无缝5G实施的基础

5G是蜂窝网络连接的下一个前沿，但新一代5G承诺的不仅仅是更快的下载速度和更低的延迟。5G预计将提供更高的带宽和更全面的覆盖，这将为手机以外的连接开辟各种新的用例，从笔记本电脑和手持物联网(IoT)设备到汽车和大规模工业应用。据行业预测，到本世纪20年代中期，随着不兼容5G网络的4G设备的迁移，5G用户将增加超过10亿。然而，向5G过渡将需要对新的蜂窝基础设施进行重大投资。5G架构将与之前的实现发生重大变化。推动这些变化的是第四代5G演进而来的一些关键特征。我们将回顾这些关键特征，然后看看这些特征将如何影响典型5G系统的数据平台架构，并探讨不同级别数据平台的实现选项，然后确定典型的实现选项。另外，还将详细研究一个中端数据平台的例子，以确定关键的设计选择和权衡。

5G特性驱动实施架构

低频段5G基站的运行频率范围与4G手机类似(从600MHz到850MHz，并提供类似的范围和下载速度(30Mbit/s到250Mbit/s)。因此，低频段5G在世界许多地区已经被淘汰。5G中频发射塔采用大约2.5GHz到3.7GHz之间的微波，显著提高了下载速度到100Mbit/s- 900mbit /s范围，同时扩大了几英里的覆盖范围。中频段5G发射塔已经成为大城市和其他人口密集地区的标准，并可能很快成为全球标准。高频段5G目前运行在25GHz-39GHz范围内，下载速度与有线网络服务类似，约为1Gbps。然而，高频段5G也有局限性。25GHz-39GHz范围是毫米波(mmW)波段的低端。毫米波的覆盖范围比微波更有限，这意味着高频段5G将需要更多更小的基站来覆盖与中频段5G相同的区域。

另外，墙壁或家用电器等物理障碍也可能限制5G高频段连接。毫米波也不能很好地处理固体物体。高频段5G技术的成本也比低频技术高得多。因此，在不久的将来，高频段5G可能会局限于音乐会场馆和体育场等相对开放的大型设施。

5G数据平台金字塔

在确定具体实施的5G层次级别时，必须考虑覆盖范围、所需的下载速度和成本效率等因素。5G分布式数据平台将数据处理、存储和通信置于不同的架构层次，以优化成本、功耗、网络性能、操作距离和用户特性。最靠近网络边缘的是小型的微型平台，它们在建筑物或设施内覆盖很小的距离(几十米)。常见的例子包括建筑自动化、安全、工厂楼层模块监控和控制。在边缘设备之上的层次是聚合平台，将所有边缘设备缝合在一起，并在大约100M的距离上巩固和优化数据流量。这些设备通常位于建筑物或小型校园层面，可以分析、过滤、组合和优先考虑通信，有时还会与人工智能(AI)结合。中间平台位于大规模中央数据中心(核心)之下，以提供更快的响应。这些响应通常是由核心选择并定期更新的基于算法的。这些平台为靠近边缘的平台提供了所需的实时控制。来自这些平台的数据分析和跟踪可以为平台提供商提供价值和新的收入流。从预测性维护、材料跟踪和路由、系统管理和数据流量负载平衡等操作中节省的成本可以回馈给用户(可能收取订阅费或节省的百分比)。

大数据运营运行在核心数据中心平台上。这些海量数据处理和存储设施保存了多年的历史操作和复杂的机器学习算法，这些算法提供了优化过滤器和过程，为快速响应编程中间平台并为客户增加价值。

评估不同类型的数据中心平台

在5G层次结构的每一层，设计师都会遇到不同的需求和权衡:

小型平台是系统中成本、占地面积和功率受限制最大的部分。它们需要易于安装，并且需要一个适中的生命周期，因为每个聚合平台都需要多个。这里可以使用基于mcu的实现，因为它们成本低、功耗低、占用空间小，同时在灵活性和处理能力方面做出了一些较小的牺牲。聚合平台需要极大的灵活性、处理能力、中间存储和安全性。基于现场可编程门阵列的实现可以提供最大程度的灵活性和处理能力，因为底层硬件可以根据新的协议、新的AI算法或客户的新价值增加的需要重新编程。FPGA 还可以轻松扩展，允许供应商以不同的价格和价值点创建具有不同灵活性和处理能力水平的不同产品层。中间平台需要最高水平的原始处理能力、安全性和灵活性。成本、电力消耗和足迹是可以接受的牺牲。在这个层次上，内存保护单元(用于普通操作的原始处理能力)和FPGA(用于灵活性和适应性)的混合组合将是最佳的实现方法。FPGA甚至可以根据需要实时重新编程，以响应对视频处理、加密、解密、搜索和过滤等重要功能日益增长的需求。人工智能算法甚至可以通过分析在入住率、交通模式、天气等关键指标中找到的线索来预测这种需求。

聚合平台是如何工作的

让我们看看一个中端功能聚合平台，看看关键功能是如何在设备中实现的。利用FPGA和片上微控制器允许设备从MCU开始操作，为启动和安全更新提供一个已知的安全起点。此信任根使用可靠且受保护的加密、解密和安全密钥存储操作，以阻止黑客和病毒接管系统。该MCU还可以处理标准操作，如通信、分组处理、视频处理、压缩和存储效率。片上FPGA硬件可以用于不太常见但处理功率高的操作，以保持MCU腾出时间进行必须及时完成的常见操作。FPGA可以用于数字滤波、图像处理、图像识别和类似的特殊操作，也许可以与AI和机器学习算法结合起来，在需要的基础上预测和编程硬件。随着时间的推移，可以从中间平台和核心平台识别、创建和下载新的算法，进一步优化性能，为平台提供商创造新的收入流，并为客户节省成本。5G将意味着云、核心和边缘的融合。但是，重要的是，每个组件都要运行在正确类型的基础设施上，或者能够访问正确类型的基础设施。核心总是需要的，即使是5G边缘计算的重要性，但随着5G连接的激增和支持5G的设备数量的持续增长，对这些设备的中小型分布式数据中心平台的需求也会增加。从核心到边缘的计算将是5g世界的标志。这将是一个恒温器、冰箱、飞机、火车和汽车都和手机一样连接到同一个蜂窝网络的世界。