كيف يعزز وحدة النطاق الأساسي أداء معدات الاتصالات؟

الوظائف الأساسية لوحدة القاعدة الترددية في معالجة إشارات 5G

المعالجة الفورية للإشارات: تمكين كمون أقل من 10 مللي ثانية في شبكات 5G

تُعَد وحدات النطاق الأساسي (Baseband units) مسؤولة عن تنفيذ مهام معالجة الإشارات الرقمية الحرجة التي يجب أن تتم ضمن فترات زمنية ضيقة جدًا، مما يجعلها حيوية لتحقيق أوقات الاستجابة الفائقة السرعة المطلوبة في تطبيقات الجيل الخامس مثل السيارات ذاتية القيادة وأنظمة أتمتة المصانع. وتُنجز هذه الوحدات أعمال الطبقة الفيزيائية الخاصة بها في أقل من ملي ثانيتين، مما يبقي التأخير الكلي للإشارات المتبادلة أقل بكثير من الحد الأقصى البالغ 10 ملي ثانية المحدد من قبل معايير 3GPP. وباستخدام تقنيات مثل المعالجة المتوازية والدعم الخاص بالأجهزة، يمكن لوحدات النطاق الأساسي تعديل استخدام مواردها ديناميكيًا مع تغير الظروف. وهذا يعني أنها تستمر في العمل بسلاسة حتى عندما تصبح الشبكات مشغولة جدًا خلال أوقات الذروة أو الفعاليات الكبرى.

مجرى إشارة رقمية: التعديل، والتشفير القنوي، والتشفير المسبق متعدد المدخلات والمخرجات (MIMO)

يُدمج مجرى الإشارة الرقمية لوحدة النطاق الأساسي ثلاث وظائف رئيسية لتعظيم سلامة الإشارة والكفاءة الطيفية:

1. التضمين استخدام نُهج عالية الرتبة مثل QAM-256 وQAM-1024 لتشفير البيانات في صورة موجات راديوية كثيفة
2. التشفير القنوي مع رموز LDPC وPolar، يقلل معدلات خطأ البت بنسبة تصل إلى 68% مقارنةً برموز 4G التوربو
3. التشفير المسبق لميimo يمكّن من توجيه الحزمة الذكية، ويحسّن الكفاءة الطيفية بعامل 3.1 مرة (Mobile Experts 2023)
   معًا، تقلل هذه العمليات من فقد الحزم وتضمن استمرار ارتفاع معدل الإنتاجية في البيئات الحضرية المزدحمة.

دراسة حالة: خفض وحدة BBU من الفئة العليا زمن التأخير في الاتجاه الصاعد بنسبة 42% في نشر شبكات 5G الحضرية

أظهرت اختبارات ميدانية أجريت في عام 2023 على وحدة BBU 6630 من شركة تصنيع رائدة في طوكيو مكاسب كبيرة في الأداء من خلال الافتراضية والتنبؤ بالحركة باستخدام التعلّم الآلي. وقد حقق النظام:

• انخفاض بنسبة 42% في متوسط زمن التأخير في الاتجاه الصاعد (من 9.2 مللي ثانية إلى 5.3 مللي ثانية)
• تحسين بنسبة 17% في إنتاجية الخلية عند الحافة
• انقطاعات أقل بنسبة 31% أثناء عمليات التسليم
  تؤكد هذه النتائج دور وحدة المعالجة الأساسية (BBU) كقلب حسابي للشبكات الموثوقة من الجيل الخامس (5G)، خاصة في نشرات المناطق الحضرية ذات الكثافة العالية.

