Hvordan samarbejder BBU og RRU effektivt i basestationer?

Baseband Unit (BBU) funktioner og ansvarsområder inden for signalbehandling

I centrum af moderne basestationer ligger Baseband Unit (BBU), som håndterer alle former for kritisk signalbehandling. Tænk modulation og demodulation, fejlkorrektion samt styring af protokoller på forskellige lag herunder PDCP, RLC og RRC. Før noget sendes ud over luften, sikrer denne enhed, at alt er i overensstemmelse med de 3GPP-standarder, der regulerer både LTE- og 5G NR-netværk. Det, der virkelig gør BBUs fremtrædende, er, hvordan de adskiller kontrolplansfunktioner fra den faktiske dataoverførsel gennem systemet. Når funktioner som håndoverstyring sker separat fra almindelig datastrøm, åbnes muligheder for mere intelligent ressourceallokering. Netværk kan således tilpasse sig dynamisk, når trafikken pludseligt stiger eller falder, og opretholde en jævn drift selv under højbelastning.

Remote Radio Unit (RRU) rolle i RF-konvertering og antenneinterface

Den Fjernstyrede Radioenhed (RRU) sidder lige ved siden af antennerne, hvor den omformer de basebåndssignaler til faktiske radiobølger som 2,6 GHz eller 3,5 GHz frekvenser. Denne placering hjælper med at reducere signalsvind, hvilket kan blive temmelig stort – cirka 4 dB pr. 100 meter – når der bruges almindelige koax-kabler, især i disse højere frekvensområder. Hvad gør en RRU så egentlig? Den håndterer omformningen af digital information til analog form for at sende data nedstrøms, forstærker svage signaler, der kommer op fra enheder, uden at tilføje for meget støj, og arbejder med flere frekvensbånd fra 700 MHz helt op til 3,8 GHz via noget, der kaldes bæreraggregering. At placere disse enheder tæt på antenner gør også, at netværkene reagerer hurtigere. Tests viser, at latensen falder med cirka 25 % sammenlignet med ældre systemer, der var afhængige af de lange kabler mellem udstyrsplaceringer.

Komplementær Arbejdsgang: Sådan muliggør BBU og RRU ende-til-ende signalkommunikation

BBU og RRU arbejder sammen via højhastighedsfibre med brug af CPRI- eller eCPRI-protokoller for at danne en ubrudt signalkæde fra digital behandling til over-the-air-overførsel.

Denne distribuerede arkitektur centraliserer BBUs, mens RRUs placeres øverst på tårne, hvilket forbedrer spektraleffektiviteten med 32 % i bymiljøer. Adskillelsen gør det muligt at opgradere uafhængigt og er særlig fordelagtig i udviklende O-RAN-økosystemer.

Fiberbaseret forbindelsesnetværk: Forbinder BBU og RRU med CPRI og eCPRI

Højhastigheds fiberoptiske forbindelser i BBU-RRU-kommunikation

Fiberkabler udgør rygraden i dagens fronthaul-netværk, hvilket muliggør høj båndbredde og minimal forsinkelse ved tilslutning af BBUs til RRUs. Disse kabler kan håndtere datahastigheder over 25 gigabit i sekundet, hvilket betyder, at de pålideligt kan overføre de digitaliserede radiosignaler uden problemer fra elektromagnetisk interferens – noget der er særlig vigtigt i tætbefolkede byområder, hvor mange enheder kører samtidigt. CPRI-standarden fungerer sammen med todirektionel fiber for at holde tingene synkroniserede mellem baseband-behandlingen i BBU og den faktiske RF-proces udført af RRU. Denne synkronisering hjælper med at opretholde god signalkvalitet gennem hele systemet fra start til slut.

