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5G 工作负载需要更多动力

5G 网络, 5G 蜂窝

5G 网络的优势已得到充分证明。与 4G 相比,用户可以期望下载速度提高 100 倍,延迟降低 10 倍,并且在相同的地理空间内支持 500 倍的设备。这些增强功能有望帮助迎来一系列新应用,从自动驾驶汽车和交付无人机到增强现实和 4K/8K 视频流。

但是,人们对 5G 基础设施到底是如何实施以大规模支持这些新应用程序的了解还不够。随着性能的提升,将使用哪些底层技术来支持大量数据?

这一切都始于 5G 小型蜂窝网络中的网络处理器 (NPU),其必须有足够的空间来支持未来十年数据使用量的大幅增长。借助创新的设计技术,您可以立即开始设计此类 NPU。

小型 5G 蜂窝网络需要大变革

小型蜂窝小区是将核心蜂窝网络扩展到终端用户的低功率无线电接入点。它们一直是 4G 网络的支柱,但其独特之处在于设备和数据流量的增加(根据爱立信的一项研究,每位用户高达4倍),在5G领域这意味着小型蜂窝小区网络处理器将不得不加班加点。

小型蜂窝小区包括用于基带处理的 FPGA、处理到核心网络的以太网回程的 NPU、用于调度的 CPU 内核、调制解调器以及相关的内存和 I/O。

一家领先的蜂窝网络运营商了解到不断增长的 5G 工作负载需要更多动力之后,开始研究在 5G 小型蜂窝小区概念验证 (PoC) 中使用英特尔® 凌动® 处理器的情况。尽管这些处理器提供更大的计算吞吐量,但它们还需要不同的架构实施。为了实现这一点,该运营商聘请了 DFI Inc.

5G 小型蜂窝网络:一切都在于特定时间

除了在性能方面的优势外,在高速数据处理方面,英特尔® 处理器的一个显著特点是识别中断所需的时间。如图 1 所示,当 FPGA 基带处理器接收到射频信号时,会向基于英特尔处理器的 NPU 和一个单独的 5G 模块发送 80 ns 的脉冲宽度。另一方面,处理器至少需要 117 纳秒才能识别通用 IO (GPIO) 中断。然后,英特尔 SoC 在首次操作开始之前会出现中断延迟。

当 FPGA 处理器接收到射频信号时,会向 NPU 和一个单独的 5G 模块发送 80 ns 的脉冲宽度。
图 1. 一家领先的蜂窝运营商与 DFI 合作,将英特尔® 凌动® 处理器集成到其 5G 小型蜂窝中。(来源:DFI Inc.)

这为什么重要?网络通信在于特定时间。

“每台设备都需要及时同步,以确保所有数据和操作都相同。” DFI 产品管理总监 Ethan Wong 解释说。“当 FPGA 向 5G 模块和 NPU 发送信号时,就会发生 GPIO 中断。中断延迟是从接收信号到设备开始其第一个操作的时间。”

当处理器接收到该信号时,需要等待至少 20 至 25 µs 才能开始第一个操作,但这太长了。这是因为 5G 规范将处理周期分成“时隙”,在这种 5G 小型蜂窝小区 PoC 中,其定义为 125 µs。

Wong 说:“由于只有 125 µs,延迟为 25 µs,只有 100 µs 在一个时隙中完成所有处理和通信。”

弯曲时间

为了克服此时序问题,DFI 实施了几个标准和非标准解决方案。

Wong 说:“我们实施了一个硬件电路,将 80 ns 脉冲宽度扩展到 200 ns,以便我们可以检测到信号。”“在软件方面,我们通过使用不同的低延迟 Linux 内核来将中断延迟最小化,将延迟从有时的 40 µs 减少到 20 µs。”

DFI 还优化了 NPU 和 5G 模块之间的 PCIe 连接,以增强整体系统性能。但是,在 125 µx 时隙内仍可以进行 100 µs 以下的处理和通讯。

运营商选择 16 核 C3000 处理器是因为其低成本和低功耗,而 SoC 在其 10 GbE 端口上提供了足够的计算性能和数据吞吐量,以弥补损失的时间(图 2)。

图 2.SoC 提供了足够的计算性能和数据吞吐量。(来源:英特尔®)
图 2. SoC 提供了足够的计算性能和数据吞吐量。(来源:英特尔®

面向未来扩展 5G

5G 讲求容量,甚至超过了速度。随着我们在移动设备上消耗更多的高带宽数据,以及越来越多的日常物件加入物联网,网络将不得不进行扩展才能提供支持。

从 CAPEX 的角度来看,最好的做法是考虑到这一点来设计系统。诸如 16 核 C3000 处理器之类的 NPU 可以为当今的工作负载提供足够的性能,并具有足够的扩展空间来容纳将来不断增长的数据流量。而且,诸如 DFI 之类的网络硬件专家继续通过优化 PCIe 信号、调整 Linux 软件堆栈等来改进这些解决方案。

5G 小型蜂窝网络已经在每个大洲部署。如果您想扩展网络迈向未来,那么现在就该行动了。

作者简介

Brandon is responsible for Embedded Computing Design’s IoT Design, Automotive Embedded Systems, Security by Design, and Industrial Embedded Systems brands, where he drives content strategy, positioning, and community engagement. He is also Embedded Computing Design’s IoT Insider columnist, and enjoys covering topics that range from development kits and tools to cyber security and technology business models. Brandon received a BA in English Literature from Arizona State University, where he graduated cum laude.

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