當前，網絡連接與聯網設備的數量均呈指數級增長，使得通信服務提供商對于靈活的無線接入網 (RAN) 架構的需求也持續高漲。開放式 RAN (O-RAN) 是RAN 的非專有實現，能夠使不同供應商提供的蜂窩網絡設備之間實現互操作性。為了支持 O-RAN 概念的推廣，RAN行業的移動網絡運營商、供應商以及研究和學術機構組成了名為 O-RAN 聯盟1的全球社區。

第三代合作伙伴計劃 (3GPP)2 是一組制定移動電信協議的標準組織的總稱。5G NR(New Radio，即新空口)是 3GPP 針對 5G 開發的一種新的無線接入技術 (RAT)，旨在成為5G網絡空中接口的全球標準。

通信服務提供商正在積極推進 RAN 的虛擬化，以實現類似云的敏捷性和經濟性。在他們當中，尋求通過虛擬 RAN (vRAN) 和 O-RAN 協作為 5G 部署帶來可擴展性和運營效率已成大勢所趨。這其中就涉及到網絡切片的概念。通過使用網絡切片，通信服務提供商可提供性能和質量水平皆有保證的5G服務，進而增加收入。據預計，2020至2030年，RAN 網絡虛擬化市場的復合年增長率 (CAGR)將達到19%3。

作為 O-RAN 解決方案的關鍵部分，蜂窩基站路由器(CSR)會聚合來自 1 個或多個無線電塔的移動數據流量，然后再將其傳輸回通信服務提供商的核心網。實施 RAN 虛擬化的環節之一即是對蜂窩基站路由器進行虛擬化處理。英特爾的加速虛擬蜂窩基站路由器(vCSR)解決方案，采用基于英特爾 Agilex 7 FPGA 的 N6000-PL 平臺以及符合 O-RAN 標準的精確時間協議，可助力通信服務提供商提高服務創收能力。

從 4G LTE 向 5G NR 演進

用于 4G LTE 與 5G NR RAN 的無線網絡設備之間存在著諸多差異。例如，無線網絡天線和基站通常使用不同的前傳鏈路協議。

圖 1 (a) 和 (b). 4G 和 5G RAN 架構差異的概括性表示。在 5G RAN 中，基站拆分為三個邏輯節點：RU、DU 和 CU

在 4G RAN 中，蜂窩基站的無線收發器稱為“遠端射頻頭(RRH)”。這些收發器連接至又稱“基帶單元(BBU)”的基站，而基帶單元本身則連接到核心網。就 4G RAN 而言，術語“前傳”是指 RRH與 BBU 之間基于光纖的連接，而術語“回傳”是指 BBU 與核心網之間的連接。如圖 1a 所示，4G 前傳部署通常使用通用公共無線接口(CPRI)。

5G RAN 架構則設有 3 個邏輯節點，且這 3 個邏輯節點通常作為3 個獨立設備來實現。下層 1 (L1) 功能中有些向上移入無線單元(RU)，其余功能則在分布式單元(DU)和中央單元(CU)之間進行劃分。就 5G 而言，“前傳”指的是 RU 和 DU 之間基于光纖的連接，“回傳”指的是 CU 與核心網之間的連接。另外，為了描述DU 和 CU 之間的連接，還使用了一個新的術語“中傳”。

眾多 5G(以及部分新部署的 4G )用例均要求大大增加前傳帶寬。為解決高帶寬前傳成本增加的問題，架構師建議在 BBU和 RRU 之間使用新的功能分區。減少前傳帶寬的一種方法是將功能從 BBU 轉移到 RRU 中;另一種方法是使用數據壓縮技術。3GPP 標準組織對大多數移動通信網元、測試和互操作性進行了定義，但卻未定義前傳接口。此前，這一空白一直由通用公共無線接口(CPRI) 填補。但對于 5G 和基于以太網的傳輸而言，已有部分工作組邁出重要一步，填補了這一規范上的空白。

