Kako BBU i RRU učinkovito surađuju u baznim stanicama?

Funkcije i odgovornosti jedinice za obradu baze (BBU) u obradi signala

U srcu modernih baznih stanica nalazi se jedinica za obradu baza (BBU), koja obavlja sve vrste kritičnih zadataka obrade signala. Uključuju modulaciju i demodulaciju, ispravljanje pogrešaka, te upravljanje protokolima na različitim slojevima uključujući PDCP, RLC i RRC. Prije nego što se bilo što prenese putem radijskih valova, ova jedinica osigurava da sve odgovara standardima 3GPP koji reguliraju LTE i 5G NR mreže. Ono što zaista ističe BBU-ove je njihovo odvajanje funkcija kontrolne ravnine od stvarnog toka podataka kroz sustav. Kada se procesi poput upravljanja prijenosom odvijaju odvojeno od redovnog toka podataka, otvaraju se mogućnosti za pametniju alokaciju resursa. Mreže se tako mogu prilagođavati u letu kada dođe do iznenadnog porasta ili pada prometa, osiguravajući neprekinut rad čak i tijekom vršnog opterećenja.

Uloga udaljene radio jedinice (RRU) u RF konverziji i sučelju s antenom

Jedinica udaljenog radioprijamnika (RRU) nalazi se točno pored antena gdje pretvara osnovne signale u stvarne radiovalove poput frekvencija 2,6 GHz ili 3,5 GHz. Ovakav položaj pomaže u smanjenju gubitka signala koji može biti prilično velik — oko 4 dB na svakih 100 metara pri korištenju uobičajenih koaksijalnih kabela, posebno u ovim višim rasponima frekvencija. Što RRU zapravo radi? Pa, ona obavlja pretvorbu digitalnih informacija natrag u analogni oblik za slanje podataka nizvodno, pojačava slabe signale koji dolaze od uređaja bez dodavanja prevelike razine šuma i radi s više frekvencijskih traka od 700 MHz sve do 3,8 GHz putem tehnologije poznate kao agregacija nositelja. Postavljanje ovih jedinica blizu antena također povećava brzinu reakcije mreže. Ispitivanja pokazuju da kašnjenje opada za oko 25% u usporedbi sa starijim sustavima koji su ovisili o dugim kabelskim spojevima između lokacija opreme.

Komplementarni tijek rada: Kako BBU i RRU omogućuju end-to-end prijenos signala

BBU i RRU rade zajedno putem visokobrzinskih optičkih veza koristeći CPRI ili eCPRI protokole kako bi formirali besprijekorni signalni lanac od digitalne obrade do prijenosa u zrak.

Ova distribuirana arhitektura centralizira BBU-ove dok RRU-ove postavlja na vrhove tornjeva, poboljšavajući spektralnu učinkovitost za 32% u urbanim sredinama. Odvajanje omogućuje nezavisne nadogradnje i posebno je korisno u razvoju O-RAN ekosustava.

Vezivanje na bazi optičkih kabela: Povezivanje BBU-a i RRU-a s CPRI i eCPRI

Visokobrzinski optički spojevi u komunikaciji između BBU-a i RRU-a

Optički kabeli čine temelj današnjih mreža za prijenos podataka, omogućujući veliku propusnost i minimalnu latenciju prilikom povezivanja BBUs s RRUs. Ovi kabeli mogu prenositi podatke brzinama većim od 25 gigabita u sekundi, što znači da pouzdano prenose digitalizirane radijsignale bez smetnji elektromagnetskog interferencije – što je iznimno važno u guštvarenim gradskim područjima gdje istovremeno radi puno opreme. CPRI standard surađuje s dvosmjernim optičkim kabelom kako bi osigurao sinkronizaciju između obrade baznog pojasa u BBU-u i stvarnog RF rada koji obavlja RRU. Ova sinkronizacija pomaže u održavanju visoke kvalitete signala kroz cijeli sustav od početka do kraja.

