Come collaborano in modo efficiente BBU e RRU nelle stazioni base?

Funzioni e responsabilità dell'Unità di banda base (BBU) nell'elaborazione del segnale

Al centro delle moderne stazioni base si trova l'unità di banda base (BBU), che gestisce ogni tipo di elaborazione critica dei segnali. Si pensi alla modulazione e demodulazione, alle funzioni di correzione degli errori, oltre alla gestione dei protocolli attraverso diversi livelli, tra cui PDCP, RLC e RRC. Prima che qualsiasi segnale venga trasmesso via etere, questa unità verifica che tutto sia conforme agli standard 3GPP che regolano le reti LTE e 5G NR. Ciò che rende particolarmente distintive le BBU è la separazione tra le funzioni del piano di controllo e il flusso effettivo dei dati nel sistema. Quando operazioni come la gestione del passaggio da una cella all'altra (handover) avvengono separatamente dal normale flusso dati, si aprono nuove possibilità per un'allocazione più intelligente delle risorse. Le reti possono quindi adattarsi in tempo reale a picchi o cali improvvisi di traffico, mantenendo operazioni fluide anche durante i periodi di massimo utilizzo.

Ruolo dell'unità radio remota (RRU) nella conversione RF e nell'interfacciamento con l'antenna

L'unità radio remota (RRU) è posizionata proprio accanto alle antenne, dove trasforma i segnali in banda base in onde radio effettive, come frequenze a 2,6 GHz o 3,5 GHz. Questo posizionamento aiuta a ridurre le perdite di segnale, che possono essere piuttosto elevate – circa 4 dB ogni 100 metri quando si utilizzano cavi coassiali tradizionali, specialmente in queste fasce di frequenza più alte. Cosa fa esattamente un'RRU? Beh, si occupa di convertire le informazioni digitali in forma analogica per inviare dati in downstream, amplifica i segnali deboli provenienti dai dispositivi in upstream senza aggiungere troppo rumore e opera su diverse bande di frequenza, da 700 MHz fino a 3,8 GHz, attraverso una tecnologia chiamata aggregazione di portanti. Posizionare queste unità vicino alle antenne rende anche le reti più reattive. Test hanno dimostrato che la latenza si riduce di circa il 25% rispetto ai vecchi sistemi che dipendevano da lunghi tratti di cavo tra le posizioni dell'apparecchiatura.

Flusso di lavoro complementare: come BBU e RRU abilitano la trasmissione end-to-end del segnale

BBU e RRU lavorano insieme tramite collegamenti in fibra ottica ad alta velocità utilizzando protocolli CPRI o eCPRI per formare una catena di segnale continua dal processamento digitale alla trasmissione radio.

Questa architettura distribuita centralizza le BBU posizionando le RRU in cima ai tralicci, migliorando l'efficienza spettrale del 32% negli ambienti urbani. La separazione consente aggiornamenti indipendenti ed è particolarmente vantaggiosa nell'evoluzione degli ecosistemi O-RAN.

Connettività Fronthaul basata su fibra: Collegamento tra BBU e RRU con CPRI ed eCPRI

Collegamenti in fibra ottica ad alta velocità nella comunicazione tra BBU e RRU

I cavi in fibra ottica costituiscono la spina dorsale delle odierne reti di fronthaul, consentendo elevate larghezze di banda e latenza minima quando si collegano le BBUs alle RRUs. Questi cavi possono gestire velocità di trasmissione dati superiori a 25 gigabit al secondo, il che significa che trasportano in modo affidabile quei segnali radio digitalizzati senza subire interferenze elettromagnetiche, un aspetto particolarmente importante nelle aree urbane affollate dove molti dispositivi funzionano contemporaneamente. Lo standard CPRI opera insieme alla fibra bidirezionale per mantenere la sincronizzazione tra l'elaborazione del segnale di base nella BBU e il lavoro effettivo in radiofrequenza svolto dalla RRU. Questa sincronizzazione contribuisce a mantenere una buona qualità del segnale lungo tutto il sistema, dal principio alla fine.

CPRI vs. eCPRI: Protocolli per l'efficienza del fronthaul e la gestione della larghezza di banda

Mentre passiamo alle reti 5G, molti operatori hanno iniziato ad adottare quella che viene chiamata enhanced CPRI o eCPRI per brevità. Ciò che rende interessante l'eCPRI è la riduzione dei requisiti di larghezza di banda fino a dieci volte rispetto alle versioni precedenti di CPRI. La CPRI tradizionale funziona diversamente: richiede connessioni in fibra separate per ogni antenna e si basa su operazioni definite Livello 1 (Layer 1). Ma ecco il problema: quando si trattano grandi configurazioni MIMO, sempre più comuni oggi, la CPRI standard non riesce a scalare adeguatamente. È qui che brilla l'eCPRI. Passando a metodi di trasporto basati su Ethernet, consente a molteplici unità radio remote di condividere le risorse attraverso una tecnica chiamata multiplexing statistico. Il risultato? Prestazioni molto migliori in termini di efficienza del fronthaul, senza i costi aggiuntivi legati all'infrastruttura.

Questa evoluzione riduce i costi del fronthaul del 30% e supporta implementazioni scalabili in banda millimetrica.

