Kuinka BBU ja RRU yhteistyössä toimivat tehokkaasti kantoasemissa?

Pohjataajuusyksikön (BBU) tehtävät ja vastuutehtävät signaalinkäsittelyssä

Modernien tukiasemien ytimessä toimii kantataajusyksikkö (BBU), joka hoitaa kaikenlaiset keskeiset signaalinkäsittelytehtävät. Tähän kuuluu modulointi ja demodulointi, virheenkorjaustoiminnot sekä protokollien hallinta eri kerroksilla, mukaan lukien PDCP, RLC ja RRC. Ennen kuin mitään lähetetään ilmassa kulkevina aaltoina, tämä yksikkö varmistaa, että kaikki noudattaa 3GPP-standardeja, jotka säätelevät sekä LTE- että 5G NR -verkkoja. Erityisesti BBUn erottuvuus perustuu ohjaustason ja datavirran erotukseen järjestelmässä. Kun esimerkiksi siirtymishallinta tapahtuu erikseen tavallisesta datavirrasta, se mahdollistaa älykkäämmän resurssien jakelun. Verkot voivat sen ansiosta sopeutua reaaliaikaisesti liikenteen piikkeihin tai laskuihin, mikä pitää järjestelmän toiminnan sujuvana myös huippukuormitustilanteissa.

Etäradion yksikön (RRU) rooli RF-muunnoksessa ja antennikytkennässä

Etäradion yksikkö (RRU) sijaitsee suoraan antennien vieressä, jossa se muuntaa kantataajusignaalit todellisiksi radioaaltoiksi, kuten 2,6 GHz:n tai 3,5 GHz:n taajuuksiksi. Tämä sijoitusauttaa vähentämään signaalihäviötä, joka voi olla melko suurta – noin 4 dB jokaista 100 metriä kohti käytettäessä tavallisia koaksiaaleja, erityisesti näillä korkeammilla taajuusalueilla. Mitä RRU oikeastaan tekee? Se muuntaa digitaalisen tiedon takaisin analogiseksi lähettääkseen dataa alaspäin, vahvistaa laitteista palautuvia heikkoja signaaleja lisäämättä liikaa kohinaa ja toimii useiden taajuuskaistojen kanssa 700 MHz:stä aina 3,8 GHz:iin asti jotakin nimeltä kantoaaltokokoonpano (carrier aggregation). Näiden yksiköiden sijoittaminen lähekkäin antenneihin parantaa myös verkon reaktioaikaa. Testit osoittavat, että viive laskee noin 25 % verrattuna vanhempiin järjestelmiin, jotka luottivat pitkiin kaapelointiosuuksiin laitteiden välillä.

Täydentävä työnkulku: Miten BBU ja RRU mahdollistavat päästä-päähän -signaalin siirron

BBU ja RRU toimivat yhdessä korkean nopeuden kuituyhteyksien kautta käyttäen CPRI- tai eCPRI-protokollia muodostaakseen saumattoman signaaliketjun digitaalisesta käsittelystä ilmateitse-lähetysvaiheeseen.

Tämä hajautettu arkkitehtuuri keskittää BBUn yksiköt samalla sijoittaen RRUt tornien huippuihin, parantaen spektraalitehokkuutta 32 % kaupunkiympäristöissä. Erotus mahdollistaa riippumattomat päivitykset ja on erityisen hyödyllinen kehittyvässä O-RAN-ekosysteemissä.

Kuitupohjainen etuliitäntäyhteys: BBU:n ja RRU:n yhdistäminen CPRI- ja eCPRI-protokollilla

Nopeatiedon siirto -kuituliitännät BBU-RRU -viestinnässä

Kuituoptiset kaapelit muodostavat nykyisten fronthaul-verkkojen selkärangan, mahdollistaen suuren kaistanleveyden ja vähäisen viiveen yhdistettäessä BBUt RRUihin. Nämä kaapelit kestävät tiedonsiirtonopeuksia yli 25 gigabitin sekunnissa, mikä tarkoittaa, että ne siirtävät digitoituja radiosignaaleja luotettavasti ilman häiriöitä sähkömagneettisesta häiriöstä – asia, joka on erityisen tärkeää ruuhkautuneissa kaupunkialueilla, joissa paljon laitteita toimii samanaikaisesti. CPRI-standardi toimii kaksisuuntaisen kuituvalon rinnalla pitääkseen asioita synkronoituna baseband-käsittelyn (BBU) ja RRU:n suorittaman RF-työn välillä. Tämä synkronointi auttaa ylläpitämään hyvää signaalin laatua koko järjestelmän läpi alusta loppuun.

