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目前，全球超过一半的人口居住在城市，智慧城市带来的不仅仅是日常效率的提升。它承诺提供更便捷、更可持续的城市生活，以及更加以人为本的生活方式——这对公共和私营部门的领导者来说都是一个诱人的主张。
这种潜力已不再只是纸上谈兵。智慧城市能够大规模改善生活质量，这一点已得到充分证实，智能系统也已开始融入城市规划。世界各国政府正在投资各种举措，从道路Wi-Fi和互联网接入、减少排放到支持高风险社区，再到优化交通管理。然而，通往智慧生活的旅程早在这些“伟大构想”成形之前就已开启。
与许多前瞻性概念一样，将理论转化为应用始于硬件和软件的合理组合。第一步是投资下一代网络基础设施，以保持智慧城市的互联互通。为此，智慧城市规划者需要充分利用5G技术——这意味着利用现场可编程门阵列(FPGA)和开放无线接入网络(ORAN)接口来解锁高性能、低延迟连接。
积微成智
与任何互联系统一样，智慧城市由无数微小组件构成。它们依靠数百万个物联网(IoT)传感器从城市系统收集实时数据，并运用强大的人工智能和机器学习算法，将日常生活的细节转化为推动改进的洞察。智慧城市的应用场景无穷无尽。互联技术可以支持方方面面，从优化交通流量到完善公共汽车和地铁服务；从管理公共水道、公园和绿地；从监控电网和燃气管网；到改进安全和灾害管理、视频监控以及交通和执法工作。
由于潜在应用如此之多，物联网设备的密度可达每平方公里100万台。部署如此庞大的物联网设备网络看似挑战重重，但这仅仅是个开始。运营商还需要持续管理、协调、存储和处理数据，同时确保系统安全，免受恶意行为者的侵害。
同样重要的是，这些传感器之间必须保持持续通信，以确保在正确的时间执行正确的功能。毕竟，智慧城市不仅仅是优化业务工作流程，还涉及关乎生死的关键任务流程。瞬间中断就可能造成毁灭性后果，容错率几乎为零。出于同样的原因，适应性也至关重要。即使系统需要调整，停机也几乎不可能。
5G网络已经为智慧城市项目打开了大门。5G运行在比前代更高的频谱频段上，可提供更大的带宽并减少拥塞，从而支持大规模的高速、低延迟和灵活连接。小型基站（能够弥补覆盖范围差距的紧凑型接入节点）是5G网络基础设施的关键组成部分，有助于同时无缝连接大量设备。
然而，随着智慧城市变得越来越复杂、互联互通且要求越来越高，传统的5G小型基站可能难以跟上步伐。
智能、灵活、安全
智慧城市的未来将依赖于灵活的系统，这些系统能够快速响应不断变化的需求，而不会造成重大中断。迄今为止，传统的小型基站已经足够，但随着其应用范围的扩大，工程师需要找到进一步增强网络的方法，以满足日益增长的计算、连接和电源需求。他们需要构建和部署性能更佳、更灵活、功能更强大的小型基站，并实现可靠和高效的部署。
要实现这一目标，需要采取多管齐下的方法，即硬件和软件同步改进以推动进步。两种新兴技术在这方面被证明尤为重要，它们为工程师提供了改进设计的机会，同时确保小型基站对运营商而言具有成本效益。
现场可编程门阵列（FPGAs）作为柔性半导体器件，可助力工程师优化小型基站运行并改善其性能。其卓越的适应能力与性能表现，正完美契合小型基站的独特需求：
- 高速低时延：FPGA内置串行解串器(SERDES)，可满足数千至数百万联网设备所需的高数据速率与确定性低时延要求。其并行处理能力使FPGA能快速可靠地管理海量数据，为实时应用提供无中断支持。
- 可持续性：FPGA设计聚焦能效优化，具备低功耗特性。通过降低5G网络运维能耗，有效减少网络扩容成本及环境足迹。
- 灵活适配：FPGA具备高度自适应能力——即使部署后仍可重构配置。运营商无需投资新硬件即可动态调整，确保随需求、标准及技术演进持续升级。
- 安全韧性：FPGA集成加密算法与安全架构，保障用户信息及信令的机密性、完整性与可用性，有效抵御黑客攻击、分布式拒绝服务(DDoS)及中间人攻击(MitM)等网络威胁。在主要同步信号丢失等自然/人为干扰场景中，仍能维持正常运行。
- 边缘智能：FPGA实现多传感器（视频/摄像机/环境传感器/公用仪表等）与5G网络互联。通过在FPGA上运行AI及机器学习算法，实时处理分析传感器海量数据，赋能决策自动化，执行预测性分析与智能推理。
许多FPGA还内置了硬件和软件安全功能（例如硬件信任根和平台固件弹性功能），有助于保护关键基础设施免受恶意行为者的攻击。
开放无线接入网络(ORAN)为5G网络建设提供了一种全新的方法，使电信运营商在扩展或调整网络时能够摆脱供应商的垄断。
作为无线接入网络(RAN)系统的非专有版本，ORAN增强了互操作性。它允许运营商利用来自不同供应商的蜂窝网络设备来支持分散的网络架构，从而消除了采用障碍，并使供应链多样化，从而促进稳定性。它还能帮助运营商提高能源效率，并更轻松地扩展到新的区域和客户。
从商业角度来看，它也是控制成本和创新的有效途径。由于没有了供应商锁定，制造商有动力打破常规，以具有竞争力的价格生产出更好的产品——在这种情况下，原始设备制造商(OEM)、通信服务提供商、消费者和公共部门实施项目都将实现共赢。
5G ORAN现已支持非地面网络(NTN)（又称卫星ORAN），其中ORAN是卫星系统中的现有设备。卫星连接的加入对智慧城市而言意义重大，因为作为5G ORAN的卫星比传统基站拥有更大的覆盖范围。它不仅覆盖地面设备和装置，还能为飞机和无人机等机载设备提供连接。
卫星ORAN涵盖通过低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)或高空平台系统（HAPS；例如气球、飞艇和太阳能飞行器）提供无线电接入的平台。这些平台在空中运行，为地面设备提供互联网连接。
卫星ORAN为智慧城市提供无处不在的连接，帮助将互联网接入服务覆盖此前服务不足且难以覆盖的地区，例如乡村城镇、岛屿、海上船舶、沙漠和大型飞行器。卫星ORAN连接在公共安全（例如应急响应）、为受灾地区提供互联网接入或跨地形进行全球通信等方面至关重要。
卫星主要由太阳能和太阳能电池板供电。因此，卫星及其设备的功耗至关重要。FPGA因其低功耗、高速度和高安全性而被用于卫星ORAN。更重要的是，FPGA可以在轨道上重新编程，从而使固件更新和升级更加轻松易用。
惠及所有人，造福世界各地
随着城市地区的持续发展，对稳健、灵活、高效的无处不在的连接解决方??案的需求将与日俱增。FPGA提供处理智慧城市生态系统复杂性所需的适应性和性能，同时确保能源效率和安全性。同样，ORAN的开放框架也促进了供应商之间的创新和竞争，最终构建更具弹性和可扩展性的网络。
通过利用这些技术以及未来必将涌现的众多技术，城市规划人员、工程师和网络运营商不仅可以优化基础设施，还可以改善生活质量、减轻环境影响，并构建一种以社区需求为优先、促进公平获取技术的新型城市生活模式。
