كيف تتعاون وحدة المعالجة الأساسية (BBU) ووحدة الإرسال والاستقبال عن بعد (RRU) بكفاءة في محطات القاعدة؟

وظائف ومسؤوليات وحدة المعالجة الأساسية (BBU) في معالجة الإشارات

في قلب محطات القاعدة الحديثة تقع وحدة المعالجة الأساسية (BBU)، التي تتولى جميع أنواع أعمال معالجة الإشارات الحرجة. فكّر في التضمين وإزالة التضمين، وتصحيح الأخطاء، بالإضافة إلى إدارة البروتوكولات عبر الطبقات المختلفة بما في ذلك PDCP وRLC وRRC. قبل إرسال أي شيء عبر الموجات اللاسلكية، تتأكد هذه الوحدة من توافق كل شيء مع معايير 3GPP التي تنظم شبكات LTE و5G NR على حد سواء. ما يميز وحدات BBU حقًا هو كيفية فصلها لدوال مستوى التحكم عن تدفق البيانات الفعلية خلال النظام. عندما تحدث أمور مثل إدارة الانتقال (Handover) بشكل منفصل عن تدفق البيانات العادي، فإن ذلك يفتح المجال أمام إمكانيات تخصيص أكثر ذكاءً للموارد. وبالتالي يمكن للشبكات التكيّف فورًا عند ارتفاع أو انخفاض حركة المرور بشكل غير متوقع، مما يحافظ على سير العمليات بسلاسة حتى في أوقات الذروة.

دور وحدة الراديو البعيدة (RRU) في تحويل الترددات اللاسلكية والربط مع الهوائي

تُركَّب وحدة الراديو عن بُعد (RRU) بجانب الهوائيات مباشرةً، حيث تقوم بتحويل إشارات التردد الأساسي إلى موجات راديوية فعلية مثل ترددات 2.6 جيجا هرتز أو 3.5 جيجا هرتز. يساعد هذا الموقع في تقليل فقد الإشارة الذي قد يكون كبيرًا نسبيًا – حوالي 4 ديسيبل لكل 100 متر عند استخدام الكابلات المحورية العادية، خصوصًا في هذه النطاقات الترددية الأعلى. ماذا تفعل وحدة RRU بالتحديد؟ إنها تتولى تحويل المعلومات الرقمية إلى شكل تناظري لإرسال البيانات للأسفل، وتعزيز الإشارات الضعيفة العائدة من الأجهزة دون إضافة ضوضاء كبيرة، كما تعمل مع نطاقات ترددية متعددة تمتد من 700 ميجا هرتز حتى 3.8 جيجا هرتز من خلال تقنية تُعرف بتجميع الحاملات. كما أن وضع هذه الوحدات قريبة من الهوائيات يجعل الشبكات تستجيب بشكل أسرع أيضًا. تُظهر الاختبارات انخفاض زمن التأخير بنسبة حوالي 25٪ مقارنةً بالنظم القديمة التي كانت تعتمد على كابلات طويلة تمتد بين مواقع المعدات.

مجرى العمل التكميلي: كيف تمكن وحدتا BBU وRRU من إرسال الإشارة من الطرف إلى الطرف

تعمل وحدة المعالجة الأساسية (BBU) ووحدة الإرسال/الاستقبال (RRU) معًا عبر روابط ألياف بصرية عالية السرعة باستخدام بروتوكولات CPRI أو eCPRI لتكوين سلسلة إشارات متكاملة من المعالجة الرقمية إلى الإرسال اللاسلكي.

يُركّز هذا الهيكل الموزع وحدات BBU بينما توضع وحدات RRU في قمم الأبراج، مما يحسن الكفاءة الطيفية بنسبة 32٪ في البيئات الحضرية. ويتيح الفصل بين الوحدتين إمكانية الترقية المستقلة، وهو ما يكون مفيدًا بشكل خاص في نظم O-RAN النامية.

