Comment les BBU et RRU collaborent-ils efficacement dans les stations de base ?

Fonctions et responsabilités de l'unité de bande de base (BBU) dans le traitement du signal

Au cœur des stations de base modernes se trouve l'unité de bande de base (BBU), qui gère toutes sortes de tâches critiques de traitement du signal. On pense à la modulation et à la démodulation, à la correction d'erreurs, ainsi qu'à la gestion des protocoles à différents niveaux, notamment PDCP, RLC et RRC. Avant que quoi que ce soit ne soit transmis par ondes radio, cette unité s'assure que tout est conforme aux normes 3GPP qui régissent les réseaux LTE et 5G NR. Ce qui distingue particulièrement les BBU, c'est leur séparation des fonctions du plan de contrôle du flux réel de données traversant le système. Lorsque des opérations comme la gestion du transfert de connexion sont effectuées indépendamment du flux de données ordinaire, cela ouvre la voie à une allocation plus intelligente des ressources. Les réseaux peuvent ainsi s'adapter en temps réel lorsque le trafic augmente ou diminue de manière inattendue, maintenant un fonctionnement fluide même pendant les périodes de forte utilisation.

Rôle de l'unité radio distante (RRU) dans la conversion RF et l'interfaçage avec l'antenne

L'unité radio distante (RRU) est située juste à côté des antennes, où elle transforme les signaux de bande de base en ondes radio réelles, comme les fréquences 2,6 GHz ou 3,5 GHz. Ce positionnement permet de réduire les pertes de signal, qui peuvent être importantes — environ 4 dB tous les 100 mètres — lorsqu'on utilise des câbles coaxiaux classiques, surtout dans ces plages de fréquences élevées. Quelle est la fonction d'une RRU ? Elle convertit les informations numériques en forme analogique pour transmettre les données vers l'aval, amplifie les signaux faibles remontant depuis les dispositifs sans y ajouter trop de bruit, et fonctionne avec plusieurs bandes de fréquences allant de 700 MHz à 3,8 GHz grâce à une technologie appelée agrégation de porteuses. Placer ces unités près des antennes améliore également la réactivité des réseaux. Des tests montrent que la latence diminue d'environ 25 % par rapport aux anciens systèmes qui dépendaient de longues distances de câble entre les équipements.

Flux de travail complémentaire : comment le BBU et la RRU permettent une transmission de signal de bout en bout

Le BBU et le RRU fonctionnent ensemble via des liaisons fibre haute vitesse utilisant les protocoles CPRI ou eCPRI pour former une chaîne de signal continue, du traitement numérique à la transmission hertzienne.

Cette architecture distribuée centralise les BBU tout en plaçant les RRU au sommet des tours, améliorant ainsi l'efficacité spectrale de 32 % dans les environnements urbains. Cette séparation permet des mises à niveau indépendantes et est particulièrement avantageuse dans les écosystèmes O-RAN en évolution.

Connectivité de fronthaul basée sur fibre : Liaison entre BBU et RRU avec CPRI et eCPRI

Liaisons optiques haute vitesse dans la communication BBU-RRU

Les câbles à fibre optique constituent la colonne vertébrale des réseaux de fronthaul actuels, permettant une bande passante élevée et une latence minimale lors de la connexion des BBUs aux RRUs. Ces câbles supportent des débits de données supérieurs à 25 gigabits par seconde, ce qui signifie qu'ils transportent de manière fiable les signaux radio numérisés sans subir d'interférences électromagnétiques, un facteur particulièrement important dans les zones urbaines densément équipées où de nombreux appareils fonctionnent simultanément. La norme CPRI fonctionne conjointement avec la fibre bidirectionnelle pour assurer la synchronisation entre le traitement de baseband dans le BBU et le traitement RF effectué par le RRU. Cette synchronisation contribue à maintenir une bonne qualité du signal tout au long du système, de bout en bout.

