超大規模運算和LTE-A驅動高性能時序方案需求

作者：James Wilson，Silicon Labs定時產品高級營銷總監

數據中心和無線網路基礎架構正持續提升網路利用率以及降低資料傳輸的成本，業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，從而實現最佳的頻率靈活性和超低抖動。

以太網絡(Ethernet)自從IEEE 802.3于1980年首次發布以來已經走過了漫漫長路。以太網絡一開始是作為連接個人電腦(PC)和工作站的技術，然后逐漸發展成為企業運算、數據中心、無線網路、電信和工業領域等廣泛應用的網路技術。

由于以太網絡的普及，以及所需支持的硬體成本不斷下降，意味著以太網絡將繼續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生，例如100G以太網絡被應用于數據中心和無線接取網路。這些朝向高速光纖以太網絡遷移的趨勢，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”）定時產品高級營銷總監James Wilson先生近期撰寫了一篇技術文章，將能幫助業內人士掌握下世代時鐘應用和技術發展趨勢。

數據中心

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

現代數據中心正最佳化其網路架構，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“超大規模運算”(hyperscale computing)趨勢。使得超大規模運算具有商業吸引力的基礎技術之一就是高速以太網絡，以及數據中心交換機快速過渡至25G、50G和100G以太網絡，以加速資料傳輸和網路效率。

從10G到25/50/100G以太網絡的過渡，推動著數據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。讓高速以太網絡實現安全可靠的方法是使用超低抖動時脈源，為這些以太網絡規格提供出色的抖動余量。

無線接取網絡

無線網路將在未來幾年內從4G/LTE過渡至LTE-Advanced和5G，預計將歷經巨大變化。下一代無線網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級成長，無線網路正重新設計和最佳化資料傳輸。在無線接取網路(RAN)中廣泛采用高速以太網絡，預計將成為推動該技術進展的關鍵部份。

在4G/LTE無線接取網路中，由基地臺執行的射頻(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)協定的專用光纖連接到BBU。該架構使得無線電收發器(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。

這一網路架構雖然比傳統3G無線網路更有效率，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，無線產業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“前程網路”(fronthaul)，是實現最佳化的關鍵領域。

更高頻寬的前程網路才足以實現新的LTE功能，以支持高速行動資料，包括載波聚合(CA)和大規模多輸入多輸出(Massive MIMO)。此外，網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。

用于前程網路的新標準已經在開發中，以支持C-RAN演進。IEEE 1904接取網路工作組(ANWG)正在開發一種新的以太網絡承載無線——Radio Over Ethernet(RoE)標準，用于支持在以太網絡上封裝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，從而提高前程網路的利用率。

另一個工作組IEEE 1914.1下一代前程網路介面(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，從而提高網路靈活性，并且讓不同的基地臺之間有效協調。2017年8月發布的5G前程網路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一所有時脈到單一小尺寸IC的機會。

另一個關鍵的挑戰是精確的時序和同步。一般來說，3G和LTE-FDD行動網路依靠頻率同步，而將所有網路元素(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衛星系統(GPS、北斗)傳輸的訊號。這些系統在無線介面需要50ppb的頻率精度，而在基地臺介面至回程網路時則需要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)。這是實現增強基地臺間干擾的協調(eCIC)和多點協調(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網路架構，其中多個RRH透過基于封包的eCPRI網路連接到集中式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網路則用于實現每個BBU到核心網路之間的回程傳輸。現在可以使用更高性能、更靈活的時序解決方案，簡化LTE-Advanced應用中的時脈產生、分發和同步。