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振荡器随5G的发展而愈显其重要性
录入时间:2020/11/18 9:59:40

The Growing Importance of Oscillators With 5G

Pasternack

美国加利福尼亚州尔湾市

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通常,在5G方面,射频前端领域最常被论及的是大规模多输入多输出(mMIMO)系统的部署与功能、小型蜂窝基站的毫米波接收器、功率放大器的功率密度要求(如硅基功率放大器与GaN功率放大器的比较)。然而,5G的关键性能指标还会对射频前端收发链路中的其他部件(尤其是振荡器)造成影响,而其中的定时和同步要求催生出对更高精度振荡器的设计和制造需求。

与传统4G技术相比,带内与带间载波聚合(CA)、MIMO、下行链路多点协作(CoMP)传输与接收、上行链路CoMP等协作式无线电技术具有更高的同步要求,必须对包括远程无线电单元(RRU)的空中接口以及各节点的光纤、交换机、路由器引入的误差在内的整个同步链路加以考虑。时分双工(TDD)5G网络的端到端(E2E)延迟要求为1.5μs。然而,这仅仅是最为基本的延迟要求,其必将随着协作式无线电技术的发展而日趋严格。最近推出的增强型通用公共无线接口(eCPRI)协议对此做出了规定,从而正式宣告高稳定性时钟源对5G网络有效性的重要程度越来越高这一事实。

5G前传/中传/回传:CPRI的限制

上一代蜂窝基站由基带单元(BBU)和经同轴电缆与天线连接的远程无线电头端(RRH)构成。其中,远程无线电头端用于处理数字信号与射频信号之间的转换,而BBU作为基站与核心网络之间的物理接口,承担大部分处理任务。

LTE基站(eNodeB)通过一体式天线以及经使用CPRI信号的光纤连接至BBU的RRH对此进行了改进,解决了射频线缆的损耗和干扰问题。相应地,新的3GPP无线电架构由集中单元(CU)、分布单元(DU)及RRU构成,其中,4G BBU的功能被拆分至CU和DU。该网络架构(1)包括用于处理容量和延迟并达成5G要求的前传、中传和回传基础架构。5G前传架构与4G类似,区别在于,4G BBU与RRH之间设置CPRI接口,而5G前传架构在DU与RRU之间设置eCPRI接口。然而,eCPRI协议并不仅限于前传架构,也可用于CU与DU之间。

布网方案:CPRIeCPRI的比较

CPRI协议为一种标准的数字化格式,主要用于经光纤传输点对点数据,以实现无线电设备(RE)与无线电设备控制器(REC)之间的分离。在4G eNodeB构造中,CPRI协议用于实现BBU(即无线电设备控制器)与RRU(即无线电设备)之间的分离,而后者常与天线集成在一起。然而,CPRI无法良好地沿用至功能拆分(具体而言,物理层内功能拆分)后的基站。对于5G而言,物理层内功能拆分必不可少,这是因为其要实现载波聚合、网络MIMO、下行链路CoMP、上行链路CoMP等高数据速率功能。eCPRI协议推出的原因正在于此,其目标在于“通过灵活的功能拆分,降低eREC和eRE之间的数据速率要求”。

2所示为ITU-T GSTR-TN5G中给出的各种5G架构的功能拆分方式,以及eCPRI中规定的物理层内下行链路拆分(ID、IID)与上行链路拆分(IU)方式1。一般情况下,eRE对应于RRU,而eREC含有CU和DU功能。

eCPRI延迟与同步

上述“灵活的功能拆分”通过在基于分组的传输网络层上方设置基于IP或基于以太网的eCPRI协议层的方式实现。在多台无线电设备的处理方面,新的eCPRI协议具有新的定时要求——CPRI服务质量要求往返链路的总延迟最大不得超过5μs(R-26);由于eCPRI具有不对称性,因此其在这一要求上允许更大的变动范围。eCPRI标准将业务分为各种级别,其中,超低延迟性能所要求的最大单向帧延迟可达25μs(1)。单向帧延迟必然同时含有进出各种用户网络接口(UNI)时的光纤传播延迟以及传输网络的交换延迟(3)。由于以太网虚拟连接可同时含有多个用户网络接口2,因此使得本已承受严格eRE空中接口要求的传输网络交换机和路由器进一步承受更为严苛的延迟要求。由于eRE需要本地生成空中传输频率,因此eRE或RRU的同步和定时要求较为严格,而eREC或CU/DU在此方面的要求一般无须如此严格。

对于eCPRI定时精度,目前有绝对和相对两种时间误差。绝对时间误差(|TE|绝对)为主参考时钟(PRTC)与本地时钟之间的时间差(4)。相对时间误差(|TE|相对)为本地集群用户网络接口之间的时间差(可低至20ns,足以满足时间对齐误差(TAE)要求)或3GPP所要求的发射机天线端口间时间误差(22。基于以太网或基于IP的传输网络同步可通过同步以太网(SyncE)或精确时间协议(PTP)等多种标准协议实现,只要满足用户网络接口之间的定时精度要求即可。

网络同步链路

根据无线网络所采用的架构,基于分组的时间和相位同步方法(即NTP、PTP及SyncE标准)通常使用PRTC、分组主时钟及分组从时钟三种时间同步主时钟。同步链路用于使高稳定性的主时钟与线路下游各从时钟同步,这些时钟在ITU定义的PTP电信配置文件中重新命名为PRTC、电信根时钟(T-GM)、电信边界时钟(T-BC)、电信透传时钟(T-TC)及电信时间从时钟(T-TSC)。对定时的支持一般由中间节点(如交换机和路由器)处的T-BC实现。如表2所示,T-TSC既可集成至终端(如eRE或RRU)中,也可设于外部,经如5所示的同步分布接口(例如1PPS或ToD)向终端提供相位/时间参考。当PTP终端处于用户网络接口内时,或者当T-TSC与终端应用时钟彼此独立时,定时要求将会更加严格。为了满足5G时分双工所要求的1.5μs端到端延迟,C类用户网络接口的最大时间误差与参考点C或D的最大时间误差相同。当同一DU连接多个RRU时,如果集群内存在最大相对时间误差要求,则协作式无线电技术的定时要求也相应变高。