CPRI vs. eCPRI: Protokollat fronthaul-tehokkuudelle ja kaistanleveyden hallinnalle

Siirryttäessä 5G-verkkoihin, monet operaattorit ovat alkaneet hyödyntämään niin kutsuttua parannettua CPRI:tä, eli lyhyemmin eCPRI:tä. eCPRI:n mielenkiintoisuus johtuu siitä, kuinka se vähentää kaistanleveyden tarvetta jopa kymmenesosaan verrattuna vanhempiin CPRI-versioihin. Perinteinen CPRI toimii eri tavalla. Se vaatii erillisen kuituyhteyden jokaiselle antennille ja perustuu ns. kerroksen 1 toimintaan. Mutta ongelma on siinä, että nykyisin yleistyvien suurten MIMO-rakenteiden kanssa tavallinen CPRI ei skaalaudu riittävästi. Tässä eCPRI loistaa. Siirtymällä Ethernet-pohjaisiin siirtomenetelmiin se mahdollistaa useiden etäisradioyksiköiden jakaa resursseja tilastollisen moniplexauksen kautta. Tuloksena on huomattavasti parempi suorituskyky fronthaul-tehokkuudessa ilman ylimääräisiä infrastruktuurikustannuksia.

Tämä kehitys vähentää fronthaul-kustannuksia 30 %:lla ja tukee skaalautuvia millimetriaaltojen käyttöönottoja.

Viive-, kapasiteetti- ja synkronointihuomiot fronthaul-verkon suunnittelussa

Ajoituksen oikeaksi saaminen on erittäin tärkeää. Jos synkronointivirhe on yli 50 nanosekuntia, se häiritsee säteenmuodostusta ja kaikkia muita aikaan perustuvia toimintoja 5G-verkoissa. Siksi nykyaikaiset fronthaul-ratkaisut käyttävät asioita kuten IEEE 802.1CM TSN -standardeja, jotta ohjaussignaalit liikkuvat verkossa asianmukaisesti. Kun kyseessä on datavolyymien käsittely, useimmat ovat siirtyneet nykyään 25 G:n lähetinvastaanottimiin. Ne käsittelevät signaalin menetystä noin 1,5 dB/km, mikä on itse asiassa parempi kuin vanhat 10 G -järjestelmät noin kaksi kolmasosaa. Kaikki nämä päivitykset tarkoittavat, että voimme edelleen saavuttaa vastausajat alle millisekunnin, vaikka taustayksiköt sijoitettaisiin jopa 20 kilometrin päähän etäisistä radiolaitteista keskitetyissä arkkitehtuurijärjestelmissä.

Verkkoarkkitehtuurin kehitys: D-RAN:sta C-RAN:iin ja vRAN:iin

D-RAN vs. C-RAN: Vaikutus BBU:n asennukseen ja RRU:n jakeluun

Perinteisissä hajautetuissa RAN- tai D-RAN-rakenteissa jokaisessa solutornissa on oma Baseband Unit (BBU) -laitteisto suoraan Remote Radio Unitin (RRU) vieressä. Vaikka tämä pitää signaaliviiveen alle millisekunnin, se tarkoittaa, että paljon ylimääräistä laitteistoa seisoo käyttämättömänä suurimman osan ajasta, mikä tekee resurssien jakamisesta eri tornien välillä vaikeaa. Uudempi keskitetty RAN-ratkaisu ottaa kaikki nämä BBUn ja sijoittaa ne keskitetyille paikkakunnille, jotka on yhdistetty kuituoptisilla kaapeleilla eri sijaintien RRUihin. Teollisuustutkimuksen mukaan Dell'Oron 2023 -raportissa tämä muutos voi vähentää käyttökustannuksia jossain välillä 17 % – jopa noin 25 %. Lisäksi verkkotoimittajat voivat siirtää laskentatehoa sinne, missä sitä eniten tarvitaan liikennemallien muuttuessa päivän aikana.

Keskitetyt BBU-poolit C-RAN:ssa parantaakseen resurssien jakamista ja tehokkuutta

Keskittämällä BBUt keskitettyihin laitoksiin operaattorit voivat hallita satoja RRuja yhdestä paikasta. Hyödyt sisältävät:

• Laitteiston yhdistäminen : 24-solun asennuksessa tarvitaan 83 % vähemmän BBU-koteloa verrattuna vastaaviin D-RAN-ratkaisuihin
• Energian optimointi : Kuormantasausta vähentää tukiaseman virrankulutusta 35 %:lla (Ericssonin tapaustutkimus 2022)
• Edistynyt koordinointi : Mahdollistaa tekniikat, kuten koordinoitu monipiste (CoMP), tehokkaaseen 5G:n millimetriaaltojen säteenmuodostukseen

Virtualisoitu RAN (vRAN): BBU-toimintojen kehittyminen pilvipohjaiseksi käsittelyksi

vRAN erottaa pohjakaistan käsittelyn omistautuneesta laitteistosta ja suorittaa virtualisoidut BBU-toiminnot (vBBU) kaupallisilla valmiiksi saatavilla pilvipalvelimilla. Tämä siirtymä tuo mukanaan:

1. Joustava skaalaus : Käsittelyresurssit skaalautuvat dynaamisesti liikennekuvion mukaan
2. Reunaintegraatio : 67 % operaattoreista ottaa käyttöön vBBU:t yhdessä Multi-access Edge Computing (MEC) -solmujen kanssa viiveen minimoimiseksi (Nokia 2023)
3. Yhteensopivuushaasteet : Alle 700 μs synkronointi vaatii erityistä kiihdytyslaitteistoa huolimatta toimittajien moninaisuudesta

Siirtyminen D-RAN:sta C-RAN:iin ja vRAN:iin korostaa, kuinka keskittäminen ja virtualisointi parantavat verkon tehokkuutta, skaalautuvuutta ja kustannustehokkuutta.