CPRI 接口要求使用專用“暗”光纖并承載著“基本幀(basic frame)”信息。這些基本幀封裝用戶平面流量(時域數字化無線電流量)、控制平面信息和時間信息。時間信息易于提取且具有高度確定性。使用時間信息可相當輕松地使無線電同步精度達到所需的 ±8 納秒左右。 如圖 1b 所示，5G 通常使用基于增強型 CPRI (eCPRI) 傳輸協議的O-RAN 進行前傳。O-RAN/eCPRI 通過以太網進行傳輸。使用以太網這種很常見的傳輸類型，可獲得多種技術和成本優勢。

然而，以太網最初并非為傳輸時間敏感型信息而設計，因此這樣做存在著巨大挑戰。以太網數據包在網絡中可以采用不同路徑進行傳輸，它們有可能會經過路由器，而且大多數網元會產生約10 微秒的非確定性時延。為解決這一問題，O-RAN 接口支持多種同步機制。這些同步機制主要利用的是時間敏感網絡 (TSN)方面的 IEEE 標準，例如IEEE1588v2 “Standard for PrecisionClock Synchronization Protocol for Network Measurementand Control Systems”(網絡測量和控制系統的精確時鐘同步協議標準)。而通過在同一個以太網接口/路徑使用一系列精確時間協議 (PTP) 報文，兩端可實現“time of day” (ToD) 的準確交換。鎖定至主參考時鐘 (PRTC) 源[例如，全球衛星導航系統(GNSS)] 的主時鐘，會將 ToD 分配給作為從屬時鐘的其他網絡實體。在 O-RAN 網絡拓撲結構中，這些網絡實體通常為無線單元 (RU)。從屬時鐘在對比內部 ToD 后將調整自身時鐘以跟蹤主參考時鐘的ToD。主參考時鐘可能會與CU、DU或核心網混布。雖然不強制要求保持端到端時間精度，但應保持網絡中交換機和路由器的同步。

就前傳而言，典型的 5G RU 通常使用 eCPRI 和 3GPP 定義的功能拆分選項 7.2，而 4G RU 通常使用 CPRI 和功能拆分選項 8。如果 RAN 必須同時容納 4G 和 5G 基礎設施，往往會使用稱為“前傳網關 (FHGW)”的設備來執行 CPRI 到 eCPRI 的轉換，包括位于功能拆分選項 7.2 和功能拆分選項 8 之間的 L1 信號處理(FFT 和 PRACH)。 RAN 部署分為兩大主要架構。在 C-RAN(云 RAN)部署中，DU 采用集中部署方式，可位于距離 RU 20 公里或更遠的地點。這是一種適用于都市密集場景的典型部署，支持可優化處理需求的基帶池化技術。在 D-RAN(分布式 RAN)部署中，DU 分布于各個蜂窩基站。這是一種適用于偏遠地區場景的典型部署。

圖 2. 5G RAN 場景中蜂窩基站的概括性表示

5G D-RAN 需對 RU(無線收發器和天線)、DU 和輔助設備(見圖 2 )進行組合設計。該場景下，蜂窩基站路由器 (CSR)會將 RU 與 DU，以及 DU 與 CU 所在的移動基礎設施的其余部分連接起來。RU 和 CSR/DU 間的前傳連接通常由光纖承載。DU/CSR 和聚合路由器/CU之間的中傳連接可通過光纖、微波或衛星鏈路來實現，其中衛星鏈路使用的是經由多協議標簽交換(MPLS) 技術傳輸的 IP 協議(下稱“IP over MPLS”)。

多個 RU 可連接至單個 CSR，一個網狀網絡或環形網絡中的多個CSR 可連接至單個聚合路由器。在編寫本文檔之時，大多數CSR 通常作為 DU 的外部獨立設備來實現。不過，隨著行業從4G 轉向 5G，在同一個商用現貨 (COTS) 平臺中實現 CSR 功能、面向 4G 無線網絡的可選 FHGW 功能、面向未來的可選 6GNumerology 前向糾錯 (FEC) 加速功能以及 DU 的融合已成為可能。

