Jak základnová jednotka zvyšuje výkon komunikačního zařízení?

Klíčové funkce základnové jednotky při zpracování signálu 5G

Zpracování signálu v reálném čase: umožňuje latenci pod 10 ms v sítích 5G

Základnové jednotky zpracovávají kritické úlohy digitálního zpracování signálů, které musí být vykonány v přísně omezeném časovém okně, což je činí klíčovými pro dosažení extrémně rychlých odezvových dob potřebných u 5G aplikací, jako jsou autonomní vozidla a systémy tovární automatizace. Tyto jednotky dokončí svou práci na fyzické vrstvě za méně než 2 milisekundy, čímž udržují celkovou latenci obousměrného přenosu signálu pod 10milisekundovým limitem stanoveným standardy 3GPP. Pomocí technik jako paralelní zpracování a speciální hardwarové urychlení mohou BBU dynamicky přizpůsobovat využití svých zdrojů podle měnících se podmínek. To znamená, že i za velkého provozního zatížení sítě například v špičce nebo během významných událostí nadále plynule fungují.

Potrubí digitálního signálu: modulace, kanálové kódování a MIMO precoding

Digitální potrubí signálu BBU integruje tři klíčové funkce, aby maximalizovalo integritu signálu a spektrální efektivitu:

1. Modulace použití vysoce řádových schémat, jako je QAM-256 a QAM-1024, kóduje data do hustých rádiových vln
2. Kanálové kódování s LDPC a polárními kódy snižuje bitovou chybovost až o 68 % ve srovnání s Turbo kódy 4G
3. Předkódování MIMO umožňuje inteligentní směrování paprsku, čímž zvyšuje spektrální účinnost o 3,1násobek (Mobile Experts 2023)
   Tyto procesy dohromady minimalizují ztrátu paketů a udržují vysokou propustnost v hustě obydlených městských oblastech.

Studie případu: Nejvyšší třída BBU snížila latenci uploadu o 42 % při nasazení 5G ve městech

Polem testování provedené v roce 2023 u zařízení BBU 6630 od předního výrobce v Tokiu prokázalo významné zlepšení výkonu díky virtualizaci a predikci provozu řízené strojovým učením. Systém dosáhl:

• snížení průměrné latence uploadu o 42 % (z 9,2 ms na 5,3 ms)
• zlepšení propustnosti na okraji buňky o 17 %
• o 31 % méně přerušených spojení během předávání
  Tyto výsledky potvrzují roli BBU jako výpočetního jádra spolehlivých 5G sítí, zejména při nasazení v hustě obydlených městských oblastech.

BBU-řízený výkon sítě: Snížení latence, škálování propustnosti a efektivita

Centralizovaná RAN (C-RAN): Dynamické sdílení zdrojů prostřednictvím virtualizace BBU

Nastavení Cloud RAN nebo C-RAN využívají virtuální jednotky zpracování signálu, které sdružují výpočetní výkon pro několik buněčných stanic místo samostatných zařízení na každém místě. Tím se odstraňují izolovaná hardwarová řešení, jaká byla dříve běžná, snižují se provozní náklady přibližně o 30 procent (plus mínus) a umožňuje se dynamické přesouvání zátěže v reálném čase. Když dojde k náhlému nárůstu provozu v síti, systém může skutečně využít volnou kapacitu z okolních buněk, které nejsou plně vytížené, a přesměrovat ji tam, kde je nejvíce potřeba. Výsledek? Propustnost stoupne téměř na trojnásobek původní hodnoty, a to bez nutnosti nákupu nového zařízení. Docela působivé, když nad tím člověk chvíli přemýšlí.

Koordinace Massive MIMO a opakované využití spektra umožněné pokročilou kontrolou BBU

Pokročilé algoritmy BBU koordinují stovky anténních prvků, aby poskytovaly přesné formování paprsků a prostorové multiplexování. To umožňuje více uživatelům současně sdílet stejný frekvenční pásmo, čímž se zvyšuje spektrální účinnost o 47 %. Směrové zaměřování signálu také minimalizuje interference, což podporuje pětkrát hustší nasazení sítě při zachování spolehlivosti 99,999 % – klíčové pro kritické aplikace.

