Kuinka kantataajuusyksikkö parantaa viestintälaitteiden suorituskykyä?

Kantataajuusyksikön keskeiset toiminnot 5G-signaalinkäsittelyssä

Reaaliaikainen signaalinkäsittely: alle 10 ms:n viiveen mahdollistaminen 5G-verkoissa

Baseband-yksiköt hoitavat kriittisiä digitaalisen signaalinkäsittelyn tehtäviä, jotka on suoritettava tiukkojen aikarajojen puitteissa, mikä tekee niistä keskeisen osan 5G-sovellusten, kuten itseohjautuvien autojen ja tehdasautomaatiojärjestelmien, erittäin nopeaan reaktioaikaan saavuttamisessa. Nämä yksiköt suorittavat fyysisen kerroksen tehtävät alle 2 millisekunnissa, pitäen kokonaisviiveen edestakaisilla signaaleilla selvästi alle 3GPP:n standardien asettaman 10 millisekunnin rajan. Rinnakkaista käsittelyä ja erikoislaitteistojen tehostuksia hyödyntäen BBU:t voivat säätää resurssikäyttöään reaaliajassa muuttuvien olosuhteiden mukaan. Tämä tarkoittaa, että ne jatkavat toimintaansa sujuvasti myös silloin, kun verkot ovat erityisen kuormittuneita ruuhka-aikoina tai merkittävien tapahtumien aikana.

Digitaalinen signaaliputki: Modulointi, kanavakoodaus ja MIMO-esikoodaus

BBU:n digitaalinen signaaliputki integroi kolme keskeistä toimintoa signaalin eheyden ja spektritehokkuuden maksimoimiseksi:

1. Modulaatio korkeajärjestisten menetelmien, kuten QAM-256 ja QAM-1024, käyttö paketoi dataa tiheisiin radiotaajuisiin aaltoihin
2. Kanavakoodaus lDPC- ja polarikoodien avulla bittivirhesuhde pienenee jopa 68 % verrattuna 4G:n Turbo-koodiin
3. MIMO-esikoodaus mahdollistaa älykkään säteen ohjauksen, parantaen spektritehokkuutta 3,1-kertaiseksi (Mobile Experts 2023)
   Yhdessä nämä prosessit minimoivat pakettien menetyksen ja ylläpitävät korkeaa siirtokapasiteettia tiheästi asutuilla kaupunkialueilla.

Tapausstudy: Kärkitason BBU vähentää ylätason viiveitä 42 %:lla kaupunkien 5G-verkoissa

Vuoden 2023 kenttätesti johtavan valmistajan BBU 6630 -laitteesta Tokiossa osoitti merkittäviä suorituskykyetuja virtualisoinnin ja koneoppimiseen perustuvan liikenneennusteen avulla. Järjestelmä saavutti:

• 42 %:n vähennyksen keskimääräisessä ylätason viiveessä (9,2 ms:stä 5,3 ms:iin)
• 17 %:n parannuksen solun reunan siirtokapasiteetissa
• 31 % vähemmän katkenneita yhteyksiä siirtojen aikana
  Nämä tulokset vahvistavat BBU:n roolin luotettavien 5G-verkkojen laskentaytimenä, erityisesti tiheään asutuilla kaupunkialueilla.

BBU-ohjattu verkkosuorituskyky: Viiveiden vähentäminen, siirtonopeuden skaalaus ja tehokkuus

Keskitetty RAN (C-RAN): Dynaaminen resurssipooling BBU-virtuaalisoinnin kautta

Cloud RAN- tai C-RAN-ratkaisut käyttävät virtuaalisia kantataajuusyksiköitä, jotka keskittävät useiden soluasemien prosessointitehon yhteen, eikä erillisiä laitteistoja tarvita joka paikkaan. Tämä poistaa aiemmin näkemämme erilliset laitteistoratkaisut, vähentää toimintakustannuksia noin 30 prosenttia (enemmän tai vähemmän) ja mahdollistaa työmäärien siirtämisen tarpeen mukaan reaaliajassa. Kun verkkoliikenteessä esiintyy äkillinen piikki, järjestelmä voi ottaa käyttöön naapurisoluilta saatavilla olevaa ylimääräistä kapasiteettia ja ohjata sen sinne, missä sitä eniten tarvitaan. Tuloksena läpäisykyky nousee lähes kolminkertaiseksi entiseen verrattuna, ilman että uutta laitteistoa tarvitsee hankkia. Melko vaikuttavaa, kun miettii.

Massive MIMO -koordinaatio ja spektrin uudelleenkäyttö, jonka mahdollistaa edistynyt BBU-ohjaus

Edistyneet BBU-algoritmit koordinoivat satoja antennielementtejä tarjotakseen tarkan beamforming- ja tilamultipleksointiteknologian. Tämä mahdollistaa useiden käyttäjien samanaikaisen taajuuskaistan käytön, mikä parantaa spektrihyötysuhdetta 47 %. Suuntaavuudella varustettu signaalien keskittäminen vähentää myös häiriöitä, ja se tukee viisinkertaisesti tiheämpiä verkkorakenteita samalla kun ylläpidetään 99,999 %:n luotettavuutta – mikä on kriittistä tehtäväkeskeisille sovelluksille.