分布式基站(CU 和 DU)與集成 vCSR 相結合的理念對運營商來說有著諸多優勢。以 D-RAN 為例，前傳網絡的距離可能很短，因此可以減少時間敏感交換機的用量或可以將其完全移除。而降低前傳的復雜性也會不可避免地限制時鐘同步區域。這些均有助于簡化硬件設計并降低成本。例如，現在可以使用來自Supermicro、啟碁科技(WNC)和控創的 COTS 服務器來實現 DU 功能，該服務器包含了利用英特爾 FPGA SmartNICN6000-PL 平臺加速卡實現的 vCSR(下文將進行闡述)。由于前傳要求具備高數據速率，因此終止靠近 DU 端天線的鏈路，就可以在既不需要時鐘同步，也不需要糾錯的中傳部分使用低得多的數據速率。與此同時，基站拆分還有助于通過多個中傳路徑實現多種網絡切片方案，或方便在多個運營商之間共享移動基礎設施。

英特爾 加速 vCSR 解決方案概覽

基于英特爾 FPGA 的加速 vCSR 解決方案采用一體化架構。該架構采用集成的 vRouter 功能 (vCSR)，以及 FHGW(可選擇集成)和基帶加速功能(可選擇集成)。如圖 3 所示，所有這些功能均混布于同一個基于英特爾 Agilex 7 FPGA 的SmartNIC(即英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL 平臺)上。該卡可插入 x86 服務器，充當虛擬 DU (vDU)。

此外，由于基于英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL 平臺的加速卡可作為配備 SR-IOV 接口的基礎網卡(即運行應用時，無論是否使用英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL 平臺，都不會帶來功能上的變化)，因此也可以增加諸如層次化服務質量(HQoS) 等額外的用戶服務。

圖 3. 使用 FPGA SmartNIC 加速卡，實現 CSR 功能虛擬化

第四代英特爾 至強 可擴展處理器 (SPR-EE) 內置名為英特爾vRAN Boost 的專用片上硬件加速器。當 vDU 運行在這款處理器上時，英特爾 vRAN Boost 即可從主 CPU 內核上卸載 4G(Turbo) 和/或 5G (LDPC) 的 FEC 任務。對于沒有內置英特爾vRAN Boost 的處理器而言，FEC 可在運行 vCSR 的同一個基于英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL 平臺的加速卡上實施。

集成的 vRouter 功能將處理層 2 (L2) 流量管理和層 3 (L3) 路由任務，并提供 IEEE 1588 精準時間協議支持。這一解決方案旨在支持瞻博網絡云原生路由器堆棧，該堆棧具備高性能、可擴展的商業級路由功能，可為與 MPLS 數據平面集成的路由平面提供先進的解決方案。另外，還有 FRRouting (FRR)項目等開源方案可供使用。這些 vCSR 任務在英特爾 Agilex 7 SoC FPGA 的硬核處理器子系統 (HPS) 內核上運行，因而可釋放主機服務器的處理器內核，用于執行那些創收功能。

