低得多的帶寬，為了滿足整個工作溫度范圍內(nèi)的 wander 生成指標(biāo)，需要更穩(wěn)定的振蕩器。Rakon 與基于數(shù)據(jù)包的算法供應(yīng)商合作，測試振蕩器的各種環(huán)路帶寬，并對其進(jìn)行調(diào)整以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。下面顯示了使用 Rakon 振蕩器在 1mHz 下完成的 MTIE 測試，該振蕩器符合標(biāo)準(zhǔn)掩碼。

實現(xiàn)更好相位噪聲的振蕩器要求

Small Cells 中 clocks 的另一個方面是無線電部分需要低相位噪聲。如前所述，4G/LTE 空中接口使用 OFDMA 方法和 QAM 技術(shù)。為了有效地利用可用帶寬，需要在可用頻譜中封裝盡可能多的 bits/s/Hz。隨著基帶處理器處理能力的提高，可以實時處理的符號數(shù)量也會增加，從而推高每赫茲的每秒比特數(shù)。3G 技術(shù)使用 16 個 QAM，4G/LTE 定義 64 個 QAM，而 4G/LTE-A 最多允許 256 個 QAM。這意味著有更多的星座需要解碼，因此它們需要盡可能無錯誤。實際星座與理想位置偏差的度量稱為誤差矢量幅度。大型 EVM 的關(guān)鍵因素之一是用于創(chuàng)建星座圖的參考時鐘的低相位噪聲。隨著驅(qū)動無線電的時鐘的相位噪聲降低，EVM 也會降低，從而提高傳輸和解碼的信號質(zhì)量。

傳統(tǒng)上，在宏基站中，Base Band Unit 處理一個結(jié)合了所有可能的同步源的主時鐘。然后，時鐘通過光纖鏈路通過 CPRI 接口發(fā)送到遠(yuǎn)程射頻頭。一旦 clock 通過 silicon VCOs 處理，通常它具有很高的 close-in phase noise，這不足以驅(qū)動無線電 clocks。遠(yuǎn)程無線電單元（RRU）通過 VCXO 處理 clocks，并將其與 transceiver 所需的速率相乘。Rakon 與基帶 SoC 解決方案供應(yīng)商和無線電解決方案供應(yīng)商合作，以確保輕松滿足解決方案最佳性能的相位噪聲要求。以下是 Rakon 的 RPT 系列 TCXO 的典型相位噪聲圖，采用專利的 Pluto+ ™ 補(bǔ)償技術(shù)。

Rakon 與基帶 SoC 解決方案供應(yīng)商和無線電解決方案供應(yīng)商合作，以確保輕松滿足解決方案最佳性能的相位噪聲要求。以下是 Rakon 的 RPT 系列 TCXO 的典型相位噪聲圖，采用專利的 Pluto+ ™ 補(bǔ)償技術(shù)。

Rakon 為 Small Cells 提供了廣泛的解決方案。選擇正確振蕩器的主要標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)有無線電接口所需的同步性能，以及所使用的同步技術(shù)和所需的保持。

RAKON晶振的小型蜂窩振蕩器解決方案
Rakon 提供針對小型蜂窩市場優(yōu)化的最廣泛的振蕩器。作為 Small Cell Forum 的早期成員，Rakon 一直是 Small Cell 生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的一部分，為 Small Cells 提供同步技術(shù)。憑借廣泛的 TCXO 和 OCXO，Rakon 能夠為廣泛的客戶需求提供同步解決方案。Rakon 一直與許多小型蜂窩 SoC 供應(yīng)商以及射頻收發(fā)器供應(yīng)商和同步解決方案提供商合作，以了解他們的需求并開發(fā)和制造優(yōu)化的產(chǎn)品。Rakon 擁有 Rakon 廣泛的自動化制造和測試設(shè)施，為 Small Cell 客戶提供高性能解決方案。Rakon 繼續(xù)投資于未來，包括即將發(fā)布的 Rakon 創(chuàng)新的多輸出 OmniClock™。OmniClock™ 產(chǎn)品系列的開發(fā)旨在滿足下一代小基站的成本、性能和穩(wěn)定性要求。

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