NVIDIA空中导航SDK改造5G通信

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

NVIDIA Mellanox 5T for 5G技术为构建高效、时间同步的CloudRAN基础设施提供了实时、高性能的解决方案。

在云原生RAN（CloudRAN）环境中，在兼容O-RAN 7.2x的前、中、后长途组件之间实现时间同步和网络流量的高时间精度一直是一个挑战。此外，在指定的时间窗内，通过fronthaul radio access networks（RAN）的以太网/IP链路保持增强公共接口（eCPRI）数据包的实时和精确的时间限制传输一直是5G无线推出的一大障碍。

在这篇文章中，我们将讨论如何使用低成本的NVIDIA SmartNICs、NVIDIA空中SDK和NVIDIA gpu以及现成的服务器，利用CloudRAN的灵活性、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

电信（telco）提供商正在经历业务转型，用现成的服务器取代传统的网络基础设施，以实现开放、经济、可扩展和可编程的网络。

5G是以Gbps数据速率和亚毫秒延迟连接数十亿个设备的基础。因此，5G在容量、密度、带宽和低延迟方面代表了一场完美的连接风暴，将迅速取代现有的4G LTE网络架构。
为了顺利过渡到5G网络，电信业已经取得了巨大进展，将4G LTE演进包核心重新架构为基于控制和用户平面分离（CUPS）和5G用户平面功能（UPF）的移动包核心。

虚拟化无线接入网络（RAN）可以带来以下好处：

移动网络中的协调、集中和虚拟化

在网络边缘启用新服务

支持资源池化（更经济高效的处理器共享）、网络切片和负载平衡

从高容量单元到低容量单元的可扩展性（更灵活的硬件容量扩展）

层互通（应用层和RAN之间的紧密耦合）

Challenges in building time-sensitive radio access networks

虽然电信云核心网络现在是开放的、分类的、可编程的和高效的，但是类似的RANs转换进展缓慢。虽然O-RAN 7.2规范提供了有关无线单元（RU）、分布式单元（DU）和集中式单元（CU）基带单元（BBU）功能分离的指导，但在多个rru和BBU之间高效、实时的数据传输并非易事。

在云本地RAN（CloudRAN）中，时间同步和实现RUs、CUs和DUs之间网络流量的精确时间精度仍然是一个挑战。此外，在fronthaul-RAN的以太网IP链路上，增强型公共接口（eCPRI）包在指定的时间窗内的实时、精确的时限传输一直是一大障碍。

Why are incumbent FPGA vRAN solutions inefficient?

在分布式云本地边缘网络中同步时钟一直是一个长期存在的问题。精确的时钟使应用程序能够在跨不同节点和位置的公共时间轴上运行，这反过来又精确地实现了任务和资源的一致性、事件顺序、因果关系和调度。移动网络的本质要求在这些领域具有极高的精度，以允许许多不同的用户设备（UE）设备同时连接，并在它们在rru和bbu之间移动时保持连接。
基于现场可编程门阵列（FPGA）的网络适配卡已经成为解决定时参考和同步难题的常用方法。但是，随着转向5G、开放式RAN和eCPRI，此解决方案是非最优的，效率低下，因此不适合以下原因：

耗电：典型的FPGA nic耗电量大，比SmartNIC解决方案耗电量多3倍。

价格昂贵：可重新配置FPGAs。但是，它们比专门构建的SmartNICs贵3倍。FPGAs非常适合实现点功能，但不适合大规模的CloudRAN部署。

与软件或应用程序紧密耦合：FPGA逻辑与在FPGAs中实现的应用程序逻辑紧密耦合，在应用程序和网络子系统之间创建不希望的依赖关系。此外，FPGA逻辑是为预定义的解决方案参数设计的，这意味着对应用程序需求的任何更改都需要重新编写一个FPGA逻辑。虽然从理论上讲，现场可升级，但在实践中，现场升级FPGAs太危险，不实用。

另一方面，SmartNICs为所有与应用程序逻辑分离的应用程序提供了一个一致的、软件可编程的、开放的接口。应用程序升级很容易集成，精心设计的SmartNIC可以通过硬件加速引擎完成定时同步和实时数据传输的所有繁重工作，从而完全卸载已运行的VNF。

定制开发：随着第一代分门别类的fronthaul系统开始进入市场，FPGAs被用于满足实时性要求，基本上作为工业标准x86服务器中的NIC发挥作用。然而，正如往常一样，FPGAs对于原型是好的，但对于大规模生产不是好的。FPGAs并不是最佳的解决方案，它需要为每种链路类型和速度进行定制开发。

随着网络速度的提高，每一个链路速度（25/50/100/200Gbps）、布线技术（铜缆/光纤）和收发器（SFP、SFP+、QSFP等）都需要新的FPGA NIC硬件设计，从而减缓创新速度并增加成本。这也导致了与市场上现有电缆的互操作性问题。此外，与市场领先的NVIDIA Mellanox ConnectX SmartNIC系列相比，具有FPGAs的以太网链路质量是不可比拟的。Mellanox SmartNICs支持所有标准的网络速度和现成的链接类型，并且具有灵活性和高度可靠性。

