超大規(guī)模運(yùn)算和LTE-A驅(qū)動(dòng)高性能時(shí)序方案需求

作者：James Wilson，Silicon Labs定時(shí)產(chǎn)品高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)

數(shù)據(jù)中心和無(wú)線網(wǎng)路基礎(chǔ)架構(gòu)正持續(xù)提升網(wǎng)路利用率以及降低資料傳輸?shù)某杀荆瑯I(yè)界時(shí)序元件供應(yīng)商借由高性能的時(shí)脈和振蕩器來(lái)滿足這一市場(chǎng)需求，從而實(shí)現(xiàn)最佳的頻率靈活性和超低抖動(dòng)。

以太網(wǎng)絡(luò)(Ethernet)自從IEEE 802.3于1980年首次發(fā)布以來(lái)已經(jīng)走過(guò)了漫漫長(zhǎng)路。以太網(wǎng)絡(luò)一開(kāi)始是作為連接個(gè)人電腦(PC)和工作站的技術(shù)，然后逐漸發(fā)展成為企業(yè)運(yùn)算、數(shù)據(jù)中心、無(wú)線網(wǎng)路、電信和工業(yè)領(lǐng)域等廣泛應(yīng)用的網(wǎng)路技術(shù)。

由于以太網(wǎng)絡(luò)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(luò)將繼續(xù)在這些應(yīng)用中獲得更大的普及率。目前一些最有趣的技術(shù)變革即將發(fā)生，例如100G以太網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和無(wú)線接取網(wǎng)路。這些朝向高速光纖以太網(wǎng)絡(luò)遷移的趨勢(shì)，不斷推動(dòng)對(duì)于更高性能時(shí)脈(clock)和頻率控制產(chǎn)品的需求。

面向上述市場(chǎng)和應(yīng)用技術(shù)的變遷，Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）定時(shí)產(chǎn)品高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)James Wilson先生近期撰寫(xiě)了一篇技術(shù)文章，將能幫助業(yè)內(nèi)人士掌握下世代時(shí)鐘應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)中心

隨著傳統(tǒng)的企業(yè)工作負(fù)載迅速遷移至公共云端基礎(chǔ)架構(gòu)，帶來(lái)全球?qū)τ跀?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(dú)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(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)。

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

從10G到25/50/100G以太網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡，推動(dòng)著數(shù)據(jù)中心設(shè)備制造商將交換機(jī)和接取埠升級(jí)至更高的速度，而這又需要更高性能、更低抖動(dòng)的時(shí)序(timing)解決方案。在這些應(yīng)用中，超低抖動(dòng)的時(shí)脈和振蕩器是必備的，因?yàn)闀r(shí)脈雜訊高可能導(dǎo)致無(wú)法接受的高誤碼率或通訊中斷。表1顯示對(duì)于以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)體層(PHY)、交換機(jī)和交換架構(gòu)的典型時(shí)序要求。讓高速以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)安全可靠的方法是使用超低抖動(dòng)時(shí)脈源，為這些以太網(wǎng)絡(luò)規(guī)格提供出色的抖動(dòng)余量。

無(wú)線接取網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線網(wǎng)路將在未來(lái)幾年內(nèi)從4G/LTE過(guò)渡至LTE-Advanced和5G，預(yù)計(jì)將歷經(jīng)巨大變化。下一代無(wú)線網(wǎng)路將為攜帶行動(dòng)資料而最佳化。如圖2所示，到2021年，行動(dòng)資料流量預(yù)計(jì)將增加到每月49百京位元組(exabyte)，比2016年成長(zhǎng)7倍。為了支持頻寬所需的這種指數(shù)級(jí)成長(zhǎng)，無(wú)線網(wǎng)路正重新設(shè)計(jì)和最佳化資料傳輸。在無(wú)線接取網(wǎng)路(RAN)中廣泛采用高速以太網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)將成為推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)展的關(guān)鍵部份。

