全球正在加速部署 5G 網(wǎng)絡(luò)。許多電信運營商已上線并迅速推廣 5G 服務(wù)。除了電信運營商之外，企業(yè)也對利用 5G 的高帶寬、低時延、網(wǎng)絡(luò)切片、毫米波和 CBRS 頻譜來建立專網(wǎng)產(chǎn)生了極大的興趣。

5G 目前正處于一個有趣的發(fā)展時期。在過去的 20 年中，云計算已發(fā)展成熟并成為開發(fā)者構(gòu)建應(yīng)用的首選平臺。云具有許多優(yōu)勢，包括成熟的軟件工具、自動化和編排、業(yè)務(wù)敏捷性、較低的總擁有成本（TCO）等。

此外，工業(yè)機器人、云游戲、智慧城市、安全、零售、自動駕駛、智能農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域都在越來越多地使用 AI 創(chuàng)造革命性的體驗。5G、云計算和 AI 的這一融合將推動未來十年的諸多創(chuàng)新。

NVIDIA Aerial SDK 是構(gòu)建虛擬無線接入網(wǎng)（vRAN）的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。它通過 NVIDIA GPU 的內(nèi)聯(lián)加速，實現(xiàn)了軟件定義的完整 5G Layer1（L1）卸載，同時還實現(xiàn)了所有符合 3GPP 和 O-RAN 標(biāo)準(zhǔn)的接口。由復(fù)雜信號處理算法組成的 L1 軟件在 CUDA C/C++中實現(xiàn)，使得優(yōu)化 L1 算法、實現(xiàn)新功能以及構(gòu)建具有前瞻性，將推動 5G 演進和 6G 發(fā)展的 RAN 應(yīng)用變得容易。NVIDIA Aerial SDK 以模塊化的微服務(wù)形式實現(xiàn)，采用 E2E 云原生架構(gòu)，并由 Kubernetes 使用符合 ORAN SMO 標(biāo)準(zhǔn)的接口進行管理。

從 CloudRAN 到 RAN-in-the-Cloud

最近有很多關(guān)于 CloudRAN 的討論。作為加速計算平臺和云計算的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，NVIDIA 一直走在 CloudRAN 的創(chuàng)新前列。許多行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者都在使用 CloudRAN 這一術(shù)語表示無線接入網(wǎng)（RAN）的云原生實現(xiàn)。

雖然云原生技術(shù)至關(guān)重要，但關(guān)鍵問題在于 CloudRAN 是否等同于使用云原生技術(shù)？答案是否定的，因為一個真正的云 RAN 是將所有計算元素（vDU、vCU 和 dUPF）部署在云中，因此應(yīng)該稱之為云中 RAN（RAN-in-the-Cloud），即一個在多租戶云基礎(chǔ)設(shè)施中完全作為服務(wù)托管的 5G 無線接入網(wǎng)絡(luò)。

為什么二者的區(qū)別很重要？提出 RAN-in-the-Cloud 的動機又是什么？首先，RAN 是電信運營商最大的資本支出和運營支出項，同時也是利用率最低的資源，大多數(shù)無線基站的使用率通常低于 50%。將 RAN 計算遷移到云中能夠享受云計算帶來的眾多好處。在一個共享的云基礎(chǔ)設(shè)施中匯集并提高利用率可以幫助電信運營商最大程度地減少資本支出和運營支出。

帶有 GPU 加速器的 COTS 平臺不僅可以加速 5G RAN，還可以加速邊緣 AI 應(yīng)用。電信運營商和企業(yè)正越來越多地使用 NVIDIA GPU 服務(wù)器來加速邊緣 AI 應(yīng)用，這給使用相同 GPU 資源加速 5G RAN 連接以及 AI 應(yīng)用提供了一條捷徑。這又反過來降低了總擁有成本，提供了一條建立企業(yè) 5G 網(wǎng)絡(luò)的最佳途徑。

