在4G時代，精密振盪器多數應用在基頻單元(Baseband Unit, BBU)，把頻率訊息從BBU透過光纖傳輸到無線電單元(Radio Unit, RU)，兩個端點之間時間同步要求是1.5微秒。演進到5G時代後，端點同步的時間須縮短至130奈秒，與4G相比差距了10倍時間，且原先在4G BBU提供的部分基頻功能重新劃分到RU中，促使5G RU端也需要建置振盪器。
同時，由於5G毫米波(mmWave)傳輸波長僅1~10毫米，導致5G基地台設備部署密度比4G高，除了傳統大型基地台(Macro Base Station)外，也須密集化建置小型基地台(Small Cell)在城市各個角落，例如高樓大廈間、路燈、地下室、工廠內或屋頂等複雜環境，嵌入在小型基地台的時脈元件便需要承受多變的環境溫度，才能夠維持時脈精準度，以及建構5G同步網路。
有別於4G較關注頻率，5G更強調時間同步(Time Synchronization)的概念，芯科科技(Silicon Labs)市場開發資深經理葉之謙(圖1)表示，5G更加解構了基地台的架構，除了能夠拋開過去受到少數系統設備商掌控基地台技術與設備外，也是希望能夠讓5G網路無所不在，在不同節點之間織起一座同步網路(Synchronizing Network)。
圖1 芯科科技市場開發資深經理葉之謙指出，5G時間同步技術有3種方式，GPS、IEEE 1588和同步乙太網。
5G激發時脈元件改革新契機
5G基地台採用的振盪器包括溫度補償晶體振盪器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO)、恆溫晶體振盪器(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)、電壓控制振盪器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO)、差分晶體振盪器(Differential Oscillators)和LVCMOS振盪器等。
其中，OCXO與TCXO是目前穩定性較高且多數基地台都採用的振盪器。由於OCXO精準度大約在10～20ppb(十億分之一)，而且5G為了提供時間同步功能，需要較高精準度，所以大型基地台主要採用OCXO當作主要振盪器。小型基地台則牽涉到設備尺寸與成本問題，比較大量採用介於高端和終端規格之間的TCXO，其精準度約在50~280ppb。
儘管OCXO精準度高於TCXO，但OCXO本身需控制恆溫在85°C來維持晶體精準度，一旦超過85°C則失去其精準度，比較適合安裝在散熱裝置較完備的大型基地台，再加上OCXO內嵌溫箱裝置，體積比TCXO還大，不適合放在體積較小、散熱能力差與經常處在戶外環境的小型基地台。相對地，TCXO能偵測外在溫度來自動調整振盪器溫度，在-40°C~105°C間都能維持其精準度，且價格平均位在10~15美元間，與OCXO成本單顆要價20~30美元相比之下便宜許多，因此需求量較大的小型基地台首要選擇採用TCXO。
SiTime全球行銷執行副總裁Piyush Sevalia也指出(圖2)，OCXO不適合在小型基地台因素有4點：OCXO需要遠離熱源或額外設置散熱裝置，增加了成本和複雜性；對震動和電路板彎曲情況較敏感，可能會導致性能不穩定；電力耗費量高，容易發生故障，對於需要高可靠性的5G基地台來說較不理想；體積笨重，隨著5G基地台設計越來越密集、越來越小，增加了設計複雜性。為此，產業界正朝向在5G基地台可以用TCXO完全代替OCXO，現今在不少RU設備已經被用來代替OCXO。
圖2 SiTime全球行銷執行副總裁Piyush Sevalia認為，5G最大挑戰是130奈秒時間同步要求，精密振盪器是時間同步的關鍵。
