李大洲

（南京郵電大學，江蘇南京210009）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分，也是信息化時代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展。它的用戶端延伸和擴展到了任何物體與物體之間進行信息交換和通信，即物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術等通信感知技術，廣泛應用于網(wǎng)絡中。物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)將物理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)后，可以對數(shù)據(jù)應用各種識別和學習算法進行分析研究。因此，物聯(lián)網(wǎng)提供了許多解決社會問題的方案和應用。此外，對數(shù)據(jù)的實時處理可以創(chuàng)造新的價值，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)[1]。

本文首先介紹物聯(lián)網(wǎng)信息和通信技術系統(tǒng)的要求。其次，介紹移動流量的趨勢和具有大量視頻流的物聯(lián)網(wǎng)應用示例。最后介紹了一種高效靈活的網(wǎng)絡基礎架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)高效的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及其異構(gòu)加速技術。

1 物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢

物聯(lián)網(wǎng)可以將全球信息進行連接，讓整個世界變成了物物相連的形式。隨著時代的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)受到了越來越多的關注。在城市發(fā)展得以不斷推進的社會背景下，城市與城市之間的距離被逐漸增大，物聯(lián)網(wǎng)的應用范圍也逐漸擴大。也可以說，物聯(lián)網(wǎng)是信息技術發(fā)展中的衍生物，其在一定程度上改變了人們的生活方式，并形成一個龐大的時長，具有較強的發(fā)展?jié)摿?。當前的物?lián)網(wǎng)技術由于適應性較強等特點，能夠在智慧城市、環(huán)境保護等多個方面進行應用。而5G的出現(xiàn)，促進了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為其改革提供了有效的技術支撐[2]。

計算機系統(tǒng)依靠物聯(lián)網(wǎng)收集到大量數(shù)據(jù)并進行快速處理。由于傳統(tǒng)處理器系統(tǒng)的一些缺點，我們可以使用的一種解決方案是異構(gòu)計算，異構(gòu)計算能有效地獲取高性能計算能力，且其擴展性好、資源利用率高。

2 5G的需求

5G與4G相比，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在速率和延時方面。5G的信息傳輸速率可以達到100 Gbps，是4G的幾十倍。5G的通信延時一般情況下在7 ms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。此外，5G對智能手表等智能設備有著很好的支持，這將使5G在這方面大放異彩。

5G主要有三大應用場景，包括：（1）增強移動寬帶（eMBB）；（2）海量機器通信（mMTC）；（3）超高可靠低延遲通信（uRLLC）。eMBB主要用于個人娛樂，在5G網(wǎng)絡下，我們輕松在線觀看2K/4K視頻，峰值速度可以達到20 Gbps。mMTC依靠5G強大的連接能力，促進垂直行業(yè)融合，典型應用有智能電表、醫(yī)療保健和遠程維護等。萬物互聯(lián)下，我們依靠身邊的各類傳感器和終端能構(gòu)建一個智能化的生活。uRLLC場景用于對時延要求很高的場景，如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、遠程醫(yī)療等行業(yè)。

在上述對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)絡容量，mMTC和uRLLC 的使用場景更容易實現(xiàn)，從而為各種社會基礎設施提供服務。

移動接入網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基于云體系結(jié)構(gòu)（Cloud RAN）。云體系架構(gòu)主要由三個組件組成：中心單元（CU）、前端單元（fronthaul）和射頻拉遠單元（RRU）。大量多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）的引入會影響中心單元（CU）與射頻拉遠單元（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實現(xiàn)基帶資源的動態(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（點式小區(qū)）的寬范圍內(nèi)的頻帶。由于C-RAN必須在短時間內(nèi)完成各種數(shù)據(jù)的復雜處理，因此5G網(wǎng)絡需要高性能計算系統(tǒng)。

3 物聯(lián)網(wǎng)

3.1 應用于物聯(lián)網(wǎng)的實時視頻

大量設備連接到網(wǎng)絡用于物聯(lián)網(wǎng)應用，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)量方面占主導地位，且由于其寬帶特性，5G通信用于實時流式傳輸視頻。例如，5G通信的實時視頻流可以用于以下演示實驗[3-4]：

（1）加強現(xiàn)場安全服務的態(tài)勢感知；

（2）遠程控制施工機械；

（3）自動駕駛汽車的遠程支持。

雖然5G通信提供大量寬帶服務，但實時視頻流需要視頻壓縮及其對傳輸設備的比特率控制。

3.2 5G通信和視頻壓縮的能力

國際電信聯(lián)盟無線電通信組（ITU-R）預計5G的通信能力為：峰值數(shù)據(jù)速率20 Gb/s，用戶體驗的數(shù)據(jù)速率100 Mb/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)應用的數(shù)據(jù)校正的通信是上行鏈路。在新的ITU-R報告草案中，用戶在密集的城市地區(qū)體驗到的上行鏈路通信數(shù)據(jù)速率為50 Mb/s[5]，農(nóng)村地區(qū)的吞吐量比它慢。因此，物聯(lián)網(wǎng)應用的實時視頻流的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，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1 Gb/s，因此必須壓縮流，并且需要高級編解碼器，如H.265，因為當使用H.264壓縮時，4k視頻的推薦比特率約為50 Mb/s。