英特爾 加速 vCSR解決方案可支持 MPLS 或 SR-MPLS 協議下的中傳(F1接口)，同時還能夠憑借特有的可編程性，以相同的硬件為未來的基礎設施(如 SRv6)提供支持。另外，該解決方案還支持自動預配，這是一項通信服務提供商所需的關鍵功能，可簡化網絡切片任務。自動預配可避免對每個 MPLS 標簽進行手動編程(要知道，手動編程會延緩部署進程)。通信服務提供商在手動輸入用于網絡切片的 MPLS 標簽時，每個標簽必須乘以切片數。這可能導致他們需要手動輸入數以萬計的條目，不僅耗時且容易出錯，而所有這些都可以通過自動預配加以避免。 英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL 平臺支持各種 O-RANWG-4 規范定義的同步配置文件，包括 LLS-C1(其中 vCSR為 GM/T-BC，RU 通過光纖同步)，LLS-C2(其中 vCSR 為GM/T-BC，RU 通過網絡同步)，LLS-C3(其中 vCSR 和RU 均通過網絡同步)和 LLS-C4 (其中 vCSR 和 RU 各自進行同步)。概括而言，英特爾 加速 vCSR 解決方案將前傳到中傳的轉換與同步結合起來，將中傳傳輸功能與網絡切片支持以及服務器管理和遙測管理結合起來，滿足了網絡運營商的關鍵要求。此外，英特爾 加速 vCSR 解決方案還支持 5G Class B 和 Class C 系統要求的時鐘精度。

作為英特爾 FPGA N6000-PL 平臺的備選方案，英特爾 加速 vCSR 解決方案也可在集成了外形規格符合特定配置要求的英特爾 Agilex 7 FPGA 的定制板卡上實施。例如，英特爾 FPGA N6000-PL 平臺支持 6 個前傳或中傳端口(每種 3 個)，定制板卡可以在此基礎上增加端口數量。其他自定義功能還包括安全功能，例如互聯網安全協議 (IPsec) 或在硬件中實施的媒體接入控制安全協議 (MACsec)。與此同時，路由和控制堆棧可以使用嵌入英特爾 Agilex 7 SoC FPGA 的硬核化 Arm 處理器內核來實施，進而使這些功能對運行在主機上的軟件應用始終 處于不可見的狀態。 英特爾 Agilex 7 FPGA 和 SoC FPGA 具備硬核化的安全設備管理器 (SDM) 功能，使 FPGA 在現場即可進行安全更新。這能夠支持多種高級功能，例如防止 Day-0/Day-1/Day-2 漏洞攻擊的安全預配功能，這是實施系統管理，實現自動遠程更新的關鍵要素。

在同一基于 FPGA 的加速卡中實現上述虛擬功能(以往，這些虛擬功能是通過獨立的外部組件或加速卡來實現的)所帶來的價值、能力和可管理性不言而喻。原本涉及多個供應商的不同應用編程接口(API)的組件管理也在很大程度上得到簡化。與此同時，這也大幅減少了連接大型蜂窩基站各個設備所需的電纜和光纖數量。

網絡切片支持

在邊緣計算位置實現低時延服務通常需要修改該位置的硬件和軟件要求。以 4G/LTE 安裝場景為例，由于不需要專門針對特定用戶的功能，因此硬件和軟件可以作為專有設備來實施部署。相比之下，為提升 5G 服務的創收能力，使用 DU、CU 和 5G 用戶平面功能 (UPF) 運行低時延用戶服務是一種標準部署模式。

理想的實施方式是使用 COTS 服務器，并配置基于 FPGA 的硬件加速卡，進而充分利用服務器 CPU 內核來運行用戶服務。很多時候，用戶服務將與 UPF 處于同一位置，這樣可以判定哪些流量應作為由邊緣計算資源處理的低時延流量，而非由核心網服務處理的普通流量。圖 4 所示為上文提到的這類可能。

圖 4. 網絡切片示例

根據網絡切片要求，UPF 和多接入邊緣計算 (MEC) 的位置應盡可能靠近前傳，置于接入網或 5G 核心網中。COTS 服務器可用于所有這些位置。這意味著移動基礎設施可由單獨的 COTS服務器構成，其中 DU、CU 和 UPF 功能均作為應用來運行，使用的是 CPU 內核。我們可以使用一個或一套服務器來運行規模較大的 DU，或者也可以將此類 DU 與其他功能混布。在所有這些情況下，功能雖然相同，但流量的處理能力將根據部署模式進行擴展。