CPRI contre eCPRI : Protocoles pour l'efficacité du fronthaul et la gestion de la bande passante

Alors que nous passons aux réseaux 5G, de nombreux opérateurs ont commencé à adopter une technologie appelée CPRI amélioré, ou eCPRI en abrégé. Ce qui rend l'eCPRI intéressant, c'est qu'il réduit les besoins en bande passante jusqu'à dix fois par rapport aux anciennes versions du CPRI. Le CPRI traditionnel fonctionne différemment : il nécessite des connexions fibre séparées pour chaque antenne et reste limité à ce qu'on appelle les opérations de couche 1. Mais voici le problème : lorsqu'il s'agit de gérer les grands systèmes MIMO, de plus en plus courants aujourd'hui, le CPRI classique ne permet pas une montée en échelle adéquate. C'est là que l'eCPRI excelle. En passant à des méthodes de transport basées sur Ethernet, il permet à plusieurs unités radio distantes de partager des ressources grâce à une technique appelée multiplexage statistique. Le résultat ? Des performances bien meilleures en termes d'efficacité du fronthaul, sans les coûts supplémentaires liés à l'infrastructure.

Cette évolution réduit les coûts de fronthaul de 30 % et prend en charge des déploiements évolutifs en ondes millimétriques.

Considérations sur la latence, la capacité et la synchronisation dans la conception du fronthaul

Obtenir le bon timing est très important. Si l'erreur de synchronisation dépasse 50 nanosecondes, cela perturbe le beamforming et toutes les autres fonctions basées sur le temps dans les réseaux 5G. C'est pourquoi les configurations modernes de fronthaul utilisent des normes telles que IEEE 802.1CM TSN afin de garantir une circulation adéquate des signaux de contrôle à travers le réseau. En ce qui concerne la gestion du volume de données, la plupart des acteurs sont passés aux transceivers 25G de nos jours. Ils supportent une perte de signal d'environ 1,5 dB par kilomètre, ce qui représente une amélioration d'environ deux tiers par rapport aux anciens systèmes 10G. Toutes ces mises à niveau permettent d'obtenir des temps de réponse inférieurs à une milliseconde, même lorsque les unités de bande de base doivent être placées jusqu'à 20 kilomètres des unités radio distantes dans des configurations d'architecture centralisée.

Évolution de l'architecture réseau : du D-RAN au C-RAN et au vRAN

D-RAN contre C-RAN : impact sur le déploiement des BBU et la répartition des RRU

Les configurations traditionnelles de RAN distribuée, ou D-RAN, prévoient qu'une unité de bande de base (BBU) soit installée directement sur chaque site d'antenne, à côté de l'unité radio distante (RRU). Bien que cela maintienne la latence du signal en dessous de 1 milliseconde, cela entraîne une forte redondance d'équipements restant inutilisés la plupart du temps, rendant difficile le partage des ressources entre sites. La nouvelle approche RAN centralisée (C-RAN) consiste à regrouper toutes ces BBU dans des emplacements centraux, reliés aux RRU situés sur différents sites par des câbles en fibre optique. Selon une étude sectorielle de Dell'Oro publiée en 2023, cette évolution permettrait de réduire les coûts d'exploitation de 17 %, voire jusqu'à près de 25 %. De plus, les opérateurs réseau peuvent désormais réaffecter la puissance de traitement là où elle est la plus nécessaire, en fonction de l'évolution des schémas de trafic au cours de la journée.

Regroupement centralisé des BBU dans le C-RAN pour un partage des ressources et une efficacité améliorés

En regroupant les BBUs dans des installations centralisées, les opérateurs peuvent gérer des centaines de RRUs depuis un seul emplacement. Les avantages incluent :

• Consolidation du matériel : Un déploiement à 24 cellules nécessite 83 % de châssis BBU en moins par rapport à des configurations D-RAN équivalentes
• Optimisation de l'énergie : L'équilibrage de charge réduit la consommation électrique de la station de base de 35 % (étude de cas Ericsson 2022)
• Coordination avancée : Permet des techniques comme la transmission multi-points coordonnée (CoMP) pour une formation efficace de faisceaux en onde millimétrique 5G

RAN virtualisée (vRAN) : Évolution des fonctions BBU vers un traitement basé sur le cloud

la vRAN dissocie le traitement de bande de base du matériel propriétaire, en exécutant les fonctions BBU virtualisées (vBBU) sur des serveurs cloud standard. Ce changement apporte :

1. Évolutivité flexible : Les ressources de traitement s'ajustent dynamiquement selon les schémas de trafic
2. Intégration de l'edge : 67 % des opérateurs déploient des vBBU aux côtés des nœuds de calcul en périphérie multi-accès (MEC) afin de minimiser la latence (Nokia 2023)
3. Défis d'interopérabilité : Atteindre une synchronisation inférieure à 700 μs exige un matériel d'accélération spécialisé, malgré la diversité des fournisseurs

L'évolution du D-RAN vers le C-RAN et le vRAN illustre comment la centralisation et la virtualisation améliorent l'efficacité, l'évolutivité et la rentabilité du réseau.