التوصيل الضوئي الأمامي القائم على الألياف: ربط وحدة BBU بوحدة RRU باستخدام بروتوكولات CPRI وeCPRI

روابط الألياف البصرية عالية السرعة في اتصال BBU-RRU

تشكل كابلات الألياف البصرية العمود الفقري لشبكات الربط الأمامي الحديثة، حيث تتيح عرض نطاق ترددي عالٍ وتأخيرًا منخفضًا جدًا عند توصيل وحدات المعالجة الأساسية (BBU) بوحدات الإرسال والاستقبال اللاسلكية (RRU). ويمكن لهذه الكابلات التعامل مع سرعات بيانات تزيد عن 25 جيجابت في الثانية، ما يعني أنها تحمل إشارات الراديو الرقمية بشكل موثوق دون أي تداخل كهرومغناطيسي، وهو أمر بالغ الأهمية في المناطق الحضرية المزدحمة حيث يعمل عدد كبير من المعدات في آنٍ واحد. يعمل معيار CPRI جنبًا إلى جنب مع الألياف ثنائية الاتجاه للحفاظ على التزامن بين معالجة القاعدة النطاقية التي تحدث في وحدة BBU والعمل الفعلي لمدى الترددات الراديوية الذي تقوم به وحدة RRU. ويساعد هذا التزامن في الحفاظ على جودة الإشارة الجيدة طوال النظام من البداية إلى النهاية.

CPRI مقابل eCPRI: بروتوكولات لتحسين كفاءة الربط الأمامي وإدارة عرض النطاق الترددي

مع الانتقال نحو شبكات الجيل الخامس (5G)، بدأ العديد من المشغلين في اعتماد ما يُعرف ببروتوكول CPRI المُحسّن، أو eCPRI اختصارًا. ما يجعل eCPRI مثيرًا للاهتمام هو قدرته على تقليل متطلبات عرض النطاق الترددي بما يصل إلى عشر مرات مقارنة بالإصدارات الأقدم من CPRI. لكن يعمل CPRI التقليدي بشكل مختلف؛ فهو يحتاج إلى اتصالات ألياف ضوئية منفصلة لكل هوائي، ويعمل ضمن ما يُعرف بعمليات الطبقة الأولى (Layer 1). وهنا تكمن المشكلة: عند التعامل مع تشكيلات MIMO الكبيرة التي أصبحت شائعة جدًا هذه الأيام، لا يمكن لبروتوكول CPRI العادي أن يتوسع بشكل كافٍ. هنا يظهر تميز eCPRI. إذ من خلال الانتقال إلى أساليب النقل القائمة على الإيثرنت، يتيح مشاركة الموارد بين وحدات الراديو البعيدة المتعددة من خلال ما يُعرف بالتعدد المركب الإحصائي (statistical multiplexing). والنتيجة؟ أداء أفضل بكثير من حيث كفاءة الربط الأمامي (fronthaul) دون تكاليف البنية التحتية الإضافية.

يقلل هذا التطور من تكاليف الربط الأمامي بنسبة 30٪ ويدعم عمليات نشر الموجات الملليمترية القابلة للتوسّع.

اعتبارات التأخير والسعة والتزامن في تصميم الربط الأمامي

إن ضبط التوقيت بشكل دقيق أمر بالغ الأهمية. فإذا كان هناك خطأ في التزامن أكبر من 50 نانوثانية، فإن ذلك يُفسد عملية تشكيل الحزمة وكل تلك الوظائف الأخرى المعتمدة على الزمن في شبكات الجيل الخامس (5G). ولهذا السبب تستخدم إعدادات الربط الأمامي الحديثة معايير مثل IEEE 802.1CM TSN للحفاظ على حركة إشارات التحكم بشكل سليم عبر الشبكة. أما من حيث التعامل مع حجم البيانات، فقد انتقل معظم المستخدمين حاليًا إلى أجهزة الإرسال والاستقبال بسرعة 25 جيجابت. وهذه الأنظمة تمتص فقد الإشارة عند حوالي 1.5 ديسيبل لكل كيلومتر، وهي نتيجة تتفوق على الأنظمة القديمة بسرعة 10 جيجابت بنحو ثلثيْن. وتعني كل هذه الترقيات أنه لا يزال بإمكاننا تحقيق أزمنة استجابة أقل من جزء من الألف من الثانية، حتى عندما يلزم وضع وحدات المعالجة الأساسية على بعد يصل إلى 20 كيلومترًا عن وحدات الراديو البعيدة في إعدادات الهيكل المركزي.

