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成功事例

DFIが5Gスモールセルとマルチアクセスエッジコンピューティングに馬力を付与

5G NR(新無線)フレーム構成。

小さな5Gセルに必要な大きな変化

インターネットトラフィックや高速応答を必要とするクラウドコンピューティングアプリケーションを高速化するために、DFIが投入した最新のCOM Express Type 7モジュールDV970を紹介します。DV970は、コンピューティング性能の強化と低消費電力だけでなく、汎用性の高い拡張機能を提供します。そのため、大手携帯電話会社はDFIと提携し、DV970を同社の5Gスモールセルに取り入れました。

 

地域:台湾

アプリケーション:5GスモールセルのPOC(概念実証)

ソリューション:DFI DV970

 

将来に向けた5Gの拡張

5Gモバイルネットワークの需要は、抗うことのできないトレンドです。4Gと比較して、ユーザーは100倍高速のダウンロード速度、10倍の低遅延を享受でき、同じ地理的空間で500倍のデバイスをサポートすることができます。これらの機能強化は、自動運転車や配達用ドローン、拡張現実、4K/8Kビデオストリーミングなど、5Gが大きな可能性を示している全分野の新しいアプリケーションの波において、ユーザーを支援することが期待されています。5Gは周囲のあらゆるものをつなげる統合型の接続ファブリックです。

「樫の大木も小さなどんぐりから育つ」という古いことわざがあります。モノのインターネット時代に移行する前に、大規模なデータ処理をサポートできるインフラストラクチャの構築が必要であり、今後10年間のデータ利用量の大幅な増加に対応できる余裕を持たせながら、リアルタイムアプリケーションの低遅延要件を満たすことができなければなりません。

Ericsson Mobile Report 2020 Q2によると、5Gネットワークによって運用される総トラフィックは2025年には4倍になるとされており、これは4Gネットワークのバックボーンとしてのスモールセルがより強力なコンピューティング性能を備え、クラウドコンピューティングのワークロードを共有する必要があることを意味します。伝送距離がより短い5Gのミリ波(mmWave)に対応するためのスモールセルの飛躍的増加に伴う長期運用コストの削減を考慮すると、SDN(Software-Defined Networking)やNFV(ネットワーク機能仮想化)の概念を取り入れ、COTS(商用オフザシェルフ)や汎用ハードウェアプラットフォームを採用することが一層不可欠となります。

これまで以上に重要となる「遅延」

近いところから遠いところまで、5Gネットワークの遅延に関する問題は、「信号処理」と「サービス品質」の2つのレベルに分けられます。

5G NR(新無線)のTDD(時分割デュプレックス)アーキテクチャによると、理論上の伝送帯域幅10Gb/s(キャリア帯域幅400MHz、サブキャリア間隔120kHz)を実現しようとする場合、スモールセルでは14のOFDMシンボル(Symbol)を125マイクロ秒(μs)以内に処理するスロットが必要となり、つまり8000のスロットが1秒以内に処理される必要があります。

 
5G NR(新無線)フレーム構成。

SDN(Software-Defined Networking)やNFV(ネットワーク機能仮想化)のトレンドにより、汎用プロセッサがスモールセルのコンピューティングコアにより適したものとなってきています。インテルAtom®プロセッサをネットワークプロセッサ(NPU)として使用し、ベースバンド処理を担当するFPGAと組み合わせることで、ローカルスモールセルのブロードバンドデータトラフィックをコアネットワークに効率的にバックホールし、アプリケーション導入の柔軟性が高まります。

5Gスモールセルの技術的な実現可能性を確認するため、ある大手携帯電話会社では、インテルAtom® C3958プロセッサを搭載し、FPGAと5G通信モジュールを組み込んだDFIのDV970を使用して概念実証(POC)を開始しました。しかし、各デバイスが随時同期をとる必要があり、データと操作の一貫性を確約するために定期的に信号パルスを送信する必要がありました。そのため、遅延を効果的に短縮することが課題となりました。遅延が長いということはつまり、プロセッサでより多くの演算能力を消費する必要があることを意味していました。