云軟件、工具和技術(shù)多年來已經(jīng)成熟。除了可靠性、可觀測性和服務(wù)保障外，還提供了大規(guī)模自動化、降低能耗、彈性計算、按需自動擴展等好處。

圖 1 統(tǒng)一加速數(shù)據(jù)中心

值得注意的是，一些廠商正在為 RAN L1 卸載設(shè)計基于特定應(yīng)用集成電路（ASIC）的固定功能加速器卡。建立在這些基于 ASIC 的加速器上的 RAN 類似于一個固定功能設(shè)備，只能進行 RAN L1 的處理，在未被使用時就會成為一種被浪費的資源。

NVIDIA Aerial SDK 與通用 GPU 加速服務(wù)器提供了一個真正的多服務(wù)、多租戶平臺。它可用于 5G RAN、企業(yè) AI 和其他部署在云端的邊緣應(yīng)用，并具有上述所有優(yōu)勢。

云原生是 RAN-in-the-Cloud 的基礎(chǔ)

隨著行業(yè)正在加快 5G 的部署，想要挖掘 5G 的全部商業(yè)價值需要靈活、可擴展的解決方案。將 RAN 軟件從硬件中分離出來，使軟件可用并可部署在云中能夠推動創(chuàng)新和新增值服務(wù)的推出。

云原生 vDU/vCU RAN 軟件套件在設(shè)計上實現(xiàn)了完全自動化的部署和統(tǒng)一運行，能夠支持私有、公有或混合云基礎(chǔ)設(shè)施上的 3GPP 和 O-RAN 接口。它運用了云原生架構(gòu)的水平和垂直擴展、自動修復(fù)和冗余等優(yōu)勢，還針對移動網(wǎng)絡(luò)演進優(yōu)化了設(shè)計，包括 6G 等新一代無線技術(shù)。

NVIDIA Aerial SDK 云原生架構(gòu)有助于將 RAN 功能作為容器中的微服務(wù)實現(xiàn)，并由 Kubernetes 進行編排和管理。該模塊化軟件能夠：

• 提高軟件升級、發(fā)布和安裝補丁的粒度和速度

• 提供遵循 DevOps 原則的獨立生命周期管理并具有持續(xù)集成和持續(xù)交付（CI/CD）功能

• 獨立擴展不同的 RAN 微服務(wù)元素

• 提供應(yīng)用級可靠性、可觀測性和服務(wù)保障

• 通過網(wǎng)絡(luò)自動化簡化運營和維護

要想獲得真正的云原生 RAN 體驗，云、邊緣平臺和網(wǎng)絡(luò)都需要進一步發(fā)展。對于云原生容器化 RAN 軟件堆棧的商業(yè)部署，許多因素至關(guān)重要，包括：

• 時間同步

• CPU 的親和性和隔離

• 拓撲管理和特征發(fā)現(xiàn)

• 多個網(wǎng)絡(luò)接口

• 高性能的數(shù)據(jù)平面和加速硬件

• 低延遲、服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證和高吞吐量

• 遠程分布式部署

• 零接觸配置

• Kubernetes Operator 框架和用于加速設(shè)備的生產(chǎn)就緒型算子

NVIDIA GPU Operator 使用 Kubernetes 中的 Operator Framework 自動管理配置 GPU 所需的所有 NVIDIA 軟件組件。這些組件包括設(shè)備驅(qū)動程序（用于啟用 CUDA）、用于 GPU 的 Kubernetes 設(shè)備插件、NVIDIA Container Runtime、自動節(jié)點標(biāo)簽、基于數(shù)據(jù)中心 GPU 管理器（DCGM）的監(jiān)控等。

GPU 算子使 Kubernetes 集群的管理員能夠像集群中的 CPU 節(jié)點一樣管理 GPU 節(jié)點。管理員不需要為 GPU 節(jié)點配置特殊的操作系統(tǒng)鏡像，而是可以依靠 CPU 和 GPU 節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)鏡像，然后依靠 GPU 算子為 GPU 配置所需的軟件組件。

