用于实时通信的模块化5G蜂窝基站
时间：2022-08-25 15:39:47
作者：Zeljko Loncaric
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整合了边缘服务器且具有实时功能的5G蜂窝基站是数字化转型的关键技术，它为工业物联网、工业4.0、重要基建等领域带来了大量新机遇。不过，要在严苛的工厂和户外环境下实现低延迟实时数据处理，这些解决方案必须特别强化。为此，世界上首款用于空调数据中心以外环境，专门面向工业领域的COM-HPC服务器模块终于问世。
制造业的数字转型需要高速实时网络，但在所有地方都铺上线缆显然不符现况。因此，具有实时功能的5G标准成为了工业通信的一场革命，它能够提供可靠的无线连接并实时处理海量数据，最重要的是，它的覆盖范围比WLAN更广。由于固定和移动设备都能使用5G网络，也就可以将整个工厂都连上网络。对于这种应用，5G可以管理高密度的联网设备，实现毫秒级的迅速响应并确保低延迟。凭借网络切片技术，5G还能创建多个独立的虚拟网络，它们在逻辑上由一个实体网络隔离开来。最后，5G还能为云原生架构奠定基础，让这些架构通过5G边缘计算，成为具有实时功能的雾服务器，与各种设备的无线通信。
开通3.7到3.8GHz频段为专网使用，这意味着5G可以在工业4.0环境的各种园区专网以及许多其它行业的关键基建中使用和运营。这些专网基建具有可扩展性且5G可兼容旧移动通信标准(预计也会兼容性后续的通信标准），这就确保了高投资的安全性。越来越多的公司因此部署了自己的5G专网，以运行关键的商业应用，实现数字化生产。MarketsandMarkets的研究显示，这一趋势将在未来数年里加剧。
©congatec
图1:工业5G基站可以运行极其繁多的任务。服务器模块扩展了5G网络和边缘计算功能，使OEM能够以低成本拓展小型基站(只比披萨盒大一点) 的性能。
当然，企业也可以使用公用网络，不过在乡村地区，公用基站(即大型基站）使用700 MHz带宽来达到15-20千米的信号范围，数据速率被限制在100到200MB/S。虽然这足以满足一整个大型汽车厂的需要(例如大众汽车在沃尔夫斯堡占地6平方千米的基地)，但单个5G基站的可用带宽不足以让整个工厂都联网，这样将占用全部的5G数据输出带宽，因此各企业才希望建立自己的专网。3.7到3.8GHz频段的网络可以实现最高100到200MB/S的上传速度和200到1000MB/S的下载速度。不过，基站范围被限制在视线可及的300米到3千米的程度。因此，工厂就需要多个基站。它们往往体积小巧，因此被称为小型基站或蜂窝基站。小型基站的尺寸和披萨包装盒(图1)差不多。在没有集成式边缘服务器技术的情况下，蜂窝基站甚至更小，其尺寸和一本书差不多，可供私人购买。
在这类应用中，5G蜂窝背后的边缘服务器设备最好以部署VNF(虚拟网络功能）的方式，直接安装在基站/RAN(无线电接入网络）设施上。如果对延迟要求不高，也可部署在设施的其它地方，例如微数据中心。建立共享硬件平台的好处在于，边缘云服务器和网络功能虚拟化(NFV）能在中央单元(CU）同时部署。
基站需要集成各种必要的硬件才能收发并处理5G信号，相当于5G无线电网络和数字基带之间的实体接口。此外，各边缘服务器功能所需的服务器性能要求也需要整合。由于各种应用的功能需求差异很大，采用服务器模块的模块化设计方式就是最好的选择。在此情况下，针对特定应用的功能可在载板(图2)上部署——例如带有相应扩展模块的5G无线电逻辑。
图2：定制载板甚至能被设计成灯柱里的5G基站。
有了采用新PICMG COM-HPC标准和新英特尔至强D处理器的服务器模块，开发者就能在严苛环境下获得此前无法实现的性能等级。这些加固式的模块可以在-40°C到+85°C的扩展温度内运行，具备长期使用性，并且对电磁干扰和冲击振动有特殊的防护能力。
为提供必要的性能，每个模块提供最多20个核心、1TB内存、8个速度达到2933MT/s 的DRAM插槽、47个PCIe通道，其中的32个PCIe Gen4通道具有双倍数据吞吐量；以及高达100GbE网络接口，并支持时序协调计算(TCC）和时间敏感网络(TSN），可实现设备间的实时通信。随着新模块的推出，未来的性能还有望大幅提升。不过，目前的性能完全可以满足当下的园区网络设计需求，这些设计采用Open-RAN的解决方案，使用5个服务器处理器，用于回传封包核心和中传CU/DU服务器。不过，这些设计需要机架空调系统，且无法用于更广的温度范围。通过将这些功能集成在单个蜂窝基站内，只需要两个虚拟模块，就可建造性能较低但具有实时功能的小型5G基站。
