适用于5G的合适硬件

自动驾驶汽车、智能工厂、流媒体视频和基于云的应用程序等不断变化的使用模式更加重视更高的带宽和更小的延迟。为了满足这些不断变化的需求，与4G LTE相比，5G承诺将速度提高100倍，延迟也低一个数量级或更低。此外，5G规范要求新网络每平方公里连接100万台设备，是以前的100倍以上。

满足这些更高的性能水平需要做出重大改变，包括新的频段和改变的无线接入网络（RAN）架构。在构建4G LTE之后，运营商现在必须部署一种全新的传输技术，该技术具有更高的复杂性和更多的硬件和软件组件。推出本身将大规模进行，运营商需要的解决方案不仅部署快速高效，而且购买和运营经济。这些组件还需要可靠并最大限度地降低功耗。

随着行业对5G的建设计划，必须控制资本支出（CapEx）和运营支出（OpEx）。这导致了整个行业的转变，从4G的专用硬件和专有软件转向安装在开放和商用现货（COTS）硬件平台上的开放软件堆栈。

为什么开放式解决方案是 5G 的关键

回顾4G，这些网络主要是通过运行专有软件堆栈的定制硬件实现的。当运营商选择设备供应商时，它成为一项长期承诺。这种方法对于4G网络来说是可以容忍的，但考虑到5G的新挑战和降低总拥有成本（TCO）的驱动力，运营商已经开始开发开源解决方案。5G的最终目标是可互换的COTS Arm或x86服务器，运行开源软件堆栈。

图 1：顶级无线网络架构

5G有何不同？

5G网络几乎与4G LTE完全不同，从频段开始。5G从4G中断的地方开始，跨越从6 GHz到300 GHz的频谱。 更高的频率支持明显更小的蜂窝尺寸，使5G蜂窝能够在社区、制造工厂甚至房屋和其他结构内等位置提供高度本地化的覆盖。

5G 网络架构将 4G BBU 的功能分解为无线电单元 （RU）、分布式单元 （DU） 和集中单元 （CU）。由于 5G 将 RU、DU 和 CU 解耦，因此它为运营商提供了更大的灵活性。RU、DU 和 CU 可以位于同一位置或部署在不同的位置，具体取决于网络要求。例如，可以通过在边缘同时部署 RU、CU 和 DU 来构建需要尽可能低边缘延迟的网络。这将为远端连接的用户应用提供出色的性能，但增加了每个塔楼的环境控制外壳的费用。对于可以容忍更大延迟的应用程序的另一种方法，一个 DU 可以为多个 RU 提供服务，从而降低网络成本，同时提供足够的性能。

图 2：5G 将 4G 传统 BBU 分发为 RU、DU 和 CU 功能。

更好地理解5G的组件需要仔细研究架构。图 3 显示了 5G 网络硬件和互连的“一键式向下”视图。

图3：5G网络软件架构

5G RU 基于硬件的数据平面。它由一个RF发射器和一个LO PHY模块组成，通常作为FPGA或针对数据包管理优化的ASIC实现。它以有线速度运行，可以提供小于 1 毫秒的延迟。RU 通过 LO PHY 和 HI PHY 之间的前传连接到 DU。5G中较小的小区尺寸意味着给定的覆盖区域需要更多的塔。因此，RU 和塔将在整个网络中以数百万的规模部署。

DU 管理通过前传链路进出 RU 的无线电数据包流量。DU 的主要组件是无线链路控制器 （RLC）、媒体访问控制器 （MAC） 和 HI PHY。MAC 包含与 RLC 通信的软件和与 PHY 通信的硬件模块。它可以集成 GPU 或 FPGA 等硬件加速器，并且可以以小于 5 毫秒的延迟运行。DU 通过 F1 中传连接到 CU。DU COTS 实施将包括一个带有硬件加速 PCIe 卡的服务器机箱和一个开源 MAC/RLC 堆栈。

CU 分为控制平面 （CP） 和用户平面 （UP）。这模仿了4G LTE的配置，这使得将5G网络与4G LTE网络集成变得更加容易，还为独特的5G RAN配置提供了灵活性。CP 和 UP 作为 CU 的一部分直接连接在 CU 盒中。它们可以以大约 10 毫秒的延迟运行。

CU 的上游是 RAN 智能控制器 （RIC）。此功能将无线网络虚拟化为上游核心控制器可访问的一系列功能。RIC将在下面进一步详细讨论。

向开放网络的转变

尽管 RU、DU 和 CU 包含软件定义网络或虚拟 RAN （vRAN） 所需的所有功能和接口，但核心的网络编排和自动化层需要一个软件工具来管理该过程。在4G LTE中，此任务由专有硬件和软件管理。对具有成本效益的5G解决方案的需求促使运营商推动利用COTS硬件的标准化开源解决方案。

然而，只有当硬件能够满足运行软件的性能、外形和成本要求时，5G开源运动才能成功。基于 ARM 的服务器处理器是一个合乎逻辑的选择，因为它们专为高性能、高能效和低 TCO 而设计。

此外，OCP的规格之一是openEDGE机箱。其外形小巧、功耗要求低且处理密度针对电信和边缘应用进行了优化。

openEDGE 机箱的模块化设计涉及配备插槽的标准化服务器机箱，这些机箱可以填充托架（请参阅图 4）。雪橇经过连接，设计为可滑入到位。它们可以安装主板和内存模块等。OpenEDGE 机箱提供多种标准帧尺寸（2U、3U、5U 等）;每个都兼容 19 英寸，旨在适合标准机架。

Ampere 在 openEdge 背夹中开发了 Hawk 服务器主板，以紧凑的边缘外形支持 5G RU、DU、CU 和 RIC，并考虑到以下功能：

在紧凑的边缘外形中支持 5G RU、DU、CU 和 RIC

基于 Arm 的 v8 内核，频率为 3.3 GHz，功能包括 8 个 DDR-2667 DIMM、42 个 PCIe Gen 3 通道

集成 SATA 控制器

过流电网卡

功率至少为 125W TDP

其他5G核心功能，如开放网络自动化平台（ONAP），由Linux基金会托管的开源网络项目，具有不同的硬件要求。核心硬件通常安装在传统数据中心，并提供相关的冷却和电源基础设施。这样就可以使用商用现成的服务器外形规格，例如全深度 1U 和 2U，具有更大的功率包络。

硬件需求将随着 5G 的进步而发展，以满足计算和电源效率的要求。电信运营商将需要其设计工程师评估和实施这些类型的硬件解决方案，以实现高性能核心服务器，同时降低运营成本并减少每个机架的资本支出。

审核编辑：郭婷