超大規(guī)模運算和LTE-A驅動高性能時序方案需求

作者：James Wilson，Silicon Labs定時產(chǎn)品高級營銷總監(jiān)

數(shù)據(jù)中心和無線網(wǎng)路基礎架構正持續(xù)提升網(wǎng)路利用率以及降低資料傳輸?shù)某杀?，業(yè)界時序元件供應商借由高性能的時脈和振蕩器來滿足這一市場需求，從而實現(xiàn)最佳的頻率靈活性和超低抖動。

以太網(wǎng)絡(Ethernet)自從IEEE 802.3于1980年首次發(fā)布以來已經(jīng)走過了漫漫長路。以太網(wǎng)絡一開始是作為連接個人電腦(PC)和工作站的技術，然后逐漸發(fā)展成為企業(yè)運算、數(shù)據(jù)中心、無線網(wǎng)路、電信和工業(yè)領域等廣泛應用的網(wǎng)路技術。

由于以太網(wǎng)絡的普及，以及所需支持的硬體成本不斷下降，意味著以太網(wǎng)絡將繼續(xù)在這些應用中獲得更大的普及率。目前一些最有趣的技術變革即將發(fā)生，例如100G以太網(wǎng)絡被應用于數(shù)據(jù)中心和無線接取網(wǎng)路。這些朝向高速光纖以太網(wǎng)絡遷移的趨勢，不斷推動對于更高性能時脈(clock)和頻率控制產(chǎn)品的需求。

面向上述市場和應用技術的變遷，Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）定時產(chǎn)品高級營銷總監(jiān)James Wilson先生近期撰寫了一篇技術文章，將能幫助業(yè)內人士掌握下世代時鐘應用和技術發(fā)展趨勢。

數(shù)據(jù)中心

隨著傳統(tǒng)的企業(yè)工作負載迅速遷移至公共云端基礎架構，帶來全球對于數(shù)據(jù)中心的巨大投資熱潮。除了日益增加的低延遲需求之外，數(shù)據(jù)中心還面臨著獨特的挑戰(zhàn)，即大部份的資料流量都保留在數(shù)據(jù)中心，而資料的處理則分布在多個運算節(jié)點。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正最佳化其網(wǎng)路架構，透過讓每個交換機彼此互連，以支持分散式的虛擬化運算，這就是所謂的“超大規(guī)模運算”(hyperscale computing)趨勢。使得超大規(guī)模運算具有商業(yè)吸引力的基礎技術之一就是高速以太網(wǎng)絡，以及數(shù)據(jù)中心交換機快速過渡至25G、50G和100G以太網(wǎng)絡，以加速資料傳輸和網(wǎng)路效率。

從10G到25/50/100G以太網(wǎng)絡的過渡，推動著數(shù)據(jù)中心設備制造商將交換機和接取埠升級至更高的速度，而這又需要更高性能、更低抖動的時序(timing)解決方案。在這些應用中，超低抖動的時脈和振蕩器是必備的，因為時脈雜訊高可能導致無法接受的高誤碼率或通訊中斷。表1顯示對于以太網(wǎng)絡實體層(PHY)、交換機和交換架構的典型時序要求。讓高速以太網(wǎng)絡實現(xiàn)安全可靠的方法是使用超低抖動時脈源，為這些以太網(wǎng)絡規(guī)格提供出色的抖動余量。

無線接取網(wǎng)絡

無線網(wǎng)路將在未來幾年內從4G/LTE過渡至LTE-Advanced和5G，預計將歷經(jīng)巨大變化。下一代無線網(wǎng)路將為攜帶行動資料而最佳化。如圖2所示，到2021年，行動資料流量預計將增加到每月49百京位元組(exabyte)，比2016年成長7倍。為了支持頻寬所需的這種指數(shù)級成長，無線網(wǎng)路正重新設計和最佳化資料傳輸。在無線接取網(wǎng)路(RAN)中廣泛采用高速以太網(wǎng)絡，預計將成為推動該技術進展的關鍵部份。

在4G/LTE無線接取網(wǎng)路中，由基地臺執(zhí)行的射頻(RF)和基頻處理功能被分為獨立的遠端射頻頭端(RRH)和基頻單元(BBU)。如圖3所示，每個RRH透過基于通用公共無線電介面(CPRI)協(xié)定的專用光纖連接到BBU。該架構使得無線電收發(fā)器(通常位于基地臺塔中)和基地臺(通常位于附近的地面)之間替換的專用銅纜和同軸電纜連接，并且讓BBU能夠放置在更方便的位置，以簡化部署和維護。