CPRI mod eCPRI: Protokoller til effektivitet og båndbreddestyring i fronthaul

Efterhånden som vi bevæger os mod 5G-netværk, har mange operatører begyndt at adoptere noget, der hedder forbedret CPRI eller eCPRI for forkortet. Hvad der gør eCPRI interessant, er, hvorledes det reducerer båndbreddekravene med op til ti gange i forhold til ældre versioner af CPRI. Traditionel CPRI fungerer dog anderledes. Den kræver separate fibertilslutninger til hver antenne og holder sig til det, der kendes som Layer 1-operationer. Men her er problemet: når man arbejder med de store MIMO-opstilling, som er blevet så almindelige i disse dage, kan almindelig CPRI simpelthen ikke skalerer korrekt. Det er her, eCPRI trives. Ved at skifte til Ethernet-baserede transportmetoder muliggør det, at flere fjernstyrede radioenheder deler ressourcer via noget, der hedder statistisk multiplexing. Resultatet? Meget bedre ydeevne i forhold til fronthaul-effektivitet uden de ekstra infrastrukturudgifter.

Denne udvikling reducerer fronthaul-omkostninger med 30 % og understøtter skalerbare millimeter-bølgeinstallationer.

Overvejelser om latens, kapacitet og synkronisering i fronthaul-design

At få tidsstyringen rigtig betyder meget. Hvis der er en synkroniseringsfejl større end 50 nanosekunder, ødelægges beamforming og alle de andre tidsbaserede funktioner i 5G-netværk. Derfor bruger moderne fronthaul-opstillinger ting som IEEE 802.1CM TSN-standarder for at sikre, at kontrolsignaler bevæger sig korrekt gennem netværket. Når det kommer til håndtering af datamængden, har de fleste skiftet til 25G-transceivere i dag. De håndterer signalsvind med cirka 1,5 dB pr. kilometer, hvilket faktisk er bedre end de gamle 10G-systemer med omkring to tredjedele. Alle disse opgraderinger betyder, at vi stadig kan opnå responstider under en millisekund, selv hvis baseband-enheder skal placeres op til 20 kilometer væk fra fjernradioenheder i central arkitektur-opstillinger.

Udvikling af netværksarkitektur: Fra D-RAN til C-RAN og vRAN

D-RAN vs. C-RAN: Indvirkning på BBU-udstilling og RRU-distribution

Traditionelle distribuerede RAN- eller D-RAN-opstillinger har hver enkelt mast med sin egen Baseband Unit (BBU) placeret lige ved siden af den fjernstyrede radioenhed (RRU). Selvom dette holder signalforsinkelsen under 1 millisekund, betyder det, at der er mange dubletter af udstyr, som står ubenyttet det meste af tiden, og gør det svært at dele ressourcer mellem tårne. Den nyere centraliserede RAN-metode samler alle disse BBU'er i centrale lokaliteter, der er forbundet via fiberoptiske kabler til RRU'erne på forskellige lokaliteter. Ifølge brancheanalyser fra Dell'Oro i deres rapport fra 2023 kan denne ændring reducere driftsomkostningerne mellem 17 % og måske helt op til 25 %. Desuden får netværksoperatører mulighed for at flytte databehandlingskapacitet til de områder, hvor behovet er størst, når trafikmønstre ændrer sig igennem døgnet.

Centraliserede BBU-pools i C-RAN til bedre ressource-deling og effektivitet

Ved at samle BBUs i centraliserede faciliteter kan operatører styre hundredvis af RRUs fra et enkelt sted. Fordele inkluderer:

• Hardwarekonsolidering : En installation med 24 celler kræver 83 % færre BBU-chassis end tilsvarende D-RAN-opstillinger
• Energioptimering : Justering af belastning reducerer basestationsstrømforbrug med 35 % (Ericsson casestudie 2022)
• Avanceret koordination : Muliggør teknikker som koordineret multipunkt (CoMP) til effektiv 5G millimeterbølge-beamforming

Virtualiseret RAN (vRAN): Udvikling af BBU-funktioner til cloud-baseret behandling

vRAN adskiller basebandbehandling fra proprietær hardware og kører virtualiserede BBU-funktioner (vBBU) på almindelige cloud-servere. Denne ændring medfører:

1. Fleksibel skalering : Behandlingsressourcer skalerer dynamisk med trafikmønstre
2. Edge-integration : 67 % af operatører implementerer vBBU'er sammen med Multi-access Edge Computing (MEC)-noder for at minimere latens (Nokia 2023)
3. Interoperabilitetsudfordringer : Opnåelse af sub-700 μs synkronisering kræver specialiseret accelerationshardware, trods leverandørdiversitet

Udviklingen fra D-RAN til C-RAN og vRAN understreger, hvordan centralisering og virtualisering øger netvirkseffektivitet, skalerbarhed og omkostningseffektivitet.

