數據中心熱潮來臨
目前一些最有趣的技術變革正在進行中, 例如100G乙太網絡被用於數據中心和無線電波存取網路. 這些朝向高速光纖乙太網絡的變遷, 正在推動對於更高效能頻率和頻率控制產品的需求.
隨著傳統企業的工作負載正在迅速轉移到公共雲端基礎建設, 帶來了全球對於數據中心的廣大投資熱潮. 除了日益成長的低延遲需求之外, 數據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, 而大部分數據中心流量都保留在數據中心內. 現代數據中心正在優化其網路架構, 透過將每個交換器彼此連接來支援分布式虛擬化運算, 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絡. 如圖1所示, 數據中心交換器正在快速轉移到25G, 50G和100G乙太網絡, 以加速數據傳輸和網路效率.
圖1 數據中心交換器轉移到25/50/100G乙太網絡
數據源: Dell'Oro市場研究, 乙太網絡交換器更新, (1/2017)
從10G到25/50/100G乙太網絡的轉移正在推動數據中心設備製造商將交換器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, 超低抖動頻率和振蕩器是必需的, 因為高頻率雜訊可能導致無法接受的高誤碼率或通訊中斷. 表1突顯了乙太網絡PHY, 交換器和交換架構的典型時序要求. 實現高速乙太網絡安全可靠的方法是使用超低抖動頻率源, 這為這些規格提供了出色的抖動容限(表1).
數據傳輸量大增 LTE-Advanced成關鍵技術
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數據而優化. 到2021年, 行動數據流量預計將成長到每月49艾位元組(Exabyte), 比2016年成長七倍. 為了支援這種指數級成長的頻寬需求, 無線網路正在重新設計和優化數據傳輸. 無線電存取網路(RAN)中高速乙太網絡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程射頻收發模組(RRH)和集中式基頻單元(BBU). 如圖2所示, 每個RRH透過基於公共無線電介面(CPRI)協議的專用光纖連接到BBU. 該架構使其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)之間連接替換專用銅纜和同軸電纜. 該分布式架構使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), 这限制了网络部署的灵活性.
圖2 4G/LTE無線存取網路(CPRI前傳)
作為5G演化的一部分, 無線行業正在重新思考基地台架構. 基頻和無線電組件之間的連接, 被稱為Fronthaul網路, 是優化的關鍵領域. 需要更高頻寬的Fronthaul網路來支援高速行動數據的新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需求. 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Fronthaul的新標準已經被開發以支援C-RAN演化. IEEE1904存取網路工作組(ANWG)正在開發一種新的Radio over Ethernet(RoE)標準, 用於支援乙太網絡上的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流量, 進而提高了Fronthaul網路的利用率. 另一個工作組IEEE 1914.1下一代Fronthaul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Fronthaul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良好的協調. 新5G Front-Haul CPRI標準(eCPRI)計劃於2017年8月發表, 其詳細定義了基地台功能的新功能劃分, 並支援乙太網絡上的CPRI傳輸.
這些新的Fronthaul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和乙太網絡頻率. 這些新解決方案為硬體設計提供了統一所有頻率到單一小尺寸IC的機會.
另一個關鍵的挑戰是精確的時序和同步. 曆史上, 3G和LTE-FDD行動網路藉由頻率同步來將所有網路組件同步到非常精準和準確的主參考頻率上, 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Backhual網路的基地台介面處則需要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幹擾協調(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質量和頻譜效率. 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3 LTE-Advanced無線電存取網路
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IEEE1588v2/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Backhual傳輸在每個BBU到核心網路的通訊. 現在可以使用更高效能, 更靈活的時序解決方案, 簡化LTE-Advanced應用中的頻率產生, 分發和同步.
降低數據傳輸成本打造新服務
乙太網絡被廣泛用於數據中心和無線網路, 以實現更高的網路利用率和更低成本的數據傳輸, 並使能新的服務提供商功能和服務. 在這些基礎架構應用中, 轉移以封包為基礎的乙太網絡正在推動更靈活, 更低抖動時序解決方案的需求. 主要的時序設備供貨商正在透過基於創新架構的高效能頻率和振蕩器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.