NVIDIA空中導航SDK改造5G通信

Transforming Next-Generation Wireless with 5T for 5G and the NVIDIA Aerial SDK

NVIDIA Mellanox 5T for 5G技術為構建高效、時間同步的CloudRAN基礎設施提供了實時、高性能的解決方案。

在云原生RAN（CloudRAN）環境中，在兼容O-RAN 7.2x的前、中、后長途組件之間實現時間同步和網絡流量的高時間精度一直是一個挑戰。此外，在指定的時間窗內，通過fronthaul radio access networks（RAN）的以太網/IP鏈路保持增強公共接口（eCPRI）數據包的實時和精確的時間限制傳輸一直是5G無線推出的一大障礙。

在這篇文章中，我們將討論如何使用低成本的NVIDIA SmartNICs、NVIDIA空中SDK和NVIDIA gpu以及現成的服務器，利用CloudRAN的靈活性、性能和可靠性改造5G。

Figure 1. 5G wireless uses an open and cloud-native radio area network (CloudRAN).

The 5G revolution

電信（telco）提供商正在經歷業務轉型，用現成的服務器取代傳統的網絡基礎設施，以實現開放、經濟、可擴展和可編程的網絡。

5G是以Gbps數據速率和亞毫秒延遲連接數十億個設備的基礎。因此，5G在容量、密度、帶寬和低延遲方面代表了一場完美的連接風暴，將迅速取代現有的4G LTE網絡架構。
為了順利過渡到5G網絡，電信業已經取得了巨大進展，將4G LTE演進包核心重新架構為基于控制和用戶平面分離（CUPS）和5G用戶平面功能（UPF）的移動包核心。

虛擬化無線接入網絡（RAN）可以帶來以下好處：

移動網絡中的協調、集中和虛擬化

在網絡邊緣啟用新服務

支持資源池化（更經濟高效的處理器共享）、網絡切片和負載平衡

從高容量單元到低容量單元的可擴展性（更靈活的硬件容量擴展）

層互通（應用層和RAN之間的緊密耦合）

Challenges in building time-sensitive radio access networks

雖然電信云核心網絡現在是開放的、分類的、可編程的和高效的，但是類似的RANs轉換進展緩慢。雖然O-RAN 7.2規范提供了有關無線單元（RU）、分布式單元（DU）和集中式單元（CU）基帶單元（BBU）功能分離的指導，但在多個rru和BBU之間高效、實時的數據傳輸并非易事。

在云本地RAN（CloudRAN）中，時間同步和實現RUs、CUs和DUs之間網絡流量的精確時間精度仍然是一個挑戰。此外，在fronthaul-RAN的以太網IP鏈路上，增強型公共接口（eCPRI）包在指定的時間窗內的實時、精確的時限傳輸一直是一大障礙。

Why are incumbent FPGA vRAN solutions inefficient?

在分布式云本地邊緣網絡中同步時鐘一直是一個長期存在的問題。精確的時鐘使應用程序能夠在跨不同節點和位置的公共時間軸上運行，這反過來又精確地實現了任務和資源的一致性、事件順序、因果關系和調度。移動網絡的本質要求在這些領域具有極高的精度，以允許許多不同的用戶設備（UE）設備同時連接，并在它們在rru和bbu之間移動時保持連接。
基于現場可編程門陣列（FPGA）的網絡適配卡已經成為解決定時參考和同步難題的常用方法。但是，隨著轉向5G、開放式RAN和eCPRI，此解決方案是非最優的，效率低下，因此不適合以下原因：

耗電：典型的FPGA nic耗電量大，比SmartNIC解決方案耗電量多3倍。

價格昂貴：可重新配置FPGAs。但是，它們比專門構建的SmartNICs貴3倍。FPGAs非常適合實現點功能，但不適合大規模的CloudRAN部署。

與軟件或應用程序緊密耦合：FPGA邏輯與在FPGAs中實現的應用程序邏輯緊密耦合，在應用程序和網絡子系統之間創建不希望的依賴關系。此外，FPGA邏輯是為預定義的解決方案參數設計的，這意味著對應用程序需求的任何更改都需要重新編寫一個FPGA邏輯。雖然從理論上講，現場可升級，但在實踐中，現場升級FPGAs太危險，不實用。

另一方面，SmartNICs為所有與應用程序邏輯分離的應用程序提供了一個一致的、軟件可編程的、開放的接口。應用程序升級很容易集成，精心設計的SmartNIC可以通過硬件加速引擎完成定時同步和實時數據傳輸的所有繁重工作，從而完全卸載已運行的VNF。

定制開發：隨著第一代分門別類的fronthaul系統開始進入市場，FPGAs被用于滿足實時性要求，基本上作為工業標準x86服務器中的NIC發揮作用。然而，正如往常一樣，FPGAs對于原型是好的，但對于大規模生產不是好的。FPGAs并不是最佳的解決方案，它需要為每種鏈路類型和速度進行定制開發。

隨著網絡速度的提高，每一個鏈路速度（25/50/100/200Gbps）、布線技術（銅纜/光纖）和收發器（SFP、SFP+、QSFP等）都需要新的FPGA NIC硬件設計，從而減緩創新速度并增加成本。這也導致了與市場上現有電纜的互操作性問題。此外，與市場領先的NVIDIA Mellanox ConnectX SmartNIC系列相比，具有FPGAs的以太網鏈路質量是不可比擬的。Mellanox SmartNICs支持所有標準的網絡速度和現成的鏈接類型，并且具有靈活性和高度可靠性。

封閉源代碼開發：最后，FPGA nic阻礙了開放源代碼開發，并且通常依賴于來自FPGA供應商的專有工具。常見的開源管理工具（如安全引導、PXE引導、主機管理）和標準數據路徑軟件庫（如數據平面開發工具包（DPDK））不可用于FPGA nic。Mellanox ConnectX-6 Dx等標準網絡適配器是開放的、可編程的，支持所有社區支持的軟件工具和庫。

Figure 2. ASIC-based SmartNIC with advanced time synchronization capabilities.