不過，目前TCXO精準度仍未達到OCXO水準，為了達到時間同步化，小型基地台還是有採用OCXO的需求，EPSON電子零件技術服務部協理殷之江(圖3)表示，理論上未來TCXO精準度若達到OCXO等級，設備商都可以把OCXO替換掉，但在技術上還需要很大的突破，現今5G基地台還需要提供時間同步化功能，有些規範必須遵守，設備商不會因為其局限性而採用品質較差的振盪器。
圖3 EPSON電子零件技術服務部協理殷之江表示，OCXO有控溫與體積限制，未來TCXO若達到OCXO精準度將會替代OCXO。
部署5G時間同步網
時間同步一直是無線通訊提供的重要功能，在5G時代更講求低延遲技術，時間同步化重要性更被突顯出來。傳統4G時期，一座基地台僅透過接收單一衛星的全球定位系統(Global Positioning System, GPS)作為時鐘源(Clock Generator)，再傳送其時鐘訊號到每一條天線，讓每一條天線都遵從此GPS時間，除非原先使用的GPS損壞才會換另一個備份GPS接收，否則4G是每一座基地台都擁有自己獨立的時鐘源機制，無法接收其他更可靠的時鐘源。
儘管5G同樣是每座基地台接收GPS當作時鐘源，但基地台與基地台之間會彼此互相串連，若基地台原先接收的GPS時鐘訊號品質逐漸衰退，便會尋找另一個時鐘品質最可靠的基地台GPS訊號，把該基地台視為最佳主時鐘(Best Master Clock, BMC)，連接至該基地台來同步時間。另外，萬一基地台受到毀損造成時鐘源斷掉，需要一段維修時間，該基地台也能夠切換至另一個基地台保持時脈精準度來支撐原先服務。
因此，5G基地台不僅接收衛星GPS訊號當作時鐘源，也會選擇其他基地台的時鐘訊號來調整最可靠時間，這項作法則是利用IEEE 1588協定來實現。葉之謙表示，現在5G選擇時鐘源技術有三種，分別是GPS、IEEE 1588和同步乙太網。由於5G小型基地台布建許多地方，可能在高樓大廈內，或是比較難接收GPS訊號或容易受干擾位置，甚至受到政治因素影響而無法接收某個GPS等問題，能夠透過IEEE 1588協定遵循鄰近的基地台當作時鐘源，保持傳輸網路的穩定。IEEE 1588主要是解決相位與時間問題，但在解決相位與時間問題前，基地台需要利用同步乙太網路技術來讓頻率同步，並且接著使用IEEE 1588協定調整相位與時間同步。
TDD發揮5G頻段最大化使用
端點同步時間須維持130奈秒是5G最大的挑戰，由於時間同步對5G採用分時多工(Time Division Duplexing, TDD)技術是重要關鍵，更好的時間同步能夠降低小區間(Inter-cell)和蜂巢間(Intra-cell)傳輸通道的干擾，來實現更高的頻率效率。
2020年5G在台競標金額高達1,380億新台幣，位居全球第3高價格，每個頻段顯得彌足珍貴，網路營運商需要在極短的頻譜發揮最大的效率。因此，在過去3G、4G時代，大多數傳輸模式都採取分頻雙工(Frequency Division Duplex, FDD)，此種方式在上行和下行傳輸都需要占用不同頻率，但5G頻段具有稀缺性，難以釋出多個頻段來傳輸，FDD反而降低頻譜效率，故開始朝向分時多工傳輸模式，上下行傳輸在相同頻段且不同時段傳輸的方式才能物盡其用。
由於大規模多輸入多輸出系統(Multiple-input Multiple-output, MIMO)是增加訊息通道容量、提高訊息傳輸速率的關鍵推動力，因此TDD技術能夠具有更高的頻譜效率。
總體來看，為了要達到130奈秒時間同步，最終課題還是需要更精準的振盪器來建構5G網路同步網，能更顯現出時脈元件重要性，殷之江對此表示，預期在未來毫米波正式導入5G服務時，除了提升其精準度外，也能夠藉此推動降低5G時脈元件的平均價格，促進達成5G網路同步網。