O-RAN ja toiminnalliset jakojaot: Uudelleenmääriteltävä BBU-RRU-yhteistyö

O-RAN Alliance -standardit ja avoimet rajapintavaatimukset BBU:lle ja RRU:lle

O-RAN-liitto edistää avoimempia ja yhteensopivampia radioverkkoratkaisuja määrittämällä standardit tavat perusyksiköiden (BBU) ja etäisotinyksiköiden (RRU) viestintään keskenään. Tässä käytännössä tarkoitetaan, että operaattorit voivat yhdistellä eri toimittajien laitteita sen sijaan, että ne joutuisivat sitoutumaan yhden toimittajan ekosysteemiin. Liitto on kehittänyt useita tapoja jakaa toiminnot näiden komponenttien välillä, kuten esimerkiksi vaihtoehto 7.2x. Tässä asetuksessa RLC- ja MAC-tasot suorittavat tehtävänsä BBU:ssa, kun taas alemman tason fyysisen kerroksen tehtävät ja RF-käsittely tapahtuvat RRU-päässä. Viime vuonna julkaistussa artikkelissa, joka ilmestyi Applied Sciences -lehdessä, todettiin, että tämä erityinen konfiguraatio pitää fronthaul-viiveet alle 250 mikrosekunnissa, mikä on melko vaikuttavaa ottaen huomioon, kuinka herkkiä langattomat verkot ovat ajastusongelmille. Tässä on tietysti myös kompromissi. Vaikka avoimet standardit tarjoavat enemmän vaihtoehtoja laitteiden hankinnassa, niin ne edellyttävät tiukempaa koordinaatiota kaikkien erilaisten osien välillä varmistaakseen, että kaikki toimii moitteettomasti ilman kokonaissuorituskyvyn heikkenemistä.

Toiminnalliset jakovaihtoehdot (esim. jako 7-2x) O-RAN-arkkitehtuureissa

Split 7.2x -standardi toimii jakamalla käsittelytehtäviä eri komponenttien kesken käyttäen kahta päämenetelmää. Luokan A mukaan suurin osa työstä tapahtuu BBU-puolella, mikä yksinkertaistaa RRU:ita, mutta lisää liikennettä etuliityntäyhteydessä. Päinvastoin luokka B siirtää nämä käsittelytehtävät itse RRU:lle. Tämä järjestely tarjoaa paremman suorituskyvyn käsiteltäessä käyttäjiltä tulevia signaaleja, vaikka se tekeekin laitteistosta monimutkaisemman. Viimeaikaisten teollisuusraporttien mukaan noin kaksi kolmasosaa verkkotoimittajista on valinnut luokan B massiivisia MIMO-järjestelmiä varten, koska se mahdollistaa huomattavasti paremman hallinnan signaalihäiriöille. Teknologiakehitys jatkuu myös muualla. Otetaan esimerkiksi vuoden 2023 ULPI-hanke. Tämä uusi kehitys on siirtänyt tiettyjä tasapainotustoimintoja järjestelmän arkkitehtuurissa saadakseen vieläkin suurempia suorituskykyetuja kaikilla osa-alueilla. Tällaiset parannukset ovat juuri sitä, mitä O-RAN-työryhmien dokumentit ovat hiljattain korostaneet.

Interoperabiliteetin ja suorituskyvyn tasapainottaminen avoimissa RAN-verkkoasennuksissa

O-RAN tarjoaa mahdollisuuden säästää rahaa pitkällä aikavälillä ja mahdollistaa eri toimittajien kanssa työskentelyn, mutta saavuttaa saman suorituskyvyn kuin perinteisissä integroiduissa RAN-järjestelmissä on yhä haastavaa. Ongelma juontuu valmistajien tarjoamien laitteistojen kiihdytysominaisuuksien sekä ohjelmiston kypsyyden eroista. Tämä aiheuttaa todellisia ongelmia, kun pyritään saavuttamaan tärkeät arvot siirtonopeudelle ja virrankulutukselle. Kun yritykset asennetaan keskitettyjä BBU-rakennuksia, he tarvitsevat myös erittäin luotettavia yhteyksiä etujärjestelmässä, mikä edellyttää, että värähtely pysyy alle noin 100 nanosekunnin tasolla teollisuusstandardeissa määritetyn mukaisesti. Useimmat asiantuntijat suosittelevat aloittamaan hitaasti, ehkä ensin joissain alhaisemman riskin paikoissa kaupungeissa, missä ongelmat eivät aiheuta merkittäviä häiriöitä. Tämä lähestymistapa antaa operaattoreiden testata, toimiiko kaikki yhdessä oikein ja täyttääkö se odotukset ennen kuin laajennetaan isompiin alueisiin.