Wie arbeiten BBU und RRU in Basisstationen effizient zusammen?

Funktionen und Aufgaben der Baseband-Einheit (BBU) bei der Signalverarbeitung

Im Zentrum moderner Basisstationen befindet sich die Baseband-Einheit (BBU), die alle Arten kritischer Signalverarbeitungsaufgaben übernimmt. Dazu gehören Modulation und Demodulation, Fehlerkorrektur sowie das Management von Protokollen auf verschiedenen Schichten, einschließlich PDCP, RLC und RRC. Bevor Daten über die Luftübertragung gesendet werden, stellt diese Einheit sicher, dass alles mit den 3GPP-Standards übereinstimmt, die sowohl LTE- als auch 5G-NR-Netze regeln. Was BBUs jedoch wirklich auszeichnet, ist die Trennung von Steuerungsebene (Control Plane) und der eigentlichen Datenübertragung im System. Wenn Funktionen wie Handover-Management unabhängig vom regulären Datenfluss erfolgen, eröffnet dies Möglichkeiten für eine intelligentere Ressourcenallokation. Netze können sich dann dynamisch an plötzliche Verkehrsspitzen oder -rückgänge anpassen und den Betrieb auch in Zeiten hoher Auslastung reibungslos aufrechterhalten.

Fernsteuereinheit (RRU) – Rolle bei der HF-Umwandlung und Antennenanbindung

Die Remote Radio Unit (RRU) befindet sich direkt neben den Antennen und wandelt dort die Basisbandsignale in tatsächliche Funkwellen um, beispielsweise Frequenzen wie 2,6 GHz oder 3,5 GHz. Diese Positionierung hilft, Signalverluste zu reduzieren, die bei Verwendung herkömmlicher Koaxkabel – besonders in diesen höheren Frequenzbereichen – erheblich sein können – etwa 4 dB pro 100 Meter. Was macht eine RRU genau? Sie wandelt digitale Informationen für die Datenübertragung in Downstream-Richtung wieder in analoge Form um, verstärkt schwache Signale, die von Geräten zurückgesendet werden, ohne dabei viel Rauschen hinzuzufügen, und arbeitet mit mehreren Frequenzbändern von 700 MHz bis hin zu 3,8 GHz mithilfe eines Verfahrens namens Carrier Aggregation. Die Nähe dieser Einheiten zu den Antennen sorgt außerdem für schnellere Netzwerkreaktionen. Tests zeigen, dass die Latenz um etwa 25 % sinkt im Vergleich zu älteren Systemen, die auf langen Kabelstrecken zwischen den Gerätestandorten basierten.

Komplementärer Workflow: Wie BBU und RRU die End-to-End-Signalübertragung ermöglichen

BBU und RRU arbeiten über Hochgeschwindigkeits-Glasfaser-Verbindungen mit CPRI- oder eCPRI-Protokollen zusammen, um eine nahtlose Signalkette von der digitalen Verarbeitung bis zur Übertragung über die Luft zu bilden.

Diese verteilte Architektur zentralisiert BBUs, während RRUs an den Mastspitzen platziert werden, wodurch die spektrale Effizienz in städtischen Umgebungen um 32 % gesteigert wird. Die Trennung ermöglicht unabhängige Upgrades und ist besonders vorteilhaft in sich entwickelnden O-RAN-Ökosystemen.

Glasfaserbasierte Fronthaul-Verbindung: Verknüpfung von BBU und RRU mit CPRI und eCPRI

Hochgeschwindigkeits-Glasfaser-Verbindungen in der BBU-RRU-Kommunikation

Glasfaserkabel bilden das Rückgrat heutiger Fronthaul-Netzwerke und ermöglichen eine hohe Bandbreite sowie minimale Latenz bei der Verbindung von BBUs mit RRUs. Diese Kabel können Datenraten von über 25 Gigabit pro Sekunde bewältigen, wodurch sie digitalisierte Funksignale zuverlässig übertragen, ohne durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt zu werden – ein entscheidender Vorteil in dicht besiedelten städtischen Gebieten, in denen viele Geräte gleichzeitig betrieben werden. Der CPRI-Standard arbeitet zusammen mit bidirektionalen Glasfasern, um die Synchronisation zwischen der Basisbandverarbeitung in der BBU und der eigentlichen HF-Arbeit der RRU sicherzustellen. Diese Synchronisation trägt dazu bei, über das gesamte System hinweg eine gute Signalqualität von Anfang bis Ende aufrechtzuerhalten.

