随着 5G
的推出，电信基础设施的设计方式正在发生巨大变化。由于网络运营商希望创建更开放的网络基础设施生态系统，部分基础设施（如基带处理）被虚拟化并移至电信数据中心。影响数据中心架构的另一个与
5G 相关的趋势是移动边缘计算，它可以实现极低的延迟，并受益于更分布式的基础设施（如 RAN 的一部分本地云中心）。

5G革命如何影响数据中心架构？

当今大多数 IT 数据中心通常为各种应用程序提供计算机存储和处理功能。中心之间的同步对于管理数据库、优化搜索功能、提供实时内容和向用户提供更快的响应是必不可少的。为了使应用程序能够执行所需的功能，数据中心之间需要的同步精度为毫秒级。关键要求是数据传输的可靠性，不一定要在特定时间内传输这些数据。这意味着，虽然同步很重要，但它还不是任务关键型的。

然而，对于 5G 来说，同步对于操作和网络性能至关重要。传统上，基站从 GNSS 或回程网络获取时间并同步无线电。随着数据中心承担基站的角色，数据中心应该配备为无线电提供同步的设备。对于 5G，精度要求比上一代网络要严格得多。提供自动驾驶和工业 4.0 的超可靠低延迟通信网络需要极其精确的同步，数据中心连接的无线电元件之间的同步精度需要达到数百纳秒的数量级，以使应用程序能够执行所需的功能。因此，当数据中心成为 5G 网络的一部分时，将电信级同步功能纳入数据中心对于构建卓越网络至关重要。

数据中心的同步要求是什么？

正如我们上面所看到的，5G 和移动边缘计算正在增加对 RAN 中分布式数据中心的需求，但传统数据中心现在也需要更准确的计时和同步。该行业正在迅速赶上这些趋势，并推出了多项举措提供指导并制定标准和协议。

以下是您需要了解的最重要的内容。

时间设备项目

鉴于对各种应用提供更高精度的需求日益增加，开放计算项目目前正在为 PTP（IEEE 1588 精确计时协议）1构建 DC（数据中心）配置文件。此配置文件规定了数据中心的同步参考模型和目标精度（请参阅下面的计时设备项目 HRM）。此配置文件将适用于符合 OCP 和 PTP 感知的网络基础设施上的时间敏感型应用，例如网络交换机、设备时钟、网络接口卡和计时模块等。

下图来自 Timing Appliances 项目组，概述了数据中心同步参考模型和错误预算。在此图中，数据中心可能托管一个边缘主时钟 (DC-GM)，用作主时钟。主干交换机 (SSW) 和结构交换机 (FSW) 通常部署透明时钟，而机架交换机 (RSW) 部署边界时钟。建议服务器本身采用端节点普通时钟部署。建议将总体错误预算控制在 5us 以内。

图 1. 分层参考模型 (HRM) 和建议的错误预算

IEEE802.1AS-2020

此外，时间敏感网络应用的重要性日益增加，促使 IEEE 制定了 IEEE802.1AS-2020 标准，定义了 TSN 网络的时间同步要求2。5G可以看作是整个 TSN 网络架构中的 TSN 桥梁，可以为各种用例提供​​通信和同步服务。

下图概述了 5G 网络如何连接两个需要与 TSN 网络协同工作的系统。

图 2. 5G 系统融入 TSN 网络

O-RAN联盟

O-RAN 联盟一直致力于 5G 网络的部署和同步方案3。在所有常见应用中，5G 的同步要求最为严格，无线电同步达到 130 纳秒4。时间对齐误差 (TAE) 分布在基带处理单元和终端无线电应用之间。构建 5G 网络所涉及的所有设备都会增加此误差，并且根据设备的功能和位置确定允许的时序预算。对于数据中心，可能涉及计时大师、服务器 DU 设备，以及连接各种元素的交换结构。

O-RAN 定义的同步部署场景如下图所示。C1 是 DU 和 RRU 直接连接的场景。对于 C2，可以有一个交换机前传网络用于流量分配，这可能会增加同步的复杂性。C3 图假设同步源自网络并分发到 DU 和 RRU。最后，C4 表明 DU 和 RRU 可以独立同步。

为了支持每一种同步场景，数据中心必须配备足够的架构。

图 3. ORAN 同步部署场景（Calnex）

国际电信联盟

传输网络中的同步性能由 SG15-Q13 ( ITU-T) 5指导。在这里，数据中心元素通过成为以下一个或多个元素而成为网络的一部分：CU/DU 功能、时间大师或交换/路由元素。

计时大师应遵循 ITU 标准 G.8272/G.8272.1 中概述的建议。

对于 CU/DU 设备以及交换和路由元件，同步（无论是板载实现还是作为网络接口卡实现）可能需要满足部分或全部移动同步标准要求：

• ITU-T G.8273.4，辅助和部分定时支持时钟
• ITU – T G.8273.2，电信边界时钟
• ITU-T G.8262、G.8262.1 以太网设备时钟 (EEC) 和增强型 EEC