O-RAN og funktionsopdelinger: Omdefinerer BBU-RRU-samarbejde

O-RAN Alliance-standarder og åbne grænsefladekrav til BBU og RRU

O-RAN Alliance arbejder for mere åbne og kompatible design af radioadgangsnetværk ved at fastsætte standardiserede måder, hvorpå baseband-enheder (BBU) og fjernstyrede radioenheder (RRU) kommunikerer med hinanden. Det betyder i praksis, at operatører kan kombinere udstyr fra forskellige leverandører i stedet for at være bundet til et enkelt suppliers økosystem. Alliancen har udviklet forskellige måder at opdele funktioner mellem disse komponenter på, såsom Option 7.2x. I denne konfiguration håndteres lag som RLC og MAC i BBU'en, mens lavere fysiske lag og RF-behandling foregår i RRU-enden. En nyligt offentliggjort artikel fra sidste år i Applied Sciences viste, at denne konfiguration holder fronthaul-forsinkelser under 250 mikrosekunder, hvilket er imponerende set i lyset af, hvor følsomme trådløse netværk er over for timing-problemer. Der er selvfølgelig også en afvejning. Selvom åbne standarder giver flere valgmuligheder ved køb af udstyr, kræver det også tættere samordning mellem alle de forskellige dele for at sikre, at alt fungerer problemfrit sammen uden at påvirke den samlede ydeevne negativt.

Funktionelle opdelingsmuligheder (f.eks. Opdeling 7-2x) i O-RAN-arkitekturer

Split 7.2x-standard fungerer ved at opdele behandlingsopgaver mellem forskellige komponenter ved hjælp af to hovedtilgange. Med kategori A foregår det meste arbejde på BBU-siden, hvilket gør RRUs enklere, men skaber mere trafik på front haul-forbindelsen. Omvendt flyttes disse behandlingsopgaver i kategori B ned til RRU'en selv. Denne opsætning giver bedre ydeevne, når der håndteres signaler, der kommer tilbage fra brugere, selvom det gør hardwaren mere kompliceret. Ifølge nyere brancherapporter har omkring to tredjedele af netværksoperatørerne valgt kategori B til deres massive MIMO-udbygninger, fordi de opnår meget bedre kontrol med signaforstyrrelser. Teknologiverdenen udvikler sig også løbende. Tag f.eks. ULPI-projektet fra 2023. Denne nye udvikling har flyttet visse equaliseringsfunktioner inden for systemarkitekturen for at opnå endnu større ydelsesforbedringer overalt. Netop denne type forbedringer er det, dokumenter fra O-RAN-arbejdsgrupperne har fremhævet senest.

Balancering af interoperabilitet og ydeevne i åbne RAN-udrulninger

O-RAN giver potentiale for at spare penge over tid og gør det muligt at arbejde med forskellige leverandører, men at få det til at fungere så godt som traditionelle integrerede RAN-systemer er stadig svært. Problemet skyldes forskelle mellem de forskellige producenter, hvad angår deres hardware-accelerationsmuligheder, og hvor moden deres software faktisk er. Det skaber hovedpine, når man forsøger at nå de vigtige mål for dataprocenten og strømforbruget. Når virksomheder opstiller centraliserede BBU-pooler, har de også brug for ekstremt pålidelige forbindelser på frontend, noget der kræver at holde jitter under omkring 100 nanosekunder i henhold til industriens standarder. De fleste eksperter foreslår at tage det langsomt i starten, måske med nogle mindre risikovillige steder i byer hvor problemer ikke vil forårsage store forstyrrelser. Denne tilgang giver operatørerne mulighed for at teste, om alt fungerer sammen korrekt og opfylder forventningerne, før de går alle ind over større områder.