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小基站中的时钟和同步要求

来源：http://www.hneyq.com 作者：亿金电子 2024年12月20

智能手机和平板电脑的普及导致了移动宽带数据流量的巨大增长。因此，运营商正在改进其网络基础设施以适应不断增长的流量。在此背景下，人们提出了新一代的无线接入组件和子系统，称为小基站。随着小基站的推出，无线接入系统的构建块正在被重新绘制。本文着眼于同步要求的挑战，讨论了振荡器的要求，并提出了 Small Cells 时钟方面的设计考虑因素。本文还介绍了解决同步问题的高级解决方案。

Small Cells – 最适合服务提供商，最适合消费者 Small Cells 包含一系列系统和组件，以简化蜂窝移动通信的实施。Small Cells 以不同的容量为家庭和企业以及城市和乡村环境提供移动覆盖。Small Cells 与现有的 Macro Base Station 网络一起部署，主要提供容量卸载——将繁重的数据用户从 Macro Base Station 转移到 Small Cell。Small Cells 还解决了覆盖范围问题，是一种经济高效的方式，可以到达建筑物最远的角落和最偏远的农村地区，从而提高网络的整体效率。Small Cells 还为服务提供商提供了许多其他优势，例如增加客户“粘性”、自组织能力和固定移动融合。对于消费者，它提供覆盖范围和容量。它为基于位置的服务、统一计费和其他应用程序提供了巨大的机会。

然而，小基站的实施存在技术挑战，例如干扰缓解（使用宏和其他小基站）、回程网络、同步等。Small Cell Forum 等机构正在努力解决这些问题。Small Cells 为推出改进的移动网络提供了出色的技术选择。

小基站中的时钟和同步要求

一般来说，基站需要两组同步方面：网络要求和空中接口要求。总体而言，GSM1 和 WCDMA2 以及 LTE-FDD3 网络只需要在空中接口处进行 50ppb 至 250ppb 的频率精度进行同步，以满足移动用户设备（如手机）的多普勒频移效应。对于 4G/LTE-A4 和 4G/LTE-TDD5 系统，由于切换和接口缓解等各种原因，相邻基站之间还有 ±1.5μs 的额外相位精度要求。4G/LTE-A 具有额外的定位精度要求，表明相位误差要求 <±0.5μs。

传统上，基站是通过电路交换网络进行回程的，这些网络从网络进行同步。传统方法与 GNSS6 系统相结合，使基站能够轻松满足同步要求。像 Macro Base Stations 这样的高端设备可以负担得起多个昂贵的高稳定性振荡器，这些振荡器可以保持同步完好无损，并且可以在没有来自网络的同步信号的情况下工作数天。

随着基于数据包的回程技术的引入，同步已成为一个具有挑战性的话题。随着小基站的低成本结构，人们正在重新审视同步方法。GNSS、蜂窝网络侦听（宏嗅探）、同步以太网、其他物理级恢复时钟（如 Cable 和 DSL7）以及基于数据包的同步技术（如 PTP8 和 NTP9）是同步小基站的最流行方法。在许多情况下，考虑使用 hybrid technology options （GNSS， PTP 和 SyncE10）来保持恢复的 clocks 的质量尽可能高。本白皮书主要假设基于数据包的同步方法在概述的要求和注意事项中。

RF 接口以及准确的频率和相位信息也需要低相位噪声，以保持高效的 RF 性能。传统上，系统中包括多个振荡器来执行各种功能。随着新的成本模型，新的架构设想使用单个振荡器来处理同步要求以及 RF 接口时钟。

随着 Small Cells 朝着集成各种功能（如宽带接口和网关功能）的方向发展，需要使用高速、高质量的无关时钟。这些要求是简单、经济高效的设备，这些设备以最低的功耗、最少的外部元件和最小的占用空间提供多个不相关的输出。

小基站的同步方面

下图说明了当前的 Small Cells clocking 架构。

宏基站要求传统系统的精度为 16ppb。传统上，此类系统中的同步是由 GPS11 或电路交换 T1 或 E112 网络驱动的，这些网络回传流量。Stratum 2 电平振荡器用于其他时序源发生故障时的保持。结合以上所有内容，可以满足网络接口计时要求。

Small Cell 标准目前没有对回程时序要求的明确定义，但标准机构正在审查这些要求。但是，如果传输接口是 Small Cell 设备的一部分，则所需的标准一致性已到位。如果 Small Cell 通过以太网 PHY 使用同步，则需要满足 SyncE 合规性。

在空中接口，对频率精度和相位对准有要求。需要频率精度来处理移动手机的多普勒频移效应。在 FDD 系统中，上行链路和下行链路传输发生在不同的频段上，下行链路使用一种称为正交频分多址（OFDMA）的调制技术，该技术要求子载波之间保持正交性。对于多普勒问题，在用户设备定义的最大速度和所用振荡器的最大不稳定性下，只有在空中接口处以定义的频率精度才能避免子载波之间的干扰。为了将用户设备从一个小区顺利切换到另一个小区而不会掉线，还需要频率同步。所有这些都假设用户设备首先能够与小基站同步，并且根据规格，小基站具有正确的频率误差限制。

