O-RAN+虚拟化，5G运营商的新宠让电信加速卡秒变竞争“新高地”

2018年6月，O-RAN联盟正式成立，由中国移动、美国AT&T、德国电信、日本NTT DOCOMO、法国O-RANge等12家运营商联合发起，目前已扩展至60多家，“开放”和“智能”是其两大核心愿景。ABI Research的报告显示，Open-RAN未来的市场份额有望从2021年的不到10%快速升至2025年的30%，而在2030年，这一比例将增加至60%。

图1：2021-2030年传统RAN与OPEN-RAN市场比例

O-RAN技术趋势

在知乎上一篇名为《一文带你看懂O-RAN前生今世》的文章中，作者是这样介绍O-RAN联盟三大关键原则的：第一个原则，引导产业的演进方向，主要策略包括开放接口，可支持异厂家设备的互操作；通过虚拟化方式构建无线接入网，实现基于大数据的智能无线网络。第二个原则，积极并充分利用通用平台，减少对私有平台的依赖。第三个原则，制定、推进接口及相关API标准化定义，探索开源解决方案。

如果用通俗的语言解释一下这三个规则，那么O-RAN正在推动以下四个方向的变化：网络智能化、接口开放化、硬件通用化和软件开源化。相当于原来是黑盒子的硬件，现在全部转变成为通用标准化产品，其中的软件代码也变为开源。

而O-RAN之所以能够成在今天为行业热点，行业专家认为除了O-RAN的愿景符合技术发展的基本规律以外，同时还有两个很重要的原因：

• 技术发展逐渐成熟：由于IT以及CT核心网多年的技术积累，很多能够帮助实现O-RAN的技术已经逐渐成熟。比如通用硬件能力、网络功能虚拟化、白盒产业化以及通用设计、网络管理的智能化等等。

• 新型商业模式需求驱动：运营商对于去“管道化”的需求越来越迫切，对于新型商业模式越来越渴望。加之5G需要支持灵活多样的用例，对CAPEX/OPEX压力陡增，从而促使O-RAN的发展逐步进入快车道。

图2是一张典型的5G网络架构图，左边是包含远端射频单元(RU)的信号塔，中间是构建在分布式单元(DU)/基带单元(BBU)之上的边缘云，右侧则是由边缘/核心路由器、集中处理单元(CU)组成的核心网。

图2：T1电信加速器卡在5G网络架构中的位置

按照赛灵思有线与无线事业部高级总监Gilles Garcia给出的解释，传统4G LTE模式下，OEM厂商会为无线部署创建专有设备，包括通过硬件基础设施连接到无线射频。但考虑到“供应商锁定”导致缺乏竞争力，运营商难以在VR、游戏、汽车等应用中部署软件服务，现在的5G运营商正试图摆脱这种模式，希望能够引入更多的竞争和创新，可以选择不同的供应商来提供BBU、DU、CU和无线射频。而Open-RAN模型，也就是以标准服务器形式实现的虚拟BBU的出现，为改变这一现状提供了可能。

赛灵思有线与无线事业部高级总监Gilles Garcia

“与我们10年前看到的‘开放式计算’类似，虚拟基带单元可以帮助运营商利用开放接口实现多供应商的兼容性，新参与者可以推动竞争和创新，软件服务现在可以一直部署到边缘。”Gilles Garcia对《电子工程专辑》记者表示，Open-RAN对于5G部署来说是非常完美的应用，以中国移动为例，他们其实早在3年前就对Open-RAN方案展现出了浓厚的兴趣，希望能够使用Open-RAN方案来实现从LTE到5G的过渡，尤其是在毫米波频段。

而从赛灵思的角度来看，2019年及以前，大多数赛灵思5G客户需求都来自于传统的OEM厂商，但从2020年起，需求急剧转向Open-RAN和虚拟化架构，包括开放式远端射频单元(O-RU)和开放式分布式单元(O-DU)。

什么是5G虚拟化？

传统的基带单元是以硬件为基础的平台，内部包括三大类芯片：通用处理器，用于L2/L3协议层处理，主要使用x86/Arm架构；前传FPGA，用于终结往返于无线电单元的CPRI流量，使用包括Kintex或Zynq在内的中型FPGA器件；L1基带ASIC或FPGA，实现LoPHY 和HiPHY功能，使用的芯片中首先部署的是FPGA，然后是第2代ASIC芯片。 

但在赛灵思最新推出的TI电信加速卡中，他们的做法是由Zynq UltraScale+和2个用于无线电上行线路的SSP28机架来完成前传的终结，再用Zynq RFSoC做L1后备加速，实现低功耗下的高吞吐量FEC，最后将整张卡做成PCIe外形、FHHL(全高半长)、75瓦卡(如图3)，并兼容NEBS。此外，对于O-RAN前传终端，该板卡能通过其50Gbps的光学端口以100MHz OBW处理5G NR 4TRX的多个扇区。

