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O-RAN+虚拟化,5G运营商的新宠让电信加速卡秒变竞争“新高地”

时间:2020-09-16 作者:邵乐峰 阅读:
数据显示,Open-RAN未来的市场份额有望从2021年的不到10%快速升至2025年的30%,而作为目前业界唯一一款既能运行O-RAN前传协议,又能提供L1层卸载功能的多功能PCIe尺寸规格板卡,赛灵思T1加速卡的出现,能够更好地帮助客户解决Open vRAN市场在O-DU领域面临的挑战。
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2018年6月,O-RAN联盟正式成立,由中国移动、美国AT&T、德国电信、日本NTT DOCOMO、法国O-RANge等12家运营商联合发起,目前已扩展至60多家,“开放”和“智能”是其两大核心愿景。ABI Research的报告显示,Open-RAN未来的市场份额有望从2021年的不到10%快速升至2025年的30%,而在2030年,这一比例将增加至60%。6aqEETC-电子工程专辑

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图1:2021-2030年传统RAN与OPEN-RAN市场比例6aqEETC-电子工程专辑

O-RAN技术趋势

在知乎上一篇名为《一文带你看懂O-RAN前生今世》的文章中,作者是这样介绍O-RAN联盟三大关键原则的:第一个原则,引导产业的演进方向,主要策略包括开放接口,可支持异厂家设备的互操作;通过虚拟化方式构建无线接入网,实现基于大数据的智能无线网络。第二个原则,积极并充分利用通用平台,减少对私有平台的依赖。第三个原则,制定、推进接口及相关API标准化定义,探索开源解决方案。6aqEETC-电子工程专辑

如果用通俗的语言解释一下这三个规则,那么O-RAN正在推动以下四个方向的变化:网络智能化、接口开放化、硬件通用化和软件开源化。相当于原来是黑盒子的硬件,现在全部转变成为通用标准化产品,其中的软件代码也变为开源。6aqEETC-电子工程专辑

而O-RAN之所以能够成在今天为行业热点,行业专家认为除了O-RAN的愿景符合技术发展的基本规律以外,同时还有两个很重要的原因:6aqEETC-电子工程专辑

  • 技术发展逐渐成熟:由于IT以及CT核心网多年的技术积累,很多能够帮助实现O-RAN的技术已经逐渐成熟。比如通用硬件能力、网络功能虚拟化、白盒产业化以及通用设计、网络管理的智能化等等。
  • 新型商业模式需求驱动:运营商对于去“管道化”的需求越来越迫切,对于新型商业模式越来越渴望。加之5G需要支持灵活多样的用例,对CAPEX/OPEX压力陡增,从而促使O-RAN的发展逐步进入快车道。

图2是一张典型的5G网络架构图,左边是包含远端射频单元(RU)的信号塔,中间是构建在分布式单元(DU)/基带单元(BBU)之上的边缘云,右侧则是由边缘/核心路由器、集中处理单元(CU)组成的核心网。6aqEETC-电子工程专辑

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图2:T1电信加速器卡在5G网络架构中的位置6aqEETC-电子工程专辑

按照赛灵思有线与无线事业部高级总监Gilles Garcia给出的解释,传统4G LTE模式下,OEM厂商会为无线部署创建专有设备,包括通过硬件基础设施连接到无线射频。但考虑到“供应商锁定”导致缺乏竞争力,运营商难以在VR、游戏、汽车等应用中部署软件服务,现在的5G运营商正试图摆脱这种模式,希望能够引入更多的竞争和创新,可以选择不同的供应商来提供BBU、DU、CU和无线射频。而Open-RAN模型,也就是以标准服务器形式实现的虚拟BBU的出现,为改变这一现状提供了可能。6aqEETC-电子工程专辑

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赛灵思有线与无线事业部高级总监Gilles Garcia6aqEETC-电子工程专辑

“与我们10年前看到的‘开放式计算’类似,虚拟基带单元可以帮助运营商利用开放接口实现多供应商的兼容性,新参与者可以推动竞争和创新,软件服务现在可以一直部署到边缘。”Gilles Garcia对《电子工程专辑》记者表示,Open-RAN对于5G部署来说是非常完美的应用,以中国移动为例,他们其实早在3年前就对Open-RAN方案展现出了浓厚的兴趣,希望能够使用Open-RAN方案来实现从LTE到5G的过渡,尤其是在毫米波频段。6aqEETC-电子工程专辑

而从赛灵思的角度来看,2019年及以前,大多数赛灵思5G客户需求都来自于传统的OEM厂商,但从2020年起,需求急剧转向Open-RAN和虚拟化架构,包括开放式远端射频单元(O-RU)和开放式分布式单元(O-DU)。6aqEETC-电子工程专辑

什么是5G虚拟化?

传统的基带单元是以硬件为基础的平台,内部包括三大类芯片:通用处理器,用于L2/L3协议层处理,主要使用x86/Arm架构;前传FPGA,用于终结往返于无线电单元的CPRI流量,使用包括Kintex或Zynq在内的中型FPGA器件;L1基带ASIC或FPGA,实现LoPHY 和HiPHY功能,使用的芯片中首先部署的是FPGA,然后是第2代ASIC芯片。 6aqEETC-电子工程专辑

但在赛灵思最新推出的TI电信加速卡中,他们的做法是由Zynq UltraScale+和2个用于无线电上行线路的SSP28机架来完成前传的终结,再用Zynq RFSoC做L1后备加速,实现低功耗下的高吞吐量FEC,最后将整张卡做成PCIe外形、FHHL(全高半长)、75瓦卡(如图3),并兼容NEBS。此外,对于O-RAN前传终端,该板卡能通过其50Gbps的光学端口以100MHz OBW处理5G NR 4TRX的多个扇区。6aqEETC-电子工程专辑