3.3 自適應比特率控制

4G商用網(wǎng)絡的通信吞吐量波動幅度很大，這是因為一個小區(qū)的通信資源被許多用戶共同使用，且由于用戶數(shù)量和信號強度的變化，每個用戶的分配到的資源在動態(tài)地改變。如果在比特率恒定的4G網(wǎng)絡上進行視頻流傳輸，當吞吐量降低時，視頻數(shù)據(jù)不能完全傳輸，就會出現(xiàn)圖像的塊噪聲和中斷等問題。由于運營的5G網(wǎng)絡也同時被許多用戶共享，因此其吞吐量也將大幅波動。另外，5G網(wǎng)絡將發(fā)展為異構(gòu)網(wǎng)絡[6]，將成為通信吞吐量波動的主要因素。因此，對5G通信上的實時視頻流，需要更多自適應比特率控制技術。

3.4 自適應視頻速率控制

流媒體被定義為在Internet中應用流式傳輸技術進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)時基媒體[7]。視頻流中的碼率一般恒定，而網(wǎng)絡中流所占用的帶寬是動態(tài)變化的。自適應視頻流基于預測的視頻速率控制，且該方法基于受比特率和幀速率的影響[8]。

預測和速率控制每秒執(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，因為即使吞吐量隨著隨機擴散的下側(cè)變化，其視頻數(shù)據(jù)也可以實時傳輸，且每幀的圖像質(zhì)量足夠用于專業(yè)用途，如監(jiān)視和遠程支持。自適應視頻流可以通過移動網(wǎng)絡傳輸高質(zhì)量的實時圖像，而移動網(wǎng)絡隨處可用。該解決方案增強了現(xiàn)場指揮中心和安保人員之間的態(tài)勢感知。

3.5 5G

自適應視頻流將改進兩個方向的5G通信物聯(lián)網(wǎng)應用。一個是改善通信吞吐量預測。機器學習技術提高了4G網(wǎng)絡上的可用帶寬估計的準確性[9]，預計5G通信吞吐量預測方面也會有類似的精度提高。另一個改進是視頻編解碼器。許多物聯(lián)網(wǎng)應用程序都需要低延遲通信，且預計編解碼器在處理4k和8k等高分辨率視頻時也會縮短處理時間。這兩種改進都需要在硬件上增加計算能力。

4 物聯(lián)網(wǎng)的軟件定義網(wǎng)絡（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、邊緣計算設施以及相互連接的異構(gòu)網(wǎng)絡組成。這樣的環(huán)境存在許多變化，如隨時可變的工作負載、干擾以及其它的功能變化。移動邊緣計算（MEC）將被引入網(wǎng)絡以實現(xiàn)對大量視頻數(shù)據(jù)的實時響應。在如此復雜的系統(tǒng)環(huán)境中，為了滿足來自各種物聯(lián)網(wǎng)應用程序的數(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（SDN）的思想將擴展到整個物聯(lián)網(wǎng)基礎設施[10]。SDN是一種新型網(wǎng)絡創(chuàng)新架構(gòu)，是一種虛擬化的實現(xiàn)方式，其思想是：讓一個集中的控制器具有可編程性來控制整個網(wǎng)絡，將網(wǎng)絡設備的控制面和數(shù)據(jù)面分離開，這使得控制面能夠獨立演化?？刂泼嬗糜趯崿F(xiàn)各種各樣的控制邏輯，演化周期相對較短，數(shù)據(jù)面支持更快的包傳遞，演化周期相對較長，使網(wǎng)絡作為管道變得更加智能，為核心網(wǎng)絡提供了良好的平臺。

SDN思想的一個擴展是軟件定義的基礎架構(gòu)（SDI），如圖1所示。SDI集成了軟件定義的計算、存儲和網(wǎng)絡，支持應用程序和基礎設施之間的動態(tài)控制循環(huán)，可為各種物聯(lián)網(wǎng)應用程序提供定制的基礎服務。

圖1 軟件定義的基礎架構(gòu)

5 異構(gòu)計算加速軟件定義網(wǎng)絡(SDN)/網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)

異構(gòu)計算能夠有效地獲取高性能計算能力，且其擴展性好、資源利用率高。前面論述了SDN/NFV對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的好處，從專用設備到服務器的遷移，其提供了服務的靈活性，并降低了成本。然而由于網(wǎng)絡性能要求持續(xù)快速增長，基于軟件的NFV無法以合理的成本維持未來的網(wǎng)絡性能。因此需要能夠帶來比CPU更高性能的加速技術。具體地，可通過硬件加速（如FPGA、GPU）進一步優(yōu)化和提高NFV的效率[11]。