أداء الشبكة المدفوعة بوحدة المعالجة الأساسية (BBU): تقليل زمن الانتقال، توسيع السعة، والكفاءة

الشبكة الراديوية المركزية (C-RAN): تجميع ديناميكي للموارد من خلال افتراضية وحدة المعالجة الأساسية (BBU)

تستخدم إعدادات الشبكة الراديوية السحابية أو C-RAN وحدات أساسية افتراضية تجمع قوة المعالجة معًا لعدة مواقع خلوية بدلاً من وجود صناديق منفصلة في كل مكان. ما تقوم به هذه التقنية هو التخلص من تلك الإعدادات المُعَزَلة للعتاد التي كنا نراها سابقًا، وتقليل المصروفات التشغيلية بنحو 30 بالمئة تقريبًا، وتمكين تحويل الأحمال حسب الحاجة في الوقت الفعلي. عندما يحدث ارتفاع مفاجئ في حركة مرور الشبكة، يمكن للنظام فعليًا استغلال الطاقة الاحتياطية من الخلايا المجاورة التي لا تُستغل بالكامل وإعادة توجيهها إلى حيث تكون الحاجة إليها أكبر. والنتيجة؟ زيادة معدل الإنتاجية بما يقارب ثلاثة أضعاف ما كان عليه قبل ذلك دون الحاجة إلى شراء أي معدات جديدة. شيء مثير للإعجاب حقًا إذا توقفنا للتفكير فيه.

التنسيق بين وحدات MIMO الضخمة وإعادة استخدام الطيف الممكنة من خلال التحكم المتقدم في وحدة BBU

تُنسق خوارزميات وحدة البطارية المتقدمة مئات العناصر الهوائية لتوفير تشكيل الشعاع والمضاعفة المكانية بدقة. ويتيح ذلك لعدة مستخدمين مشاركة نفس الحزمة الترددية في الوقت نفسه، مما يرفع الكفاءة الطيفية بنسبة 47%. كما أن تركيز الإشارة الاتجاهي يقلل من التداخل إلى الحد الأدنى، ويدعم نشر شبكات أكثر كثافة بخمس مرات مع الحفاظ على موثوقية تبلغ 99.999%، وهي أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الحرجة.

التأثير الرئيسي :

• خفض زمن الوصول: استجابة أقل من 10 مللي ثانية للإنترنت الصناعي للأشياء
• توسيع النطاق الترددي: 40 جيجابت في الثانية لكل خلية في نشرات الموجات الملليمترية
• الكفاءة في استهلاك الطاقة: انخفاض استهلاك الطاقة بنسبة 60% لكل جيجابايت مقارنة بشبكة RAN الموزعة

المكونات المادية الرئيسية التي تعزز أداء وحدة القاعدة الزمنية

تسريع FPGA/ASIC: تحقيق إنتاجية أعلى في تحويل فورييه السريع (FFT) مقارنة بالأنظمة القديمة المستندة إلى x86

توفر مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) جنبًا إلى جنب مع الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASICs) نوع القوة الحاسوبية المطلوبة لمعالجة إشارات الجيل الخامس (5G) في الزمن الحقيقي، وتتفوق على الأنظمة الأقدم من نوع x86 من حيث الإنجاز السريع للمهام واستهلاك طاقة أقل بشكل عام. إن هذه الرقائق المصممة خصيصًا تُسرّع بشكل كبير المهام التي يمكن معالجتها بشكل متزامن، مثل حسابات تحويل فورييه السريع التي يُتحدث عنها كثيرًا، والتي تعد ضرورية تقريبًا لتحقيق التضمين والفك التضميني الصحيح في تشكيلات MIMO الكبيرة المنتشرة حاليًا في كل مكان. وعندما تنتقل الشركات من وحدات المعالجة المركزية التقليدية إلى حلول FPGA أو ASIC، فإنها ببساطة تقوم بإزالة عبء العمليات الشاقة عن المعالج الرئيسي. ويقلل هذا النهج من تأخيرات المعالجة، كما يوفر كمية كبيرة من الكهرباء. وتُظهر بعض الدراسات انخفاضًا يتراوح بين الثلث ونصف الاستهلاك من الطاقة في المناطق الحضرية حيث يتم نشر هذه التقنيات.

