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5G 工作量需要更強大的力量

5G 網路, 5G 行動數據

5G 網路的優勢佐證資料完備。相較於 4G,在相同的地理空間中,使用者可預期下載速度快 100 倍、延遲低 10 倍,支援的裝置是 500 倍。為因應如雨後春筍般問世的新型應用程式,無論是自動駕駛汽車、送貨無人機,還是擴增實境和 4K/8K 影片串流,這些增強功能應該都大有助益。

然而,為了大規模支援這些新型應用程式,5G 基礎架構究竟將以什麼方式導入,依舊是個問號。另外,為支援效能提升後隨之增加的大量資料,究竟會採用哪些基礎技術,這個問題也是個未知數。

首先,5G 小型基地台的網路處理器(NPU)必須保有餘裕,才能支援未來十年大幅增加的數據使用量。在創新設計技術的輔助下,您現在就能動手設計這類 NPU。

小型 5G 基地台需要改頭換面

小型基地台是低功耗的無線電存取點,可將核心行動電話通訊網路延伸至一般使用者。雖然這類基地台一直是 4G 網路的主力,但不同之處在於,5G 的裝置和資料流量增加,根據一項 Ericsson 研究,每一名使用者的增幅高達 4 倍之多,這樣一來,小型基地台網路處理器就必須超時作業。

小型基地台包含基頻處理用的 FPGA、處理核心網路乙太網備援的 NPU、排程用的 CPU 核心、數據機,以及相關記憶體和 I/O。

有鑑於 5G 工作量需求攀升,需要更強大的力量,某大行動電信業者已就在 5G 小型基地台概念性驗證(PoC)採用 Intel ® Atom ® 處理器,著手展開調查。雖然這類處理器提供的運算量較高,但也需要導入不同的架構。為此,該電信業者尋求了 DFI Inc. 的協助。

5G 小型基地台:時間至上

姑且不論效能上的優勢,Intel® 處理器在高速資料處理方面引人矚目的一點,就是識別中斷所需的時間。如圖 1所示,FPGA 基頻處理器收到 RF 訊號時,將 80 ns 的脈衝寬度傳送至採用 Intel 處理器的 NPU,以及一個獨立的 5G 模組。另一方面,處理器至少需要 117 個十億分之一秒,才能查出通用型 IO(GPIO)中斷。接下來,Intel SoC 在第一批作業開始前,遇到了中斷延遲。

FPGA 處理器收到 RF 訊號時,將 80 ns 的脈衝寬度傳送至 NPU,以及一個獨立的 5G 模組。
圖 1. 某大行動電信業者與 DFI 合作,在其 5G 小型基地台整合 Intel® Atom® 處理器。(資料來源:DFI Inc.)

這件事為什麼重要?時間是網路通訊的真諦。

「每部裝置都必須及時同步,才能確保所有資料與動作都一樣。」DFI 產品管理總監 Ethhan Wowg 解釋。「FPGA 同時向 5G 模組和 NPU 發出訊號時會被 GPIO 中斷。該中斷延遲是從訊號接收算起,到裝置展開第一個動作為止的時間。」

處理器收到訊號時,至少需要等上 20 至 25 μs,才能展開第一個動作,但這段時間實在是太久了。原因在於,5G 規格將程序週期分成「時段」,就這個 5G 小型基地台 PoC 而言,該時段定義為 125 µs。

「在只有 125 µs,延遲為 25 µs 的情況下,一個時段內全部的處理和通訊只剩 100 µs 的時間可以完成。」Wong 表示。

彎曲時間

為了克服這個時間問題,DFI 實作了幾種標準與非標準解決方案。

「我們實作了一個硬體電路,將 80 ns 脈衝寬度延伸為 200 ns,讓我們偵測得到訊號。」Wong 表示。「在軟體方面,我們採用不同的低延遲 Linux 核心,將延遲從偶爾的 40 µs 降到 20 µs,儘量縮短中斷延遲。」

DFI 還將 NPU 和 5G 模組之間的 PCIe 連線最佳化,提升了整體系統效能。但這樣一來,125 µx 的時段內用於處理和通訊的時間依舊稍微不足 100 µs。

儘管該業者基於低成本和低耗電選擇了 16 核心 C3000 處理器,但 SoC 透過 10 個 GbE 連接埠締造的運算效能和資料流量足足有餘,彌補了損失的時間(圖 2)。

圖 2.SoC 提供的運算效能和資料流量足足有餘。( 來源:Intel® )
圖 2. SoC 提供的運算效能和資料流量足足有餘。(資料來源:Intel®

為未來擴充 5G

5G 講求的不僅是速度,容量更是關鍵中的關鍵。我們在行動裝置消耗的高頻寬資料與日俱增,加入物聯網的日常用品也愈來愈多,網路勢必得擴展才足以支援。

從 CAPEX 的角度來看,以這一點為前提設計系統是最佳的行動方針。16 核心 C3000 處理器這類 NPU 提供的效能足以因應當今的工作量,也保有餘裕可因應未來日益增加的資料流量。DFI 這類網路硬體專家將 PCIe 訊號最佳化、調整 Linux 軟體堆疊,持續讓這些解決方案更上層樓。

5G 小型基地台網路已部署於全球五大洲。如果您想加入未來的行列,不趁此時更待何時。

作者簡介

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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