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赛灵思TI电信加速卡6aqEETC-电子工程专辑

这样做的好处在于芯片仍然是相同的芯片,但迁移进了符合O-RAN标准的PCIe卡中,使T1成为目前业界唯一一款既能运行O-RAN前传协议,又能提供L1层卸载功能的多功能PCIe尺寸规格板卡,从而为边缘软件释放了通用处理器资源,提高了效率,能够更好地在vBBU和O-DU平台上运行。T1也因此有望凭借合适的性能和超低的延时,帮助客户解决Open vRAN市场在O-DU领域面临的挑战。6aqEETC-电子工程专辑

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图3:前传和L1卸载FPGA卡T1架构6aqEETC-电子工程专辑

之所以FPGA相比ASIC会是更好的选择,Gilles Garcia给出的理由,一是无论是Split 6、Split 7.2,和Split 8,不同架构的O-RAN都可以根据5G的具体情况去选用,而且5G标准自身也处在不断演进过程中,灵活性至关重要;二是O-DU和无线电射频之间会有越来越多的层次,不同的层次就会要求不同的供应商之间能够实现互操作性和兼容性,如果使用FPGA器件,一旦出现兼容性问题,修改起来会更加容易。6aqEETC-电子工程专辑

这样,在标准商用服务器中,采用Arm或X86架构的通用处理器仍然扮演协议层处理(Open RAN)的角色,前传和L1卸载工作交由PCIe卡完成,解决了处理器无法单独处理大容量5G流量的难题。由于T1卡是一种外形小巧的单插槽板卡,能够插入到标准的x86或非x86服务器中,所以如果服务器上有多个插槽的话,就可以同时使用多个T1卡来提升性能和降低时延,以实现5G虚拟化O-DU平台要求的实时协议处理性能。6aqEETC-电子工程专辑

T1深入介绍

Gilles Garcia用图4为我们展示了T1如何从CPU上卸载复杂功能。其中,灰色部分代表的加扰、解扰、调制、解调制、IDFT、均衡、信道估计等功能仍旧映射到CPU中;但红色代表的线路速率和计算密集型功能,包括使用硬化LDPC和Turbo编解码器的通道编码/解码、速率匹配/解匹配、HARQ缓存管理等,被很好地被映射到Zynq RFSoC上,有助于释放处理器核心以运行其他业务,真正实现了虚拟化。数据显示,与加速前的服务器相比,编解码吞吐量分别提高45倍和23倍;而粉色代表的层映射、前传eCPRI、PTP时钟同步等功能则被映射到Zynq UltraScale+上。6aqEETC-电子工程专辑

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图4:T1从CPU上卸载复杂功能6aqEETC-电子工程专辑

通过这样的精心“改造”,T1卡实现了更少的CPU核心占用,降低了系统成本与总功耗,前传带宽和L1带宽也针对最佳可扩展性进行了匹配,如果需要更多信号塔,还可以向服务器插入更多板卡。与此同时,T1卡还通过生态系统合作伙伴提供交钥匙解决方案,包括有效简化5G部署的O-RAN前传参考设计和5G NR层1参考设计,以及帮助运营商、系统集成商以及OEM厂商快速进入市场的预验证软件,客户无须拥有精通RTL/STG的团队,就可以即插即用地使用T1卡。6aqEETC-电子工程专辑

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图5:O-RAN前传参考设计和5G NR层L1参考设计6aqEETC-电子工程专辑

让我们一起看一下在Dell R740上用FlexRAN演示T1性能。图6左右两侧分别是Dell R740中的单线程 XEON Gold在无T1和有T1时的情形,可以看出,在无T1时,左侧编解码器的吞吐量分别是0.718GBPS和0.183GBPS,时延分别是45微秒和62.7微秒;4T4R扇区前传时,2个扇区需要24个XEON核,4个扇区需要64个XEON核。6aqEETC-电子工程专辑

添加T1卡之后,L1性能编解码器吞吐量分别达到了17.7GBPS和7.8GBPS,是不带T1情形时的42倍和24倍,时延分别是14.15微秒和16.21微秒US,不到之前的1/3相比之前的性能可以时延的性能可以说是不到1/3;4T4R扇区前传时,2个扇区只需要1个XEON核,4个扇区只需要2个XEON核。这意味着对运营商来说,既能够通过释放的处理器资源处理额外服务,也能够减少服务器数量节约资本和运营支出。6aqEETC-电子工程专辑

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图6:在Dell R740上用FlexRAN演示T1性能6aqEETC-电子工程专辑

但Gilles Garcia澄清说上述演示只是模型展示,戴尔和T1还没有做相关认证工作,和包括戴尔在内的服务器供应商展开认证,将是赛灵思接下来需要加快进行的工作。 6aqEETC-电子工程专辑

T1加速卡与赛灵思此前面向数据中心推出的Alveo系列加速卡并不相同,前者主要用于5G信号的处理和加速,后者主要用于数据和计算加速,例如由于没有LDPC功能,Alveo卡就无法实现L1层的功能卸载。此外,赛灵思为客户提供了T1的软件和完整的参考设计,方便客户在自有平台上进行集成,但对Alveo来说,赛灵思只负责提供相应接口,然后由客户加入自己的IP和解决方案。6aqEETC-电子工程专辑

“可以预见的是,很快就会有竞争对手进入到O-RAN加速领域中来,这是不可避免的。但T1只是赛灵思当前推出的第一款产品,我们有理由对未来充满更多想象。”Gilles Garcia说。6aqEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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