在4G/LTE無(wú)線接取網(wǎng)路中，由基地臺(tái)執(zhí)行的射頻(RF)和基頻處理功能被分為獨(dú)立的遠(yuǎn)端射頻頭端(RRH)和基頻單元(BBU)。如圖3所示，每個(gè)RRH透過(guò)基于通用公共無(wú)線電介面(CPRI)協(xié)定的專用光纖連接到BBU。該架構(gòu)使得無(wú)線電收發(fā)器(通常位于基地臺(tái)塔中)和基地臺(tái)(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(jiǎn)化部署和維護(hù)。

這一網(wǎng)路架構(gòu)雖然比傳統(tǒng)3G無(wú)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路，光纖帶來(lái)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(biāo)準(zhǔn)(pre-5G)中，很多對(duì)時(shí)間有嚴(yán)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(jìn)而使得網(wǎng)路部署更加靈活，C-BBU可以部署在離RRH更遠(yuǎn)的位置。

作為5G演進(jìn)的一部份，無(wú)線產(chǎn)業(yè)正在重新思考基地臺(tái)架構(gòu)，以及基頻和射頻單元之間的連接——即透過(guò)“前程網(wǎng)路”(fronthaul)，是實(shí)現(xiàn)最佳化的關(guān)鍵領(lǐng)域。

更高頻寬的前程網(wǎng)路才足以實(shí)現(xiàn)新的LTE功能，以支持高速行動(dòng)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(tái)(small cell)、特微型基地臺(tái)(pico cell)和微型基地臺(tái)(micro cell)將為前程網(wǎng)路帶來(lái)額外的頻寬要求。

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

用于前程網(wǎng)路的新標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在開(kāi)發(fā)中，以支持C-RAN演進(jìn)。IEEE 1904接取網(wǎng)路工作組(ANWG)正在開(kāi)發(fā)一種新的以太網(wǎng)絡(luò)承載無(wú)線——Radio Over Ethernet(RoE)標(biāo)準(zhǔn)，用于支持在以太網(wǎng)絡(luò)上封裝CPRI。這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)將使其得以透過(guò)單個(gè)RoE鏈路聚合來(lái)自多個(gè)RRH和小型基地臺(tái)的CPRI流量，從而提高前程網(wǎng)路的利用率。

另一個(gè)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(jìn)行更多的Layer-1處理。NGFI使得前程網(wǎng)路介面能夠從支持點(diǎn)到點(diǎn)連接演進(jìn)到支持多點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)?，從而提高網(wǎng)路靈活性，并且讓不同的基地臺(tái)之間有效協(xié)調(diào)。2017年8月發(fā)布的5G前程網(wǎng)路CPRI標(biāo)準(zhǔn)(eCPRI)詳細(xì)定義了基地臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)需要頻率靈活的時(shí)序解決方案，以便同時(shí)支持RRH、小型基地臺(tái)和超微型基地臺(tái)中的LTE和以太網(wǎng)絡(luò)時(shí)脈，如圖4所示。這些新的解決方案為硬體設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一所有時(shí)脈到單一小尺寸IC的機(jī)會(huì)。

另一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是精確的時(shí)序和同步。一般來(lái)說(shuō)，3G和LTE-FDD行動(dòng)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(zhǔn)和準(zhǔn)確的主參考時(shí)脈上，這通常來(lái)自由GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)(GPS、北斗)傳輸?shù)挠嵦?hào)。這些系統(tǒng)在無(wú)線介面需要50ppb的頻率精度，而在基地臺(tái)介面至回程網(wǎng)路時(shí)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(yán)格的相位同步要求(+/-1.5us)。這是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)基地臺(tái)間干擾的協(xié)調(diào)(eCIC)和多點(diǎn)協(xié)調(diào)(CoMP)等新功能的關(guān)鍵要求，可以最大限度的提高訊號(hào)品質(zhì)和頻譜效率。

這些相位同步要求預(yù)計(jì)也會(huì)在即將到來(lái)的5G標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)一步加強(qiáng)LTE-Advanced網(wǎng)路架構(gòu)，其中多個(gè)RRH透過(guò)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(jì)時(shí)和相位同步。更高頻寬的100GbE網(wǎng)路則用于實(shí)現(xiàn)每個(gè)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(shí)序解決方案，簡(jiǎn)化LTE-Advanced應(yīng)用中的時(shí)脈產(chǎn)生、分發(fā)和同步。