DFI versorgt 5G Small-Cellular und Multi-Access-Edge-Computing mit mehr Leistung

Kleine 5G-Zelle braucht große Veränderungen

Um die Geschwindigkeit des Internetverkehrs und der Cloud-Computing-Anwendungen, die eine schnelle Reaktion erfordern, zu erhöhen, stellt DFI das neueste COM Express Typ 7-Modul DV970 vor. Es bietet nicht nur eine verbesserte Rechenleistung bei sehr geringen Stromverbrauch, sondern auch vielseitige Erweiterungsmöglichkeiten. Aus diesem Grund hat sich ein führender Mobilfunkanbieter mit DFI zusammengetan, um das DV970 in seine 5G-Kleinzellen zu integrieren.

Region: Taiwan

Anwendung: 5G Kleinzelle POC (Proof-of-Concept)

Lösung: DFI DV970

5G für die Zukunft skalieren

Die Popularität von 5G-Mobilfunknetzen ist ein unwiderstehlicher Trend. Im Vergleich zu 4G können Benutzer im gleichen geografischen Raum 100x schnellere Download-Geschwindigkeiten, 10x geringere Latenz und Unterstützung für 500x Geräte erwarten. Es wird erwartet, dass diese Verbesserungen den Nutzern bei einer Welle von neuen Anwendungen helfen werden, von autonomen Fahrzeugen, Lieferdrohnen, Augmented Reality bis hin zu 4K/8K-Videostreaming - alles Bereiche, in denen 5G großes Potenzial aufweist. 5G ist eine einheitliche Konnektivitätsstruktur, die alles um uns herum verbinden wird.

Wie ein altes Sprichwort sagt: "Ein jeder mächtge Baum war einst ein kleines Samenkorn". Vor dem Übergang in die Ära des Internets der Dinge muss eine Infrastruktur geschaffen werden, die eine massive Datenverarbeitung unterstützen kann. Es muss genügend Spielraum vorhanden sein, um den erheblichen Anstieg der Datennutzung in den nächsten zehn Jahren zu unterstützen. Gleichzeitig müssen die Anforderungen an niedrige Latenzzeiten von Echtzeitanwendungen erfüllt werden.

Laut dem Ericsson Mobile Report 2020 Q2 wird sich der gesamte Datenverkehr in 5G-Netzwerken bis 2025 vervierfachen. Das bedeutet, dass die Kleinzelle als Backbone von 4G-Netzwerken über eine höhere Rechenleistung verfügen und die Arbeitslast des Cloud-Computings teilen muss. Basierend auf der Überlegung, die langfristigen Betriebskosten zu senken, die sich aus der drastischen Zunahme der Kleinzellen ergeben, um die 5G-Millimeterwelle (mmWave) aufgrund der kürzeren Übertragungsdistanz zu bewältigen, ist die Einbeziehung des Geistes des Software-defined Networking (SDN) und der Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) sowie die Annahme einer COTS- (Commercial Off-The-Shelf) und Allzweck-Hardwareplattform noch unverzichtbarer.

"Latenz" ist wichtiger denn je

Von nah bis fern lassen sich die Latenzprobleme von 5G-Netzen in zwei Ebenen unterteilen: "Signalverarbeitung" und " Servicequalität".

Gemäß der Time Division Duplex (TDD)-Architektur von 5G NR (New Radio) muss die Kleinzelle, wenn die theoretische Übertragungsbandbreite von 10Gb/s (Trägerbandbreite 400MHz, Subträgerabstand 120kHz) erreicht werden soll, einen Slot haben, der 14 OFDM-Symbole (Symbol) innerhalb von 125 Sekunden (µs) verarbeitet, mit anderen Worten, 8000 Slots müssen innerhalb einer Sekunde verarbeitet werden.

Aufgrund des Trends zu Software-defined Networking (SDN) und Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) werden Allzweckprozessoren immer geeigneter für Rechenkerne von Kleinzellen. Intel Atom® Prozessoren werden als Netzwerkprozessoren (NPUs) eingesetzt und mit FPGAs kombiniert, die für die Basisbandverarbeitung zuständig sind, um den Breitbanddatenverkehr der lokalen Kleinzelle effektiv an das Kernnetz weiterzuleiten und mehr Flexibilität für die Anwendungsbereitstellung zu bieten.

Um die technische Machbarkeit einer 5G-Kleinzelle zu bestätigen, untersuchte ein führender Mobilfunkanbieter den Einsatz des DFI DV970 mit Intel Atom® C3958-Prozessor mit FPGA und 5G-Kommunikationsmodulen, um einen Proof of Concept (POC) durchzuführen. Allerdings musste jedes Gerät jederzeit synchronisiert werden und regelmäßig einen Signalimpuls senden, um die Kohärenz von Daten und Aktionen zu gewährleisten. Daher war es eine Herausforderung, die Latenzzeit effektiv zu reduzieren. Eine längere Latenz bedeutete, dass der Prozessor eine höhere Auslastung der Rechenleistung verbrauchen musste.

