用于物聯(lián)網(wǎng)的新型異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)和5G通信

０引言物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是信息化時(shí)代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展。它的用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物體與物體之間進(jìn)行信息交換和通信，即物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識(shí)別技術(shù)等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)將物理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，可以對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用各種識(shí)別和學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析研究。因此，物聯(lián)網(wǎng)提供了許多解決社會(huì)問題的方案和應(yīng)用。此外，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理可以創(chuàng)造新的價(jià)值，這需要具有低功耗、高帶寬以及低延遲通信系統(tǒng)的高性能處理引擎，如5G用以處理大量數(shù)據(jù)。本文首先介紹物聯(lián)網(wǎng)信息和通信技術(shù)系統(tǒng)的要求。其次，介紹移動(dòng)流量的趨勢(shì)和具有大量視頻流的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示例。最后介紹了一種高效靈活的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)高效的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及其異構(gòu)加速技術(shù)。１物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)可以將全球信息進(jìn)行連接，讓整個(gè)世界變成了物物相連的形式。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)受到了越來越多的關(guān)注。在城市發(fā)展得以不斷推進(jìn)的社會(huì)背景下，城市與城市之間的距離被逐漸增大，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。也可以說，物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展中的衍生物，其在一定程度上改變了人們的生活方式，并形成一個(gè)龐大的時(shí)長(zhǎng)，具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由于適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠在智慧城市、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)用。而5G的出現(xiàn)，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,為其改革提供了有效的技術(shù)支撐。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)依靠物聯(lián)網(wǎng)收集到大量數(shù)據(jù)并進(jìn)行快速處理。由于傳統(tǒng)處理器系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，我們可以使用的一種解決方案是異構(gòu)計(jì)算，異構(gòu)計(jì)算能有效地獲取高性能計(jì)算能力，且其擴(kuò)展性好、資源利用率高。２5G的需求5G與4G相比，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在速率和延時(shí)方面。5G的信息傳輸速率可以達(dá)到100Gbps,是4G的幾十倍。5G的通信延時(shí)一般情況下在7ms左右。在不久的將來,5G將慢慢取代4G成為主要的通信網(wǎng)絡(luò)。此外，5G對(duì)智能手表等智能設(shè)備有著很好的支持，這將使5G在這方面大放異彩。5G主要有三大應(yīng)用場(chǎng)景，包括：（1）增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）;（2）海量機(jī)器通信（mMTC）;（3）超高可靠低延遲通信（uRLLC）。eMBB主要用于個(gè)人娛樂，在5G網(wǎng)絡(luò)下，我們輕松在線觀看2K/4K視頻，峰值速度可以達(dá)到20GbpsomMTC依靠5G強(qiáng)大的連接能力，促進(jìn)垂直行業(yè)融合，典型應(yīng)用有智能電表、醫(yī)療保健和遠(yuǎn)程維護(hù)等。萬物互聯(lián)下，我們依靠身邊的各類傳感器和終端能構(gòu)建一個(gè)智能化的生活。uRLLC場(chǎng)景用于對(duì)時(shí)延要求很高的場(chǎng)景，如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等行業(yè)。在上述對(duì)5G的各種要求中，最具挑戰(zhàn)性的部分是以合理的成本滿足容量要求。有了足夠的網(wǎng)絡(luò)容量，mMTC和uRLLC的使用場(chǎng)景更容易實(shí)現(xiàn)，從而為各種社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施提供服務(wù)。移動(dòng)接入網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基于云體系結(jié)構(gòu)（CloudRAN）o云體系架構(gòu)主要由三個(gè)組件組成：中心單元（CU）、前端單元（finnthaul）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）。大量多輸入多輸出系統(tǒng)（MIM0）的引入會(huì)影響中心單元（CU）與射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）之間的功能。在傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)構(gòu)架（C-RAN）中，所有處理器和加速器都駐留在CU處，且RRU僅具有RF前端電路（L1-C-RAN）。雖然這種部署能夠在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)基帶資源的動(dòng)態(tài)分配，但是具有大量MIMO、RRU的前傳帶寬需求可能是巨大的。通過將加速器移動(dòng)到RRU,可以減少前端帶寬要求。RRU單元將能夠支持低于6GHz（小型小區(qū)）或高于6GHz（點(diǎn)式小區(qū)）的寬范圍內(nèi)的頻帶。由于C-RAN必須在短時(shí)間內(nèi)完成各種數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理，因此5G網(wǎng)絡(luò)需要高性能計(jì)算系統(tǒng)。３物聯(lián)網(wǎng)3.1應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)視頻大量設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，連接的主要目的是校正傳感器獲取的數(shù)據(jù)。來自攝像頭的視頻數(shù)據(jù)在其數(shù)量方面占主導(dǎo)地位，且由于其寬帶特性，5G通信用于實(shí)時(shí)流式傳輸視頻。