Hogyan működik hatékonyan a BBU és az RRU együttműködése az alállomásokban?

Alap sávú egység (BBU) funkciói és felelősségei a jelfeldolgozásban

A modern alállomások szívében az alapsávú egység (BBU) található, amely a kritikus jelfeldolgozási feladatokat végzi. Gondoljunk modulációra és demodulációra, hibajavításra, valamint a különböző rétegek protokolljainak kezelésére, beleértve a PDCP-t, RLC-t és az RRC-t is. Mielőtt bármi a levegőbe kerülne, ez az egység biztosítja, hogy minden megfeleljen az LTE és az 5G NR hálózatokat szabályozó 3GPP szabványoknak. A BBU-k igazi különlegessége azonban az irányítósík-funkciók és az adatforgalom szétválasztása. Amikor például a kézfogás-kezelés külön történik a normál adatfolyamtól, az lehetővé teszi az intelligensebb erőforrás-felhasználást. A hálózatok így akkor is képesek dinamikusan alkalmazkodni, ha a forgalom váratlanul megnő vagy csökken, és így is zavartalanul működhetnek még csúcsidőszakban is.

Távoli rádiómodul (RRU) szerepe az RF konverzióban és az antenna interfészeken

A távoli rádiómodul (RRU) közvetlenül az antenna mellett helyezkedik el, ahol átalakítja a bázisjelzéseket tényleges rádióhullámmá, például 2,6 GHz vagy 3,5 GHz-es frekvenciákká. Ez a pozicionálás csökkenti a jelveszteséget, ami elég jelentős lehet – körülbelül 4 dB minden 100 méteren koaxkábel használata esetén, különösen ezen a magasabb frekvenciatartományban. Mit is csinál tulajdonképpen egy RRU? Digitális információk visszaalakítását végzi analóg formává a lefelé irányuló adatküldéshez, erősíti a visszajövő gyenge jeleket anélkül, hogy túl sok zajt adna hozzájuk, és több frekvenciasávon is működik 700 MHz-től egészen 3,8 GHz-ig valami olyan technológián keresztül, amit vivőfrekvencia-aggregációnak neveznek. Ezeknek az egységeknek az antenna közelébe helyezése javítja a hálózat válaszidejét is. Tesztek szerint a késleltetés körülbelül 25%-kal csökken azokhoz a régebbi rendszerekhez képest, amelyek hosszú kábelszakaszokon alapultak a berendezések között.

Kiegészítő munkafolyamat: Hogyan teszik lehetővé a BBU és az RRU a végpontok közötti jelátvitelt

A BBU és az RRU közös működést valósít meg nagysebességű optikai kábeles kapcsolaton keresztül CPRI vagy eCPRI protokollok használatával, így biztosítva a zökkenőmentes jelképzési láncot a digitális feldolgozástól a levegőn történő adásig.

Ez az elosztott architektúra a BBUs egységeket központosítja, míg az RRUs egységek a toronytetőre kerülnek, javítva ezzel a spektrális hatékonyságot városi környezetben 32%-kal. Az elkülönítés lehetővé teszi a független fejlesztéseket, és különösen előnyös az O-RAN ökoszisztémák fejlődése során.

Optikai szál alapú előtér-kapcsolat: A BBU és az RRU összekapcsolása CPRI és eCPRI segítségével

Nagysebességű optikai szálas kapcsolatok a BBU-RRU kommunikációban

Az optikai kábelek alkotják a mai fronthaul hálózatok gerincét, lehetővé téve a nagy sávszélességet és minimális késleltetést a BBUs egységek és az RRUs egységek összekapcsolásakor. Ezek a kábelek képesek olyan adatátviteli sebességek kezelésére, amelyek meghaladják a 25 gigabit/másodpercet, így megbízhatóan továbbítják a digitális rádiójelzéseket elektromágneses zavarok nélkül – ami különösen fontos zsúfolt városi területeken, ahol egyszerre sok berendezés működik. A CPRI szabvány a kétirányú optikai kábelekkel együttműködve biztosítja a szinkronizációt a BBU-ban zajló alapsávi feldolgozás és az RRU által végzett tényleges RF-munka között. Ez a szinkronizáció segít fenntartani a jó jelminőséget az egész rendszeren keresztül, az elejétől a végéig.