封闭源代码开发：最后，FPGA nic阻碍了开放源代码开发，并且通常依赖于来自FPGA供应商的专有工具。常见的开源管理工具（如安全引导、PXE引导、主机管理）和标准数据路径软件库（如数据平面开发工具包（DPDK））不可用于FPGA nic。Mellanox ConnectX-6 Dx等标准网络适配器是开放的、可编程的，支持所有社区支持的软件工具和库。

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

如表1所示，基于ASIC的SmartNICs在构建高效且符合O-RAN的CloudRAN方面优于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)

正如英伟达CEO黄延森在GTC Digital 2020期间宣布的那样，在ConnectX-6 Dx SmartNICs中，5G技术的突破性5T现已面世。ConnectX-6 Dx是业界第一个为eCPRI提供超精确时间同步的SmartNIC，并提供了一个5合1解决方案：

实时传输技术

高吞吐量

低延迟

低功率

广泛的硬件加速能力

Major 5T
for 5G features

5T for 5G是电信公司的时间触发传输技术，它为5G云本地vRAN基础设施的推出提供了独特的功能。

实时数据传输硬件负载

O-RAN eCPRI封装和脱封装卸载

精确的包起搏

ASAP2限时分组流引擎

实时数据传输硬件负载

对于5G的5T，多个分组数据流在时分复用分组流中通过前程网络在分布式单元和无线单元之间传输。

多个数据包流由软件调度，但由ConnectX SmartNIC硬件传输和加速。这种硬件加速的时间同步使跨多个频率和时间片的矩阵的多个数据流的精确和高效管理成为可能。
ConnectX-6dx或网络适配器包括极其精确的5T，用于5G时间同步，用于CloudRAN和eCPRI窗口中的精确时间戳和有时间限制的包转向。

图3. NVIDIA ConnectX-6dx NIC中的5T for 5G eCPRI窗口功能允许通过软件调度多个数据包流，并以硬件加速进行传输。

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.

这种方法的优点是提高了时间精度和准确性，而不必给CPU增加数据传输或同步任务的负担，也不需要昂贵的FPGAs。

最高时钟精度：准确的时钟基准对于eCPRI数据包的时间触发、实时传输至关重要。毕竟，我们都知道“垃圾输入，垃圾输出”的说法。5T for 5G高级计时硬件卸载技术通过提供<16ns的时钟精度，超过了严格的ITU-T G.8273.1/G.8273.2配置文件计时规范。

硬件定时同步卸载：5T for 5G在SmartNIC中实现IEEE1588v2 PTP挂钟（UTC格式）。它使任何实时软件应用程序能够直接、准确地将自身与从SmartNIC接收到的时间戳信息同步，而无需任何数据路径转换或开销。

O-RAN eCPRI窗口：ConnectX-6dx在O-RAN 7.2规范中规定的一微秒窗口内精确、准确地传输eCPRI数据包。因此，5T for 5G技术使应用程序能够直接从SmartNIC接收特定层和天线端口的专用eCPRI流到应用程序的专用缓冲区中。这个功能可以很容易地使用cuVNF启用，cuVNF是空中SDK的一部分。

O-RAN eCPRI封装和脱封装卸载

图4显示了eCPRI协议栈，它对于开放和可互操作的5G无线接入网络至关重要。

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技术处理eCPRI包封装和解封装，从而释放与此操作相关的CPU周期。这进一步提高了延迟，减少了数据路径处理开销，进一步提高了效率。

精确的包流量

ConnectX-6dx SmartNIC为O-RAN 7.2规范中提到的eCPRI流实施精确的比特率。
ASAP2限时分组流引擎

加速交换和分组处理（ASAP2）使软件定义的、硬件加速的虚拟网络功能（VNF）和容器化网络功能（CNF）能够根据网络服务和应用的需要，精确地控制进出方向的流量。嵌入在ConnectX-6dx智能网卡中的ASAP2时间引擎使用网络精确时间作为所有基于时间的网络操作的参数。

例如，应用程序可以指示SmartNIC在YY:MM:DD:HH:MM:党卫军粒度。由于具有如此精确的定时控制，eCPRI前端应用软件实现效率高，实时性受到很大限制。

结论

5T for 5G技术嵌入Mellanox ConnectX-6dx SmartNICs，提供O-RAN 7.2规范所需的硬件加速定时同步和实时传输要求。5G技术突破5T，高效、经济地处理分门别类的RAN部署，无需非最优、低效和昂贵的FPGA NIC解决方案。当与运行在NVIDIA EGX GPU平台上的NVIDIA空中SDK中的cuVNF和cuBBU相结合时，组合的解决方案提供了一个强大的实时CloudRAN解决方案。