تطور معمارية الشبكة: من D-RAN إلى C-RAN وvRAN

D-RAN مقابل C-RAN: تأثيرها على نشر وحدة المعالجة الأساسية (BBU) وتوزيع وحدات الإرسال والاستقبال عن بعد (RRU)

تُعد إعدادات شبكة RAN الموزعة التقليدية أو ما يُعرف بـ D-RAN، حيث تحتوي كل برج خلوي على وحدة معالجة أساسية خاصة بها مثبتة بجانب وحدة الإرسال والاستقبال عن بعد. وعلى الرغم من أن هذا يحافظ على تأخير الإشارة أقل من ميلي ثانية واحدة، إلا أنه يعني وجود الكثير من المعدات المكررة التي تظل غير مستخدمة معظم الوقت، كما يجعل مشاركة الموارد بين الأبراج أمراً صعباً إلى حد كبير. أما النهج الجديد للشبكة المركزية (C-RAN)، فيجمع كل وحدات المعالجة الأساسية هذه ويضعها معًا في مواقع مركزية متصلة عبر كابلات الألياف البصرية بوحدات الإرسال والاستقبال عن بعد في مواقع مختلفة. ووفقًا لأبحاث صناعية من شركة Dell'Oro في تقريرها لعام 2023، يمكن لهذا التغيير أن يقلل من المصروفات التشغيلية بنسبة تتراوح بين 17٪ وربما تقترب من 25٪. بالإضافة إلى ذلك، يكتسب مشغلو الشبكات القدرة على تحويل قدرة المعالجة إلى حيث تكون الحاجة إليها أكبر ما يمكن مع تغير أنماط حركة المرور خلال اليوم.

مجمعات وحدات المعالجة الأساسية المركزية في C-RAN لتحسين مشاركة الموارد والكفاءة

من خلال تجميع وحدات وحدة معالجة القاعدة (BBU) في منشآت مركزية، يمكن للمشغلين إدارة مئات وحدات وحدة الإرسال والاستقبال (RRU) من موقع واحد. وتشمل الفوائد ما يلي:

• دمج الأجهزة : يتطلب نشر بتكوين 24 خلية أقل بنسبة 83٪ من هيكل وحدة معالجة القاعدة (BBU) مقارنةً بإعدادات D-RAN المماثلة
• تحسين الطاقة : يقلل موازنة التحميل من استهلاك طاقة محطة القاعدة بنسبة 35٪ (دراسة حالة إريكسون 2022)
• التنسيق المتقدم : يمكن استخدام تقنيات مثل النقطة المتعددة المنسقة (CoMP) لتشكيل الحزمة بكفاءة في شبكات الجيل الخامس (5G) باستخدام موجات الملليمتر

الشبكة الراديوية الافتراضية (vRAN): تطوير وظائف وحدة معالجة القاعدة إلى معالجة قائمة على السحابة

تفصل الشبكة الراديوية الافتراضية (vRAN) معالجة القاعدة عن الأجهزة الخاصة، وتشغِّل وظائف وحدة معالجة القاعدة الافتراضية (vBBU) على خوادم سحابية تجارية جاهزة. ويجلب هذا التحوّل ما يلي:

1. قابلية التوسع المرنة : تتوسع موارد المعالجة ديناميكيًا وفق أنماط حركة المرور
2. تكامل الحافة : 67% من المشغلين يقومون بنشر وحدات BBUs الافتراضية (vBBUs) جنبًا إلى جنب مع عقد الحوسبة الحدية متعددة الوصول (MEC) لتقليل زمن التأخير (نوكيا 2023)
3. تحديات التشغيل البيني : تتطلب تحقيق مزامنة أقل من 700 مايكروثانية أجهزة تسريع متخصصة على الرغم من تنوع الموردين

إن التطور من D-RAN إلى C-RAN وvRAN يُظهر كيف أن المركزية والتكيف الافتراضي يحسنان كفاءة الشبكة وقابلية التوسع والفعالية من حيث التكلفة.

O-RAN وتقسيم الوظائف: إعادة تعريف التعاون بين وحدة المعالجة الأساسية (BBU) ووحدة الإرسال والاستقبال (RRU)

معايير تحالف O-RAN ومتطلبات الواجهة المفتوحة لوحدة المعالجة الأساسية (BBU) ووحدة الإرسال والاستقبال (RRU)