遅延の問題を克服するため、DFIはソフトウェアとハードウェアの両面からアプローチしました。第一に、DFIは信号パルスを可能な限り早く検出するようにハードウェア回路を最適化し、同時にプロセッサと5G通信モジュール間のPCIe接続を改善して、システム全体の性能を向上させました。第二に、DFIは低遅延のLinuxカーネルを使用することで処理時間の増加を図り、他のネットワークサービス要件をサポートするために、より多くのプロセッサ性能を解放しました。

低遅延と高帯域幅の両立を実現するために、5G基地局ではBBU(ベースバンドユニット)をCUとDUに分割しました。CU(集中型ユニット)が非リアルタイムのプロトコルやサービスの処理を担当し、DU(分散型ユニット)が物理層のプロトコルとリアルタイムサービスの処理を担当しました。

SDN/NFVテクノロジーを利用することで、BBUは4G/5Gに対応し、クラウド無線アクセスネットワーク(C-RAN)、分散型無線アクセスネットワーク(D-RAN)、5Gの集中型ユニットと分散型ユニット(CU/DU)の両方をサポートし、将来の柔軟なデプロイメントを可能にする堅牢な性能を装備できます。インテルのアーキテクチャをベースにした新世代のモジュール式ベースバンド処理プラットフォームは、大容量化、高レベルの統合、マルチモードの柔軟なネットワーク機能を備え、総所有コスト(TCO)を削減します。

クラウドRANの全体的アーキテクチャ

インダストリアルグレードの信頼性を備え、エッジコンピューティングサーバー向けに高度化

10Gb/sのデータ伝送速度を達成した後、5Gネットワークにはもう1つ重要な要件がありました。すなわち、ネットワークサービス品質における「1ミリ秒未満の遅延」ですが、これは5Gネットワークの導入だけで解決できる問題ではありませんでした。ネットワークサービスを提供するサーバーも、リアルタイムアプリケーションを利用するために、ユーザーとより近い距離で、エッジコンピューティング機能を提供する必要がありました。さらに重要なこととして、アプリケーションデプロイメントの柔軟性を最大化するために、サーバーは普及しているx86アーキテクチャを採用する必要がありました。

欧州電気通信標準化機構(ETSI)は、2012年にネットワーク機能仮想化(NFV)を提唱しました。これは、仮想化技術を用いてx86サーバーをベースとした共通のハードウェアプラットフォームに異なるタイプのネットワーク機器を統合し、ネットワーク機器と全体のアーキテクチャを簡素化しようとするものです。これによって、ベースバンド信号処理をクラウドデータセンターに集約し、全体の運用コストを削減するクラウドRAN(無線アクセスネットワーク)が生まれました。

ETSI MECの全体的アーキテクチャ。

ETSIはさらに、NFVをベースとして、2015年にマルチアクセスエッジコンピューティング(MEC、Multi-access Edge Computing)を提唱しました。これは、スモールセル近くに展開して超低遅延とリアルタイムサービスを提供し、さらには強力な演算能力を有する単一の結合体として両者を組み合わせ、スモールセルと複数のユーザーが同じ周波数リソース内で同時にデータを伝送することを可能にするMassive MIMOとBeamformingを補完できるようにしました。アクセスネットワークのアーキテクチャが分離されたCU(集中型ユニット)とDU(分散型ユニット)を導入した場合、CUのエッジコンピューティングをMECプラットフォーム上に展開することで、超低遅延サービスを提供することができます。さらにETSIでは、クラウドRANとMECは同時展開のメリットがあるため、完璧な組み合わせであるとしています。

DFI DV970が採用したインテルAtom® C3000シリーズは、幅広いSKU(2~16コア)、暗号化・復号化・解凍を高速化できるQuickAssist Technology(QAT)、最大16 x SATA、16 x PCIe 3.0、4 x USB 3、4 x 10 GbE Ethernetを搭載しています。また、極端な低消費電力(10W TDP未満)やMECなどの高密度フォームファクタにも対応しています。インターネットトラフィックの高速化や高速応答を必要とするクラウドコンピューティングアプリケーションには、COM Express Type 7をベースとしたDFI DV970がコンピューティングパフォーマンスの向上と低消費電力化だけでなく、汎用性の高い拡張性を提供します。DV970は10GbE-KR Ethernetを4ポート搭載し、サーバーと機器間の接続を強化しており、また拡張温度環境下でも24時間365日安定した動作が可能なため、5GスモールセルやMECに理想的なソリューションとなっています。

