RAN-in-the-Cloud：為 5G RAN 帶來云經(jīng)濟(jì)效益

全球正在加速部署 5G 網(wǎng)絡(luò)。許多電信運(yùn)營(yíng)商已上線并迅速推廣 5G 服務(wù)。除了電信運(yùn)營(yíng)商之外，企業(yè)也對(duì)利用 5G 的高帶寬、低時(shí)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(gè)有趣的發(fā)展時(shí)期。在過去的 20 年中，云計(jì)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(tái)。云具有許多優(yōu)勢(shì)，包括成熟的軟件工具、自動(dòng)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(jī)器人、云游戲、智慧城市、安全、零售、自動(dòng)駕駛、智能農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域都在越來越多地使用 AI 創(chuàng)造革命性的體驗(yàn)。5G、云計(jì)算和 AI 的這一融合將推動(dòng)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(shí)現(xiàn)了軟件定義的完整 5G Layer1（L1）卸載，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了所有符合 3GPP 和 O-RAN 標(biāo)準(zhǔn)的接口。由復(fù)雜信號(hào)處理算法組成的 L1 軟件在 CUDA C/C++中實(shí)現(xiàn)，使得優(yōu)化 L1 算法、實(shí)現(xiàn)新功能以及構(gòu)建具有前瞻性，將推動(dòng) 5G 演進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jì)算平臺(tái)和云計(jì)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(shí)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?yàn)橐粋€(gè)真正的云 RAN 是將所有計(jì)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(gè)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(dòng)機(jī)又是什么？首先，RAN 是電信運(yùn)營(yíng)商最大的資本支出和運(yùn)營(yíng)支出項(xiàng)，同時(shí)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(jì)算遷移到云中能夠享受云計(jì)算帶來的眾多好處。在一個(gè)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(yùn)營(yíng)商最大程度地減少資本支出和運(yùn)營(yíng)支出。

帶有 GPU 加速器的 COTS 平臺(tái)不僅可以加速 5G RAN，還可以加速邊緣 AI 應(yīng)用。電信運(yùn)營(yíng)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(cè)性和服務(wù)保障外，還提供了大規(guī)模自動(dòng)化、降低能耗、彈性計(jì)算、按需自動(dòng)擴(kuò)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(jì)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(gè)固定功能設(shè)備，只能進(jìn)行 RAN L1 的處理，在未被使用時(shí)就會(huì)成為一種被浪費(fèi)的資源。

NVIDIA Aerial SDK 與通用 GPU 加速服務(wù)器提供了一個(gè)真正的多服務(wù)、多租戶平臺(tái)。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(shì)。

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(jià)值需要靈活、可擴(kuò)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(dòng)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(jì)上實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化的部署和統(tǒng)一運(yùn)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(yùn)用了云原生架構(gòu)的水平和垂直擴(kuò)展、自動(dòng)修復(fù)和冗余等優(yōu)勢(shì)，還針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)優(yōu)化了設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)，并由 Kubernetes 進(jìn)行編排和管理。該模塊化軟件能夠：

• 提高軟件升級(jí)、發(fā)布和安裝補(bǔ)丁的粒度和速度

• 提供遵循 DevOps 原則的獨(dú)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(dú)立擴(kuò)展不同的 RAN 微服務(wù)元素

• 提供應(yīng)用級(jí)可靠性、可觀測(cè)性和服務(wù)保障

• 通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化簡(jiǎn)化運(yùn)營(yíng)和維護(hù)

要想獲得真正的云原生 RAN 體驗(yàn)，云、邊緣平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)都需要進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)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(shí)間同步

• CPU 的親和性和隔離

• 拓?fù)涔芾砗吞卣靼l(fā)現(xiàn)

• 多個(gè)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(yuǎn)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(dòng)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(dòng)程序（用于啟用 CUDA）、用于 GPU 的 Kubernetes 設(shè)備插件、NVIDIA Container Runtime、自動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)一樣管理 GPU 節(jié)點(diǎn)。管理員不需要為 GPU 節(jié)點(diǎn)配置特殊的操作系統(tǒng)鏡像，而是可以依靠 CPU 和 GPU 節(jié)點(diǎn)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(fù)載實(shí)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(shí)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(shí)在Kubernetes集群中實(shí)現(xiàn) RDMA 和 GPU 直接 RDMA 工作負(fù)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(jiān)實(shí)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(shí)例并在它們之間設(shè)置了明確的接口，產(chǎn)生了一個(gè)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(shí)現(xiàn)了由 Kubernetes 和 SMO 管理的可組合、自動(dòng)化 RAN。那么將整個(gè) RAN 云化并作為一項(xiàng)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(jì)性一直是個(gè)挑戰(zhàn)。與前幾代無線技術(shù)相比，5G 正在推動(dòng) RAN 資本支出大幅增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)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(gè) 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(jìn)行配置的，這導(dǎo)致寶貴的計(jì)算資源被嚴(yán)重浪費(fèi)。突發(fā)性和時(shí)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(yùn)營(yíng)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(fù)載。

僅在美國(guó)，將總共 42 萬個(gè)基站中的 50%轉(zhuǎn)移到 GPU 加速云中就為電信運(yùn)營(yíng)商帶來巨大的收入機(jī)會(huì)。當(dāng) RAN 利用率低且 GPU 未被使用時(shí)，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(huì)在全球創(chuàng)造一個(gè)數(shù)十億元的新收入機(jī)會(huì)。

圖 2 展示了由 NVIDIA GPU 的加速計(jì)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(shí)現(xiàn)云經(jīng)濟(jì)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(yùn)行 AI 應(yīng)用，利用所有預(yù)先構(gòu)建和加固的軟件為各個(gè)垂直細(xì)分市場(chǎng)服務(wù)。5G 連接作為一個(gè)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(yùn)行，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來非常強(qiáng)大的效益。這將改變世界對(duì)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(gè)關(guān)鍵要素。

圖 3 實(shí)現(xiàn) RAN-in-the-Cloud 的五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

全新 NVIDIA Spectrum SN3750-SX 開放式以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)，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(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵能力是可以通過動(dòng)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(dòng)擴(kuò)展和按需部署 RAN 提供支持。它是第一臺(tái)將在同一基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行電信和 AI 所有所需功能結(jié)合的交換機(jī)。SN3750-SX 支持各種高級(jí)時(shí)間協(xié)議，如電信級(jí)精確時(shí)間協(xié)議（PTP）、同步以太網(wǎng)（SyncE）和 PPS（每秒數(shù)據(jù)包），以及動(dòng)態(tài) RU/DU 映射。

為了實(shí)現(xiàn) AI 訓(xùn)練，該交換機(jī)支持低延遲的 200G 帶寬以實(shí)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(duì) NVIDIA Aerial SDK 進(jìn)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?yàn)槭褂?AI 實(shí)現(xiàn)了 RAN 自動(dòng)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(shí)間才能成熟，但相信NVIDIA將憑借 NVIDIA GPU 加速平臺(tái)站在這一創(chuàng)新的最前沿。

總結(jié)

RAN-in-the-Cloud 是未來的大勢(shì)所趨。它是無線市場(chǎng)的自然演變和下一個(gè)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(shí)現(xiàn) 5G RAN 的云經(jīng)濟(jì)性并推動(dòng) 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(gè)可擴(kuò)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(hào)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(tái)是讓投資能夠經(jīng)受未來考驗(yàn)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(qǐng)聯(lián)系 NVIDIA。

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