5G正在改變產(chǎn)業(yè)、社會(huì)以及我們的通訊和生活方式。5G不僅僅是更快的4G LTE，還是電信史上最具變革性的技術(shù)之一。相較于4G，5G的速度更快10倍，支持更高1萬倍的網(wǎng)絡(luò)流量，可因應(yīng)數(shù)量更多100倍的裝置處理，延遲則僅低至1/50，實(shí)現(xiàn)幾乎零感知的停機(jī)時(shí)間。有助于兌現(xiàn)5G承諾的最重要技術(shù)之一，就是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)頻率。
MEMS頻率所提供的解決方案，比基于石英的等效組件體積更小、功耗更低，并且更能抵抗惡劣的環(huán)境條件。
為了完全實(shí)現(xiàn)5G功能，需要哪些技術(shù)變革？
盡管5G建立在現(xiàn)有的4G基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)上，為了大規(guī)模部署5G網(wǎng)絡(luò)，必須針對(duì)通訊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行全面的重新設(shè)計(jì)。業(yè)界專家普遍認(rèn)為，可能需要十年時(shí)間才能完全推出5G網(wǎng)絡(luò)，并透過物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、人工智能(AI)以及虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和擴(kuò)增實(shí)境(AR)，以實(shí)現(xiàn)其全部價(jià)值。今年，主要的營運(yùn)商已經(jīng)開始在主要的都會(huì)地區(qū)提供5G服務(wù)，在2021年底以前，我們可能會(huì)看到全球部署多達(dá)18億個(gè)5G連接。實(shí)現(xiàn)端對(duì)端5G的最重要技術(shù)之一，是MEMS頻率技術(shù)。
持續(xù)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)5G承諾的動(dòng)力是什么？
為了實(shí)現(xiàn)5G的所有承諾，其所需要的性能、帶寬和延遲，都超出了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的可能范圍。到目前為止，我們已經(jīng)部署了sub-6 GHz網(wǎng)絡(luò)，而市場(chǎng)需要24GHz到40GHz范圍內(nèi)的超高速毫米波(mmWave)技術(shù)。這一轉(zhuǎn)變將需要廣泛部署戶外設(shè)備，以克服與mmWave頻率相關(guān)的視線(LoS)傳播、阻塞和覆蓋范圍等挑戰(zhàn)。
隨著5G的發(fā)展，出現(xiàn)了兩項(xiàng)重要的部署需求：一是網(wǎng)絡(luò)密集化，即在任何可能的地方增加基地平臺(tái)，以提高可用的容量；二是云端化，即利用燈柱和其他電線桿來改造網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)5G服務(wù)。由于暴露在具有沖擊、振動(dòng)、極端溫度和其他惡劣的環(huán)境壓力下，這些部署需要具有抗壓性且堅(jiān)固的頻率組件，也就是MEMS。
如何確保5G的可靠性？
確保可靠且具有適應(yīng)性的5G mmWave網(wǎng)絡(luò)，可能需要在更靠近客戶端的場(chǎng)所(如燈柱、交通號(hào)志、體育場(chǎng)、屋頂和外墻等)部署多達(dá)100倍的設(shè)備(基地臺(tái)、小型蜂巢式基地臺(tái)、中繼器和轉(zhuǎn)發(fā)器)。大多數(shù)設(shè)備會(huì)在惡劣的戶外環(huán)境中運(yùn)作，并且需要承受極端溫度、強(qiáng)風(fēng)、振動(dòng)和沖擊。
實(shí)施5G將會(huì)影響或涉及哪些技術(shù)？