除此之外，前传元素中预期的一个关键元素是保持。保持是指在一定时间内在一定限制内执行同步功能以支持电信服务水平协议的能力。搜索要求进一步增加了同步架构的设计复杂性。

如何实现数据中心设备的同步

网络同步可能部署多个同步源。同步的主要来源需要靠近原子源，而常见的来源是基于 GNSS 的系统。

其他来源包括基于数据包的同步方法，例如 PTP (IEEE1588) 和物理层同步（例如同步以太网）。本地振荡器足够稳定，可以进行控制，是同步系统的核心。

图 4. 5G 元素的典型同步系统实现

5G 要求规定网络中的所有无线电的频率精度为 50ppb，同一 DU 的 RRU 的精度为 +/-130ns。网络时钟必须使用足够低的带宽进行过滤，以使输出时钟满足以 1ms 间隔测量的 50ppb。GNSS 接口通常使用 1PPS 接口进入伺服系统，这需要 10s mHz 的带宽。O-RAN 建议的前传需要支持类似 G.8275.2 的配置文件。G.8275.2 配置文件和相应的 G.8273.4 时钟没有来自物理层网络的同步支持，因此需要低于 mHz 的过滤带宽。

G.8273.2 类时钟要求最低带宽为 50mHz。上述标准要求同步实现中采用低带宽伺服装置，这导致系统中需要高稳定性参考时钟，以尽量减少工作温度范围内的时间对准误差。结合保持要求，选择参考时钟振荡器成为同步系统架构和设计的关键。

数据中心参考时钟面临哪些挑战？

由于每个网络元素中的错误预算都非常严格，因此为数据中心的各种任务选择正确的参考时钟振荡器变得越来越重要。以下是需要注意的四件事。

GNSS 信号干扰

在大多数情况下，同步的主要来源是全球导航卫星系统。由于信号无处不在，只要天线与天空有直接视线，实现同步就相对简单。GNSS 系统的随时可用使其在车辆跟踪和车队管理等许多应用中无处不在。然而，GNSS 系统的干扰也很常见，无论是有意还是无意的。例如，想要脱离跟踪网格的司机可能会使用各种干扰技术。在使 GNSS 信号无法用于跟踪设备的过程中，干扰设备还会破坏使用 GNSS 恢复同步的附近通信系统。任何干扰都可能持续数小时，需要采用替代同步机制来缓解由于同步故障导致的网络中断。需要备份系统通过 PTP、同步以太网或振荡器协助同步保持要求。根本的替代方案是使用高稳定性振荡器通过保持机制提供同步连续性。

新-数据中心-右侧-1200x600

配置文件/性能权衡
对于基于 NIC 卡的同步架构，两个 PICe 卡之间的距离为 20.32 毫米。根据 OCP NIC3.0 规范，PCB 的组件侧最大高度为 11.5 毫米。寻找适合这种外形尺寸的高性能振荡器设备极具挑战性，尤其是当系统需要保持性能时。对于板载同步拓扑，服务器设计密集而复杂，因此组件的外形尺寸需要尽可能小，以提供一定的性能水平。

恶劣环境 – 高气流、冲击和振动

数据中心环境在温度变化影响方面相对可控。然而，大多数服务器系统的气流较多，有时冲击和振动水平也较高。同步系统应能够处理这种恶劣的环境。

支持超集功能

为了满足未来可能出现的更严格要求的应用，设备需要尽可能地面向未来。这就是我们需要考虑功能、标准合规性和成本之间的权衡之处。

振荡器创新允许新的应用

卓越的谐振器技术、基于 ASIC 的 TCXO 和 OCXO 先进机电设计的创新使得开发应对这些新挑战并产生具有成本效益的解决方案的产品成为可能。

基于石英的振荡器技术以其可用性、可靠性、性能和经过验证的长寿命性能而闻名，这些性能在设备的整个使用寿命中都非常有用。诸如 Rakon 的 XMEMS 技术、基础疫苗接种器开发的进步、基于 ASIC 的控制电路的创新、先进的热机械封装技术等新技术创新都使得能够生产具有 3E 级稳定性能力的 7 毫米 x 5 毫米振荡器，这些振荡器能够承受数 CFM 的气流，并能承受小于 0.5pppb/g 的冲击。

当同步源由于 GNSS 干扰、欺骗或其他原因而暂时不可用时，保持对于支持系统至关重要。5G 系统要求 4 小时以上，最长 24 小时，正变得越来越普遍。

概括

随着第五代移动网络成为现实，时间敏感型网络的数量和重要性不断增长，数据中心对时间和同步的精确度要求远高于过去。必须优先考虑同步，并规划一系列功能，以确保数据中心设备不会过时。