Jak efektivně spolupracují BBU a RRU v základnových stanicích?

Funkce a odpovědnosti jednotky Baseband Unit (BBU) při zpracování signálu

V srdci moderních základnových stanic se nachází jednotka Baseband Unit (BBU), která zpracovává všechny druhy kritických úloh spojených se zpracováním signálů. Myslete na modulaci a demodulaci, opravy chyb a také správu protokolů napříč různými vrstvami, včetně PDCP, RLC a RRC. Než je cokoli vysíláno prostřednictvím rádiového rozhraní, tato jednotka zajistí soulad se standardy 3GPP, které řídí sítě LTE i 5G NR. Tím, co BBUs skutečně vynikají, je oddělení funkcí řídicí roviny od samotného toku dat systémem. Když se procesy jako správa předávání provozu dějí odděleně od běžného toku dat, otevírají se možnosti chytřejšího přidělování zdrojů. Sítě se tak mohou dynamicky přizpůsobovat při neočekávaném nárůstu nebo poklesu provozu a udržovat hladký chod i v době špičkového využití.

Role Remote Radio Unit (RRU) při RF konverzi a propojení s anténou

Vzdálená rádiová jednotka (RRU) je umístěna přímo vedle antén, kde převádí základnové signály na skutečné rádiové vlny, například frekvence 2,6 GHz nebo 3,5 GHz. Toto umístění pomáhá snižovat ztrátu signálu, která může být poměrně vysoká – přibližně 4 dB na každých 100 metrů při použití běžných koaxiálních kabelů, zejména v těchto vyšších frekvenčních pásmech. Co vlastně RRU dělá? Zpracovává převod digitálních informací zpět na analogovou formu pro odesílání dat směrem dolů, zesiluje slabé signály přicházející zpět od zařízení, aniž by přidávalo příliš mnoho šumu, a pracuje s více frekvenčními pásmy od 700 MHz až po 3,8 GHz prostřednictvím technologie nazývané agregace nosných vln. Umístění těchto jednotek blízko antén také zvyšuje rychlost reakce sítě. Testy ukazují snížení latence o přibližně 25 % ve srovnání se staršími systémy, které spoléhaly na dlouhé úseky kabelů mezi jednotlivými zařízeními.

Doplňkový pracovní postup: Jak BBU a RRU umožňují přenos signálu z konce do konce

BBU a RRU spolupracují prostřednictvím vysokorychlostních optických spojů s využitím protokolů CPRI nebo eCPRI a tvoří tak bezproblémový řetězec signálu od digitálního zpracování po přenos přes vzduch.

Tato distribuovaná architektura centralizuje BBU a umisťuje RRU na vrcholy stožárů, čímž zvyšuje spektrální efektivitu o 32 % ve městských oblastech. Oddělení umožňuje nezávislé aktualizace a je zvláště výhodné pro rozvíjející se ekosystémy O-RAN.

Optické připojení fronthaul: Propojení BBU a RRU pomocí CPRI a eCPRI

Vysokorychlostní optické spoje v komunikaci mezi BBU a RRU

Optické kabely tvoří základ dnešních fronthaul sítí, které umožňují vysokou šířku pásma a minimální latenci při připojování BBUs k RRUs. Tyto kabely zvládnou přenosové rychlosti nad 25 gigabitů za sekundu, což znamená, že spolehlivě přenášejí digitální radiové signály bez rušení elektromagnetickými interferencemi – faktor, který je velmi důležitý v rušných městských oblastech, kde současně pracuje mnoho zařízení. Standard CPRI pracuje spolu s obousměrným optickým vláknem, aby zajistil synchronizaci mezi zpracováním základnového pásma v BBU a skutečnou RF činností prováděnou RRU. Tato synchronizace pomáhá udržet vysokou kvalitu signálu napříč celým systémem od začátku do konce.