如表1所示，基于ASIC的SmartNICs在構建高效且符合O-RAN的CloudRAN方面優于FPGA NICs。

Table 1. ASIC-based SmartNICs outperform FPGA NICs for real-time data transmission hardware offloads.

Breakthrough in time-triggered transmission technology for telco (5T for 5G)

正如英偉達CEO黃延森在GTC Digital 2020期間宣布的那樣，在ConnectX-6 Dx SmartNICs中，5G技術的突破性5T現已面世。ConnectX-6 Dx是業界第一個為eCPRI提供超精確時間同步的SmartNIC，并提供了一個5合1解決方案：

實時傳輸技術

高吞吐量

低延遲

低功率

廣泛的硬件加速能力

Major 5T
for 5G features

5T for 5G是電信公司的時間觸發傳輸技術，它為5G云本地vRAN基礎設施的推出提供了獨特的功能。

實時數據傳輸硬件負載

O-RAN eCPRI封裝和脫封裝卸載

精確的包起搏

ASAP2限時分組流引擎

實時數據傳輸硬件負載

對于5G的5T，多個分組數據流在時分復用分組流中通過前程網絡在分布式單元和無線單元之間傳輸。

多個數據包流由軟件調度，但由ConnectX SmartNIC硬件傳輸和加速。這種硬件加速的時間同步使跨多個頻率和時間片的矩陣的多個數據流的精確和高效管理成為可能。
ConnectX-6dx或網絡適配器包括極其精確的5T，用于5G時間同步，用于CloudRAN和eCPRI窗口中的精確時間戳和有時間限制的包轉向。

圖3. NVIDIA ConnectX-6dx NIC中的5T for 5G eCPRI窗口功能允許通過軟件調度多個數據包流，并以硬件加速進行傳輸。

Figure 3. The 5T for 5G eCPRI Windowing feature in the NVIDIA ConnectX-6 Dx NIC allows multiple packet streams to be scheduled by software and transmitted with hardware acceleration.

這種方法的優點是提高了時間精度和準確性，而不必給CPU增加數據傳輸或同步任務的負擔，也不需要昂貴的FPGAs。

最高時鐘精度：準確的時鐘基準對于eCPRI數據包的時間觸發、實時傳輸至關重要。畢竟，我們都知道“垃圾輸入，垃圾輸出”的說法。5T for 5G高級計時硬件卸載技術通過提供<16ns的時鐘精度，超過了嚴格的ITU-T G.8273.1/G.8273.2配置文件計時規范。

硬件定時同步卸載：5T for 5G在SmartNIC中實現IEEE1588v2 PTP掛鐘（UTC格式）。它使任何實時軟件應用程序能夠直接、準確地將自身與從SmartNIC接收到的時間戳信息同步，而無需任何數據路徑轉換或開銷。

O-RAN eCPRI窗口：ConnectX-6dx在O-RAN 7.2規范中規定的一微秒窗口內精確、準確地傳輸eCPRI數據包。因此，5T for 5G技術使應用程序能夠直接從SmartNIC接收特定層和天線端口的專用eCPRI流到應用程序的專用緩沖區中。這個功能可以很容易地使用cuVNF啟用，cuVNF是空中SDK的一部分。

O-RAN eCPRI封裝和脫封裝卸載

圖4顯示了eCPRI協議棧，它對于開放和可互操作的5G無線接入網絡至關重要。

Figure 4. eCPRI connects cellular radio equipment (RE) at the remote radio head with the radio equipment controller (REC) at the baseband unit (BBU) using packet-based communications over Ethernet-based fronthaul networks.

5T for 5G技術處理eCPRI包封裝和解封裝，從而釋放與此操作相關的CPU周期。這進一步提高了延遲，減少了數據路徑處理開銷，進一步提高了效率。

精確的包流量

ConnectX-6dx SmartNIC為O-RAN 7.2規范中提到的eCPRI流實施精確的比特率。
ASAP2限時分組流引擎

加速交換和分組處理（ASAP2）使軟件定義的、硬件加速的虛擬網絡功能（VNF）和容器化網絡功能（CNF）能夠根據網絡服務和應用的需要，精確地控制進出方向的流量。嵌入在ConnectX-6dx智能網卡中的ASAP2時間引擎使用網絡精確時間作為所有基于時間的網絡操作的參數。

例如，應用程序可以指示SmartNIC在YY:MM:DD:HH:MM:黨衛軍粒度。由于具有如此精確的定時控制，eCPRI前端應用軟件實現效率高，實時性受到很大限制。

結論

5T for 5G技術嵌入Mellanox ConnectX-6dx SmartNICs，提供O-RAN 7.2規范所需的硬件加速定時同步和實時傳輸要求。5G技術突破5T，高效、經濟地處理分門別類的RAN部署，無需非最優、低效和昂貴的FPGA NIC解決方案。當與運行在NVIDIA EGX GPU平臺上的NVIDIA空中SDK中的cuVNF和cuBBU相結合時，組合的解決方案提供了一個強大的實時CloudRAN解決方案。

總結

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