5G sorgt für ein explosionsartiges Wachstum bei Edge-Implementierungen von öffentlichen und privaten Telekommunikationsnetzen bis hin zu Edge-Rechenzentren, industriellem IoT und autonomen Fahrzeugen. Unternehmen und Organisationen benötigen agile, skalierbare Netzwerke, um den steigenden Anforderungen neuer und sich weiterentwickelnder Anwendungsbereiche vom Medienstreaming bis zu Industrierobotern und intelligentem Verkehrsmanagement zu entsprechen und für höchstmögliche Dienstgüte zu sorgen. Durch die Verlagerung der Datenverarbeitung an den Netzwerkrand, also dorthin, wo Daten erzeugt und angewendet werden.

Wir erwarten bis 2025 einen rasanten Anstieg:

• Das 5G-Radio Access Network (RAN) wird voraussichtlich über 30 % aller mobilen Internetverbindungen unterstützen.
• Die Serverlieferungen an Edge-Rechenzentren werden gegenüber 2020 um 4000 % steigen
• 22 Millionen autonome Fahrzeuge werden auf den Straßen unterwegs sein

Die enorme Zunahme von Daten, die über den Netzwerkrand ausgetauscht werden, zusammen mit der Forderung nach höheren Geschwindigkeiten und niedrigeren Latenzzeiten, erhöht den Bedarf an präziser Zeit. Dieser Trend zeigt sich in einer breiten Palette von Anwendungen an Network-Edge. Ein Beispiel:

• Im 5G-Zugangsnetz muss jedes Funkgerät mit einer Genauigkeit von 130 ns synchronisiert sein, was zehnmal strenger ist als bei 4G.
• Gehostete Finanztransaktionen benötigen Zeitstempel, die bis auf 50 Mikrosekunden genau sind, um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen.
• IoT-Sensoren müssen über einen Zeitraum von 30 Tagen oder mehr eine Zeitabweichung von weniger als einer Millisekunde einhalten

Wie verändern sich die Zeitanforderungen für Edge-Anwendungen?

Edge Computing verringert die Latenzzeit, indem es die Rechenkapazitäten an die Grenzen des Netzes und damit näher an den Endnutzer bringt. Das bedeutet, dass Edge-Geräte in weniger kontrollierten, dichteren und raueren Umgebungen eingesetzt werden. Die Oszillatoren von heute müssen nicht nur eine höhere Präzision bieten, um die strengeren Synchronisationsanforderungen zu erfüllen, sondern auch umweltverträglicher, zuverlässiger, kleiner und stromsparender sein als je zuvor.

Schnelle thermische Schocks und Vibrationen sind in Außenumgebungen üblich, in denen Funkeinheiten, Edge-Datenzentren und Fahrzeuge immer häufiger anzutreffen sind. Kompakte Geräte wie Small-Cell-Funkeinheiten und Remote-Sensoren machen Präzisionszeitmessgeräte immer kleiner und stromsparender. Und da missionskritische Anwendungen wie das 5G-Netz und autonome Fahrzeuge zunehmend von präziser Zeit abhängen, muss die Zuverlässigkeit drastisch verbessert werden. Herkömmliche quarzbasierte Zeitgeber können mit diesen Herausforderungen nur schwer Schritt halten.

Eine kleinere, robustere und stromsparende Timing-Lösung

Die MEMS-basierte Elite X™ Super-TCXO®-Familie von SiTime, zu der die Super-TCXOs SiT5501 (±10/±20 ppb) und SiT5503 (±5 ppb) gehören, wurde zur Lösung langjähriger Timing-Probleme in Hochleistungsanwendungen entwickelt. Diese Bausteine wurden speziell designt, um quarzbasierte Miniatur-OCXOs in Edge-Geräten zu ersetzen. Im Vergleich zu Mini-OCXOs bietet Elite X die beste Zuverlässigkeit bei geringerem Stromverbrauch in einem kleineren und robusteren Keramikgehäuse.

Die Elite X Super-TCXOs nutzen eine einzigartige DualMEMS™-Architektur mit TurboCompensation™, um ein stabiles, präzises Timing in Gegenwart von Umgebungsstressoren zu gewährleisten. Diese dynamische Leistung ist entscheidend für Netzwerkrandanwendungen, bei denen Luftstrom, Temperaturschwankungen, Vibrationen und Stöße auftreten können.

Warum ist in Edge-Netzen eine präzise Zeitsteuerung erforderlich?

Um Daten mit höherer Geschwindigkeit und geringerer Latenz zu übertragen, benötigen Netze einen stabilen und zuverlässigen Takt, der von einem Timing Grandmaster im Kern erzeugt und an alle Knoten im Netz übertragen wird. Um die Betriebszeit zu gewährleisten, verfügen die nachgelagerten Edge-Netzwerke über eine redundante lokale Uhr (Oszillator), die als Backup fungiert und weiterläuft, wenn die Netzwerkuhr gestört ist. Die Zeitspanne, in der die lokale Uhr mit der gleichen Genauigkeit wie die Netzwerkuhr weiterlaufen kann, wird als Holdover bezeichnet und beträgt in Edge-Netzwerken in der Regel ein bis vier Stunden. Wie die nachstehende Grafik zeigt, erfüllen die Elite X Super-TCXOs diese Anforderung.

Die Hadamard-Abweichung (HDEV) ist ein Maß für das zufällige Rauschen und Wandern des Oszillators. Zusammen mit Alterung und Stabilität ist HDEV ein kritischer Parameter für die Überlebensdauer. Wie die folgende Grafik zeigt, ist die HDEV-Leistung von Elite X im Vergleich zu Mini OCXOs besser (länger). Und mit der DualMEMS-Architektur von SiTime minimiert Elite X das zufällige Wandern auch unter Stressfaktoren wie Luftströmung.

Die Bandbreiten- und Latenzanforderungen von 5G haben die Anforderungen an die Zeitmessung erhöht. Da Netzwerkausrüstungen immer verteilter und näher an der Grenze sind, müssen Timing-Lösungen neue Herausforderungen meistern - sie müssen in raueren, dichteren und anspruchsvolleren Umgebungen zuverlässig arbeiten. Elite X Super-TCXOs bieten eine robustere und zuverlässigere Holdover-Lösung, indem sie die großen, stromfressenden Quarz-OCXOs ersetzen.

Products:

SiT5503 Elite X Super-TCXO
SiT5501 Elite X Super-TCXO

Papers:

DualMEMS and TurboCompensation Temperature Sensing Technology
TCXO and OCXO Stability Degradation
How to Design with SiTime TCXOs and OCXOs

Timing Essential Learning Hub courses:

Understanding Holdover in Oscillators
Understanding Precision Oscillator Specifications
Impact of Timing on Synchronization in Data Centers and 5G Networks