O-RAN et découpages fonctionnels : redéfinir la collaboration entre BBU et RRU

Normes de l'Alliance O-RAN et exigences d'interfaces ouvertes pour BBU et RRU

L'Alliance O-RAN milite pour des conceptions de réseaux d'accès radio plus ouvertes et compatibles en définissant des méthodes standardisées permettant aux unités de bande de base (BBU) et aux unités radio distantes (RRU) de communiquer entre elles. Cela signifie concrètement que les opérateurs peuvent combiner des équipements provenant de différents fournisseurs au lieu d'être enfermés dans l'écosystème d'un seul fournisseur. L'alliance a défini plusieurs façons de répartir les fonctions entre ces composants, comme l'Option 7.2x. Dans cette configuration, des couches telles que RLC et MAC effectuent leurs tâches au niveau de la BBU, tandis que les tâches de bas niveau liées à la couche physique et le traitement RF sont réalisés au niveau de la RRU. Une étude publiée l'année dernière dans Applied Sciences a montré que cette configuration particulière maintient les délais de fronthaul en dessous de 250 microsecondes, ce qui est assez impressionnant compte tenu de la sensibilité des réseaux sans fil aux problèmes de synchronisation. Bien sûr, il existe également un compromis. Si les normes ouvertes offrent davantage de choix lors de l'achat d'équipements, elles exigent aussi une coordination plus étroite entre tous les composants afin de garantir un fonctionnement harmonieux sans nuire à la performance globale.

Options de découpage fonctionnel (par exemple, découpage 7-2x) dans les architectures O-RAN

Le standard Split 7.2x fonctionne en répartissant les tâches de traitement entre différents composants selon deux approches principales. Avec la catégorie A, la majeure partie du travail est effectuée côté BBU, ce qui simplifie les RRUs mais génère plus de trafic sur la liaison de fronthaul. À l’inverse, la catégorie B déporte ces tâches de traitement directement vers l’unité RRU elle-même. Cette configuration offre de meilleures performances lors du traitement des signaux revenant des utilisateurs, bien qu’elle rende le matériel plus complexe. Selon des rapports récents de l’industrie, environ les deux tiers des opérateurs de réseaux ont opté pour la catégorie B dans leurs déploiements massifs de MIMO afin d’obtenir un meilleur contrôle des interférences de signal. Le monde technologique continue également d’évoluer. Prenons par exemple le projet ULPI de 2023. Ce nouveau développement consiste à réorganiser certaines fonctions d’égalisation au sein de l’architecture système afin d’obtenir des gains de performance encore plus élevés globalement. Ces types d’améliorations sont précisément ceux que mettent en avant les documents récents des groupes de travail O-RAN.

Équilibrer l'interopérabilité et les performances dans les déploiements Open RAN

O-RAN offre un potentiel d'économies à long terme et permet de travailler avec différents fournisseurs, mais il reste difficile d'atteindre des performances équivalentes à celles des systèmes RAN intégrés traditionnels. Le problème provient des différences entre les offres des divers fabricants en matière de capacités d'accélération matérielle et du niveau de maturité réel de leurs logiciels. Cela crée de véritables difficultés pour atteindre des indicateurs clés tels que le débit de données et la consommation d'énergie. Lorsque les entreprises mettent en place des pools centralisés de BBU, elles ont également besoin de connexions extrêmement fiables en amont, ce qui implique de maintenir le jitter en dessous d'environ 100 nanosecondes conformément aux normes du secteur. La plupart des experts recommandent d'adopter une approche progressive, en commençant peut-être par des sites à moindre risque dans les villes, où d'éventuels problèmes n'entraîneraient pas de perturbations majeures. Cette approche permet aux opérateurs de vérifier si tous les composants fonctionnent correctement ensemble et répondent aux attentes avant de généraliser le déploiement sur de plus vastes zones.