MECサーバーや多くの5Gスモールセルは、スペースが限られた比較的過酷な環境で展開されることがよくあります。広範な温度のサポートに加え、全体的な設計では産業用コンピューターの仕様を採用しなければならず、これは一般的なサーバーでは不可能です。DFIは、産業用マザーボード、システムオンモジュール、産業用コンピューター、産業用パネルPCおよびディスプレイにわたり、インダストリアルグレードコンピューターの分野に長い間携わってきました。また、お客様の要件に応じて、様々なタイプのアプリケーション向けに迅速なカスタマイズサービスも提供しています。

RemoGuardが多数のスモールセルとエッジコンピューティングサーバーの可用性を確約

5Gスモールセルやエッジコンピューティングサーバーの多くは、非常に広範囲に展開されています。OSがクラッシュして一般的なインバンドの遠隔管理が使えなくなった場合、現場での保守にマンパワーを割く必要があります。デバイス数が増えるにつれ、コストが高くなり、全体の事業運営費(OPEX)が急激に膨らみ、サービス品質の低下につながります。

DFIとInnodiskが共同開発したクラウド管理プラットフォーム、RemoGuardは、アウトオブバンド管理を導入し、管理システム全体をクラウドに移行します。このプラットフォームは、エッジデバイスのクラッシュ時にデータを自動的にバックアップしてOSをリモートでリカバリすることができ、複数の場所に配置された多数のステーションを維持するという5Gスモールセルの管理属性にまさに最適です。

リモートOSリカバリのほか、RemoGuardはデバイス監視サービスも提供しています。このプラットフォームは、温度、入出力電圧および消費電力の記録データをリアルタイムで更新し、適時の対応を可能にします。またSSDの寿命を事前に予測し、受動的な通知を能動的な予測に変え、交換タイミングの正確なベンチマークを特定するだけでなく、5Gスモールステーションの在庫管理、メンテナンス効率、サービス継続性のメリットをもたらします。

管理がインバンドとアウトオブバンドの両方を通じて行われるため、クラウドへの接続とデータ自体の両方を保護する必要があります。データ改ざん防止のためにAES暗号化が導入され、Azure Sphereに採用されたTransport Layer Security(TLS)プロトコルが通信の機密性をさらに確約します。さらに、データ侵害や物理機器への不正な侵害の可能性がある場合も、ミッションクリティカルな環境で特に必要とされる、完全消去と自己破壊をトリガーすることができ、送信中のデータの包括的なセキュリティが確保されています。

 

DFIがお客様の将来に向けた5Gのスケールアップを支援

5G時代を迎えるにあたり、RAN(無線アクセスネットワーク)、MEC(マルチアクセスエッジコンピューティング)、あるいはEPC(進化したパケットコア)からを問わず、良好な5Gアプリケーション環境を構築し、設備投資(CAPEX)と事業運営費(OPEX)を考慮する必要があります。SDN(Software-Defined Networking)とNFV(ネットワーク機能仮想化)コアの概念を完全実装した、アプリケーションの柔軟性、信頼性、可用性の高いx86サーバープラットフォームが最も理想的な選択肢となります。

産業用コンピューターを専門とするDFIは、5Gスモールセルとエッジコンピューティングサーバー向けに完全なハードウェアソリューションとクラウド管理システムを提供するだけでなく、そのDV970 COM Expressモジュールにより16コアのAtom C3958プロセッサと5Gスモールステーションを組み合わせ、今日のワークロードに十分なパフォーマンスを提供します。DFIは、将来的に増え続けるデータフローに適応する十分な拡張スペースを有しており、モノのインターネットのビジョンももはや達成不可能で手の届かないものではなくなります。