赛灵思TI电信加速卡

这样做的好处在于芯片仍然是相同的芯片，但迁移进了符合O-RAN标准的PCIe卡中，使T1成为目前业界唯一一款既能运行O-RAN前传协议，又能提供L1层卸载功能的多功能PCIe尺寸规格板卡，从而为边缘软件释放了通用处理器资源，提高了效率，能够更好地在vBBU和O-DU平台上运行。T1也因此有望凭借合适的性能和超低的延时，帮助客户解决Open vRAN市场在O-DU领域面临的挑战。

图3：前传和L1卸载FPGA卡T1架构

之所以FPGA相比ASIC会是更好的选择，Gilles Garcia给出的理由，一是无论是Split 6、Split 7.2，和Split 8，不同架构的O-RAN都可以根据5G的具体情况去选用，而且5G标准自身也处在不断演进过程中，灵活性至关重要；二是O-DU和无线电射频之间会有越来越多的层次，不同的层次就会要求不同的供应商之间能够实现互操作性和兼容性，如果使用FPGA器件，一旦出现兼容性问题，修改起来会更加容易。

这样，在标准商用服务器中，采用Arm或X86架构的通用处理器仍然扮演协议层处理(Open RAN)的角色，前传和L1卸载工作交由PCIe卡完成，解决了处理器无法单独处理大容量5G流量的难题。由于T1卡是一种外形小巧的单插槽板卡，能够插入到标准的x86或非x86服务器中，所以如果服务器上有多个插槽的话，就可以同时使用多个T1卡来提升性能和降低时延，以实现5G虚拟化O-DU平台要求的实时协议处理性能。

T1深入介绍

Gilles Garcia用图4为我们展示了T1如何从CPU上卸载复杂功能。其中，灰色部分代表的加扰、解扰、调制、解调制、IDFT、均衡、信道估计等功能仍旧映射到CPU中；但红色代表的线路速率和计算密集型功能，包括使用硬化LDPC和Turbo编解码器的通道编码/解码、速率匹配/解匹配、HARQ缓存管理等，被很好地被映射到Zynq RFSoC上，有助于释放处理器核心以运行其他业务，真正实现了虚拟化。数据显示，与加速前的服务器相比，编解码吞吐量分别提高45倍和23倍；而粉色代表的层映射、前传eCPRI、PTP时钟同步等功能则被映射到Zynq UltraScale+上。

图4：T1从CPU上卸载复杂功能

通过这样的精心“改造”，T1卡实现了更少的CPU核心占用，降低了系统成本与总功耗，前传带宽和L1带宽也针对最佳可扩展性进行了匹配，如果需要更多信号塔，还可以向服务器插入更多板卡。与此同时，T1卡还通过生态系统合作伙伴提供交钥匙解决方案，包括有效简化5G部署的O-RAN前传参考设计和5G NR层1参考设计，以及帮助运营商、系统集成商以及OEM厂商快速进入市场的预验证软件，客户无须拥有精通RTL/STG的团队，就可以即插即用地使用T1卡。

图5：O-RAN前传参考设计和5G NR层L1参考设计

让我们一起看一下在Dell R740上用FlexRAN演示T1性能。图6左右两侧分别是Dell R740中的单线程 XEON Gold在无T1和有T1时的情形，可以看出，在无T1时，左侧编解码器的吞吐量分别是0.718GBPS和0.183GBPS，时延分别是45微秒和62.7微秒；4T4R扇区前传时，2个扇区需要24个XEON核，4个扇区需要64个XEON核。

添加T1卡之后，L1性能编解码器吞吐量分别达到了17.7GBPS和7.8GBPS，是不带T1情形时的42倍和24倍，时延分别是14.15微秒和16.21微秒US，不到之前的1/3相比之前的性能可以时延的性能可以说是不到1/3；4T4R扇区前传时，2个扇区只需要1个XEON核，4个扇区只需要2个XEON核。这意味着对运营商来说，既能够通过释放的处理器资源处理额外服务，也能够减少服务器数量节约资本和运营支出。

图6：在Dell R740上用FlexRAN演示T1性能

但Gilles Garcia澄清说上述演示只是模型展示，戴尔和T1还没有做相关认证工作，和包括戴尔在内的服务器供应商展开认证，将是赛灵思接下来需要加快进行的工作。 

T1加速卡与赛灵思此前面向数据中心推出的Alveo系列加速卡并不相同，前者主要用于5G信号的处理和加速，后者主要用于数据和计算加速，例如由于没有LDPC功能，Alveo卡就无法实现L1层的功能卸载。此外，赛灵思为客户提供了T1的软件和完整的参考设计，方便客户在自有平台上进行集成，但对Alveo来说，赛灵思只负责提供相应接口，然后由客户加入自己的IP和解决方案。

“可以预见的是，很快就会有竞争对手进入到O-RAN加速领域中来，这是不可避免的。但T1只是赛灵思当前推出的第一款产品，我们有理由对未来充满更多想象。”Gilles Garcia说。