CPRI vs. eCPRI: Protokolle für Effizienz und Bandbreitenmanagement im Fronthaul

Während wir uns hin zu 5G-Netzen bewegen, haben viele Betreiber begonnen, eine Technologie namens erweitertes CPRI oder kurz eCPRI einzuführen. Was eCPRI interessant macht, ist die Tatsache, dass es den Bandbreitenbedarf im Vergleich zu älteren Versionen von CPRI um bis zu zehnmal reduziert. Traditionelles CPRI funktioniert jedoch anders: Es benötigt separate Glasfaser-Verbindungen für jede Antenne und arbeitet auf der sogenannten Layer-1-Ebene. Doch hier liegt das Problem: Bei großen MIMO-Anlagen, die heutzutage immer üblicher werden, kann herkömmliches CPRI nicht ordnungsgemäß skaliert werden. Genau hier zeichnet sich eCPRI aus. Durch den Wechsel zu ethernetbasierten Transportmethoden ermöglicht es mehreren entfernten Funkeinheiten, Ressourcen über statistische Multiplexing zu teilen. Das Ergebnis? Eine deutlich bessere Leistung hinsichtlich der Fronthaul-Effizienz ohne zusätzliche Infrastrukturkosten.

Diese Weiterentwicklung senkt die Fronthaul-Kosten um 30 % und unterstützt skalierbare Millimeter-Wellen-Deployments.

Überlegungen zu Latenz, Kapazität und Synchronisation beim Fronthaul-Design

Die richtige Timing-Einstellung ist sehr wichtig. Wenn ein Synchronisationsfehler größer als 50 Nanosekunden ist, stört dies das Beamforming und alle anderen zeitbasierten Funktionen in 5G-Netzen. Aus diesem Grund verwenden moderne Fronthaul-Installationen heute Dinge wie den IEEE 802.1CM TSN-Standard, um sicherzustellen, dass Steuersignale korrekt durch das Netzwerk fließen. Bei der Handhabung des Datenaufkommens haben sich die meisten Anwender heutzutage auf 25G-Transceiver umgestellt. Diese bewältigen Signalverluste von etwa 1,5 dB pro Kilometer, was alten 10G-Systemen um rund zwei Drittel überlegen ist. All diese Upgrades bedeuten, dass wir weiterhin Reaktionszeiten unter einer Millisekunde erreichen können, selbst wenn Basisbandeinheiten bis zu 20 Kilometer von entfernten Funkeinheiten in zentralen Architekturkonfigurationen entfernt platziert werden müssen.

Netzwerkarchitektur-Evolution: Von D-RAN zu C-RAN und vRAN

D-RAN vs. C-RAN: Auswirkungen auf die BBU-Installation und RRU-Verteilung

Herkömmliche verteilte RAN- oder D-RAN-Systeme verfügen über eine eigene Basisbandeinheit (BBU) direkt neben der Fernsender-Einheit (RRU) auf jedem Sendemast. Obwohl dies die Signalverzögerung unter 1 Millisekunde hält, führt es dazu, dass viele Geräte doppelt vorhanden sind und meist ungenutzt bleiben, was zudem den Ressourcenaustausch zwischen Masten erschwert. Beim neueren zentralisierten RAN-Ansatz werden alle BBUs an zentralen Standorten zusammengefasst, die über Glasfaserkabel mit den RRUs an verschiedenen Standorten verbunden sind. Laut einer Branchenstudie von Dell'Oro aus dem Jahr 2023 kann dieser Wandel die Betriebskosten um etwa 17 % bis möglicherweise nahezu 25 % senken. Außerdem können Netzbetreiber die Rechenleistung flexibel dorthin verlagern, wo sie je nach Tageszeit und Datenverkehr am meisten benötigt wird.

Zentrale BBU-Pools in C-RAN zur Verbesserung des Ressourcenaustauschs und der Effizienz

Durch die Bündelung von BBUs in zentralen Einrichtungen können Betreiber Hunderte von RRUs von einem einzigen Standort aus verwalten. Vorteile umfassen:

• Hardwarekonsolidierung : Eine 24-Zellen-Installation erfordert 83 % weniger BBU-Chassis als vergleichbare D-RAN-Setups
• Energieoptimierung : Lastverteilung reduziert den Stromverbrauch der Basisstationen um 35 % (Ericsson Fallstudie 2022)
• Erweiterte Koordination : Ermöglicht Techniken wie koordinierte Mehrpunktübertragung (CoMP) für effizientes 5G-Millimeterwellen-Beamforming

Virtualisierte RAN (vRAN): Weiterentwicklung der BBU-Funktionen hin zu cloudbasierter Verarbeitung

vRAN entkoppelt die Basisbandverarbeitung von proprietärer Hardware und führt virtualisierte BBU-Funktionen (vBBU) auf handelsüblichen Cloud-Servern aus. Diese Entwicklung bringt:

1. Flexible Skalierung : Die Verarbeitungsressourcen skalieren dynamisch mit dem Datenverkehrsmuster
2. Edge-Integration : 67 % der Betreiber setzen vBBUs zusammen mit Multi-Access Edge Computing (MEC)-Knoten ein, um die Latenz zu minimieren (Nokia 2023)
3. Interoperabilitäts-Herausforderungen : Um eine Synchronisation unter 700 μs zu erreichen, sind trotz der Vielfalt an Anbietern spezialisierte Beschleunigungshardware erforderlich

Die Entwicklung von D-RAN über C-RAN hin zu vRAN verdeutlicht, wie Zentralisierung und Virtualisierung die Netzwerkeffizienz, Skalierbarkeit und Kosteneffektivität verbessern.