例如，5G通信的實(shí)時(shí)視頻流可以用于以下演示實(shí)驗(yàn)：（1）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全服務(wù)的態(tài)勢(shì)感知；（2）遠(yuǎn)程控制施工機(jī)械；（3）自動(dòng)駕駛汽車的遠(yuǎn)程支持。雖然5G通信提供大量寬帶服務(wù)，但實(shí)時(shí)視頻流需要視頻壓縮及其對(duì)傳輸設(shè)備的比特率控制。3.25G通信和視頻壓縮的能力國(guó)際電信聯(lián)盟無線電通信組（ITU-R）預(yù)計(jì)5G的通信能力為：峰值數(shù)據(jù)速率20Gb/s,用戶體驗(yàn)的數(shù)據(jù)速率100Mb/s。然而，這些數(shù)字被定義為下行鏈路通信的吞吐量，且物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)校正的通信是上行鏈路。在新的ITU-R報(bào)告草案中，用戶在密集的城市地區(qū)體驗(yàn)到的上行鏈路通信數(shù)據(jù)速率為50Mb/s，農(nóng)村地區(qū)的吞吐量比它慢。因此，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)視頻流的5G通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率可以假定為幾十兆比特每秒。在我國(guó)，目前5G通信系統(tǒng)已經(jīng)在深圳等地試用。由于4k視頻的原始數(shù)據(jù)量超過1Gb/s,因此必須壓縮流，并且需要高級(jí)編解碼器，如H.265,因?yàn)楫?dāng)使用H.264壓縮時(shí)，4k視頻的推薦比特率約為50Mb/s。3.3自適應(yīng)比特率控制4G商用網(wǎng)絡(luò)的通信吞吐量波動(dòng)幅度很大，這是因?yàn)橐粋€(gè)小區(qū)的通信資源被許多用戶共同使用，且由于用戶數(shù)量和信號(hào)強(qiáng)度的變化，每個(gè)用戶的分配到的資源在動(dòng)態(tài)地改變。如果在比特率恒定的4G網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行視頻流傳輸，當(dāng)吞吐量降低時(shí)，視頻數(shù)據(jù)不能完全傳輸，就會(huì)出現(xiàn)圖像的塊噪聲和中斷等問題。由于運(yùn)營(yíng)的5G網(wǎng)絡(luò)也同時(shí)被許多用戶共享，因此其吞吐量也將大幅波動(dòng)。另外，5G網(wǎng)絡(luò)將發(fā)展為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將成為通信吞吐量波動(dòng)的主要因素。因此，對(duì)5G通信上的實(shí)時(shí)視頻流，需要更多自適應(yīng)比特率控制技術(shù)。3.4自適應(yīng)視頻速率控制流媒體被定義為在Internet中應(yīng)用流式傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)時(shí)基媒體。視頻流中的碼率一般恒定，而網(wǎng)絡(luò)中流所占用的帶寬是動(dòng)態(tài)變化的。自適應(yīng)視頻流基于預(yù)測(cè)的視頻速率控制，且該方法基于受比特率和幀速率的影響。預(yù)測(cè)和速率控制每秒執(zhí)行一次，因此該方法通過在吞吐量波動(dòng)前優(yōu)化視頻數(shù)據(jù)來避免中斷并阻止流視頻上的噪聲。作為優(yōu)化，比特率受到控制，因?yàn)榧词雇掏铝侩S著隨機(jī)擴(kuò)散的下側(cè)變化，其視頻數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)傳輸，且每幀的圖像質(zhì)量足夠用于專業(yè)用途，如監(jiān)視和遠(yuǎn)程支持。自適應(yīng)視頻流可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸高質(zhì)量的實(shí)時(shí)圖像，而移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隨處可用。該解決方案增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)指揮中心和安保人員之間的態(tài)勢(shì)感知。3.55G自適應(yīng)視頻流將改進(jìn)兩個(gè)方向的5G通信物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。一個(gè)是改善通信吞吐量預(yù)測(cè)。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)提高了4G網(wǎng)絡(luò)上的可用帶寬估計(jì)的準(zhǔn)確性，預(yù)計(jì)5G通信吞吐量預(yù)測(cè)方面也會(huì)有類似的精度提高。另一個(gè)改進(jìn)是視頻編解碼器。許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都需要低延遲通信，且預(yù)計(jì)編解碼器在處理4k和8k等高分辨率視頻時(shí)也會(huì)縮短處理時(shí)間。這兩種改進(jìn)都需要在硬件上增加計(jì)算能力。４物聯(lián)網(wǎng)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由大量的傳感器、分布式數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算設(shè)施以及相互連接的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成。這樣的環(huán)境存在許多變化，如隨時(shí)可變的工作負(fù)載、干擾以及其它的功能變化。移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)將被引入網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。在如此復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境中，為了滿足來自各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)速率、延遲以及可靠性等多樣化需求，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的思想將擴(kuò)展到整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。SDN是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，是一種虛擬化的實(shí)現(xiàn)方式，其思想是：讓一個(gè)集中的控制器具有可編程性來控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面和數(shù)據(jù)面分離開，這使得控制面能夠獨(dú)立演化?？刂泼嬗糜趯?shí)現(xiàn)各種各樣的控制邏輯，演化周期相對(duì)較短，數(shù)據(jù)面支持更快的包傳遞，演化周期相對(duì)較長(zhǎng)，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能，為核心網(wǎng)絡(luò)提供了良好的平臺(tái)。SDN思想的一個(gè)擴(kuò)展是軟件定義的基礎(chǔ)架構(gòu)(SDI),如圖1所示。SDI集成了軟件定義的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)，支持應(yīng)用程序和基礎(chǔ)設(shè)施之間的動(dòng)態(tài)控制循環(huán)，可為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序提供定制的基礎(chǔ)服務(wù)。

