数据中心热潮来临
目前一些最有趣的技术变革正在进行中, 例如100G以太网络被用于数据中心和无线电波存取网络. 这些朝向高速光纤以太网络的变迁, 正在推动对于更高效能频率和频率控制产品的需求.
随着传统企业的工作负载正在迅速转移到公共云端基础建设, 带来了全球对于数据中心的广大投资热潮. 除了日益成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运算节点之间, 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, 透过将每个交换器彼此连接来支持分布式虚拟化运算, 这是被称为「超大型运算」(Hyperscale Computing)的趋势. 使超大型运算商业具有吸引力的基础技术之一是高速以太网络. 如图1所示, 数据中心交换器正在快速转移到25G, 50G和100G以太网络, 以加速数据传输和网络效率.
图1 数据中心交换器转移到25/50/100G以太网络
数据源: Dell'Oro市场研究, 以太网络交换器更新, (1/2017)
从10G到25/50/100G以太网络的转移正在推动数据中心设备制造商将交换器和存取埠升级到更高的速度, 而这又需要更高效能, 更低抖动的时序解决方案. 在这些应用中, 超低抖动频率和振荡器是必需的, 因为高频率噪声可能导致无法接受的高误码率或通讯中断. 表1突显了以太网络PHY, 交换器和交换架构的典型时序要求. 实现高速以太网络安全可靠的方法是使用超低抖动频率源, 这为这些规格提供了出色的抖动容限(表1).
数据传输量大增 LTE-Advanced成关键技术
随着无线网络在未来几年内从4G/LTE转移到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行动数据而优化. 到2021年, 行动数据流量预计将成长到每月49艾字节(Exabyte), 比2016年成长七倍. 为了支持这种指数级成长的带宽需求, 无线网络正在重新设计和优化数据传输. 无线电存取网络(RAN)中高速以太网络的广泛采用预计将成为该技术进步的关键部分.
在4G/LTE无线电存取网络中, 由基地台执行的RF和基频处理功能被分为独立的远程射频收发模块(RRH)和集中式基频单元(BBU). 如图2所示, 每个RRH透过基于公共无线电接口(CPRI)协议的专用光纤连接到BBU. 该架构使其能够在无线电收发器(通常位于基地台塔台中)和基地台(通常位于附近的地面)之间连接替换专用铜缆和同轴电缆. 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.
图2 4G/LTE无线存取网络(CPRI前传)
作为5G演进的一部分, 无线行业正在重新思考基地台架构. 基频和无线电组件之间的连接, 被称为Fronthaul网络, 是优化的关键领域. 需要更高带宽的Fronthaul网络来支持高速行动数据的新LTE功能, 包括载波整合和大规模MIMO. 此外, 网络密集化和采用Small Cell, Pico Cell和Micro Cell将为前端网络带来额外的带宽需求. 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, 将集中基频处理(C-BBU)用于多个RRH.
用于Fronthaul的新标准已经被开发以支持C-RAN演进. IEEE1904存取网络工作组(ANWG)正在开发一种新的Radio over Ethernet(RoE)标准, 用于支持以太网络上的CPRI封装. 这个新标准将使得可以透过单个RoE链路聚合来自多个RRH和Small Cell的CPRI流量, 进而提高了Fronthaul网络的利用率. 另一个工作组IEEE 1914.1下一代Fronthaul接口(NGFI)正在重新审视RF与基频之间的第一层划分, 以支持在RRH进行更多的第一层处理. NGFI使得Fronthaul接口能够从点到点连接移动到多点到多点拓扑, 进而提高网络灵活性, 并实现基地台之间更良好的协调. 新5G Front-Haul CPRI标准(eCPRI)计划于2017年8月发表, 其详细定义了基地台功能的新功能划分, 并支持以太网络上的CPRI传输.
这些新的Fronthaul标准产生了对频率灵活的时序解决方案的需求, 这需要支持RRH, Small Cell, Pico Cell的LTE和以太网络频率. 这些新解决方案为硬件设计提供了统一所有频率到单一小尺寸IC的机会.
另一个关键的挑战是精确的时序和同步. 历史上, 3G和LTE-FDD行动网络藉由频率同步来将所有网络组件同步到非常精准和准确的主参考频率上, 这通常来自由GNSS卫星系统(GPS, BeiDou)传输的讯号. 这些系统在无线电接口需要频率精度在50ppb以内, 在Backhual网络的基地台接口处则需要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地台间干扰协调(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讯号质量和频谱效率. 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3 LTE-Advanced无线电存取网络
图5显示了LTE-Advanced网络架构, 其中多个RRH透过基于分组的eCPRI网络连接到集中式BBU, 相位/频率同步由IEEE1588v2/SyncE提供. 在RRH和集中式BBU上实现IEEE1588/SyncE支持时序和相位同步. 更高的带宽100GbE网络用于实现Backhual传输在每个BBU到核心网络的通讯. 现在可以使用更高效能, 更灵活的时序解决方案, 简化LTE-Advanced应用中的频率产生, 分发和同步.
降低数据传输成本打造新服务
以太网络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, 转移以封包为基础的以太网络正在推动更灵活, 更低抖动时序解决方案的需求. 主要的时序设备供货商正在透过基于创新架构的高效能频率和振荡器来满足这一市场需求, 进而实现最大的频率灵活性和超低抖动.