不过，要在单个边缘服务器上独立运行不同的实时应用，用户就需要服务器平衡和整合服务。这两者皆需要具有实时功能虚拟机的平台支持，且能够提供5G用户通信所需的服务器功能。Real-Time Systems的虚拟机监控器(Hypervisor)是实现这一目的的理想选择。这种虚拟化技术能够让企业利用自己的5G专网，透过网络切片技术，实现单个服务器平台上的异构实时应用。然后，企业就能够分配专门的系统资源给具体的任务和进程，确保它们的确定性。康佳特的服务器模块专门为此类应用设计，它们能够快速调节配置，以纳入实时主机托管服务（不同的应用可共享资源）所需的参数。这使工厂运营商能够更高效地配置实时5G边缘数据服务器，用于其生产设施中的机器自动化、机器人控制或自动物流等服务。
这些新模块的另一个优点是，它们在处理器模块中直接集成了原生TSN。如果5G核心逻辑也支持TSN (图3)，这些模块就能实现标准化的数据交换，以及从传感器到云端的持续、透明的通信，例如将OPC UA作为公开的实时通信协议。5G互联产业与自动化联盟（5G-ACIA）是由德国龙头厂商协会ZVEI领导的工作小组。该小组正在制定QoS、网络安全以及TSN集成方面的必要标准。这甚至能够实现无抖动的实时同步通信，通信周期时间将被精确记录，且能够进行100微秒到2毫秒之间的双向同步。
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图3: 只要5G基站支持TSN，它们就能运行实时应用。
将来，COM-HPC标准将扩展至功能安全领域，支持该功能的模块届时可以作为无人驾驶内部物流车辆 (拖车、货车、叉车、流水线车辆或货盘卡车）的中央控制器，也可用来协调协作机器人。提供预认证的计算机模块成为了可能，从而让客户更轻松快捷地实现新的安全类应用。
新的COM-HPC服务器模块从三个方面革新了边缘服务器设计：一、加固式服务器设计，搭载新款英特尔至强D处理器，可装在5G专网的蜂窝基站中，无需空调散热。二、该设计也支持更广的温度范围，使得它适用于标准工业环境以外的场景，包括建筑或农业领域的户外和移动应用场景。三、全球首款COM-HPC服务器模块的性能和可扩展性显著提高，具有大幅扩充的内存带宽、最多20个核心(图4)和8个DRAM插槽。除了业界第一的记录，它们还能够实现工业物联网领域的确定性实时计算。这使得它们适用于一体化解决方案：带有集成式边缘服务器的定制5G基站。
图4：工业5G边缘的服务器整合：最多20核心，可运行各种5G NVF和工业实时应用。
对于5G网络管理者来说，新模块还具有一系列针对特定用途的优秀服务器功能：在关键商用设计方面，这些功能包括强大的硬件安全功能，例如Intel Boot Guard、英特尔全内存加密- Multi-Tenant (Intel TME-MT) 和英特尔 Software Guard Extensions (英特尔 SGX)。全面的远程应用服务器(RAS）功能支持远程硬件管理功能，例如IPMI和Redfish，且可通过PICMG规范来确保这些功能之间的互操作性。最后，康佳特还提供全面的个性化系统开发和定制服务，包括COM-HPC设计培训、个性化整合支持、定制载板设计的合规测试等。
应用就绪的服务器模块产品，包括根据处理器TDP而适配的加固式散热方案。在软件方面，新模块全面支持Windows、 Linux、VxWorks以及RTS虚拟机监控器(Hypervisor)。它们支持英特尔至强D处理器系列的高核数(HCC)和低核数(LCC)，型号包括：
COM-HPC Server 模块 (conga-HPC/sILH) ，包括SizeD和可选SizeE，具有5个不同的英特尔至强D 27xx HCC处理器，可选4到20核心，8个DIMM插槽，最大1TB 2933MT/s的高速DDR 4内存(带ECC功能)，32个PCIe Gen 4和16个PCIe Gen 3通道, 以及100GbE吞吐量，实时2.5GB/s以太网(支持TSN/TCC)，处理器基础功率为65到118W。
新款COM-HPC Server Size D模块和传统的COM Express Type 7模块配备5个不同的英特尔至强D 17xx LCC处理器，可选4到10核心。congaB7Xl COM Expres服务器模块支持最大128GB的DDR 4 2666 MT/s内存和3个SODIM插槽，conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D模块拥有4个DIMM插槽，支持最大256GB 2933 MT/s DDR4内存或128GB UDIMM内存（带ECC）。两款模块系列都具有16个PCIe Gen 4和16个PCIe Gen 3通道。对于未来的高速网络，它们具备最大50GbE的数据吞吐量和2.5GB/s以太网（支持TSN/TCC），处理器功率为40到67W。
Zeljko Loncaric
德国康佳特市场营销工程师
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