無縫5G實(shí)施的基礎(chǔ)

　　5G是蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接的下一個(gè)前沿，但新一代5G承諾的不僅僅是更快的下載速度和更低的延遲。5G預(yù)計(jì)將提供更高的帶寬和更全面的覆蓋，這將為手機(jī)以外的連接開辟各種新的用例，從筆記本電腦和手持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備到汽車和大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。據(jù)行業(yè)預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)20年代中期，隨著不兼容5G網(wǎng)絡(luò)的4G設(shè)備的遷移，5G用戶將增加超過10億。

　　然而，向5G過渡將需要對(duì)新的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行重大投資。5G架構(gòu)將與之前的實(shí)現(xiàn)發(fā)生重大變化。推動(dòng)這些變化的是第四代5G演進(jìn)而來的一些關(guān)鍵特征。我們將回顧這些關(guān)鍵特征，然后看看這些特征將如何影響典型5G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)，并探討不同級(jí)別數(shù)據(jù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)，然后確定典型的實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)。另外，還將詳細(xì)研究一個(gè)中端數(shù)據(jù)平臺(tái)的例子，以確定關(guān)鍵的設(shè)計(jì)選擇和權(quán)衡。

　　5G特性驅(qū)動(dòng)實(shí)施架構(gòu)

　　低頻段5G基站的運(yùn)行頻率范圍與4G手機(jī)類似(從600MHz到850MHz，并提供類似的范圍和下載速度(30Mbit/s到250Mbit/s)。因此，低頻段5G在世界許多地區(qū)已經(jīng)被淘汰。5G中頻發(fā)射塔采用大約2.5GHz到3.7GHz之間的微波，顯著提高了下載速度到100Mbit/s- 900mbit /s范圍，同時(shí)擴(kuò)大了幾英里的覆蓋范圍。中頻段5G發(fā)射塔已經(jīng)成為大城市和其他人口密集地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，并可能很快成為全球標(biāo)準(zhǔn)。

　　高頻段5G目前運(yùn)行在25GHz-39GHz范圍內(nèi)，下載速度與有線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類似，約為1Gbps。然而，高頻段5G也有局限性。25GHz-39GHz范圍是毫米波(mmW)波段的低端。毫米波的覆蓋范圍比微波更有限，這意味著高頻段5G將需要更多更小的基站來覆蓋與中頻段5G相同的區(qū)域。

　　另外，墻壁或家用電器等物理障礙也可能限制5G高頻段連接。毫米波也不能很好地處理固體物體。高頻段5G技術(shù)的成本也比低頻技術(shù)高得多。因此，在不久的將來，高頻段5G可能會(huì)局限于音樂會(huì)場(chǎng)館和體育場(chǎng)等相對(duì)開放的大型設(shè)施。

　　5G數(shù)據(jù)平臺(tái)金字塔

　　在確定具體實(shí)施的5G層次級(jí)別時(shí)，必須考慮覆蓋范圍、所需的下載速度和成本效率等因素。5G分布式數(shù)據(jù)平臺(tái)將數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和通信置于不同的架構(gòu)層次，以優(yōu)化成本、功耗、網(wǎng)絡(luò)性能、操作距離和用戶特性。最靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的是小型的微型平臺(tái)，它們?cè)诮ㄖ锘蛟O(shè)施內(nèi)覆蓋很小的距離(幾十米)。常見的例子包括建筑自動(dòng)化、安全、工廠樓層模塊監(jiān)控和控制。在邊緣設(shè)備之上的層次是聚合平臺(tái)，將所有邊緣設(shè)備縫合在一起，并在大約100M的距離上鞏固和優(yōu)化數(shù)據(jù)流量。這些設(shè)備通常位于建筑物或小型校園層面，可以分析、過濾、組合和優(yōu)先考慮通信，有時(shí)還會(huì)與人工智能(AI)結(jié)合。

　　中間平臺(tái)位于大規(guī)模中央數(shù)據(jù)中心(核心)之下，以提供更快的響應(yīng)。這些響應(yīng)通常是由核心選擇并定期更新的基于算法的。這些平臺(tái)為靠近邊緣的平臺(tái)提供了所需的實(shí)時(shí)控制。來自這些平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析和跟蹤可以為平臺(tái)提供商提供價(jià)值和新的收入流。從預(yù)測(cè)性維護(hù)、材料跟蹤和路由、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)流量負(fù)載平衡等操作中節(jié)省的成本可以回饋給用戶(可能收取訂閱費(fèi)或節(jié)省的百分比)。

