5G transformeert industrieën, de samenleving en de manier waarop we communiceren en leven. 4G is niet zomaar een snellere 5G LTE, het is een van de meest transformerende technologieën in de geschiedenis van de telecommunicatie. Het is 10 keer sneller dan 4G, ondersteunt 10,000 keer meer netwerkverkeer en kan 100 keer meer apparaten aan, terwijl het een vijftigste van de latentie mogelijk maakt zonder waargenomen downtime. Een van de belangrijkste technologieën die zullen helpen de belofte van 5G waar te maken, is de timing van micro-elektromechanische systemen (MEMS). MEMS-timing biedt oplossingen die veel kleiner zijn en een lager vermogen hebben dan vergelijkbare op kwarts gebaseerde apparaten, en ze zijn veel beter bestand tegen barre omgevingsomstandigheden.
Welke technologische veranderingen zijn nodig om de 5G-mogelijkheden volledig te realiseren?
Hoewel 5G voortbouwt op de bestaande 4G-infrastructuur, vereisen 5G-netwerken die op grote schaal worden geïmplementeerd een volledig herontwerp van de communicatie-infrastructuur. Experts uit de industrie zijn het er over het algemeen over eens dat het tien jaar kan duren om 5G-netwerken volledig uit te rollen en de volledige waarde ervan te realiseren via het internet der dingen, geautomatiseerd rijden, telegeneeskunde, kunstmatige intelligentie en virtuele en augmented reality. Toonaangevende carriers zijn dit jaar al begonnen met het leveren van 5G-diensten in grote stedelijke gebieden, en tegen het einde van 1.8 kunnen er wereldwijd tot 5 miljard 2021G-verbindingen worden ingezet. Een van de belangrijkste technologieën die end-to-end 5G mogelijk maken, is MEMS-timing.
Wat blijft de noodzaak stimuleren om de belofte van 5G waar te maken?
Om de volledige belofte van 5G waar te maken, zijn prestaties, bandbreedte en latentie nodig die verder gaan dan wat mogelijk is met de huidige netwerken. Tot nu toe hebben we sub-6 GHz-netwerken geïmplementeerd en de markt heeft behoefte aan ultrasnelle millimeter Wave (mmWave) technologie in het bereik van 24 GHz tot 40 GHz. Deze verschuiving vereist een wijdverbreide inzet van buitenapparatuur om de problemen met de gezichtslijn, blokkades en dekking die verband houden met mmWave-frequenties te overwinnen.
Met 5G zijn twee belangrijke implementatievereisten naar voren gekomen: netwerkverdichting waarbij cellocaties worden toegevoegd waar ze maar kunnen zijn om de hoeveelheid beschikbare capaciteit te vergroten en vertroebeling waarbij licht en andere elektriciteitspalen worden gebruikt om netwerken te transformeren en 5G-aangedreven diensten mogelijk te maken. Vanwege hun blootstelling aan schokken, trillingen, extreme temperaturen en andere stressoren in ruwe omgevingen, vereisen deze implementaties veerkrachtige, robuuste timingcomponenten, en dat betekent MEMS.
Hoe wordt de betrouwbaarheid van 5G gegarandeerd?
Om betrouwbare, veerkrachtige 5G mmWave-netwerken te garanderen, is mogelijk wel 100x meer apparatuur nodig (basisstations, kleine cellen, relais en repeaters) die dichter bij de locatie van de klant worden geplaatst, zoals op lantaarnpalen, verkeerslichten, stadions, daken en buitenmuren. De meeste van deze apparatuur werkt in ruwe buitenomgevingen en is bestand tegen extreme temperaturen, wind, trillingen en schokken.
Welke technologieën worden beïnvloed door of zijn betrokken bij 5G-implementaties?
De hardware- en softwaretechnologieën die worden beïnvloed door of betrokken zijn bij 5G-implementaties omvatten, maar zijn niet beperkt tot, geoptimaliseerde RF-IC's, antenne-arrays, versterkers, bundelvorming en technieken voor bundelbeheer. Tijdens een recente door de operator gedefinieerde open en intelligente radiotoegangsnetwerken (O-RAN)-conferentie was de noodzaak van timingsynchronisatie voor 5G een veelbesproken onderwerp. Dit komt omdat veel van de fundamentele technieken die betrokken zijn bij 5G niet alleen synchronisatie vereisen, maar in feite niveaus van timing-uitlijning vereisen die verder gaan dan alles wat eerder op deze schaal werd ingezet.