O-RAN und Funktionsaufteilung: Neugestaltung der Zusammenarbeit zwischen BBU und RRU

O-RAN Alliance-Standards und Open-Interface-Anforderungen für BBU und RRU

Die O-RAN Alliance setzt sich dafür ein, offene und kompatible Architekturen für Funkzugangsnetze zu fördern, indem sie standardisierte Schnittstellen definiert, über die Basisbandeinheiten (BBUs) und entfernte Funkeinheiten (RRUs) miteinander kommunizieren können. Dies bedeutet konkret, dass Betreiber Geräte verschiedener Hersteller kombinieren können, anstatt an das Ökosystem eines einzelnen Anbieters gebunden zu sein. Die Alliance hat verschiedene Möglichkeiten entwickelt, um Funktionen zwischen diesen Komponenten aufzuteilen, beispielsweise Option 7.2x. Bei dieser Konfiguration werden Schichten wie RLC und MAC in der BBU verarbeitet, während Aufgaben der unteren physischen Schicht und die RF-Verarbeitung am RRU-Ende stattfinden. Eine kürzlich im vergangenen Jahr in Applied Sciences veröffentlichte Studie ergab, dass diese Konfiguration die Fronthaul-Verzögerungen unter 250 Mikrosekunden hält – eine beeindruckende Leistung, wenn man bedenkt, wie empfindlich drahtlose Netzwerke auf Timing-Probleme reagieren. Natürlich gibt es auch hier einen Kompromiss: Zwar bieten offene Standards mehr Auswahl beim Einkauf von Hardware, doch gleichzeitig ist eine engere Abstimmung zwischen allen Komponenten erforderlich, um sicherzustellen, dass alles reibungslos zusammenarbeitet, ohne die Gesamtleistung zu beeinträchtigen.

Funktionale Split-Optionen (z. B. Split 7-2x) in O-RAN-Architekturen

Die Split 7.2x-Standard funktioniert, indem Verarbeitungsaufgaben zwischen verschiedenen Komponenten auf zwei Hauptweisen aufgeteilt werden. Bei Kategorie A erfolgt der Großteil der Arbeit auf der BBU-Seite, wodurch die RRUs einfacher gestaltet werden, jedoch mehr Datenverkehr auf der Front-Haul-Verbindung entsteht. Umgekehrt verschiebt Kategorie B diese Verarbeitungsaufgaben direkt in das RRU selbst. Diese Konfiguration ermöglicht eine bessere Leistung bei der Verarbeitung von Signalen, die von Nutzern zurückkommen, führt aber zu einer komplexeren Hardware. Laut aktuellen Branchenberichten haben etwa zwei Drittel der Netzbetreiber für ihre Massive-MIMO-Installationen Kategorie B gewählt, da sie eine deutlich bessere Kontrolle über Signalstörungen ermöglicht. Auch die Technologiewelt entwickelt sich ständig weiter. Nehmen Sie beispielsweise das ULPI-Projekt aus dem Jahr 2023. Diese neue Entwicklung verschiebt bestimmte Entzerrungsfunktionen innerhalb der Systemarchitektur, um noch höhere Leistungssteigerungen insgesamt zu erzielen. Solche Verbesserungen sind genau das, was Dokumente der O-RAN-Arbeitsgruppen kürzlich hervorgehoben haben.

Interoperabilität und Leistung in Open RAN-Implementierungen ausbalancieren

O-RAN bietet langfristig das Potenzial, Kosten zu sparen, und ermöglicht die Zusammenarbeit mit verschiedenen Anbietern, aber es ist nach wie vor schwierig, eine vergleichbare Leistung wie bei herkömmlichen, integrierten RAN-Systemen zu erzielen. Das Problem liegt in den Unterschieden zwischen den Angeboten verschiedener Hersteller hinsichtlich Hardware-Beschleunigungsfunktionen und dem Reifegrad ihrer Software. Dies verursacht erhebliche Schwierigkeiten, wenn es darum geht, wichtige Kennzahlen für Datenübertragungsrate und Stromverbrauch zu erreichen. Wenn Unternehmen zentralisierte BBU-Pools einrichten, benötigen sie auch an der vorderen Schnittstelle äußerst zuverlässige Verbindungen, was gemäß Industriestandards eine Jitter-Unterschreitung von etwa 100 Nanosekunden erfordert. Die meisten Experten empfehlen, zunächst behutsam vorzugehen, beispielsweise mit Standorten in städtischen Gebieten mit geringerem Risiko, wo Probleme keine gravierenden Störungen verursachen. Diese Vorgehensweise ermöglicht es Betreibern, zu testen, ob alle Komponenten ordnungsgemäß zusammenarbeiten und die Erwartungen erfüllen, bevor sie flächendeckend in größeren Bereichen vollständig umstellen.