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2019/02/18

如何运用高效能时序解决方案提升超大型互联网运算效率

作者:Silicon Labs定时产品高级营销总监James Wilson
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以太网自从IEEE 802.3于1980年首次发布以来已经走过了漫漫长路。以太网一开始是作为连接PC机和工作站的技术,然后逐渐发展成为企业计算、数据中心、无线网络、电信和工业等广泛应用的网络技术。由于以太网的普及以及所需硬件成本的不断下降,以太网随时准备继续在这些应用中获得更大普及。目前一些最有趣的技术变革正在进行中,例如100G以太网被用于数据中心和无线无线电接入网络。这些向高速光纤以太网的迁移,正在推动对于更高性能时钟和频率控制产品的需求。

数据中心
随着传统的企业工作负载正在迅速迁移到公共云基础架构,这带来全球范围对于数据中心的巨大投资热潮。除了日益增长的低延迟需求之外,数据中心还面临着独特的挑战,即工作负载处理分布在多个计算节点之间,而大部分数据中心流量都保留在数据中心内。现代数据中心正在优化其网络架构,通过将每个交换机彼此连接来支持分布式虚拟化计算,这是被称为“超大规模计算”的趋势。使超大规模计算商业具有吸引力的基础技术之一是高速以太网。如图1所示,数据中心交换机正在快速迁移到25G、50G和100G以太网,以加速数据传输和网络效率。
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从10G到25/50/100G以太网的迁移正在推动数据中心设备制造商将交换机和接入端口升级到更高的速度,而这又需要更高性能、更低抖动的定时解决方案。在这些应用中,超低抖动时钟和振荡器是必需的,因为高时钟噪声可能导致无法接受的高误码率或通信中断。表1突显了以太网PHY、交换机和交换架构的典型时序要求。实现高速以太网安全可靠的方法是使用超低抖动时钟源,这为这些规格提供了出色的抖动余量。

TAB1
无线无线电接入网络
随着无线网络在未来几年内从4G/LTE迁移到LTE-Advanced和5G,无线网络将面临巨大变化。下一代无线网络将为携带移动数据而优化。如图2所示,到2021年,移动数据流量预计将增长到每月49艾字节(exabyte),比2016年增长七倍。为了支持带宽需求的这种指数级增长,无线网络正在重新设计和优化数据传输。无线电接入网络(RAN)中高速以太网的广泛采用预计将成为该技术进步的关键部分。
 


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在4G/LTE无线电接入网中,由基站执行的RF和基带处理功能被分为独立的远程无线电头(RRH)和基带单元(BBU)。如图3所示,每个RRH通过基于公共无线电接口(CPRI)协议的专用光纤连接到BBU。该架构使得能够在无线电收发器(通常位于基站塔台中)和基站(通常位于附近的地面)之间替换专用铜缆和同轴电缆连接。该分布式架构使BBU能够放置在更方便的位置,以简化部署和维护。虽然比传统3G无线网络更有效率,但是由于带宽受到CPRI链路速度(通常为1Gbps至10Gbps)的限制,因此该网络架构受到限制。此外,CPRI连接是点对点链路,RRH和BBU通常部署在彼此附近(<2km至20km),这限制了网络部署的灵活性。
 
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作为5G演进的一部分,无线行业正在重新思考基站架构。基带和无线电元件之间的连接,被称为前传网络,是优化的关键领域。需要更高带宽的前传网络来支持高速移动数据的新LTE功能,包括载波集成和大规模MIMO。此外,网络密集化和采用小型基站(small cell)、微微基站(pico cell)和微基站(micro cell)将为前端网络带来额外的带宽要求。为了最大限度的降低资本支出和运营成本,5G将使用Cloud-RAN(C-RAN)架构,将集中基带处理(C-BBU)用于多个RRH。

用于前传的新标准已经被开发以支持C-RAN演进。IEEE 1904接入网络工作组(ANWG)正在开发一种新的以太网上无线电(RoE)标准,用于支持以太网上的CPRI封装。这个新标准将使得可以通过单个RoE链路聚合来自多个RRH和基站的CPRI业务,从而提高了前传网络的利用率。另一个工作组IEEE 1914.1下一代前传接口(NGFI)正在重新审视RF与基带之间的第一层划分,以支持在RRH进行更多的第一层处理。NGFI使得前传接口能够从点到点连接移动到多点到多点拓扑,从而提高网络灵活性,并实现基站之间更好的协调。计划于2017年8月发布新的5G前传CPRI标准(eCPRI),详细定义了基站功能的新功能划分,并支持以太网上的CPRI传输。

这些新的前传标准产生了对频率灵活的定时解决方案的需求,这需要支持RRH、基站和微微基站中的LTE和以太网时钟,如图4所示。这些新的解决方案为硬件设计提供了统一所有时钟到单一小尺寸IC的机会。

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另一个关键的挑战是精确的定时和同步。历史上,3G和LTE-FDD移动网络依靠频率同步来将所有网络元件同步到非常精准和准确的主参考时钟上,这通常来自由GNSS卫星系统(GPS、BeiDou)传输的信号。这些系统在无线电接口需要频率精度在50ppb以内,在回程网络的基站接口处需要16ppb。LTE-TDD和LTE-Advanced保留了这些频率精度要求,但增加了非常严格的相位同步要求(+/-1.5us)。这是实现诸如增强基站间干扰协调(eCIC)和协调多点(CoMP)等新功能的关键要求,可以最大限度的提高信号质量和频谱效率。这些相位同步要求预计在即将到来的5G标准中进一步加强。\

图5显示了LTE-Advanced网络架构,其中多个RRH通过基于分组的eCPRI网络连接到集中式BBU,相位/频率同步由IEEE 1588v2/SyncE提供。在RRH和集中式BBU上实现IEEE1588/SyncE支持定时和相位同步。更高的带宽100GbE网络用于实现回程传输在每个BBU到核心网络的通信。现在可以使用更高性能、更灵活的定时解决方案,简化LTE-Advanced应用中的时钟生成、分发和同步。
 
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总结
以太网被广泛用于数据中心和无线网络,以实现更高的网络利用率和更低成本的数据传输,并使能新的服务提供商功能和服务。在这些基础架构应用中,向基于分组的以太网网络过渡正在推动更灵活、更低抖动定时解决方案的需求。主要的定时设备供应商正在通过基于创新架构的高性能时钟和振荡器设备来满足这一市场需求,从而实现最大的频率灵活性和超低抖动。

 
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