CPRI vs. eCPRI: Protokollok a fronthaul hatékonyságához és sávszélesség-kezeléshez

Ahogy az 5G hálózatok felé haladunk, sok szolgáltató már elkezdte alkalmazni az úgynevezett fejlett CPRI-t, rövidítve eCPRI-t. Az eCPRI érdekessége abban rejlik, hogy akár tízszeresére is csökkentheti a sávszélesség-igényt a korábbi CPRI-verziókhoz képest. A hagyományos CPRI ugyanakkor másképp működik: külön száloptikás csatlakozásra van szüksége minden antennánál, és a Layer 1 műveletekre korlátozódik. Ám itt van a probléma: amikor ezekkel a nagy MIMO-rendszerekkel kell dolgozni, amelyek manapság egyre gyakoribbak, a hagyományos CPRI egyszerűen nem skálázható megfelelően. Itt jön képbe az eCPRI. Az Ethernet-alapú átviteli módszerekre váltva lehetővé teszi, hogy több távoli rádiómodul megossza az erőforrásokat valami olyan mechanizmuson keresztül, amit statisztikai multiplexelésnek nevezünk. Az eredmény? Jelentősen javult teljesítmény a fronthaul-hatékonyság tekintetében, mindezt a plusz infrastrukturális költségek nélkül.

Ez az fejlődés 30%-kal csökkenti a fronthaul költségeket, és támogatja a méretezhető milliméterhullámú telepítéseket.

Késleltetés, kapacitás és szinkronizáció figyelembevétele a fronthaul tervezésénél

Nagyon fontos, hogy a pontos időzítés legyen biztosítva. Ha az időszinkronizációs hiba nagyobb, mint 50 nanomásodperc, az tönkreteszi a beamformingot és az összes többi időalapú funkciót az 5G hálózatokban. Ezért a modern fronthaul rendszerek olyan megoldásokat használnak, mint az IEEE 802.1CM TSN szabvány, amelyek biztosítják a vezérlőjelek megfelelő áthaladását a hálózaton. A forgalom kezelése terén a legtöbben mára áttértek a 25G-s adó-vevőkre. Ezek kb. 1,5 dB veszteséggel dolgoznak kilométerenként, ami körülbelül kétharmaddal jobb, mint a régi 10G rendszerek. Mindezek a fejlesztések annak köszönhetően lehetővé teszik, hogy akár 20 kilométerre is el lehessen helyezni a bázisállomás egységeket (BBU) a távoli rádióegységektől (RRU) a központosított architektúrában, miközben továbbra is alig egy millimásodperces válaszidőt tudunk biztosítani.

Hálózati architektúra fejlődése: D-RAN-ról C-RAN-ra és vRAN-re

D-RAN kontra C-RAN: hatás a BBU telepítésére és az RRU elosztására

A hagyományos elosztott RAN vagy D-RAN rendszereknél minden cellaárboc saját Baseband Unitot (BBU) tartalmaz, amely közvetlenül az RRU mellett helyezkedik el. Bár ez azonnali, 1 milliomod másodpercnél kisebb késleltetést biztosít, sokszorosan megismételt felszerelést eredményez, amely jelentős részben kihasználatlanul áll, és nehezíti az erőforrások megosztását az árbócok között. Az újabb Centralizált RAN (C-RAN) megközelítés a BBUs egységeket egy központi helyen csoportosítja, amelyek optikai szálakkal kapcsolódnak a különböző helyszíneken található RRUs egységekhez. A Dell'Oro 2023-as iparági kutatása szerint ez a változás akár 17%-kal, sőt akár közel 25%-kal is csökkentheti az üzemeltetési költségeket. Emellett a hálózati szolgáltatók lehetőséget kapnak arra, hogy a feldolgozókapacitást a napi forgalmi minták változásának megfelelően oda irányítsák, ahol éppen a legnagyobb szükség van rá.

Centralizált BBU-készletek a C-RAN-ban a jobb erőforrás-megosztás és hatékonyság érdekében

A BBUsz-elemek központosított létesítményekben történő egyesítésével a szolgáltatók több száz RRU-t kezelhetnek egyetlen helyről. A előnyök közé tartoznak:

• Hardver-konszolidáció : Egy 24 cellás telepítés 83%-kal kevesebb BBU-chasszist igényel, mint az ekvivalens D-RAN felépítés
• Energiaoptimalizálás : A terheléselosztás 35%-kal csökkenti az adó-vevő állomások energiafogyasztását (Ericsson esettanulmány, 2022)
• Haladó koordináció : Lehetővé teszi olyan technikák alkalmazását, mint a koordinált többpontos (CoMP) hatékony 5G milliméterhullámú sugárformálás érdekében

Virtualizált RAN (vRAN): A BBU funkciók fejlődése felhőalapú feldolgozássá

a vRAN elválasztja a bázisfrekvenciás feldolgozást a tulajdonosi hardvertől, és virtuális BBU (vBBU) funkciókat futtathat kereskedelmi célra készült felhőszervereken. Ez a változás lehetővé teszi:

1. Rugalmas skálázás : A feldolgozóerőforrások dinamikusan skálázódnak a forgalmi minták szerint
2. Edge integráció : A működtetők 67%-a vBBU-kat telepít Multi-access Edge Computing (MEC) csomópontok mellett a késleltetés minimalizálása érdekében (Nokia 2023)
3. Interoperabilitási kihívások : Az al-700 μs szinkronizálás elérése specializált gyorsító hardvert igényel, még akkor is, ha eltérő gyártók termékei kerülnek beépítésre

A D-RAN-tól a C-RAN-on át a vRAN-ig történő fejlődés bemutatja, hogyan javítja a központosítás és virtualizáció a hálózati hatékonyságot, skálázhatóságot és költséghatékonyságot.