CPRI vs. eCPRI: Protokoly pro efektivitu fronthaul a správu šířky pásma

Když se posouváme směrem k sítím 5G, mnozí operátoři začali přijímat něco, čemu se říká vylepšené CPRI, nebo-li eCPRI. Co činí eCPRI zajímavým, je to, jak snižuje požadavky na šířku pásma až desetkrát ve srovnání se staršími verzemi CPRI. Tradiční CPRI ale funguje jinak. Vyžaduje samostatná vlákna pro každou anténu a drží se takzvaných operací vrstvy 1. Ale tady je problém: při práci s velkými uspořádáními MIMO, která jsou dnes běžná, si běžné CPRI prostě neporadí se škálováním. A právě zde eCPRI vyniká. Přechodem na transportní metody založené na Ethernetu umožňuje více vzdáleným rádiovým jednotkám sdílet zdroje prostřednictvím něčeho, co se nazývá statistické multiplexování. Výsledek? Mnohem lepší výkon z hlediska efektivity fronthaulu bez dodatečných nákladů na infrastrukturu.

Tento vývoj snižuje náklady na fronthaul o 30 % a podporuje škálovatelná nasazení v milimetrovém pásmu.

Úvahy o latenci, kapacitě a synchronizaci při návrhu fronthaulu

Správné nastavení časování je velmi důležité. Pokud dojde k chybě synchronizace větší než 50 nanosekund, naruší se beamforming a všechny ostatní časově závislé funkce v sítích 5G. Proto moderní fronthaulová uspořádání využívají například standardy IEEE 802.1CM TSN, které zajistí správný tok řídicích signálů sítí. Co se týče zvládání objemu dat, většina uživatelů dnes přešla na 25G transceivery. Ty zvládnou útlum signálu kolem 1,5 dB na kilometr, což ve skutečnosti předstihuje staré 10G systémy asi o dvě třetiny. Všechny tyto aktualizace znamenají, že i nadále můžeme dosáhnout reakčních dob pod milisekundu, i když jsou jednotky baseband umístěny až 20 kilometrů daleko od vzdálených rádiových jednotek v centrálních architektonických uspořádáních.

Vývoj síťové architektury: Od D-RAN k C-RAN a vRAN

D-RAN vs. C-RAN: Dopad na nasazení BBU a distribuci RRU

Tradiční rozložené uspořádání RAN nebo D-RAN má každou vysílačku vybavenou vlastní jednotkou zpracování základního pásma (BBU) umístěnou přímo vedle vzdálené radiové jednotky (RRU). Ačkoli to udržuje zpoždění signálu pod 1 milisekundou, znamená to, že velké množství zařízení stojí většinu času nevyužité a sdílení prostředků mezi vysílačkami je poměrně obtížné. Novější centralizovaný přístup C-RAN shromažďuje všechny tyto jednotky BBU do centrálních lokalit propojených pomocí optických kabelů s jednotkami RRU na různých místech. Podle průmyslového výzkumu společnosti Dell'Oro z jejich zprávy z roku 2023 může tato změna snížit provozní náklady o 17 % až téměř 25 %. Navíc získají provozovatelé sítí možnost přesouvat výkon zpracování tam, kde je nejvíc potřeba, v závislosti na měnících se vzorcích provozu během dne.

Centralizované fondy BBU v C-RAN pro vylepšené sdílení zdrojů a efektivitu

Prostřednictvím centralizovaného sdružování BBUs v centrálních zařízeních mohou operátoři spravovat stovky RRUs z jediného místa. Výhody zahrnují:

• Konsolidace hardwaru : Nasazení 24 buněk vyžaduje o 83 % méně skříní BBU než ekvivalentní D-RAN konfigurace
• Optimalizace energie : Vyvažování zátěže snižuje spotřebu energie základnových stanic o 35 % (studie případu od společnosti Ericsson, 2022)
• Pokročilá koordinace : Umožňuje techniky jako koordinovaný multipunkt (CoMP) pro efektivní formování svazku 5G milimetrových vln

Virtualizovaná RAN (vRAN): Transformace funkcí BBU do cloudového zpracování

vRAN odděluje zpracování na bázové úrovni od proprietárního hardwaru a spouští virtualizované funkce BBU (vBBU) na běžných komerčních cloudových serverech. Tento posun přináší:

1. Flexibilní škálování : Zpracovací zdroje se dynamicky škálují podle provozních vzorů
2. Integrace edge : 67 % provozovatelů nasazuje vBBU společně s uzly Multi-access Edge Computing (MEC) za účelem minimalizace latence (Nokia 2023)
3. Výzvy interoperability : Dosažení synchronizace pod 700 μs vyžaduje specializovaný akcelerační hardware, a to navzdory rozmanitosti dodavatelů

Vývoj od D-RAN k C-RAN a vRAN zdůrazňuje, jak centralizace a virtualizace zvyšují efektivitu, škálovatelnost a nákladovou efektivnost sítě.

