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)品高級營銷總監(jiān)
數(shù)據(jù)中心和無線網(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)脈和振蕩器來滿足這一市場需求,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)布以來已經(jīng)走過了漫漫長路。以太網(wǎng)絡(luò)一開始是作為連接個(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,不斷推動(dòng)對于更高性能時(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)品高級營銷總監(jiān)James Wilson先生近期撰寫了一篇技術(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。
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。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)致無法接受的高誤碼率或通訊中斷。表1顯示對于以太網(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。
無線接取網(wǎng)絡(luò)
無線網(wǎng)路將在未來幾年內(nèi)從4G/LTE過渡至LTE-Advanced和5G,預(yù)計(jì)將歷經(jīng)巨大變化。下一代無線網(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(shè)計(jì)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(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(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(gòu)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(hù)。
這一網(wǎng)路架構(gòu)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(diǎn)對點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)(pre-5G)中,很多對時(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,無線產(chǎn)業(yè)正在重新思考基地臺架構(gòu),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(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(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(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)正在開發(fā)一種新的以太網(wǎng)絡(luò)承載無線——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)將使其得以透過單個(gè)RoE鏈路聚合來自多個(gè)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(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、小型基地臺和超微型基地臺中的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。一般來說,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(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,簡化LTE-Advanced應(yīng)用中的時(shí)脈產(chǎn)生、分發(fā)和同步。
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芯科科技
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超大規(guī)模運(yùn)算
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原文標(biāo)題:【技術(shù)干貨】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
文章出處:【微信號:SiliconLabs,微信公眾號:Silicon Labs】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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