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2019/02/18
如何運用高效能時序解決方案提昇超大型網路運算效率
作者：Silicon Labs時序產品資深行銷總監James Wilson
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乙太網路自從IEEE 802.3於1980年首次發布以來已經走過了漫漫長路。乙太網路一開始是作為連接PC和工作站的技術，然後逐漸發展成為企業運算、資料中心、無線網路、電信和工業等廣泛應用的網路技術。由於乙太網路的普及以及所需硬體成本的不斷下降，乙太網路隨時準備在這些應用中繼續更為普及。目前一些最有趣的技術變革正在進行中，例如100G乙太網路被用於資料中心和無線無線電存取網路。這些朝向高速光纖乙太網路的變遷，正在推動對於更高效能時脈和頻率控制產品的需求。
資料中心
隨著傳統的企業工作負載正在迅速轉移到公共雲端基礎架構，這帶來全球對於資料中心的廣大投資熱潮。除了日益增長的低延遲需求之外，資料中心還面臨著獨特的挑戰，即工作負載處理分布在多個運算節點之間，而大部分資料中心流量都保留在資料中心內。現代資料中心正在最佳化其網路架構，透過將每個交換機彼此連接來支援分散式虛擬化運算，這是被稱為「超大型運算」(hyperscale computing)的趨勢。使超大型運算商業具有吸引力的基礎技術之一是高速乙太網路。如圖1所示，資料中心交換機正在快速轉移到25G、50G和100G乙太網路，以加速資料傳輸和網路效率。
從10G到25/50/100G乙太網路的轉移正在推動資料中心設備製造商將交換機和存取埠升級到更高的速度，而這又需要更高效能、更低抖動的時序解決方案。在這些應用中，超低抖動時脈和振盪器是必需的，因為高時脈雜訊可能導致無法接受的高誤碼率或通信中斷。表1突顯了乙太網路PHY、交換機和交換架構的典型時序要求。實現高速乙太網路安全可靠的方法是使用超低抖動時脈源，這為這些規格提供了出色的抖動容限。
無線無線電存取網路
隨著無線網路在未來幾年內從4G/LTE轉移到LTE-Advanced和5G，無線網路將面臨巨大變化。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成長到每月49艾位元組(exabyte)，比2016年成長七倍。為了支援頻寬需求的這種指數級成長，無線網路正在重新設計和最佳化資料傳輸。無線電存取網路(RAN)中高速乙太網路的廣泛採用預計將成為該技術進步的關鍵部分。
在4G/LTE無線電存取網路中，由基地台執行的RF和基頻處理功能被分為獨立的遠端無線電頭(RRH)和基頻單元(BBU)。如圖3所示，每個RRH透過基於公共無線電介面(CPRI)協定的專用光纖連接到BBU。該架構使得能夠在無線電收發器(通常位於基地台塔台中)和基地台(通常位於附近的地面)之間替換專用銅纜和同軸電纜連接。該分散式架構使BBU能夠放置在更方便的位置，以簡化部署和維護。雖然比傳統3G無線網路更有效率，但是由於頻寬受到CPRI鏈路速度(通常為1Gbps至10Gbps)的限制，因此該網路架構受到限制。此外，CPRI連接是點對點鏈路，RRH和BBU通常部署在彼此附近(<2km至20km)，這限制了網路部署的靈活性。
作為5G演進的一部分，無線行業正在重新思考基地台架構。基頻和無線電元件之間的連接，被稱為前傳(fronthaul)網路，是最佳化的關鍵領域。需要更高頻寬的前傳網路來支援高速行動資料的新LTE功能，包括載波整合和大規模MIMO。此外，網路密集化和採用small cell、pico cell和micro cell將為前端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，將集中基頻處理(C-BBU)用於多個RRH。
用於前傳的新標準已經被開發以支援C-RAN演進。IEEE 1904存取網路工作組(ANWG)正在開發一種新的乙太網路上無線電(RoE)標準，用於支援乙太網路上的CPRI封裝。這個新標準將使得可以透過單個RoE鏈路聚合來自多個RRH和small cell的CPRI業務，進而提高了前傳網路的利用率。另一個工作組IEEE 1914.1下一代前傳介面(NGFI)正在重新審視RF與基頻之間的第一層劃分，以支援在RRH進行更多的第一層處理。NGFI使得前傳介面能夠從點到點連接移動到多點到多點拓撲，進而提高網路靈活性，並實現基地台之間更好的協調。計畫於2017年8月發佈新的5G前傳CPRI標準(eCPRI)，詳細定義了基地台功能的新功能劃分，並支援乙太網路上的CPRI傳輸。
這些新的前傳標準產生了對頻率靈活的時序解決方案的需求，這需要支援RRH、small cell、pico cell的LTE和乙太網路時脈，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。歷史上，3G和LTE-FDD行動網路藉由頻率同步來將所有網路元件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、BeiDou)傳輸的訊號。這些系統在無線電介面需要頻率精度在50ppb以內，在回程網路的基地台介面處需要16ppb。LTE-TDD和LTE-Advanced保留了這些頻率精度要求，但增加了非常嚴格的相位同步要求(+/-1.5us)。這是實現諸如增強基地台間干擾協調(eCIC)和協調多點(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在即將到來的5G標準中進一步加強。
圖5顯示了LTE-Advanced網路架構，其中多個RRH透過基於分組的eCPRI網路連接到集中式BBU，相位/頻率同步由IEEE 1588v2/SyncE提供。在RRH和集中式BBU上實現IEEE1588/SyncE支援時序和相位同步。更高的頻寬100GbE網路用於實現回程傳輸在每個BBU到核心網路的通信。現在可以使用更高效能、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。
總結
乙太網路被廣泛用於資料中心和無線網路，以實現更高的網路利用率和更低成本的資料傳輸，並使能新的服務提供者功能和服務。在這些基礎架構應用中，向基於分組的乙太網路過渡正在推動更靈活、更低抖動時序解決方案的需求。主要的時序設備供應商正在透過基於創新架構的高效能時脈和振盪器設備來滿足這一市場需求，進而實現最大的頻率靈活性和超低抖動。
