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小基站中的時鐘和同步要求

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

智能手機和平板電腦的普及導致了移動寬帶數據流量的巨大增長。因此，運營商正在改進其網絡基礎設施以適應不斷增長的流量。在此背景下，人們提出了新一代的無線接入組件和子系統，稱為小基站。隨著小基站的推出，無線接入系統的構建塊正在被重新繪制。本文著眼于同步要求的挑戰，討論了振蕩器的要求，并提出了 Small Cells 時鐘方面的設計考慮因素。本文還介紹了解決同步問題的高級解決方案。

Small Cells – 最適合服務提供商，最適合消費者 Small Cells 包含一系列系統和組件，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以及城市和鄉村環境提供移動覆蓋。Small Cells 與現有的 Macro Base Station 網絡一起部署，主要提供容量卸載——將繁重的數據用戶從 Macro Base Station 轉移到 Small Cell。Small Cells 還解決了覆蓋范圍問題，是一種經濟高效的方式，可以到達建筑物最遠的角落和最偏遠的農村地區，從而提高網絡的整體效率。Small Cells 還為服務提供商提供了許多其他優勢，例如增加客戶“粘性”、自組織能力和固定移動融合。對于消費者，它提供覆蓋范圍和容量。它為基于位置的服務、統一計費和其他應用程序提供了巨大的機會。

然而，小基站的實施存在技術挑戰，例如干擾緩解（使用宏和其他小基站）、回程網絡、同步等。Small Cell Forum 等機構正在努力解決這些問題。Small Cells 為推出改進的移動網絡提供了出色的技術選擇。

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：網絡要求和空中接口要求。總體而言，GSM1 和 WCDMA2 以及 LTE-FDD3 網絡只需要在空中接口處進行 50ppb 至 250ppb 的頻率精度進行同步，以滿足移動用戶設備（如手機）的多普勒頻移效應。對于 4G/LTE-A4 和 4G/LTE-TDD5 系統，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。

傳統上，基站是通過電路交換網絡進行回程的，這些網絡從網絡進行同步。傳統方法與 GNSS6 系統相結合，使基站能夠輕松滿足同步要求。像 Macro Base Stations 這樣的高端設備可以負擔得起多個昂貴的高穩定性振蕩器，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絡的同步信號的情況下工作數天。

隨著基于數據包的回程技術的引入，同步已成為一個具有挑戰性的話題。隨著小基站的低成本結構，人們正在重新審視同步方法。GNSS、蜂窩網絡偵聽（宏嗅探）、同步以太網、其他物理級恢復時鐘（如 Cable 和 DSL7）以及基于數據包的同步技術（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）來保持恢復的 clocks 的質量盡可能高。本白皮書主要假設基于數據包的同步方法在概述的要求和注意事項中。

RF 接口以及準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。傳統上，系統中包括多個振蕩器來執行各種功能。隨著新的成本模型，新的架構設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（如寬帶接口和網關功能）的方向發展，需要使用高速、高質量的無關時鐘。這些要求是簡單、經濟高效的設備，這些設備以最低的功耗、最少的外部元件和最小的占用空間提供多個不相關的輸出。

小基站的同步方面

下圖說明了當前的 Small Cells clocking 架構。

宏基站要求傳統系統的精度為 16ppb。傳統上，此類系統中的同步是由 GPS11 或電路交換 T1 或 E112 網絡驅動的，這些網絡回傳流量。Stratum 2 電平振蕩器用于其他時序源發生故障時的保持。結合以上所有內容，可以滿足網絡接口計時要求。

Small Cell 標準目前沒有對回程時序要求的明確定義，但標準機構正在審查這些要求。但是，如果傳輸接口是 Small Cell 設備的一部分，則所需的標準一致性已到位。如果 Small Cell 通過以太網 PHY 使用同步，則需要滿足 SyncE 合規性。

在空中接口，對頻率精度和相位對準有要求。需要頻率精度來處理移動手機的多普勒頻移效應。在 FDD 系統中，上行鏈路和下行鏈路傳輸發生在不同的頻段上，下行鏈路使用一種稱為正交頻分多址（OFDMA）的調制技術，該技術要求子載波之間保持正交性。對于多普勒問題，在用戶設備定義的最大速度和所用振蕩器的最大不穩定性下，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。為了將用戶設備從一個小區順利切換到另一個小區而不會掉線，還需要頻率同步。所有這些都假設用戶設備首先能夠與小基站同步，并且根據規格，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，即使對于 FDD 系統，相位對齊要求也已到位。在 HetNet 場景中，宏小區和小區之間的信令通道需要同步，因此需要相位對齊。

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

同步的振蕩器要求

當使用 GPS 或 GNSS 計時技術時，與網絡 PLL 標準相比，PLL 循環可以很寬，環路帶寬為 10Hz 或更高。商用 GPS 模塊提供數十納秒（ns）的相位對準精度，TCXO （100 – 500ppb）作為源定時參考。使用網絡偵聽（Macro Sniff）技術應該可以獲得類似的結果。基于 Packet 的 timing 技術更具不確定性，性能取決于許多因素。

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

對于基于數據包的同步，振蕩器的中期穩定性要求是關鍵。傳統上，傳輸設備過去需要 Stratum 3 級穩定性，以支持系統中 0.1Hz 至 10Hz 的環路帶寬。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的 wander 生成指標，需要更穩定的振蕩器。Rakon 與基于數據包的算法供應商合作，測試振蕩器的各種環路帶寬，并對其進行調整以滿足標準要求。下面顯示了使用 Rakon 振蕩器在 1mHz 下完成的 MTIE 測試，該振蕩器符合標準掩碼。

實現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。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量也會增加，從而推高每赫茲的每秒比特數。3G 技術使用 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 的關鍵因素之一是用于創建星座圖的參考時鐘的低相位噪聲。隨著驅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量。

傳統上，在宏基站中，Base Band Unit 處理一個結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 接口發送到遠程射頻頭。一旦 clock 通過 silicon VCOs 處理，通常它具有很高的 close-in phase noise，這不足以驅動無線電 clocks。遠程無線電單元（RRU）通過 VCXO 處理 clocks，并將其與 transceiver 所需的速率相乘。Rakon 與基帶 SoC 解決方案供應商和無線電解決方案供應商合作，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+ ™ 補償技術。

Rakon 與基帶 SoC 解決方案供應商和無線電解決方案供應商合作，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+ ™ 補償技術。

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準是現有無線電接口所需的同步性能，以及所使用的同步技術和所需的保持。

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 生態系統不可或缺的一部分，為 Small Cells 提供同步技術。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 供應商以及射頻收發器供應商和同步解決方案提供商合作，以了解他們的需求并開發和制造優化的產品。Rakon 擁有 Rakon 廣泛的自動化制造和測試設施，為 Small Cell 客戶提供高性能解決方案。Rakon 繼續投資于未來，包括即將發布的 Rakon 創新的多輸出 OmniClock™。OmniClock™ 產品系列的開發旨在滿足下一代小基站的成本、性能和穩定性要求。

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