CPRI nasuprot eCPRI: Protokoli za učinkovitost prijenosa podataka i upravljanje propusnošću

Dok prelazimo na 5G mreže, mnogi operateri su počeli usvajati ono što se naziva poboljšani CPRI ili kraće eCPRI. Ono što čini eCPRI zanimljivim je kako smanjuje zahtjeve za propusnim opsegom čak i deset puta u odnosu na starije verzije CPRI-ja. Tradicionalni CPRI ipak funkcionira drugačije. Zahtijeva odvojene vlaknaste veze za svaki antenu i drži se onoga što se naziva operacije Sloja 1. Ali evo problema: kada se radi s velikim MIMO konfiguracijama koje su postale toliko uobičajene danas, redovan CPRI jednostavno ne može pravilno skalirati. Upravo tu eCPRI sjaja. Prebacivanjem na prijenosne metode temeljene na Ethernetu, omogućuje više udaljenih radio jedinica da dijele resurse putem nečega što se naziva statističko multipleksiranje. Rezultat? Mnogo bolje performanse u smislu učinkovitosti fronthaula bez svih dodatnih troškova infrastrukture.

Ova evolucija smanjuje troškove fronthaula za 30% i podržava skalabilne implementacije milimetarskih valova.

Razmatranja kašnjenja, kapaciteta i sinkronizacije u projektiranju fronthaula

Točno vrijeme je vrlo važno. Ako postoji greška u sinkronizaciji veća od 50 nanosekundi, poremeti se beamforming i sve ostale funkcije temeljene na vremenu u 5G mrežama. Zbog toga su moderne fronthaul konfiguracije počele koristiti stvari poput IEEE 802.1CM TSN standarda kako bi kontrolni signali ispravno prolazili kroz mrežu. Kada je riječ o obradi količine podataka, većina korisnika danas prelazi na 25G prijenosnike. Oni gube signal oko 1,5 dB po kilometru, što zapravo nadmašuje stare 10G sustave za otprilike dvije trećine. Sve te nadogradnje znače da i dalje možemo postići vremena odziva ispod milisekunde, čak i ako jedinice osnovnog pojasa moraju biti smještene do 20 kilometara daleko od udaljenih radio jedinica u centraliziranim arhitektonskim postavkama.

Evolucija mrežne arhitekture: Od D-RAN-a do C-RAN-a i vRAN-a

D-RAN nasuprot C-RAN: Utjecaj na implementaciju BBU-a i distribuciju RRU-a

Kod tradicionalnih distribuiranih RAN mreža (D-RAN) svaki stupac nosi svoj vlastiti jedinicu za obradu baza (BBU) smještenu odmah pored udaljene radio jedinice (RRU). Iako ovo zadržava kašnjenje signala ispod 1 milisekunde, rezultira time da velika količina opreme stoji neiskorištena većinu vremena te otežava dijeljenje resursa između različitih tornjeva. Noviji pristup centraliziranog RAN-a (C-RAN) podrazumijeva grupiranje svih tih BBU jedinica u centraliziranim lokacijama koje su povezane s RRU-ovima na različitim lokacijama putem optičkih kablova. Prema istraživanju sektora objavljenom od strane Dell'Oroa u izvješću iz 2023. godine, ovakva promjena može smanjiti operativne troškove između 17% i čak približno 25%. Osim toga, operateri mreže dobivaju mogućnost premještanja računskih kapaciteta tamo gdje su najpotrebniji kako se uzorci prometa mijenjaju tijekom dana.

Centralizirane grupe BBU-a u C-RAN-u radi poboljšanog dijeljenja resursa i veće učinkovitosti

Grupiranjem BBUs u centraliziranim objektima, operateri mogu upravljati stotinama RRUs-a s jednog mjesta. Prednosti uključuju:

• Konsolidacija hardvera : Implementacija za 24 stanice zahtijeva 83% manje BBU šasija u odnosu na ekvivalentne D-RAN konfiguracije
• Optimizacija energije : Balansiranje opterećenja smanjuje potrošnju energije bazne stanice za 35% (studija slučaja Ericsson, 2022.)
• Napredna koordinacija : Omogućuje tehnike poput koordiniranog višetočkastog prijenosa (CoMP) za učinkovito oblikovanje zrake 5G milimetarskog vala

Virtualizirana RAN (vRAN): Razvoj BBU funkcija u obradi zasnovanoj na cloudu

vRAN odvaja obradu signala u osnovnom opsegu od vlasničkog hardvera, pokretanjem virtualiziranih BBU (vBBU) funkcija na komercijalnim poslužiteljima opće namjene. Ovaj pomak donosi:

1. Fleksibilno skaliranje : Resursi za obradu dinamički se prilagođavaju uzorku prometa
2. Integracija ruba mreže : 67% operatera implementira vBBU-ove uz čvorove računanja na rubu mreže s višestrukim pristupom (MEC) kako bi smanjili latenciju (Nokia 2023)
3. Izazovi interoperabilnosti : Postizanje sinkronizacije ispod 700 μs zahtijeva specijaliziranu hardversku akceleraciju, unatoč raznolikosti dobavljača

Evolucija od D-RAN-a do C-RAN-a i vRAN-a ističe kako centralizacija i virtualizacija poboljšavaju učinkovitost, skalabilnost i troškovnu učinkovitost mreže.