Um das Latenzproblem zu überwinden, wählte DFI sowohl bei der Software als auch bei der Hardware einen zweigleisigen Ansatz. Zuerst optimierte DFI die Hardwareschaltung, um den Signalimpuls so schnell wie möglich zu erkennen, und verbesserte gleichzeitig die PCIe-Verbindung zwischen dem Prozessor und dem 5G-Kommunikationsmodul, um die Gesamtsystemleistung zu erhöhen. Zweitens bemühte sich DFI um mehr Verarbeitungszeit durch die Verwendung eines Linux-Kernels mit niedriger Latenz und gab mehr Prozessorleistung frei, um andere Netzwerkdienstanforderungen zu unterstützen.

Um sowohl eine geringe Latenz als auch eine hohe Bandbreite zu realisieren, teilte die 5G-Basisstation die BBU (Baseband Unit) in CU und DU auf. Die CU (Centralized Unit) war für die Verarbeitung von Nicht-Echtzeit-Protokollen und -Diensten zuständig, die DU (Distribute Unit) für physische Ebenenprotokolle und Echtzeitdienste.

Durch die Verwendung von SDN/NFV-Technologie sollte die BBU mit 4G/5G kompatibel sein und sowohl C-RAN (C-RAN), D-RAN (Distributed-RAN) als auch CU/DU (Centralized Unit) und DU (Distribute Unit) für 5G unterstützen, was sie mit einer robusten Fähigkeit für einen flexiblen Einsatz in der Zukunft ausstattet. Die neue Generation der modularen Basisband-Verarbeitungsplattform auf Basis der Intel-Architektur verfügt über eine höhere Kapazität, hochgradige Integration und flexible Multi-Mode-Netzwerkfunktionen, um die Gesamtbetriebskosten (TCO) zu senken.

Verfeinert für Edge-Computing-Server mit industrietauglicher Zuverlässigkeit

Nach dem Erreichen der Datenübertragungsrate von 10Gb/s gab es eine weitere wichtige Anforderung an 5G-Netzwerke: Netzwerk-Servicequalität mit einer "Latenzzeit von weniger als einer Millisekunde". Aber dies war kein ernstes Problem, denn es konnte durch die einfache Bereitstellung eines 5G-Netzwerks gelöst werden. Außerdem mussten die Server, die Netzwerkdienste bereitstellen, auch näher am Benutzer sein und Edge-Computing-Funktionen bereitstellen, um die Echtzeitanwendungen nutzen zu können. Noch wichtiger ist, dass der Server die beliebte x86-Architektur übernehmen sollte, um maximale Flexibilität bei der Anwendungsbereitstellung zu erreichen.

Das European Telecommunications Standards Institute (ETSI) schlug 2012 Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) vor und versuchte, verschiedene Arten von Netzwerkgeräten mit Virtualisierungstechnologie in eine gemeinsame Hardwareplattform auf Basis von x86-Servern zu integrieren, um die Netzwerkgeräte und die Gesamtarchitektur zu vereinfachen. Daraus entstand das Cloud RAN (Radio Access Network), das die Basisband-Signalverarbeitung im Cloud-Rechenzentrum zentralisiert, um die Gesamtbetriebskosten zu senken.

Die vom DFI DV970 übernommene Intel Atom® C3000-Serie verfügt über eine breite Palette von SKUs (2-16 Kerne), QuickAssist Technology (QAT), die Verschlüsselung, Entschlüsselung und Dekomprimierung beschleunigen kann, bis zu 16 x SATA, 16 x PCIe 3.0, 4 x USB 3 und 4 x 10 GbE Ethernet. Es geht dabei auf extrem niedrige Leistungsanforderungen (weniger als 10 W TDP) und High-Density-Formfaktoren wie MEC ein. Um die Geschwindigkeit des Internetverkehrs und der Cloud-Computing-Anwendungen, die eine schnelle Reaktion erfordern, zu erhöhen, bietet das DFI DV970 auf Basis von COM Express Typ 7 nicht nur eine verbesserte Rechenleistung und einen geringen Stromverbrauch, sondern auch vielseitige Erweiterungsmöglichkeiten. Das DV970 unterstützt 4 Ports von 10GbE-KR-Ethernet, um die Verbindung zwischen Server und Geräten zu stärken, und ist für einen stabilen Betrieb rund um die Uhr in einer Umgebung mit hoher Temperatur geeignet, weshalb es die ideale Lösung für 5G-Kleinzellen und MEC ist.