借助 Kubernetes CRD 和 OperatorSDK，它可以管理與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的組件，為 Kubernetes 集群中的工作負載實現(xiàn)與 RDMA 和 NVIDIA GPUDirect 的快速聯(lián)網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)算子與 GPU 算子一起在兼容系統(tǒng)上實現(xiàn) GPU 直接 RDMA。網(wǎng)絡(luò)算子的目標(biāo)是管理網(wǎng)絡(luò)相關(guān)組件，同時在Kubernetes集群中實現(xiàn) RDMA 和 GPU 直接 RDMA 工作負載的執(zhí)行。

NVIDIA Aerial SDK 以微服務(wù)和云原生架構(gòu)為基礎(chǔ)，為構(gòu)建和部署 5G RAN-in-the-Cloud 奠定了堅實的基礎(chǔ)。

在云中構(gòu)建、部署和管理

O-RAN 聯(lián)盟倡議將傳統(tǒng)的無線基站分解成 RRU、vDU 和 vCU 實例并在它們之間設(shè)置了明確的接口，產(chǎn)生了一個提供廠商選擇的更大生態(tài)系統(tǒng)。另外，云原生容器化軟件實現(xiàn)了由 Kubernetes 和 SMO 管理的可組合、自動化 RAN。那么將整個 RAN 云化并作為一項服務(wù)在云中托管需要什么？

圖 2 云中 RAN 構(gòu)想

部署 5G 的經(jīng)濟性一直是個挑戰(zhàn)。與前幾代無線技術(shù)相比，5G 正在推動 RAN 資本支出大幅增長。預(yù)計在未來 5 年內(nèi)，基站的數(shù)量將增加近一倍。因此，RAN 資本支出在整個 TCO 中的份額逐漸從 45-50%上升到 65%。

另外，眾所周知，傳統(tǒng)上 RAN 是按峰值容量進行配置的，這導(dǎo)致寶貴的計算資源被嚴(yán)重浪費。突發(fā)性和時間依賴性流量使得許多傳統(tǒng)RAN基站平均容量使用率在 25%以下。如果 RAN 可以被托管在云中，那么池化的益處可以通過節(jié)能減少運營支出并提高利用率。而且未使用的資源能夠以真正類似于云的方式重新配置給其他應(yīng)用和工作負載。

僅在美國，將總共 42 萬個基站中的 50%轉(zhuǎn)移到 GPU 加速云中就為電信運營商帶來巨大的收入機會。當(dāng) RAN 利用率低且 GPU 未被使用時，它們可以在多租戶云環(huán)境中用于企業(yè) AI、視頻服務(wù)和其他邊緣應(yīng)用。這可能會在全球創(chuàng)造一個數(shù)十億元的新收入機會。

圖 2 展示了由 NVIDIA GPU 的加速計算基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心如何加速眾多應(yīng)用，實現(xiàn)云經(jīng)濟性和最佳 TCO。

內(nèi)置 NVIDIA Base Command Platform 和 NVIDIA Fleet Command 的 NVIDIA AI Enterprise 使企業(yè)能夠在 NVIDIA GPU 云中運行 AI 應(yīng)用，利用所有預(yù)先構(gòu)建和加固的軟件為各個垂直細分市場服務(wù)。5G 連接作為一個容器化的解決方案與使用相同基礎(chǔ)設(shè)施的其他 AI 應(yīng)用一起運行，能夠為企業(yè)帶來非常強大的效益。這將改變世界對無線連接的看法。5G 將成為一種完全基于云、可以按需部署的服務(wù)。這就是 RAN-in-the-Cloud 的本質(zhì)。

使用 NVIDIA 構(gòu)建您的 RAN-in-the-Cloud

如圖 3 所示，將 RAN 集中并完全部署在云中有五個關(guān)鍵要素。

圖 3 實現(xiàn) RAN-in-the-Cloud 的五項關(guān)鍵技術(shù)