圖1軟件定義的基礎(chǔ)架構(gòu)５異構(gòu)計(jì)算加速軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)異構(gòu)計(jì)算能夠有效地獲取高性能計(jì)算能力，且其擴(kuò)展性好、資源利用率高。前面論述了SDN/NFV對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的好處，從專用設(shè)備到服務(wù)器的遷移,其提供了服務(wù)的靈活性，并降低了成本。然而由于網(wǎng)絡(luò)性能要求持續(xù)快速增長(zhǎng)，基于軟件的NFV無法以合理的成本維持未來的網(wǎng)絡(luò)性能。因此需要能夠帶來比CPU更高性能的加速技術(shù)。具體地，可通過硬件加速（如FPGA、GPU）進(jìn)一步優(yōu)化和提高NFV的效率。這種加速的一個(gè)重要要求是軟件兼容性。已經(jīng)部署在生產(chǎn)環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用程序與現(xiàn)有NFV應(yīng)用程序的兼容性是非常重要的。硬件（HW）加速度不應(yīng)該在其開發(fā)階段引入額外的軟件（SW）開發(fā)成本。在NFV的應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件（DPDK）框架因其在任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)適配器（NICs）之間的低開銷通信而被廣泛用作實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。DPDK是一套用于快速數(shù)據(jù)包處理的驅(qū)動(dòng)程序，無需使用定制交換機(jī)和路由器。在DPDK框架中，每個(gè)任務(wù)通過循環(huán)隊(duì)列與其他任務(wù)通信，這可以降低進(jìn)程間通信延時(shí)。因此，關(guān)鍵技術(shù)是將其遷移到HW加速器中。加速的另一個(gè)趨勢(shì)是使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）作為通用計(jì)算平臺(tái)。FPGA是一類可定制以執(zhí)行特定功能的集成電路，能夠?qū)崟r(shí)重新編程以執(zhí)行特定任務(wù)。由于對(duì)云計(jì)算的需求不斷增長(zhǎng)，云服務(wù)提供商正試圖將FPGA應(yīng)用到云數(shù)據(jù)中心。微軟在他們的數(shù)據(jù)中心采用FPGA來加速計(jì)算強(qiáng)度的工作量。當(dāng)FPGA作為異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)使用時(shí)，最大的性能瓶頸來自于CPU和FPGA之間的通信開銷。一些廠商提出所謂的CPU-FPGA混合處理器，這些方法是一種異構(gòu)計(jì)算。如圖2所示，CPU-FPGA混合處理器的主要特點(diǎn)：（1）具有高速一致性緩存的寬帶和低延遲；（2）CPU和FPGA之間的共享存儲(chǔ)器。圖3和圖4展示了NFV應(yīng)用中CPU-FPGA混合處理器的典型用例。NFV應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一是服務(wù)器支持的用戶數(shù)量，如果服務(wù)器支持更多用戶，則服務(wù)運(yùn)營(yíng)商可以減少服務(wù)器的數(shù)量，即降低成本。