O-RAN a funkční dělení: Předefinování spolupráce BBU-RRU

Standardy O-RAN Alliance a požadavky na otevřená rozhraní pro BBU a RRU

Aliance O-RAN prosazuje otevřenější a kompatibilnější návrhy rádiových přístupových sítí tím, že stanovuje standardní způsoby komunikace mezi jednotkami základnové stanice (BBU) a vzdálenými rádiovými jednotkami (RRU). To v praxi znamená, že provozovatelé mohou kombinovat zařízení od různých dodavatelů, místo aby byli uvězněni v ekosystému jediného dodavatele. Aliance vypracovala různé způsoby rozdělení funkcí mezi tyto komponenty, například možnost 7.2x. V tomto uspořádání jsou úkoly jako vrstvy RLC a MAC zpracovávány v BBU, zatímco nižší úrovně fyzické vrstvy a zpracování RF probíhají na straně RRU. Nedávná studie publikovaná minulý rok v časopise Applied Sciences zjistila, že tento konkrétní způsob udržuje prodlevy na spoji fronthaul pod 250 mikrosekundami, což je působivý výsledek s ohledem na citlivost bezdrátových sítí na časové problémy. Samozřejmě i zde existuje určitý kompromis. I když otevřené standardy poskytují více možností při nákupu zařízení, vyžadují také těsnější koordinaci mezi všemi různými součástmi, aby bylo zajištěno hladké fungování celého systému bez negativního dopadu na celkový výkon.

Možnosti funkčního rozdělení (např. Rozdělení 7-2x) v architekturách O-RAN

Standard Split 7.2x funguje rozdělením zpracovatelských úloh mezi různé komponenty pomocí dvou hlavních přístupů. U kategorie A probíhá většina práce na straně BBU, což zjednodušuje RRU, ale generuje větší provoz na předním připojení. Naopak kategorie B posouvá tyto zpracovatelské úlohy až do samotného RRU. Tato konfigurace zajišťuje lepší výkon při zpracování signálů přicházejících od uživatelů, i když tím zvyšuje složitost hardwaru. Podle nedávných průmyslových zpráv si přibližně dvě třetiny provozovatelů sítí vybraly kategorii B pro nasazení masivních MIMO systémů, protože získávají mnohem lepší kontrolu nad rušením signálů. Technologický svět se také neustále vyvíjí. Vezměme si například projekt ULPI z roku 2023. Tento nový vývoj přesouvá určité funkce ekvalizace uvnitř systémové architektury, aby dosáhl ještě většího zlepšení výkonu v celém systému. Právě tyto typy vylepšení zdůrazňují v poslední době dokumenty pracovních skupin O-RAN.

Vyvážení interoperability a výkonu při nasazování otevřené RAN

O-RAN s sebou přináší potenciál úspor v čase a umožňuje spolupráci s různými dodavateli, ale dosažení stejného výkonu jako u tradičních integrovaných RAN systémů je stále náročné. Problém spočívá v rozdílech mezi tím, co jednotliví výrobci nabízejí z hlediska hardwarové akcelerace a jak dospělé jejich software ve skutečnosti jsou. To způsobuje reálné potíže při snaze dosáhnout klíčových metrik pro propustnost dat a spotřebu energie. Když firmy nastavují centralizované BBU fondy, potřebují také velmi spolehlivá spojení na přední straně, což vyžaduje udržování jitteru pod hodnotou přibližně 100 nanosekund podle průmyslových standardů. Většina odborníků doporučuje začít pomalu, možná s některými méně riskantními lokalitami ve městech, kde problémy nezpůsobí významné poruchy. Tento přístup umožňuje provozovatelům otestovat, zda vše správně funguje dohromady a splňuje očekávání, než se plně nasadí na větších územích.