Keskeinen vaikutus :

• Viiveen vähentäminen: alle 10 ms:n vastaus teollisuuden IoT-sovelluksiin
• Siirtonopeuden skaalaus: 40 Gbps per solu mmWave-asennuksissa
• Energiatehokkuus: 60 % vähemmän tehoa gigatavua kohden verrattuna hajautettuun RAN:iin

Avaintekijät, jotka tehostavat baseband-yksikön suorituskykyä

FPGA/ASIC-kiihdytys: korkeampi FFT-suorituskyky verrattuna vanhoihin x86-järjestelmiin

Kenttäohjelmoitavat porttipiirit (FPGA) yhdessä sovelluskohtaisen integroidun piirin (ASIC) kanssa tarjoavat sellaista laskentatehoa, joka tarvitaan 5G-signaalien käsittelyyn reaaliaikaisesti, ja ne toimivat nopeammin ja kuluttavat vähemmän energiaa verrattuna vanhempiin x86-järjestelmiin. Nämä erikoistuneet piirit nopeuttavat huomattavasti rinnakkaismuodossa käsiteltäviä tehtäviä, kuten niitä Fast Fourier -muunnoslaskelmia, joista kaikki puhuvat, ja jotka ovat olennaisen tärkeitä moduloinnin ja demoduloinnin toteuttamisessa nykyisin yleisissä isoissa MIMO-rakenteissa. Kun yritykset siirtyvät tavallisten suorittimien sijaan FPGA- tai ASIC-ratkaisuihin, he poistavat näin ollen kaikki vaativat laskentaoperaatiot pääprosessorilta. Tämä lähestymistapa vähentää käsittelyviiveitä samalla kun säästyy merkittävästi sähköenergiaa. Joidenkin tutkimusten mukaan kaupunkialueilla, joissa näitä teknologioita on otettu käyttöön, sähkönkulutus on vähentynyt noin kolmasosasta lähes puoleen.

Prosessori, DSP, muisti ja rajapinnan integrointi modernissa BBU-suunnittelussa

Nykyään perustaajuusyksiköissä on paljon sisällä yhdessä laatikossa – moniytimisiä prosessoreita toimii rinnalla erikoistuneiden digitaalisten signaaliprosessorien kanssa, runsaasti nopeaa muistia sekä kaikenlaisia standardoituja liitäntöjä tiiviissä paketissa. DSP hoitaa suurimman osan työstä signaalien moduloinnissa, demoduloinnissa ja monimutkaisten kanavakoodaustehtävien käsittelyssä. Säännölliset prosessorit puolestaan huolehtivat asioiden, kuten verkko-osuuksien hallinnasta ja muista ylemmän tason protokollatehtävistä. Suurten radiofrekvenssidatan määrien käsittelyyn synkroninen DRAM toimii puskurina, käsitellen nopeuksia yli 200 gigabitin sekunnissa, mikä estää ruuhkautumisen liikennehuippujen aikana. Liitäntöjen osalta useita tärkeitä rajapintoja on mukana varmistaakseen kaiken saumattoman toiminnan.

• eCPRI : Mahdollistaa alhaisen viiveen etujohdotusyhteyden
• 25GbE : Tukee takajohdotuksen aggregointia
• PCIe Gen4 : Mahdollistaa korkean nopeuden väliporttien kommunikoinnin
  Tämä tiiviisti integroitu rakenne poistaa väyläkiistat, mikä takaa deterministisen viiveen alle 100 µs erittäin luotettaville sovelluksille.

Kantataajuusyksiköiden strategiset edut: skaalautuvuus, energiatehokkuus ja tulevaisuudensuuntautuminen

O-RAN:n kompromissit: Erillisten komponenttien ja kantataajuusyksikön suorituskyvyn tasapainottaminen

Open RAN -konsepti itse asiassa kannustaa useampia toimittajia tulemaan markkinoille ja edistää innovaatiota erottamalla laitteistokomponentit ohjelmistokomponenteista. Tämä lähestymistapa aiheuttaa kuitenkin ongelmia, kun pyritään pitämään pohjakaistan yksikön suorituskyky vakiona eri laitteistoissa. Modulaariset järjestelmät mahdollistavat helpomman skaalauksen ja laajentamisen, ja ne voivat vähentää energiankulutusta noin 30 prosenttia viime vuoden Telecommunications Efficiency -raportin mukaan. Näihin etuihin liittyy kuitenkin hinta. Järjestelmän on noudatettava tiukasti rajapintamäärityksiä, muuten ilmenee ongelmia signaalin ajoitusvaihteluiden ja epäjohdonmukaisten siirtotnopeuksien kanssa. Sovelluksissa, joissa millisekunnit ratkaisevat, kuten tehdasautomaatiojärjestelmissä, jotka on yhdistetty IoT-laitteiden kautta, verkkotoimittajilla ei ole muuta vaihtoehtoa kuin varmistaa, että kaikki toimii saumattomasti alusta loppuun. Pohjakaistan yksiköiden strateginen sijoittaminen tarkoittaa kompromissin löytämistä avointen alustojen tarjoaman sopeutuvuuden ja tulevien 5G-Advanced -vaatimusten sekä vielä määrittelemättömien 6G-standardien tiukkojen suorituskykyvaatimusten välillä.