تسعى تحالف O-RAN إلى تعزيز تصميمات شبكات الوصول اللاسلكية المفتوحة والمتاحة من خلال تحديد طرق قياسية تتيح لوحدات القاعدة (BBUs) ووحدات الراديو البعيدة (RRUs) التحدث مع بعضها البعض. ما يعنيه هذا فعليًا هو أن المشغلين يمكنهم مزج ومطابقة المعدات من موردين مختلفين بدلًا من الاعتماد الحصري على نظام مورد واحد. وقد وضع التحالف طرقًا مختلفة لتقسيم الوظائف بين هذه المكونات، مثل الخيار 7.2x. في هذا الإعداد، تقوم طبقات مثل RLC وMAC بأداء مهامها داخل وحدة القاعدة (BBU)، في حين تتم المهام الأدنى في الطبقة الفيزيائية ومعالجة الترددات اللاسلكية (RF) في طرف وحدة الراديو البعيدة (RRU). وجدت ورقة بحثية نُشرت العام الماضي في مجلة Applied Sciences أن هذا التكوين بالذات يحافظ على تأخيرات الربط الأمامي (fronthaul) أقل من 250 ميكروثانية، وهي نتيجة مثيرة للإعجاب إذا ما أخذنا بعين الاعتبار مدى حساسية الشبكات اللاسلكية لمشاكل التوقيت. بطبيعة الحال، هناك تنازلات أيضًا. إذ بينما توفر المعايير المفتوحة خيارات أكثر عند شراء المعدات، فإنها تتطلب أيضًا تنسيقًا أدق بين جميع المكونات المختلفة لضمان عملها بسلاسة دون التأثير على الأداء الكلي.

خيارات التقسيم الوظيفي (مثل التقسيم 7-2x) في معمارية O-RAN

يعمل معيار Split 7.2x من خلال تقسيم مهام المعالجة بين المكونات المختلفة باستخدام نهجين رئيسيين. في الفئة A، تتم معظم العمليات من جانب وحدة BBU، مما يجعل وحدات RRU أبسط، لكنه يُنتج المزيد من حركة المرور على اتصال الجبهة (front haul). وعلى العكس، فإن الفئة B تحول هذه المهام المعالَجة إلى داخل وحدة RRU نفسها. توفر هذه البنية أداءً أفضل عند التعامل مع الإشارات القادمة من المستخدمين، رغم أنها تزيد تعقيد الأجهزة. وفقًا لتقارير صناعية حديثة، اختار نحو ثلثي مشغلي الشبكات الفئة B لنشراتهم الضخمة لتقنية MIMO لأنها تمنحهم تحكمًا أفضل بكثير في التداخل الإشارة. كما أن عالم التقنية لا يتوقف عن التطور. خذ على سبيل المثال مشروع ULPI لعام 2023. فقد قام هذا التطوير الجديد بإعادة توزيع بعض وظائف المساواة (equalization) داخل بنية النظام بهدف استخلاص مكاسب أداء إضافية على نطاق واسع. هذه النوعية من التحسينات هي بالضبط ما كانت تبرزه مؤخرًا وثائق مجموعات عمل O-RAN.

موازنة التوافق البيني والأداء في نشر شبكات RAN المفتوحة

يُعدّ أو-ران (O-RAN) فرصة محتملة لتوفير المال على المدى الطويل، ويتيح العمل مع موردين مختلفين، لكن جعله يؤدي أداءً يضاهي أنظمة الران (RAN) المدمجة التقليدية لا يزال أمرًا صعبًا. تكمن المشكلة في الاختلافات بين ما تقدمه الشركات المصنعة المختلفة من حيث قدرات التسارع العتادي ومستوى نضج برمجياتها الفعلي. وهذا يسبب مشكلات حقيقية عند محاولة تحقيق مقاييس الأداء المهمة فيما يتعلق بسعة نقل البيانات واستهلاك الطاقة. وعندما تُنشئ الشركات مجموعات مركزية لوحدات المعالجة الأساسية (BBU)، فإنها تحتاج أيضًا إلى اتصالات أمامية شديدة الموثوقية، وهو ما يستدعي الحفاظ على التذبذب (jitter) أقل من حوالي 100 نانوثانية وفقًا للمعايير الصناعية. يُفضّل معظم الخبراء البدء ببطء، ربما باختيار مواقع منخفضة الخطورة في المدن، حيث لا تؤدي أي مشكلات إلى تعطيلات كبيرة. تتيح هذه الطريقة للمشغلين اختبار ما إذا كانت جميع المكونات تعمل معًا بشكل سليم وتفي بالتوقعات قبل التوسع الكامل في مناطق أوسع.