圖2CPU-FPGA混合處理器如圖3所示，如果性能瓶頸位于網(wǎng)絡(luò)接口中，則接收器（RX）和發(fā)送器（TX）的任務(wù)將在FPGA上實(shí)現(xiàn)。這種情況下，可以在FPGA上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)包處理，CPU可以專注于復(fù)雜而靈活的任務(wù)。相反，如圖4所示，如果應(yīng)用程序的內(nèi)核計(jì)算部分是性能瓶頸，F(xiàn)PGA應(yīng)該加速復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，因此單個(gè)節(jié)點(diǎn)可以處理更多用戶。圖3

FPGA加速的接收器和發(fā)送器圖4

FPGA加速的復(fù)雜計(jì)算如圖5所示，可以通過應(yīng)用CPU-FPGA混合處理器加速NFV應(yīng)用，其中每個(gè)任務(wù)都映射到CPU或FPGA上。如前所述，典型的NFV應(yīng)用程序在DPDK框架上實(shí)現(xiàn),任務(wù)通常與DPDK循環(huán)隊(duì)列通信。圖5

在

CPU-FPGA混合處理器上的NFV將CPU-FPGA緊密耦合處理器應(yīng)用于NFV應(yīng)用具有很大優(yōu)勢(shì)。然而這種應(yīng)用程序面臨的挑戰(zhàn)是系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。雖然FPGA可以在低功耗情況下獲得更高的性能，但與CPU上的軟件相比，F(xiàn)PGA的開發(fā)需要更多的時(shí)間，因?yàn)镕PGA的設(shè)計(jì)通常需要扎實(shí)的硬件設(shè)計(jì)知識(shí)。高級(jí)綜合工具可以減少FPGA上的開發(fā)時(shí)間。

然而CPU-FPGA混合處理器給設(shè)計(jì)帶來了另一個(gè)困難：CPU和FPGA之間通信邏輯的發(fā)展。盡管CPU-FPGA混合處理器在CPU和FPGA之間具有潛在的寬帶寬，但它將通過利用其處理器的獨(dú)特功能進(jìn)行額外的設(shè)計(jì)工作以充分利用性能。圖6描述了CPU-FPGA混合處理器的框架。圖6中，假設(shè)通過循環(huán)隊(duì)列進(jìn)行通信的三個(gè)任務(wù)中有一個(gè)任務(wù)的任務(wù)量較大，需要轉(zhuǎn)移到FPGA上。在常規(guī)方法中，需要同時(shí)開發(fā)SW和HWO一個(gè)運(yùn)行在CPU上的發(fā)送函數(shù)將從環(huán)隊(duì)列中檢索輸入數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到FPGA。然后硬件接收模塊將數(shù)據(jù)提取并輸入到硬件電路上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)。在提出的具有混合處理器的方法中，實(shí)現(xiàn)了可以以軟件方式直接訪問DPDK循環(huán)隊(duì)列的硬件模塊，即檢查循環(huán)隊(duì)列的讀/寫指針獲取/放置數(shù)據(jù)，以及從FPGA更新讀或?qū)懼羔?。這種方法不需要在軟件端進(jìn)行修改，因此可以縮短開發(fā)時(shí)間并實(shí)現(xiàn)輕松遷移。由于緩存一致性，可以實(shí)現(xiàn)有效的循環(huán)隊(duì)列訪問E。

圖6CPU-FPGA混合處理器框架CPU-FPGA混合處理器的優(yōu)點(diǎn)是在保持NFV特點(diǎn)的同時(shí)，獲得比純軟件設(shè)計(jì)更高的性能。這種增強(qiáng)可以通過