O-RAN i funkcionalni splitovi: Ponovno definiranje suradnje između BBU-a i RRU-a

Standardi Saveza O-RAN i zahtjevi za otvorenim sučeljima za BBU i RRU

Savez O-RAN promiče otvorenije i kompatibilnije dizajne radio pristupnih mreža tako što utvrđuje standardne načine komunikacije između jedinica za obradu baze (BBU) i udaljenih radio jedinica (RRU). To zapravo znači da operateri mogu kombinirati opremu različitih dobavljača umjesto da su vezani uz ekosustav jednog jedinog dobavljača. Savez je razradio različite načine podjele funkcija između ovih komponenti, kao npr. opciju 7.2x. U takvoj konfiguraciji slojevi poput RLC i MAC obavljaju svoj posao u BBU-u, dok se niže zadatke fizičkog sloja i RF obrada odvijaju na strani RRU-a. Nedavni rad objavljen prošle godine u časopisu Applied Sciences pokazao je da ova konfiguracija zadržava kašnjenje na vezi do 250 mikrosekundi, što je prilično impresivno s obzirom na to koliko su bežične mreže osjetljive na vremenska pitanja. Naravno, postoji i kompromis. Iako otvoreni standardi nude više mogućnosti pri kupnji opreme, oni istovremeno zahtijevaju bolju koordinaciju svih različitih dijelova kako bi se osiguralo glatko funkcioniranje bez gubitka ukupne performanse.

Mogućnosti funkcionalnog dijeljenja (npr. Dijeljenje 7-2x) u O-RAN arhitekturama

Split 7.2x standard funkcioniše tako da raspodjeljuje procesne zadatke između različitih komponenti koristeći dva glavna pristupa. Kod kategorije A, većina posla se obavlja na strani BBU-a, što čini RRU-ove jednostavnijima, ali stvara više prometa na spoju za prenos naprijed. S druge strane, kategorija B premješta te procesne zadatke direktno na RRU. Ova konfiguracija osigurava bolje performanse pri obradi signala koji dolaze od korisnika, iako čini opremu složenijom. Prema nedavnim industrijskim izvještajima, otprilike dvije trećine operatera mreža odabralo je kategoriju B za svoje massive MIMO implementacije jer im omogućuje znatno bolju kontrolu nad smetnjama signala. Tehnologija se nastavlja razvijati. Uzmimo primjer projekta ULPI iz 2023. godine. Ovaj novi razvoj premješta određene funkcije ekvalizacije unutar arhitekture sustava kako bi se postigle još veće performanse u svim aspektima. Upravo su ovakve poboljšanja ono što dokumenti radnih grupa O-RAN-a ističu posljednjih dana.

Izravnoteženje interoperabilnosti i performansi u implementacijama otvorenih RAN mreža

O-RAN donosi potencijal za uštedu novca tijekom vremena i omogućuje suradnju s različitim dobavljačima, ali postizanje istih performansi kao kod tradicionalnih integriranih RAN sustava još uvijek je težak zadatak. Problem se svodi na razlike između onoga što različiti proizvođači nude u pogledu mogućnosti hardverske akceleracije i zrelosti njihovog softvera. To stvara prave glavobolje pri pokušaju postizanja važnih metrika u pogledu propusnosti podataka i potrošnje energije. Kada tvrtke postavljaju centralizirane BBU bazene, potrebne su im iznimno pouzdane veze i na prednjem dijelu, što zahtijeva održavanje džitera ispod otprilike 100 nanosekundi prema industrijskim standardima. Većina stručnjaka preporučuje da se na početku ide polako, možda započevši s nekim lokacijama nižeg rizika u gradovima gdje problemi neće uzrokovati velike poremećaje. Ovaj pristup omogućuje operaterima da testiraju funkcionira li sve skupa pravilno i zadovoljava li očekivanja prije nego što se potpuno angažiraju na većim područjima.