借助 4G/LTE-A 所需的接口缓解技术，即使对于 FDD 系统，相位对齐要求也已到位。在 HetNet 场景中，宏小区和小区之间的信令通道需要同步，因此需要相位对齐。

在 4G/LTE TDD 系统中，同一通道用于发送和接收，并且需要相位对齐，以允许该通道的双工，并同步小区和用户设备。干扰缓解技术的问题仍然适用于 4G/LTE TDD 系统。CoMP、eICIC 要求目前由 3GPP 定义。

同步的振荡器要求

当使用 GPS 或 GNSS 计时技术时，与网络 PLL 标准相比，PLL 循环可以很宽，环路带宽为 10Hz 或更高。商用 GPS 模块提供数十纳秒（ns）的相位对准精度，TCXO （100 – 500ppb）作为源定时参考。使用网络侦听（Macro Sniff）技术应该可以获得类似的结果。基于 Packet 的 timing 技术更具不确定性，性能取决于许多因素。

Small Cell 回程可能能够也可能无法实现 ITU 同步研究组建议的传输网络架构。因此，需要正确的回程和主站定位工程设计，以有效支持相位精度要求。使用 Packets synchronisation 技术，根据网络类型和流量模式，在 timing servos 中使用较窄的带宽。例如，对于仅频率规范的 G.8263 时钟，建议的带宽为 1mHz 或更低，网络的其他元素不提供 on path 支持。G.8273.2 电信时间从时钟规格建议 0.05 – 0.1Hz 环路滤波器，所有元件都在网络中并支持数据包定时。建议使用 OCXO （10 – 50ppb）进行此类实施。

对于基于数据包的同步，振荡器的中期稳定性要求是关键。传统上，传输设备过去需要 Stratum 3 级稳定性，以支持系统中 0.1Hz 至 10Hz 的环路带宽。基于 Packet 的 clocks 具有低得多的带宽，为了满足整个工作温度范围内的 wander 生成指标，需要更稳定的振荡器。Rakon 与基于数据包的算法供应商合作，测试振荡器的各种环路带宽，并对其进行调整以满足标准要求。下面显示了使用 Rakon 振荡器在 1mHz 下完成的 MTIE 测试，该振荡器符合标准掩码。

实现更好相位噪声的振荡器要求

Small Cells 中 clocks 的另一个方面是无线电部分需要低相位噪声。如前所述，4G/LTE 空中接口使用 OFDMA 方法和 QAM 技术。为了有效地利用可用带宽，需要在可用频谱中封装尽可能多的 bits/s/Hz。随着基带处理器处理能力的提高，可以实时处理的符号数量也会增加，从而推高每赫兹的每秒比特数。3G 技术使用 16 个 QAM，4G/LTE 定义 64 个 QAM，而 4G/LTE-A 最多允许 256 个 QAM。这意味着有更多的星座需要解码，因此它们需要尽可能无错误。实际星座与理想位置偏差的度量称为误差矢量幅度。大型 EVM 的关键因素之一是用于创建星座图的参考时钟的低相位噪声。随着驱动无线电的时钟的相位噪声降低，EVM 也会降低，从而提高传输和解码的信号质量。

传统上，在宏基站中，Base Band Unit 处理一个结合了所有可能的同步源的主时钟。然后，时钟通过光纤链路通过 CPRI 接口发送到远程射频头。一旦 clock 通过 silicon VCOs 处理，通常它具有很高的 close-in phase noise，这不足以驱动无线电 clocks。远程无线电单元（RRU）通过 VCXO 处理 clocks，并将其与 transceiver 所需的速率相乘。Rakon 与基带 SoC 解决方案供应商和无线电解决方案供应商合作，以确保轻松满足解决方案最佳性能的相位噪声要求。以下是 Rakon 的 RPT 系列 TCXO 的典型相位噪声图，采用专利的 Pluto+ ™ 补偿技术。

Rakon 与基带 SoC 解决方案供应商和无线电解决方案供应商合作，以确保轻松满足解决方案最佳性能的相位噪声要求。以下是 Rakon 的 RPT 系列 TCXO 的典型相位噪声图，采用专利的 Pluto+ ™ 补偿技术。

Rakon 为 Small Cells 提供了广泛的解决方案。选择正确振荡器的主要标准是现有无线电接口所需的同步性能，以及所使用的同步技术和所需的保持。

RAKON晶振的小型蜂窝振荡器解决方案
Rakon 提供针对小型蜂窝市场优化的最广泛的振荡器。作为 Small Cell Forum 的早期成员，Rakon 一直是 Small Cell 生态系统不可或缺的一部分，为 Small Cells 提供同步技术。凭借广泛的 TCXO 和 OCXO，Rakon 能够为广泛的客户需求提供同步解决方案。Rakon 一直与许多小型蜂窝 SoC 供应商以及射频收发器供应商和同步解决方案提供商合作，以了解他们的需求并开发和制造优化的产品。Rakon 拥有 Rakon 广泛的自动化制造和测试设施，为 Small Cell 客户提供高性能解决方案。Rakon 继续投资于未来，包括即将发布的 Rakon 创新的多输出 OmniClock™。OmniClock™ 产品系列的开发旨在满足下一代小基站的成本、性能和稳定性要求。

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