MEC-Server und zahlreiche 5G-Kleinzellen werden oft in einer relativ rauen Umgebung auf begrenztem Raum eingesetzt. Zusätzlich zur breiten Temperaturunterstützung muss das Gesamtdesign industrielle Computerspezifikationen übernehmen, was bei einem gewöhnlichen Server keineswegs der Fall ist. DFI ist seit langem im Bereich der Industriecomputer tätig und bietet Industrie-Motherboards, System-on-Module, Industriecomputer sowie Industrie-Panel-PCs und -Displays an. Darüber hinaus bietet das Unternehmen schnelle kundenspezifische Dienstleistungen für verschiedene Arten von Anwendungen, um die Anforderungen der Kunden zu erfüllen.

RemoGuard sichert die Verfügbarkeit zahlreicher Small Cells und Edge Computing Server

Viele 5G-Kleinzellen und Edge-Computing-Server werden in vielen Bereichen eingesetzt. Wenn das Betriebssystem abstürzt und das allgemeine In-Band-Remote-Management nicht genutzt werden kann, ist es notwendig, Personal für die Wartung vor Ort bereitzustellen. Je größer die Anzahl der Geräte ist, desto höher sind die Kosten, und dies führt zu einem schnellen Anstieg der Gesamtbetriebskosten (OPEX) und einer geringeren Servicequalität.

RemoGuard ist eine von DFI und Innodisk gemeinsam entwickelte Cloud-Management-Plattform und führt Out-of-Band-Management ein und verlagert das gesamte Management-System in die Cloud. Die Plattform kann automatisch die Daten sichern und das Betriebssystem remote wiederherstellen, wenn die Edge-Geräte abstürzen, was genau den Verwaltungsattributen von 5G-Kleinzellen entspricht - zahlreiche Stationen zu verwalten, die an mehreren Standorten verteilt sind.

Neben der Remote-Betriebssystemwiederherstellung bietet RemoGuard auch Dienste zur Geräteüberwachung. Die Plattform aktualisiert die in Echtzeit erfassten Daten zu Temperatur, Eingangs-/Ausgangsspannung und Stromverbrauch, um rechtzeitig eingreifen zu können. Dazu schätzt sie proaktiv die Lebensdauer von SSDs, indem sie die passive Benachrichtigung in eine aktive Vorhersage umwandelt, um einen präzisen Richtwert für den Zeitpunkt des Austauschs festzulegen und Vorteile für die Bestandskontrolle, die Wartungseffizienz und die Servicekontinuität der 5G-Kleinstationen zu erzielen.

Da die Verwaltung sowohl in-band als auch out-of-band erfolgt, sollten sowohl die Verbindung zur Cloud als auch die Daten selbst geschützt werden. Die fortschrittliche AES-Verschlüsselung wird eingesetzt, um Daten vor Manipulationen zu schützen, und das von Azure Sphere eingesetzte Transport Layer Security Protocol (TLS) stellt sicher, dass die Kommunikation vertraulich bleibt. Darüber hinaus können bei potenziellen Datenverletzungen oder unzulässigen Eingriffen in die physischen Geräte auch eine sichere Löschung und Selbstzerstörung ausgelöst werden. Das ist speziell in unternehmenskritischen Umgebungen erforderlich, um eine umfassende Datensicherheit bei der Übertragung zu gewährleisten.

DFI unterstützt Kunden bei der Skalierung von 5G für die Zukunft

Mit dem Aufkommen der 5G-Ära, sei es vom Radio Access Network (RAN), Multi-Access Edge Computing (MEC) oder Evolved Data Packet Core (EPC), ist es notwendig, eine gute 5G-Anwendungsumgebung zu schaffen und die Investitionsausgaben (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX) zu berücksichtigen. Die x86-Serverplattform mit hoher Anwendungsflexibilität, hoher Zuverlässigkeit und hoher Verfügbarkeit ist die idealste Wahl, die den Geist von Software-defined Networking (SDN) und Network Function Virtualization (NFV) Core vollständig umsetzt.

DFI, das sich auf Industriecomputer konzentriert, bietet nicht nur komplette Hardware-Lösungen und Cloud-Management-Systeme für 5G-Kleinzellen und Edge-Computing-Server an, sondern kombiniert auch den 16-Core-Atom-C3958-Prozessor und die 5G-Kleinstation durch sein DV970-COM-Express-Modul, um ausreichend Leistung für die heutigen Arbeitslasten zu bieten. DFI verfügt über genügend Erweiterungsmöglichkeiten, um sich an den stetig wachsenden Datenfluss in der Zukunft anzupassen und macht die Vision des Internets der Dinge erreichbar.