5G倒逼数据中心平台与时俱进

March 2, 2023

Fanny Hu

发布于2022-05-27

5G是蜂窝互连的下一个前沿领域，但新一代网络技术将带来的不仅仅是下载更快和延迟更短。5G更高的带宽和更全面的覆盖范围有望开辟出手机以外诸多新的互连应用，从笔记本电脑到手持式物联网 (IoT) 设备，乃至汽车和大规模工业实现。据业界预测，随着4G设备向5G的迁移，21世纪20年代中期5G用户将超过10亿。但是，过渡到5G将需要在新的蜂窝基础设施上进行大量投入。5G架构与之前的实现方式将存在实质性的改变。推动这些变化的是从第四代演进而来的一些5G关键特征。我们将介绍这些关键特性，然后看看它们将如何影响典型5G系统的数据平台架构，并探索各层级数据平台的实现选项，从而确定典型的实现选项。我们还将详细介绍一个中型数据平台示例，以确定关键的设计选择和折衷方案。

5G特性驱动实现架构

低频段5G基站信号塔的工作频率范围与4G手机相似（从600MHz到850MHz），并提供类似的覆盖范围和下载速度（30Mbit/s到250Mbit/s）。因此，世界上许多地区已经淘汰了低频段5G。中频段5G塔使用约2.5GHz至3.7GHz之间的微波，将下载速度大幅提高到100Mbit/s-900Mbit/s的范围，同时将覆盖范围扩大了数英里。在大城市和其他人口稠密地区，中频段5G塔已经十分普遍，并且可能很快成为全球标准。

高频段5G当前工作在25GHz-39GHz范围内，其下载速度与有线互联网服务相当，约为1Gbps。但是，高频段5G也有其局限性。25GHz-39GHz的工作范围属于毫米波 (mmW) 频段低段。毫米波的范围比微波更有限，这意味着高频段5G将需要更多较小的单元来覆盖与中频段5G相同的面积。墙壁或家用电器等物理障碍物也可能限制高频段5G的连接性。毫米波也不能很好地绕过立体物。高频段5G的成本也比低频技术高得多。因此，在不久的将来，高频段5G可能会局限于相对开阔的大型设施，例如音乐会场馆和运动场。

5G数据平台金字塔

在确定具体实现的5G层次级别时，必须考虑覆盖范围、所需下载速度和成本效率等因素。5G分布式数据平台将数据处理、存储和通信放在架构的各级层次结构上，以优化成本、功耗、网络性能、工作距离和用户体验。最靠近网络边缘的是很小的微微平台，可覆盖建筑物或设施内数十米的范围。常见实例包括楼宇自动化、安保、工厂车间模块监视和控制。边缘设备的上一级是聚合平台，它将所有边缘设备聚合在一起，并在大约100米的距离上整合和优化数据流量。这些设备通常位于大楼或小型园区级别的场所，可以对通信进行分析、滤波、合并和确定优先级，有时还需要人工智能 (AI) 来帮忙。

中级平台位于大型中央数据中心（核心）之下，以提供更快的响应速度。这些响应通常基于算法，由核心选择和定期更新。这些平台提供了更靠近边缘的平台所需的实时控制。这些平台提供的数据分析和跟踪可以为平台提供商带来价值和新的收入来源。预测性维护、物料跟踪和路由、系统管理以及数据流量负载平衡等操作所节省的成本可以传递给用户（可用于抵扣订阅费或拿到一定比例的优惠）。

大数据运算在核心数据中心平台上运行。这些海量数据处理和存储设施拥有多年的运行历史和复杂的机器学习算法，可提供优化滤波器和流程来对中间平台进行编程，以实现快速响应，并为客户带来增值服务。

评估不同类型的数据中心平台

5G层次结构的每个级别对设计人员提出了不同的要求和权衡：

小型平台是系统中成本、占用空间和功耗很受限制的元素。它们应具有易于安装和中等寿命等特性，因为每个聚合平台都需要数个这样的平台。在这一层级，可以利用MCU来实现，因为它们提供所需的低成本、低功耗和较小的占用空间，同时在灵活性和处理能力方面做出了一些较小的牺牲。

聚合平台对灵活性、处理能力、中间存储和安全性的要求很高。采用现场可编程门阵列 (FPGA) 可以提供极大的灵活性和处理能力，因为可以根据新协议、新AI算法或为客户带来新增值的需要对底层硬件进行重新编程。FPGA还可以轻松扩展，从而允许提供商打造不同级别的产品，例如分别处于不同的价位和价值水平，具有不同程度的灵活性和处理能力。

中间平台需要高水平的原始处理能力、安全性和灵活性，可以在成本、功耗和占用空间上作出牺牲。在这个级别上，内存保护单元（提供常用操作的原始处理能力）和FPGA（提供灵活性和适应性）的组合使用将是优秀的实现方法。用户甚至可以根据需要对FPGA进行实时重新编程，以满足对视频处理、加密、解密、搜索和滤波等重要功能的更多需求。AI算法甚至可以通过分析它们在占用率、流量模式、天气等关键指标中发现的线索来预测此类需求。

聚合平台如何工作

我们来看下中端聚合平台如何在设备内实现关键功能。通过将FPGA与片上MCU配合使用，设备可以从MCU开始运行，从而为启动和安全更新提供一个已知的安全起点。这种信任根使用强大且受到保护的加密、解密和安全密钥存储操作，以阻止黑客和病毒接管系统。MCU还可以处理标准操作，例如通信、数据包处理、视频处理、压缩和存储。片上FPGA硬件可用于不太常见但需要大量处理能力的操作，以使MCU腾出时间来完成必须及时完成的常用操作。

FPGA可用于数字滤波、图像处理、图像识别和类似的特殊操作，可能与人工智能和机器学习算法结合使用，以根据需要预测和对硬件编程。随着时间的推移，可以从中间和核心平台识别、创建和下载新算法，以进一步优化性能并为平台提供商创建新的收入流，为客户节省成本。

结语

5G意味着云、核心和边缘的融合。但重要的是，这些要素中的每一个都需要在正确类型的基础设施上运行（或者有正确类型的基础设施可供它们使用）。不管边缘计算对于5G有多么重要，始终都需要一个核心，但是随着5G连接的激增以及5G兼容设备数量的持续增长，这些设备对中小型分布式数据中心平台的需求也将不断增长。从核心一直到边缘的计算将成为5G时代的标志。这将是一个万物互连的世界，从空调和冰箱到飞机、火车和汽车，都和手机一样连接到相同的蜂窝网络。