這一網(wǎng)路架構雖然比傳統(tǒng)3G無線網(wǎng)路更有效率，但由于頻寬受限于CPRI鏈路的速度(通常為1Gbps至10Gbps)，連帶使其受到限制。此外，CPRI連接是一種點對點的鏈路，光纖帶來的延遲及其變化使得RRH和BBU通常得部署在彼此附近(< 2km至20km距離)，從而限制了網(wǎng)路部署的靈活性。

而在eCPRI和其他5G前期標準(pre-5G)中，很多對時間有嚴格要求的處理將在RRH中完成，這樣eCPRI鏈路可以容忍更大的延遲，進而使得網(wǎng)路部署更加靈活，C-BBU可以部署在離RRH更遠的位置。

作為5G演進的一部份，無線產(chǎn)業(yè)正在重新思考基地臺架構，以及基頻和射頻單元之間的連接——即透過“前程網(wǎng)路”(fronthaul)，是實現(xiàn)最佳化的關鍵領域。

更高頻寬的前程網(wǎng)路才足以實現(xiàn)新的LTE功能，以支持高速行動資料，包括載波聚合(CA)和大規(guī)模多輸入多輸出(Massive MIMO)。此外，網(wǎng)路密集化和采用小型基地臺(small cell)、特微型基地臺(pico cell)和微型基地臺(micro cell)將為前程網(wǎng)路帶來額外的頻寬要求。

為了最大限度的降低資本支出和營運成本，5G將使用Cloud-RAN(C-RAN)架構，將集中部署的基頻處理(C-BBU)用于多個RRH。

用于前程網(wǎng)路的新標準已經(jīng)在開發(fā)中，以支持C-RAN演進。IEEE 1904接取網(wǎng)路工作組(ANWG)正在開發(fā)一種新的以太網(wǎng)絡承載無線——Radio Over Ethernet(RoE)標準，用于支持在以太網(wǎng)絡上封裝CPRI。這個新標準將使其得以透過單個RoE鏈路聚合來自多個RRH和小型基地臺的CPRI流量，從而提高前程網(wǎng)路的利用率。

另一個工作組IEEE 1914.1下一代前程網(wǎng)路介面(NGFI)正重新審視RF與基頻之間第一層(Layer-1)的劃分，以支持在RRH進行更多的Layer-1處理。NGFI使得前程網(wǎng)路介面能夠從支持點到點連接演進到支持多點到多點拓撲，從而提高網(wǎng)路靈活性，并且讓不同的基地臺之間有效協(xié)調。2017年8月發(fā)布的5G前程網(wǎng)路CPRI標準(eCPRI)詳細定義了基地臺功能的新功能劃分，并支持CPRI over Ethernet傳輸。

這些新的前程網(wǎng)路標準需要頻率靈活的時序解決方案，以便同時支持RRH、小型基地臺和超微型基地臺中的LTE和以太網(wǎng)絡時脈，如圖4所示。這些新的解決方案為硬體設計提供了統(tǒng)一所有時脈到單一小尺寸IC的機會。

另一個關鍵的挑戰(zhàn)是精確的時序和同步。一般來說，3G和LTE-FDD行動網(wǎng)路依靠頻率同步，而將所有網(wǎng)路元素(NE)同步到非常精準和準確的主參考時脈上，這通常來自由GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)(GPS、北斗)傳輸?shù)挠嵦枴＿@些系統(tǒng)在無線介面需要50ppb的頻率精度，而在基地臺介面至回程網(wǎng)路時則需要16ppb。

LTE-TDD和LTE-Advanced保留了這些頻率的精確度要求，但增加了非常嚴格的相位同步要求(+/-1.5us)。這是實現(xiàn)增強基地臺間干擾的協(xié)調(eCIC)和多點協(xié)調(CoMP)等新功能的關鍵要求，可以最大限度的提高訊號品質和頻譜效率。

這些相位同步要求預計也會在即將到來的5G標準中進一步加強LTE-Advanced網(wǎng)路架構，其中多個RRH透過基于封包的eCPRI網(wǎng)路連接到集中式BBU，而其相位/頻率同步則由IEEE 1588v2/SyncE提供。在RRH和集中式BBU上建置IEEE1588/SyncE，即可支持計時和相位同步。更高頻寬的100GbE網(wǎng)路則用于實現(xiàn)每個BBU到核心網(wǎng)路之間的回程傳輸?，F(xiàn)在可以使用更高性能、更靈活的時序解決方案，簡化LTE-Advanced應用中的時脈產(chǎn)生、分發(fā)和同步。