如今的電信運營商都希望找到能夠聯通邊緣服務與移動基礎設施的理想方式。從傳統的標簽分發協議 (LDP) MPLS 到多種通過 IPsec 增強的分段路由協議選擇方案，再到帶內操作、管理和維護 (iOAM) 功能，可供考慮的技術有很多，但各家運營商都希望部署更為強大的解決方案，以便為客戶提供更合適的連接選擇。FPGA提供了一種經濟高效的方式來實施硬件加速的高性能解決方案。

英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL

平臺概述

英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL 平臺(圖 5)是第三代基于英特爾 Agilex 7 FPGA 家族系列的 SmartNIC 產品， 主要用于網絡加速。它支持 2 路 100 Gbps 以太網連接，與前幾代產品相比，性能更加出色，總體擁有成本 (TCO) 更低，并具有可擴展性。

圖 5. 英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL 平臺示意圖

英特爾 Agilex 7 FPGA 采用英特爾先進的 10 納米 SuperFin 技術和第二代英特爾 Hyperflex FPGA 架構構建。與 7 納米 FPGA 其他產品相比，英特爾 Agilex 7 FPGA 邏輯結構的每瓦性能提升大約 2 倍。本文探討的基于 FPGA 的高性能 SmartNIC 平臺功能全面， 可支持通信工作負載 [如 4G/5G vRAN、vCSR、5G UPF、Contrail2 (CN2) 以及 SMPTE ST2110 通過托管 IP 網絡傳輸的專業媒體等]的硬件可編程加速。

如圖 6 所示，英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL 平臺通常以 2 種方式呈現：

作為可量產解決方案：希望按產品原始設計部署基于 N6000 的商用現貨 SmartNIC 的客戶可自英特爾合作伙伴處購買基于 N6000 的量產網卡和面向不同工作負載的應用。開放式 FPGA 堆棧 (OFS) 和基板管理控制器 (BMC) 設計文件可在合作伙伴處獲得，用以加速自定義工作負載的開發。

作為平臺設計：希望通過利用 N6000 板卡設計進行自定義設置以提升產品差異化，進而加速自身自定義板卡設計的客戶，可以使用英特爾 FPGA N6000-PL 平臺。平臺包括板卡設計文件、開放式 FPGA 堆棧、BMC 設計、工作負載、文檔和非量產板卡(請聯系當地的英特爾銷售代表，了解更多信息)。

圖 6. 英特爾 FPGA N6000-PL 平臺既可作為英特爾合作伙伴的 COTS 解決方案，也可作為英特爾的平臺設計提供，用于定制化解決方案

英特爾 FPGA SmartNIC N6000-PL

平臺規格與訂購信息

結 論

越來越多的通信服務提供商在尋求通過虛擬無線接入網為 5G 部署帶來可擴展性和運營效率。實施 RAN 虛擬化的環節之一即是對蜂窩基站路由器進行虛擬化處理，這有助于通信服務提供商提升服務創收能力。英特爾 加速 vCSR 解決方案采用基于英特爾Agilex 7 FPGA 的 N6000-PL 平臺以及符合 O-RAN 標準的精確時間協議。目前，SuperMicro、控創和啟碁科技等多家英特爾合作伙伴的 COTS 服務器均可提供這一 vCSR 解決方案。

由于這一硬件加速的 vCSR 解決方案符合 O-RAN 的 LLS-C1、LLS-C2、LLS-C3 和 LLS-C4 同步配置文件要求，因此可在提升互操作性的同時，提供 5G Class B 和 Class C 系統要求的時間同步精度。CSR 路由和控制堆棧運行于英特爾 Agilex 7 SoC FPGA的硬核處理器系統，無需在主機上預配 CPU 內核。

由于該 vCSR 解決方案采用的是常見軟件并且基于標準的開源 API 構建，因此可避免供應商綁定風險，為客戶提供更多選擇，同時還可簡化網絡部署和故障排除工作。此外，英特爾 vCSR 解決方案還支持網絡切片，可助力運營商提高自身服務創收能力。

審核編輯：湯梓紅