المعالج، وحدة معالجة الإشارات الرقمية (DSP)، الذاكرة، ودمج الواجهات في تصميم وحدة القاعدة الحديثة (BBU)

تحتوي وحدات القاعدة اليوم على الكثير من المكونات داخل صندوق واحد — فكر في معالجات متعددة النوى تعمل جنبًا إلى جنب مع وحدات معالجة إشارات رقمية متخصصة، وكميات كبيرة من الذاكرة عالية السرعة، وأنواع عديدة من الوصلات القياسية المدمجة في حزمة واحدة متكاملة. تقوم وحدة معالجة الإشارات الرقمية (DSP) بمعظم المهام الشاقة المتعلقة بتعديل الإشارات، وإزالة تعديلها، ومعالجة مهام الترميز المعقدة للقنوات. وفي الوقت نفسه، تتولى المعالجات العادية مهام مثل إدارة شرائح الشبكة والبروتوكولات الأخرى على المستوى الأعلى. وللتعامل مع كميات هائلة من بيانات التردد اللاسلكي الواردة، تدخل ذاكرة DRAM المتزامنة كخزان مؤقت، وتتعامل مع سرعات تتجاوز 200 جيجابت في الثانية، مما يمنع حدوث ازدحام أثناء الذروات المرورية الحتملة. وبالحديث عن الوصلات، هناك العديد من الواجهات المهمة التي تساهم في جعل كل هذه المكونات تعمل بسلاسة معًا.

• eCPRI : يمكّن الاتصال الأمامي منخفض التأخر
• 25GbE : يدعم تجميع الاتصال الخلفي
• PCIe Gen4 : يُسهّل الاتصال عالي السرعة بين الرقائق
  يُزيل هذا التصميم المتكامل بإحكام تنافس الحافلات، ويضمن تأخراً حتمياً أقل من 100 مايكروثانية للتطبيقات الفائقة الموثوقية.

المزايا الاستراتيجية لوحدات التعديل الأساسي: قابلية التوسع، والكفاءة في استهلاك الطاقة، والاستعداد للمستقبل

الاختيارات المتوازنة في O-RAN: تحقيق التوازن بين تفكيك الأنظمة واتساق أداء وحدة التعديل الأساسي

إن مفهوم Open RAN يشجع في الواقع على دخول المزيد من البائعين إلى السوق ويعزز الابتكار من خلال فصل مكونات الأجهزة عن مكونات البرمجيات. ومع ذلك، فإن هذا النهج يخلق مشكلات عند محاولة الحفاظ على أداء وحدة المعالجة الأساسية (BBU) مستقرًا عبر معدات مختلفة. تتيح الأنظمة الوحداتية بالفعل التوسع والتطوير بسهولة أكبر، كما يمكنها خفض استهلاك الطاقة بنسبة تقارب 30 بالمئة وفقًا لتقرير كفاءة الاتصالات لعام الماضي. لكن هذه الفوائد تأتي بتكلفة. إذ يحتاج النظام إلى الالتزام الصارم بمواصفات الواجهات، وإلا ستظهر مشكلات تتعلق بتغيرات توقيت الإشارة ومعدلات نقل البيانات غير المتسقة. وعند التعامل مع تطبيقات تعتمد على جزء من الثانية، مثل أنظمة أتمتة المصانع المتصلة من خلال أجهزة إنترنت الأشياء (IoT)، لا يكون أمام مزوّدي الشبكات خيار سوى التأكد من عمل جميع العناصر معًا بسلاسة تامة من البداية حتى النهاية. يعني نشر وحدات BBUs بشكل استراتيجي إيجاد التوازن الأمثل بين ما تقدمه المنصات المفتوحة من حيث القابلية للتكيف، وما هو مطلوب لتلبية متطلبات الأداء الصارمة لمواصفات 5G-Advanced القادمة وحتى معايير 6G التي لا تزال غير مُعرّفة.