　　大數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)運(yùn)行在核心數(shù)據(jù)中心平臺(tái)上。這些海量數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)設(shè)施保存了多年的歷史操作和復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這些算法提供了優(yōu)化過濾器和過程，為快速響應(yīng)編程中間平臺(tái)并為客戶增加價(jià)值。

　　評(píng)估不同類型的數(shù)據(jù)中心平臺(tái)

　　在5G層次結(jié)構(gòu)的每一層，設(shè)計(jì)師都會(huì)遇到不同的需求和權(quán)衡:

　　小型平臺(tái)是系統(tǒng)中成本、占地面積和功率受限制最大的部分。它們需要易于安裝，并且需要一個(gè)適中的生命周期，因?yàn)槊總€(gè)聚合平臺(tái)都需要多個(gè)。這里可以使用基于mcu的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兂杀镜?、功耗低、占用空間小，同時(shí)在靈活性和處理能力方面做出了一些較小的犧牲。

　　聚合平臺(tái)需要極大的靈活性、處理能力、中間存儲(chǔ)和安全性?；诂F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的實(shí)現(xiàn)可以提供最大程度的靈活性和處理能力，因?yàn)榈讓佑布梢愿鶕?jù)新的協(xié)議、新的AI算法或客戶的新價(jià)值增加的需要重新編程。 FPGA 還可以輕松擴(kuò)展，允許供應(yīng)商以不同的價(jià)格和價(jià)值點(diǎn)創(chuàng)建具有不同靈活性和處理能力水平的不同產(chǎn)品層。

　　中間平臺(tái)需要最高水平的原始處理能力、安全性和靈活性。成本、電力消耗和足跡是可以接受的犧牲。在這個(gè)層次上，內(nèi)存保護(hù)單元(用于普通操作的原始處理能力)和 FPGA  (用于靈活性和適應(yīng)性)的混合組合將是最佳的實(shí)現(xiàn)方法。FPGA甚至可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)重新編程，以響應(yīng)對(duì)視頻處理、加密、解密、搜索和過濾等重要功能日益增長(zhǎng)的需求。人工智能算法甚至可以通過分析在入住率、交通模式、天氣等關(guān)鍵指標(biāo)中找到的線索來預(yù)測(cè)這種需求。

　　聚合平臺(tái)是如何工作的

　　讓我們看看一個(gè)中端功能聚合平臺(tái)，看看關(guān)鍵功能是如何在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的。利用FPGA和片上微控制器允許設(shè)備從MCU開始操作，為啟動(dòng)和安全更新提供一個(gè)已知的安全起點(diǎn)。此信任根使用可靠且受保護(hù)的加密、解密和安全密鑰存儲(chǔ)操作，以阻止黑客和病毒接管系統(tǒng)。該MCU還可以處理標(biāo)準(zhǔn)操作，如通信、分組處理、視頻處理、壓縮和存儲(chǔ)效率。片上FPGA硬件可以用于不太常見但處理功率高的操作，以保持MCU騰出時(shí)間進(jìn)行必須及時(shí)完成的常見操作。

　　FPGA可以用于數(shù)字濾波、圖像處理、圖像識(shí)別和類似的特殊操作，也許可以與AI和機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來，在需要的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)和編程硬件。隨著時(shí)間的推移，可以從中間平臺(tái)和核心平臺(tái)識(shí)別、創(chuàng)建和下載新的算法，進(jìn)一步優(yōu)化性能，為平臺(tái)提供商創(chuàng)造新的收入流，并為客戶節(jié)省成本。

　　5G將意味著云、核心和邊緣的融合。但是，重要的是，每個(gè)組件都要運(yùn)行在正確類型的基礎(chǔ)設(shè)施上，或者能夠訪問正確類型的基礎(chǔ)設(shè)施。核心總是需要的，即使是5G邊緣計(jì)算的重要性，但隨著5G連接的激增和支持5G的設(shè)備數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)這些設(shè)備的中小型分布式數(shù)據(jù)中心平臺(tái)的需求也會(huì)增加。從核心到邊緣的計(jì)算將是5g世界的標(biāo)志。這將是一個(gè)恒溫器、冰箱、飛機(jī)、火車和汽車都和手機(jī)一樣連接到同一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的世界。