Waarom zijn timing-apparaten zo belangrijk voor 5G-implementaties?
Timing-apparaten vormen de hartslag van alle elektronische systemen, waaronder communicatie-infrastructuur, industriële apparatuur, autosystemen en talloze elektronische producten. Zie een timingchip als een metronoom die door een pianist wordt gebruikt en die de muzikant een precieze, gestage beat geeft voor een scherpere, duidelijkere muzikale uitvoering. Ondanks de prevalentie van timingtechnologie in ons leven, zijn relatief weinig mensen - behalve systeemingenieurs en architecten - zich bewust van de cruciale rol die klokken en oscillatoren de afgelopen decennia hebben gespeeld in communicatierevoluties. Nu we het 5G-tijdperk ingaan, is timingtechnologie belangrijker dan ooit.
Wat zijn de verschillende timingtechnologieën in 5G? Waarom op silicium gebaseerde MEMS?
De meeste elektronische systemen hebben van oudsher op kwarts gebaseerde timingapparaten gebruikt, functioneel vergelijkbaar met de kwartskristallen die stilletjes resoneren in onze analoge polshorloges. Kwarts is een 70 jaar oude timingtechnologie en zijn resonatoren en oscillatoren hebben ons de afgelopen decennia goed gediend. Er is echter een stille revolutie gaande in de timing-industrie. Nieuwe generaties timing-apparaten op basis van kleine, ingenieuze micro-elektronische mechanische systemen (MEMS) resonatoren hebben kwarts vervangen in toepassingen die de hoogste betrouwbaarheid en veerkracht tegen omgevingsstressoren vereisen. MEMS-technologie, gecombineerd met analoge circuits, biedt een complete timingoplossing die veel kleiner is en een lager vermogen heeft dan vergelijkbare op kwarts gebaseerde apparaten, en veel beter bestand is tegen barre omgevingsomstandigheden.
Waarom is MEMS naar voren gekomen als de de facto 5G-timingtechnologie?
MEMS-timingapparaten zijn gedurende meerdere generaties geperfectioneerd en hebben gestaag de op kwarts gebaseerde tegenhangers verdrongen in veel veeleisende communicatie- en netwerktoepassingen, zoals 4G LTE en 5G draadloze infrastructuur. Op MEMS gebaseerde resonatoren, oscillatoren en complete "kloksysteem-op-een-chip"-apparaten leveren ordes van grootte hogere prestaties, betrouwbaarheid en veerkracht dan kwartsoplossingen. Om deze redenen is MEMS een ideale precisie-timingtechnologie voor 5G macro- en kleincellige basisstations die buitenshuis worden ingezet, waardoor fabrikanten van apparatuur en mobiele providers de belofte van 5G kunnen waarmaken.
Conclusie
Het succes van 5G zal deels afhangen van klanttevredenheid, niet alleen in termen van ongeëvenaarde draadloze prestaties, maar ook rotsvaste betrouwbaarheid. Met 5G is er simpelweg geen optie voor verbroken gesprekken of netwerkuitval veroorzaakt door extreme temperaturen, overmatige trillingen of plotselinge schokken. Of het nu gaat om een zelfrijdende auto of een operatie op afstand, operators en gebruikers moeten kunnen vertrouwen op 5G als failsafe-technologie. Fabrikanten van 5G-apparatuur zijn al begonnen met het gebruik van op MEMS gebaseerde timingtechnologie in netwerkinfrastructuur. In feite gebruiken nu meer dan 10 verschillende 5G-applicaties MEMS-timingapparaten.
Het werd tijd: de 5G-revolutie is in volle gang en de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van MEMS-timingtechnologie zullen de komende innovatie en transformatie van draadloze netwerken stimuleren.
Over de auteur
over SiTime