實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)所影響或涉及的硬件和軟件技術(shù)，包括(但不限于)優(yōu)化的射頻芯片(RF IC)、天線數(shù)組、放大器、波束成形和波束管理技術(shù)。在最近一次由營運(yùn)商定義的開放式智能無線接取網(wǎng)絡(luò)(O-RAN)會(huì)議上，5G的頻率同步需求是一個(gè)備受討論的話題。這是因?yàn)?G所涉及的許多基本技術(shù)不僅必須同步，而且實(shí)際上對(duì)于頻率調(diào)校的要求，超過了以前在此規(guī)模上所部署的任何技術(shù)。
為什么頻率組件對(duì)5G的部署如此重要？
頻率組件是所有電子系統(tǒng)的心臟，包括通訊基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)設(shè)備、汽車系統(tǒng)和無數(shù)的電子產(chǎn)品。我們可以把頻率芯片想象成鋼琴演奏者使用的節(jié)拍器，為音樂家提供精確、穩(wěn)定的節(jié)拍，從而實(shí)現(xiàn)更鮮明、更清晰的音樂表演。盡管頻率技術(shù)在我們的生活中很普遍，但相對(duì)來說，除了系統(tǒng)工程師和架構(gòu)師之外，很少有人知道頻率和振蕩器在過去幾十年的通訊革命中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。隨著我們進(jìn)入5G時(shí)代，頻率技術(shù)比以往任何時(shí)候都更加關(guān)鍵。
5G有哪些不同的頻率技術(shù)？為什么是硅基MEMS？
大多數(shù)電子系統(tǒng)傳統(tǒng)上都使用基于石英的頻率組件，其功能類似于在我們模擬手表內(nèi)安靜共振的石英晶體。石英是一種有著70年歷史的頻率技術(shù)，其諧振器和振蕩器幾十年來一直為我們服務(wù)。然而，頻率產(chǎn)業(yè)正悄然地發(fā)生一場(chǎng)革命?；谖⑿?、巧妙的MEMS諧振器之新一代頻率組件，已經(jīng)取代了石英，用于在惡劣環(huán)境下具有最高可靠性和抗壓性的應(yīng)用中。MEMS技術(shù)與模擬電路的結(jié)合，提供了一套完整的頻率解決方案，比等效的石英組件更小、功耗更低，并且更能抵抗惡劣的環(huán)境條件。
（數(shù)據(jù)圖片：SiTime）
上圖：由于5G需要在各種不可控制的惡劣環(huán)境中部署更多10-30倍的無線電，采用硅基MEMS頻率可望提供更好的可靠性和抗壓性。
MEMS如何成為5G頻率技術(shù)的關(guān)鍵？
MEMS頻率組件已經(jīng)過多代完善，在許多要求嚴(yán)格的通訊和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，如4G LTE和5G無線基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)穩(wěn)步取代了基于石英的同類產(chǎn)品。相較于石英解決方案，基于MEMS的諧振器、振蕩器和完整的「頻率系統(tǒng)單芯片」(clock-system-on-a-chip)組件，提供了更高的性能、可靠性和抗壓性。因此，MEMS是部署在戶外的5G大型基地臺(tái)和小基地臺(tái)之理想精密頻率技術(shù)，有助于設(shè)備制造商和行動(dòng)營運(yùn)商實(shí)現(xiàn)5G的承諾。
總結(jié)
5G的成功，在某種程度上將取決于客戶的滿意度，不僅是無與倫比的無線連接性能，還包括堅(jiān)如磐石的可靠性。有了5G，根本不至于出現(xiàn)因?yàn)闃O端溫度、過度振動(dòng)或突然沖擊而導(dǎo)致斷線、通話或網(wǎng)絡(luò)中斷。無論是自動(dòng)駕駛車還是遠(yuǎn)程手術(shù)，營運(yùn)商和用戶都必須能夠依賴5G作為一種免于故障的技術(shù)。5G設(shè)備制造商已經(jīng)開始在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中使用基于MEMS的頻率技術(shù)。事實(shí)上，現(xiàn)在已有十多種不同的5G應(yīng)用都在使用MEMS頻率組件。
現(xiàn)在正是時(shí)候了：5G革命正在順利進(jìn)行，MEMS頻率技術(shù)的最新進(jìn)展，將有助于推動(dòng)即將到來的無線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型。
作者：Jeff Gao，SiTime產(chǎn)品營銷總監(jiān)