全新 NVIDIA Spectrum SN3750-SX 開放式以太網(wǎng)交換機是 RAN-in-the-Cloud 解決方案的關(guān)鍵組成部分。它基于 NVIDIA Spectrum-2 以太網(wǎng)ASIC構(gòu)建，是首款軟件定義的 xHaul 交換機，能夠提供電信數(shù)據(jù)中心所需的前傳、中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)。

該交換機的一項關(guān)鍵能力是可以通過動態(tài)編程，將流量引導(dǎo)至部署在數(shù)據(jù)中心任何服務(wù)器上的任何 vDU，為自動擴展和按需部署 RAN 提供支持。它是第一臺將在同一基礎(chǔ)設(shè)施上運行電信和 AI 所有所需功能結(jié)合的交換機。SN3750-SX 支持各種高級時間協(xié)議，如電信級精確時間協(xié)議（PTP）、同步以太網(wǎng)（SyncE）和 PPS（每秒數(shù)據(jù)包），以及動態(tài) RU/DU 映射。

為了實現(xiàn) AI 訓(xùn)練，該交換機支持低延遲的 200G 帶寬以實現(xiàn)最高吞吐量。Spectrum ASIC 帶來了 RoCE（融合以太網(wǎng)的 RDMA）和自適應(yīng)路由等創(chuàng)新功能，所有這些功能均具有最高的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。值得注意的是，許多應(yīng)用（如 Metaverse 和 AR/VR）需要支持 PTP 的數(shù)據(jù)中心，這將為 RAN-in-the-Cloud 用例鋪平道路。目前一些網(wǎng)絡(luò)規(guī)模公司已在其數(shù)據(jù)中心中支持 PTP。

搭載 NVIDIA A100 Tensor Core GPU 和 NVIDIA BlueField DPU 的 NVIDIA A100X 融合加速器支持全內(nèi)聯(lián) 5G RAN 卸載，這為從 4T4R 到大規(guī)模 MIMO 32T32R 和 64T64R 的一系列配置提供了以每瓦單元密度和每瓦 MHz 層數(shù)衡量的領(lǐng)先性能。

NVIDIA 正在與各生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴一起確保 SMO（服務(wù)管理和編排）、RIC（RAN 智能控制器）、xApps 和rApps 等其他 O-RAN 軟件組件針對 NVIDIA Aerial SDK 進行優(yōu)化并為 RAN-in-the-Cloud 的部署做好準(zhǔn)備。這些組件仍處于早期開發(fā)階段，但因為使用 AI 實現(xiàn)了 RAN 自動化和可編程性，它們將成為關(guān)鍵的差異化因素。雖然 RAN-in-the-Cloud 需要一些時間才能成熟，但相信NVIDIA將憑借 NVIDIA GPU 加速平臺站在這一創(chuàng)新的最前沿。

總結(jié)

RAN-in-the-Cloud 是未來的大勢所趨。它是無線市場的自然演變和下一個發(fā)展方向。使用云原生技術(shù)構(gòu)建的 vRAN 是不可或缺的第一步。為了實現(xiàn) 5G RAN 的云經(jīng)濟性并推動 5G 與邊緣 AI 應(yīng)用的共同創(chuàng)新，就必須擁抱 RAN-in-the-Cloud。NVIDIA Aerial SDK 提供了一個可擴展的云原生軟件架構(gòu)作為 RAN-in-the-Cloud 的基礎(chǔ)技術(shù)。

最后需要注意的是，RAN 的轉(zhuǎn)型才剛剛開始。使用 AI 優(yōu)化復(fù)雜的信號處理算法將在未來幾年釋放出一系列全新的創(chuàng)新成果。GPU 加速平臺是讓投資能夠經(jīng)受未來考驗的最佳途徑。如果想一同構(gòu)建創(chuàng)新的 RAN-in-the-Cloud 解決方案，請聯(lián)系 NVIDIA。

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