Klíčový dopad :

• Snižování latence: odezva pod 10 ms pro průmyslový IoT
• Škálování propustnosti: 40 Gbps na buňku v nasazení mmWave
• Energetická účinnost: o 60 % nižší spotřeba energie na gigabajt oproti distribuované RAN

Klíčové hardwarové komponenty zajišťující výkon jednotky Baseband Unit

Akcelerace FPGA/ASIC: dosažení vyšší propustnosti FFT ve srovnání se staršími systémy x86

Programovatelná hradla (FPGAs) spolu s aplikačně specifickými integrovanými obvody (ASICs) nabízejí výpočetní výkon potřebný pro zpracování signálů 5G v reálném čase, čímž překonávají starší x86 systémy co se týče rychlejšího zpracování úloh a nižší celkové spotřeby energie. Tyto specializované čipy výrazně urychlují operace, které lze zpracovávat paralelně, jako například výpočty rychlé Fourierovy transformace, o nichž se běžně hovoří a které jsou prakticky nezbytné pro správné provedení modulace a demodulace ve velkých MIMO systémech, které dnes všude nacházíme. Když firmy přecházejí od běžných procesorů k řešením založeným na FPGA nebo ASIC, efektivně odstraňují náročné operace z hlavního procesoru. Tento přístup snižuje zpoždění při zpracování a zároveň šetří značné množství elektrické energie. Některé studie uvádějí snížení spotřeby energie o jednu třetinu až téměř o polovinu v městských oblastech, kde jsou tyto technologie nasazeny.

Integrace procesoru, DSP, paměti a rozhraní v moderním návrhu BBU

Dnešní jednotky zpracování základního pásma dnes obsahují velmi mnoho funkcí v jediné skříňce – jedná se o vícejádrové procesory pracující spolu se specializovanými číslicovými signálovými procesory, velké množství rychlé paměti a různé standardní připojení integrované do jednoho kompaktního balení. Většinu náročných úloh, jako je modulace a demodulace signálů a zpracování složitých úloh kanálového kódování, zajišťuje právě DSP. Běžné procesory zatím řídí například správu síťových segmentů a další úkoly vyšších vrstev protokolů. Pro zpracování obrovského objemu přicházejících dat radiofrekvenčního signálu slouží synchronní DRAM jako vyrovnávací paměť, která zvládá rychlosti přesahující 200 gigabitů za sekundu, čímž zabrání zahlcení systému během nevyhnutelných špiček provozu. A pokud jde o připojení, pro bezproblémovou spolupráci těchto komponent je zapotřebí několik důležitých rozhraní.

• eCPRI : Umožňuje nízkolatenční připojení fronthaul
• 25GbE : Podporuje agregaci backhaul
• PCIe Gen4 : Usnadňuje vysokorychlostní komunikaci mezi čipy
  Tento úzce integrovaný design odstraňuje obsazení sběrnice a zajišťuje deterministickou latenci pod 100 µs pro ultra-spolehlivé aplikace.

Strategické výhody basebandových jednotek: škálovatelnost, energetická účinnost a budoucí odolnost

O-RAN kompromisy: vyvážení diskrétnosti a konzistence výkonu BBU

Koncept Open RAN ve skutečnosti povzbuzuje více dodavatelů k vstupu na trh a podporuje inovace oddělením hardwarových a softwarových komponent. Tento přístup však způsobuje problémy při udržování stabilního výkonu jednotky základnové plošiny napříč různým zařízením. Modulární systémy sice umožňují snadnější škálování a rozšiřování a mohou snížit spotřebu energie o přibližně 30 procent, jak uvádí Telekomunikační efektivnostní zpráva z minulého roku. Tyto výhody však přicházejí za cenu. Systém vyžaduje přísné dodržování specifikací rozhraní, jinak hrozí problémy s časováním signálu a nekonzistentními rychlostmi přenosu dat. Při práci s aplikacemi, kde záleží na milisekundách, jako jsou systémy automatizace výroby propojené prostřednictvím IoT zařízení, nemají poskytovatelé sítě jinou možnost než zajistit bezproblémovou funkčnost celého řetězce od začátku do konce. Strategické nasazování BBUs znamená nalezení optimální rovnováhy mezi přizpůsobivostí, kterou otevřené platformy nabízejí, a požadavky na přísné výkonové parametry nadcházejících specifikací 5G-Advanced a dokonce i stále nedefinovaných standardů 6G.