這種加速的一個重要要求是軟件兼容性。已經(jīng)部署在生產(chǎn)環(huán)境中的實際應用程序與現(xiàn)有NFV應用程序的兼容性是非常重要的[1]。硬件（HW）加速度不應該在其開發(fā)階段引入額外的軟件（SW）開發(fā)成本。在NFV的應用領域，數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件（DPDK）框架因其在任務和網(wǎng)絡適配器（NICs）之間的低開銷通信而被廣泛用作實際標準[12]。DPDK是一套用于快速數(shù)據(jù)包處理的驅(qū)動程序，無需使用定制交換機和路由器。在DPDK框架中，每個任務通過循環(huán)隊列與其他任務通信，這可以降低進程間通信延時。因此，關鍵技術是將其遷移到HW加速器中。加速的另一個趨勢是使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為通用計算平臺。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重新編程以執(zhí)行特定任務。由于對云計算的需求不斷增長，云服務提供商正試圖將FPGA應用到云數(shù)據(jù)中心。微軟在他們的數(shù)據(jù)中心采用FPGA來加速計算強度的工作量[13]。當FPGA作為異構(gòu)計算平臺使用時，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)計算。

如圖2所示，CPU-FPGA混合處理器的主要特點：（1）具有高速一致性緩存的寬帶和低延遲；（2）CPU和FPGA之間的共享存儲器。圖3和圖4展示了NFV應用中CPU-FPGA混合處理器的典型用例。NFV應用的關鍵性能指標之一是服務器支持的用戶數(shù)量，如果服務器支持更多用戶，則服務運營商可以減少服務器的數(shù)量，即降低成本。

圖2 CPU-FPGA混合處理器

如圖3所示，如果性能瓶頸位于網(wǎng)絡接口中，則接收器（RX）和發(fā)送器（TX）的任務將在FPGA上實現(xiàn)。這種情況下，可以在FPGA上實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)包處理，CPU可以專注于復雜而靈活的任務[1]。

相反，如圖4所示，如果應用程序的內(nèi)核計算部分是性能瓶頸，F(xiàn)PGA應該加速復雜的計算任務，因此單個節(jié)點可以處理更多用戶。

圖3 FPGA加速的接收器和發(fā)送器

圖4 FPGA加速的復雜計算

如圖5所示，可以通過應用CPU-FPGA混合處理器加速NFV應用，其中每個任務都映射到CPU或FPGA上。如前所述，典型的NFV應用程序在DPDK框架上實現(xiàn)，任務通常與DPDK循環(huán)隊列通信。

圖5 在CPU-FPGA混合處理器上的NFV

將CPU-FPGA緊密耦合處理器應用于NFV應用具有很大優(yōu)勢。然而這種應用程序面臨的挑戰(zhàn)是系統(tǒng)的開發(fā)時間[14]。

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)需要更多的時間，因為FPGA的設計通常需要扎實的硬件設計知識[1]。

高級綜合工具可以減少FPGA上的開發(fā)時間[15]。然而CPU-FPGA混合處理器給設計帶來了另一個困難：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特功能進行額外的設計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，假設通過循環(huán)隊列進行通信的三個任務中有一個任務的任務量較大，需要轉(zhuǎn)移到FPGA上。在常規(guī)方法中，需要同時開發(fā)SW和HW。一個運行在CPU上的發(fā)送函數(shù)將從環(huán)隊列中檢索輸入數(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現(xiàn)復雜的任務。在提出的具有混合處理器的方法中，實現(xiàn)了可以以軟件方式直接訪問DPDK循環(huán)隊列的硬件模塊，即檢查循環(huán)隊列的讀/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行修改，因此可以縮短開發(fā)時間并實現(xiàn)輕松遷移。由于緩存一致性，可以實現(xiàn)有效的循環(huán)隊列訪問[1]。

圖6 CPU-FPGA混合處理器框架

CPU-FPGA混合處理器的優(yōu)點是在保持NFV特點的同時，獲得比純軟件設計更高的性能。這種增強可以通過異構(gòu)系統(tǒng)實現(xiàn)。另外，CPU-FPGA混合處理器的思想可以為5G提供高效的計算系統(tǒng)。

6 結(jié) 語

本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)服務的高效計算系統(tǒng)和網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。為了部署物聯(lián)網(wǎng)服務，如視頻傳輸系統(tǒng)、高效的計算機系統(tǒng)和5G等，移動網(wǎng)絡系統(tǒng)是必需的。此外，闡述了網(wǎng)絡系統(tǒng)高效計算的必要性。為了利用復雜的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，異構(gòu)計算是在5G中實現(xiàn)SDN/NFV的一種很好的解決方案，因為對于5G網(wǎng)絡，SDN/NFV的目標性能超過40 Gb/s。以異構(gòu)計算為例，介紹利用HLS和各種軟件實現(xiàn)的一些轉(zhuǎn)換工具，利用CPU與FPGA之間的緊密耦合處理器實現(xiàn)5G的NFV控制器。