下世代时钟应用和技术发展趋势

超大规模运算和LTE-A驱动高性能时序方案需求

作者：James Wilson，Silicon Labs定时产品高级营销总监

数据中心和无线网路基础架构正持续提升网路利用率以及降低资料传输的成本，业界时序元件供应商借由高性能的时脉和振荡器来满足这一市场需求，从而实现最佳的频率灵活性和超低抖动。

以太网络(Ethernet)自从IEEE 802.3于1980年首次发布以来已经走过了漫漫长路。以太网络一开始是作为连接个人电脑(PC)和工作站的技术，然后逐渐发展成为企业运算、数据中心、无线网路、电信和工业领域等广泛应用的网路技术。

由于以太网络的普及，以及所需支持的硬体成本不断下降，意味着以太网络将继续在这些应用中获得更大的普及率。目前一些最有趣的技术变革即将发生，例如100G以太网络被应用于数据中心和无线接取网路。这些朝向高速光纤以太网络迁移的趋势，不断推动对于更高性能时脉(clock)和频率控制产品的需求。

面向上述市场和应用技术的变迁，Silicon Labs（亦称“芯科科技”）定时产品高级营销总监James Wilson先生近期撰写了一篇技术文章，将能帮助业内人士掌握下世代时钟应用和技术发展趋势。

数据中心

随着传统的企业工作负载迅速迁移至公共云端基础架构，带来全球对于数据中心的巨大投资热潮。除了日益增加的低延迟需求之外，数据中心还面临着独特的挑战，即大部份的资料流量都保留在数据中心，而资料的处理则分布在多个运算节点。

现代数据中心正最佳化其网路架构，透过让每个交换机彼此互连，以支持分散式的虚拟化运算，这就是所谓的“超大规模运算”(hyperscale computing)趋势。使得超大规模运算具有商业吸引力的基础技术之一就是高速以太网络，以及数据中心交换机快速过渡至25G、50G和100G以太网络，以加速资料传输和网路效率。

从10G到25/50/100G以太网络的过渡，推动着数据中心设备制造商将交换机和接取埠升级至更高的速度，而这又需要更高性能、更低抖动的时序(timing)解决方案。在这些应用中，超低抖动的时脉和振荡器是必备的，因为时脉杂讯高可能导致无法接受的高误码率或通讯中断。表1显示对于以太网络实体层(PHY)、交换机和交换架构的典型时序要求。让高速以太网络实现安全可靠的方法是使用超低抖动时脉源，为这些以太网络规格提供出色的抖动余量。

无线接取网络

无线网路将在未来几年内从4G/LTE过渡至LTE-Advanced和5G，预计将历经巨大变化。下一代无线网路将为携带行动资料而最佳化。如图2所示，到2021年，行动资料流量预计将增加到每月49百京位元组(exabyte)，比2016年成长7倍。为了支持频宽所需的这种指数级成长，无线网路正重新设计和最佳化资料传输。在无线接取网路(RAN)中广泛采用高速以太网络，预计将成为推动该技术进展的关键部份。

在4G/LTE无线接取网路中，由基地台执行的射频(RF)和基频处理功能被分为独立的远端射频头端(RRH)和基频单元(BBU)。如图3所示，每个RRH透过基于通用公共无线电介面(CPRI)协定的专用光纤连接到BBU。该架构使得无线电收发器(通常位于基地台塔中)和基地台(通常位于附近的地面)之间替换的专用铜缆和同轴电缆连接，并且让BBU能够放置在更方便的位置，以简化部署和维护。

这一网路架构虽然比传统3G无线网路更有效率，但由于频宽受限于CPRI链路的速度(通常为1Gbps至10Gbps)，连带使其受到限制。此外，CPRI连接是一种点对点的链路，光纤带来的延迟及其变化使得RRH和BBU通常得部署在彼此附近(< 2km至20km距离)，从而限制了网路部署的灵活性。

而在eCPRI和其他5G前期标准(pre-5G)中，很多对时间有严格要求的处理将在RRH中完成，这样eCPRI链路可以容忍更大的延迟，进而使得网路部署更加灵活，C-BBU可以部署在离RRH更远的位置。

作为5G演进的一部份，无线产业正在重新思考基地台架构，以及基频和射频单元之间的连接——即透过“前程网路”(fronthaul)，是实现最佳化的关键领域。

更高频宽的前程网路才足以实现新的LTE功能，以支持高速行动资料，包括载波聚合(CA)和大规模多输入多输出(Massive MIMO)。此外，网路密集化和采用小型基地台(small cell)、特微型基地台(pico cell)和微型基地台(micro cell)将为前程网路带来额外的频宽要求。

为了最大限度的降低资本支出和营运成本，5G将使用Cloud-RAN(C-RAN)架构，将集中部署的基频处理(C-BBU)用于多个RRH。

用于前程网路的新标准已经在开发中，以支持C-RAN演进。IEEE 1904接取网路工作组(ANWG)正在开发一种新的以太网络承载无线——Radio Over Ethernet(RoE)标准，用于支持在以太网络上封装CPRI。这个新标准将使其得以透过单个RoE链路聚合来自多个RRH和小型基地台的CPRI流量，从而提高前程网路的利用率。

另一个工作组IEEE 1914.1下一代前程网路介面(NGFI)正重新审视RF与基频之间第一层(Layer-1)的划分，以支持在RRH进行更多的Layer-1处理。NGFI使得前程网路介面能够从支持点到点连接演进到支持多点到多点拓扑，从而提高网路灵活性，并且让不同的基地台之间有效协调。2017年8月发布的5G前程网路CPRI标准(eCPRI)详细定义了基地台功能的新功能划分，并支持CPRI over Ethernet传输。

这些新的前程网路标准需要频率灵活的时序解决方案，以便同时支持RRH、小型基地台和超微型基地台中的LTE和以太网络时脉，如图4所示。这些新的解决方案为硬体设计提供了统一所有时脉到单一小尺寸IC的机会。

另一个关键的挑战是精确的时序和同步。一般来说，3G和LTE-FDD行动网路依靠频率同步，而将所有网路元素(NE)同步到非常精准和准确的主参考时脉上，这通常来自由GNSS卫星系统(GPS、北斗)传输的讯号。这些系统在无线介面需要50ppb的频率精度，而在基地台介面至回程网路时则需要16ppb。

LTE-TDD和LTE-Advanced保留了这些频率的精确度要求，但增加了非常严格的相位同步要求(+/-1.5us)。这是实现增强基地台间干扰的协调(eCIC)和多点协调(CoMP)等新功能的关键要求，可以最大限度的提高讯号品质和频谱效率。

这些相位同步要求预计也会在即将到来的5G标准中进一步加强LTE-Advanced网路架构，其中多个RRH透过基于封包的eCPRI网路连接到集中式BBU，而其相位/频率同步则由IEEE 1588v2/SyncE提供。在RRH和集中式BBU上建置IEEE1588/SyncE，即可支持计时和相位同步。更高频宽的100GbE网路则用于实现每个BBU到核心网路之间的回程传输。现在可以使用更高性能、更灵活的时序解决方案，简化LTE-Advanced应用中的时脉产生、分发和同步。