5G正在改变产业、社会以及我们的通讯和生活方式。5G不仅仅是更快的4G LTE，还是电信史上最具变革性的技术之一。相较于4G，5G的速度更快10倍，支持更高1万倍的网络流量，可因应数量更多100倍的装置处理，延迟则仅低至1/50，实现几乎零感知的停机时间。有助于兑现5G承诺的最重要技术之一，就是微机电系统(MEMS)频率。
MEMS频率所提供的解决方案，比基于石英的等效组件体积更小、功耗更低，并且更能抵抗恶劣的环境条件。
为了完全实现5G功能，需要哪些技术变革？
尽管5G建立在现有的4G基础设施基础上，为了大规模部署5G网络，必须针对通讯基础设施进行全面的重新设计。业界专家普遍认为，可能需要十年时间才能完全推出5G网络，并透过物联网(IoT)、自动驾驶、远程医疗、人工智能(AI)以及虚拟现实(VR)和扩增实境(AR)，以实现其全部价值。今年，主要的营运商已经开始在主要的都会地区提供5G服务，在2021年底以前，我们可能会看到全球部署多达18亿个5G连接。实现端对端5G的最重要技术之一，是MEMS频率技术。
持续推动实现5G承诺的动力是什么？
为了实现5G的所有承诺，其所需要的性能、带宽和延迟，都超出了现有网络的可能范围。到目前为止，我们已经部署了sub-6 GHz网络，而市场需要24GHz到40GHz范围内的超高速毫米波(mmWave)技术。这一转变将需要广泛部署户外设备，以克服与mmWave频率相关的视线(LoS)传播、阻塞和覆盖范围等挑战。
随着5G的发展，出现了两项重要的部署需求：一是网络密集化，即在任何可能的地方增加基地平台，以提高可用的容量；二是云端化，即利用灯柱和其他电线杆来改造网络，以实现5G服务。由于暴露在具有冲击、振动、极端温度和其他恶劣的环境压力下，这些部署需要具有抗压性且坚固的频率组件，也就是MEMS。
如何确保5G的可靠性？
确保可靠且具有适应性的5G mmWave网络，可能需要在更靠近客户端的场所(如灯柱、交通号志、体育场、屋顶和外墙等)部署多达100倍的设备(基地台、小型蜂巢式基地台、中继器和转发器)。大多数设备会在恶劣的户外环境中运作，并且需要承受极端温度、强风、振动和冲击。
实施5G将会影响或涉及哪些技术？
实现5G网络所影响或涉及的硬件和软件技术，包括(但不限于)优化的射频芯片(RF IC)、天线数组、放大器、波束成形和波束管理技术。在最近一次由营运商定义的开放式智能无线接取网络(O-RAN)会议上，5G的频率同步需求是一个备受讨论的话题。这是因为5G所涉及的许多基本技术不仅必须同步，而且实际上对于频率调校的要求，超过了以前在此规模上所部署的任何技术。
为什么频率组件对5G的部署如此重要？
频率组件是所有电子系统的心脏，包括通讯基础设施、工业设备、汽车系统和无数的电子产品。我们可以把频率芯片想象成钢琴演奏者使用的节拍器，为音乐家提供精确、稳定的节拍，从而实现更鲜明、更清晰的音乐表演。尽管频率技术在我们的生活中很普遍，但相对来说，除了系统工程师和架构师之外，很少有人知道频率和振荡器在过去几十年的通讯革命中发挥了关键作用。随着我们进入5G时代，频率技术比以往任何时候都更加关键。
5G有哪些不同的频率技术？为什么是硅基MEMS？
大多数电子系统传统上都使用基于石英的频率组件，其功能类似于在我们模拟手表内安静共振的石英晶体。石英是一种有着70年历史的频率技术，其谐振器和振荡器几十年来一直为我们服务。然而，频率产业正悄然地发生一场革命。基于微小、巧妙的MEMS谐振器之新一代频率组件，已经取代了石英，用于在恶劣环境下具有最高可靠性和抗压性的应用中。MEMS技术与模拟电路的结合，提供了一套完整的频率解决方案，比等效的石英组件更小、功耗更低，并且更能抵抗恶劣的环境条件。
（数据图片：SiTime）
上图：由于5G需要在各种不可控制的恶劣环境中部署更多10-30倍的无线电，采用硅基MEMS频率可望提供更好的可靠性和抗压性。
MEMS如何成为5G频率技术的关键？
MEMS频率组件已经过多代完善，在许多要求严格的通讯和网络应用中，如4G LTE和5G无线基础设施，已经稳步取代了基于石英的同类产品。相较于石英解决方案，基于MEMS的谐振器、振荡器和完整的「频率系统单芯片」(clock-system-on-a-chip)组件，提供了更高的性能、可靠性和抗压性。因此，MEMS是部署在户外的5G大型基地台和小基地台之理想精密频率技术，有助于设备制造商和行动营运商实现5G的承诺。
总结
5G的成功，在某种程度上将取决于客户的满意度，不仅是无与伦比的无线连接性能，还包括坚如磐石的可靠性。有了5G，根本不至于出现因为极端温度、过度振动或突然冲击而导致断线、通话或网络中断。无论是自动驾驶车还是远程手术，营运商和用户都必须能够依赖5G作为一种免于故障的技术。5G设备制造商已经开始在网络基础设施中使用基于MEMS的频率技术。事实上，现在已有十多种不同的5G应用都在使用MEMS频率组件。
现在正是时候了：5G革命正在顺利进行，MEMS频率技术的最新进展，将有助于推动即将到来的无线网络创新和转型。
作者：Jeff Gao，SiTime产品营销总监