对振荡器的影响

在ITU-T G.8271.1/Y.1366.1报告中3,参考点C(图4)以内的网络限制涉及PRTC、T-GM、T-BC或T-TC产生的恒定和动态两种噪声。所产生的噪声体现为时间误差,其中,恒定时间误差(cTE)由链路本身产生,而动态时间误差(dTE)归因于链路的低频和高频噪声分量。其中,低频dTE分量定义为低于0.1Hz的分量,可通过最大时间间隔误差(MTIE)和时间偏差测量;而高频dTE分量定义为高于0.1Hz的分量,可通过峰间时间误差测量。

主从同步链路依赖于PRTC、协议本身的定时方式以及保持(Holdover)时钟,后者旨在当T-BC丢失其输入相位和时间参考时保持相位/时间信息。保持时钟既可由稳定的内部本地振荡器(LO)组成,也可接受可对主参考时钟进行跟踪的信号的辅助。网络内的时钟信号会随时间的流逝而产生漂移或细微差异,其原因分为内外两种:内部原因在于白频率和闪烁频率的调制;外部原因在于老化、电源波动、温度、振动/冲击、切换至保持时钟模式时的频率漂移导致的随机游动频率调制。对于ITU-T G.8273.2中的各类T-TSC和T-BC而言,要想确保满足总体时间对齐误差要求,则必须满足保持要求。

本地集群振荡器的限制

对于RRU的本地集群而言,能否满足参考点C(图4)以外的相位噪声要求和最大时间间隔误差要求也是能否保持正确时序的极重要一环。各种5G无线电技术均依赖于稳定的低噪射频源,这些射频源分别对集群有着独特且严格的相位噪声要求。以下将对部分此类无线电技术及其对振荡器的影响进行探讨,并将其汇总于3

MIMO系统——众所周知,相位噪声会对信道状态信息(CSI)(即从发射机至接收机的信号传播路径信息,包括散射、衰落及功率衰减参数)产生负面影响,并导致多用户(MU)MIMO系统的信道老化。CSI对于有赖于通过线性预编码器降低多用户干扰影响的系统尤为重要。当CSI的计算结果与实际传输路径之间具有任何差异(如信道老化方面的差异)时,均会对系统性能产生不利影响。相位噪声可导致基站振荡器与用户设备振荡器之间产生随时间而变的随机相位差,从而导致传输数据符号发生无法预测的旋转。这无疑会对未来具有同步或异步频率生成功能且有可能使用低成本本地振荡器的mMIMO设备产生影响。

高阶QAM系统——与单载波调制方案相比,正交频分复用(OFDM)方案能够在实现类似数据速率和带宽的同时,对恶劣信道条件具有更大的抵抗能力。通常情况下,OFDM系统对每一子载波均进行高阶正交幅度调制(QAM)。为了提高带宽效率,下一代蜂窝设备将会不断地扩大其所使用的符号集。如此,将使得星座图尺寸增大,并相应使得决策点对前向路径的相位噪声等瑕疵(常体现为星座点位置的轻微偏移)所产生的影响更为敏感。最终,较差的本地振荡器相位噪声性能会削弱其在信号误码率(BER)方面的表现。

5G毫米波系统——由于分组定时这一特性,依赖非视线或视线微波回传的小型蜂窝基站的同步问题尤为棘手。当使用毫米波信号时,要想实现特定区域的充分覆盖,需要设置更多的小型蜂窝基站,从而使上述问题雪上加霜。此外,随着回传所用的中间节点越来越多,如此还会使得延迟和同步要求变得更为严苛。另外,相位噪声一般随载波频率的增大而增大。例如,倍频操作会导致相位噪声增大,而晶体的频率越高,Q值越低。如此,使得本已复杂难解的5G延迟和同步需求进一步难上加难。

结论

对于5G设备而言,为了实现可靠的延迟和同步性能,传输网络和空中接口必须达到协同同步,从而使得网络定时和噪声源成为主要考量因素。其中,由于定时链路中的射频源会因内在和外在原因发生漂移和抖动,因此尤其需要慎重考虑。除了延迟之外,相位噪声也可能对无线设备的误码率产生直接影响,并降低其可靠性。对于5G空中接口和前传/中传/回传架构的性能而言,使用高性价比且针对温度和振动具有高稳定性的器件是重中之重。在某些情况下,为了获得稳定的相位噪声,可能需要使用锁相环,但是与此同时需要在成本和复杂度方面付出相应的代价。对于商业上可行的毫米波通信而言,如何获得稳定的振荡器和频率合成器成为其在满足5G需求方面需要克服的额外难题。

 

 

参考文献

1. “Transport Network Support of IMT-2020/5G,” International Telecommunications Union, February 9, 2018, Web: https://www.itu.int/dms_pub/itu-t/opb/tut/T-TUT-HOME-2018-PDF-E.pdf.

2. “Common Public Radio Interface: Requirements for the eCPRI Transport

Network – V1.2,” June 25, 2018, Web: http://www.cpri.info/downloads/Requirements_for_the_eCPRI_Transport_

Network_V1_2_2018_06_25.pdf.

3. ITU-T G.8271, “Network Limits for Time Synchronization in Packet Networks,” International Telecommunications Union, October 2017.


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