O-RAN és funkcionális felosztások: Újradefiniálva a BBU-RRU együttműködést

O-RAN Alliance szabványok és nyílt interfész követelmények BBU és RRU számára

Az O-RAN Alliance törekszik a nyílt és kompatibilis rádió-hozzáférési hálózati tervek előmozdítására olyan szabványos módok meghatározásával, amelyek lehetővé teszik az alapállomás egységek (BBU) és a távoli rádióegységek (RRU) közötti kommunikációt. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a szolgáltatók különböző gyártóktól származó berendezéseket kombinálhatnak, ahelyett hogy egyetlen szállító ökoszisztémájába záródnának be. Az alliance különféle módszereket dolgozott ki ezen komponensek közötti funkcionális felosztásra, például az Option 7.2x-et. Ebben a konfigurációban az RLC és MAC rétegek feladatait az BBU végzi, míg az alsóbb szintű fizikai réteg feladatai és az RF-feldolgozás az RRU oldalán történik. Egy tavaly megjelent tanulmány az Applied Sciences folyóiratban kimutatta, hogy ez a konkrét beállítás a fronthaul késleltetést 250 mikromásodperc alatt tartja, ami elég lenyűgöző tekintve, milyen érzékenyek a vezeték nélküli hálózatok az időzítési problémákra. Természetesen itt is van kompromisszum. Bár a nyílt szabványok több lehetőséget kínálnak a berendezések beszerzésekor, ugyanakkor szigorúbb koordinációt igényelnek az összes különböző alkatrész között annak érdekében, hogy minden zökkenőmentesen működjön együtt anélkül, hogy az általános teljesítmény szenvedne.

Funkcionális felosztási lehetőségek (pl. 7-2x felosztás) O-RAN architektúrákban

A Split 7.2x szabvány különböző komponensek között osztja el a feldolgozási feladatokat, két fő megközelítést használva. Az A kategória esetében a munka nagy része a BBU oldalon történik, ami egyszerűbbé teszi az RRU-kat, de több forgalmat generál a front haul kapcsolaton. Másrészt viszont a B kategória ezeket a feldolgozási feladatokat magába az RRU-ba tolja. Ez a beállítás jobb teljesítményt nyújt a felhasználóktól érkező jelek kezelésekor, bár ennek ára az, hogy a hardver bonyolultabbá válik. A legfrissebb iparági jelentések szerint a hálózatüzemeltetők körülbelül kétharmada a B kategóriát választotta a masszív MIMO telepítésekhez, mivel így sokkal jobb kontrollt gyakorolhatnak a jelzavarral szemben. A technológiai világ tovább fejlődik. Vegyük például a 2023-as ULPI projektet. Ez az új fejlesztés bizonyos equalizációs funkciókat mozgat át a rendszerarchitektúrán belül, hogy még nagyobb teljesítményjavulást érjen el minden területen. Pont ilyen típusú fejlesztésekre hívták fel a figyelmet mostanában az O-RAN munkacsoportok dokumentumai.

Az interoperabilitás és a teljesítmény kiegyensúlyozása az Open RAN telepítésekben

Az O-RAN hosszú távon pénzmegtakarítási lehetőséget jelent, és lehetővé teszi különböző gyártók termékeinek használatát, de a hagyományos integrált RAN-rendszerek teljesítményének elérése még mindig nehéz feladat. A probléma az egyes gyártók által kínált hardveres gyorsítási képességek közötti különbségekben és szoftvereik tényleges érettségében rejlik. Ez komoly fejfájást okozhat, amikor fontos mutatókat, például az adatátviteli sebességet és az energiafogyasztást kell elérni. Amikor a vállalatok központosított BBU-készleteket állítanak fel, a front-end kapcsolatoknak is rendkívül megbízhatóknak kell lenniük, ami azt követeli meg, hogy a jitter az ipari szabványok szerint kb. 100 nanoszekundum alatt maradjon. A legtöbb szakértő első lépésként óvatos megközelítést javasol, esetleg néhány alacsonyabb kockázatú városi helyszín kiválasztását, ahol a problémák nem okoznának súlyos zavarokat. Ez a módszer lehetővé teszi a szolgáltatók számára, hogy kipróbálhassák, minden megfelelően együttműködik-e és eleget tesz-e az elvárásoknak, mielőtt nagyobb területeken teljes mértékben bevezetnék.