Considerazioni su latenza, capacità e sincronizzazione nella progettazione del fronthaul

Avere la temporizzazione corretta è molto importante. Se si verifica un errore di sincronizzazione superiore a 50 nanosecondi, ciò compromette il beamforming e tutte le altre funzioni basate sul tempo nelle reti 5G. Per questo motivo, le moderne configurazioni del fronthaul utilizzano elementi come gli standard IEEE 802.1CM TSN per mantenere un corretto flusso dei segnali di controllo attraverso la rete. Per quanto riguarda la gestione del volume dei dati, la maggior parte degli operatori è passata ai trasmettitori da 25G in questi giorni. Questi gestiscono la perdita di segnale intorno a 1,5 dB per chilometro, risultando effettivamente migliori rispetto ai vecchi sistemi da 10G di circa due terzi. Tutti questi aggiornamenti significano che possiamo ancora ottenere tempi di risposta inferiori al millisecondo anche quando le unità baseband devono essere posizionate fino a 20 chilometri di distanza dalle unità radio remote in configurazioni ad architettura centralizzata.

Evoluzione dell'architettura di rete: da D-RAN a C-RAN e vRAN

D-RAN vs. C-RAN: impatto sulla distribuzione delle BBU e delle RRU

Le configurazioni tradizionali di Rete Radio Distribuita o D-RAN prevedono che ogni torre cellulare ospiti la propria Unità di Bandabase (BBU) accanto all'Unità Radio Remota. Sebbene questo mantenga il ritardo del segnale al di sotto di 1 millisecondo, comporta una notevole quantità di apparecchiature duplicate che rimangono inutilizzate per gran parte del tempo, rendendo difficile condividere le risorse tra le diverse torri. Il più recente approccio Centralizzato (C-RAN) riunisce tutte queste BBU in posizioni centrali collegate tramite cavi in fibra ottica alle RRU presenti in diversi siti. Secondo una ricerca settoriale di Dell'Oro pubblicata nel rapporto 2023, questo cambiamento può ridurre i costi operativi dal 17% fino a circa il 25%. Inoltre, gli operatori di rete ottengono la possibilità di spostare la potenza di elaborazione dove è maggiormente necessaria, in base alle variazioni dei modelli di traffico durante la giornata.

Pools centralizzati di BBU nel C-RAN per un migliore condivisione delle risorse ed efficienza

Raggruppando le BBU in strutture centralizzate, gli operatori possono gestire centinaia di RRUs da un'unica posizione. I benefici includono:

• Consolidamento dell'hardware : Un deployment con 24 celle richiede l'83% in meno di chassis BBU rispetto a configurazioni D-RAN equivalenti
• Ottimizzazione Energetica : Il bilanciamento del carico riduce il consumo energetico della stazione base del 35% (studio di caso Ericsson 2022)
• Coordinamento avanzato : Permette tecniche come la coordinazione multipunto (CoMP) per un efficiente beamforming 5G in banda millimetrica

RAN virtualizzata (vRAN): Evoluzione delle funzioni BBU verso elaborazione basata su cloud

la vRAN separa l'elaborazione della banda base dall'hardware proprietario, eseguendo funzioni di BBU virtualizzata (vBBU) su server cloud commerciali standard. Questo passaggio porta a:

1. Scalabilità flessibile : Le risorse di elaborazione si adattano dinamicamente ai modelli di traffico
2. Integrazione Edge : il 67% degli operatori distribuisce vBBU insieme ai nodi Multi-access Edge Computing (MEC) per ridurre al minimo la latenza (Nokia 2023)
3. Sfide relative all'interoperabilità : raggiungere una sincronizzazione inferiore a 700 μs richiede hardware di accelerazione specializzato nonostante la diversità dei fornitori

L'evoluzione da D-RAN a C-RAN e vRAN sottolinea come la centralizzazione e la virtualizzazione migliorino l'efficienza, la scalabilità e la convenienza economica della rete.

O-RAN e suddivisione delle funzioni: ridefinire la collaborazione tra BBU e RRU

Standard dell'O-RAN Alliance e requisiti di interfaccia aperta per BBU e RRU

L'Alleanza O-RAN sta promuovendo progettazioni di reti di accesso radio più aperte e compatibili, definendo modalità standard affinché le unità di banda base (BBU) e le unità radio remote (RRU) possano comunicare tra loro. Ciò significa concretamente che gli operatori possono combinare apparecchiature di fornitori diversi invece di essere vincolati all'ecosistema di un singolo fornitore. L'alleanza ha sviluppato diverse modalità per suddividere le funzioni tra questi componenti, come l'Opzione 7.2x. In questa configurazione, livelli come RLC e MAC svolgono il proprio lavoro nella BBU, mentre attività a livello fisico inferiore ed elaborazione RF avvengono presso l'estremità della RRU. Un recente articolo pubblicato lo scorso anno su Applied Sciences ha rilevato che questa particolare configurazione mantiene i ritardi del fronthaul al di sotto dei 250 microsecondi, risultato notevole considerando la sensibilità delle reti wireless ai problemi di temporizzazione. Naturalmente, esiste anche un compromesso. Sebbene gli standard aperti offrano maggiori opzioni nell'acquisto di apparecchiature, richiedono anche una coordinazione più stretta tra tutte le diverse parti per garantire che tutto funzioni senza intoppi e senza compromettere le prestazioni complessive.

Opzioni di Suddivisione Funzionale (ad es. Suddivisione 7-2x) nelle Architetture O-RAN

Lo standard Split 7.2x funziona suddividendo i compiti di elaborazione tra diversi componenti utilizzando due approcci principali. Nella Categoria A, la maggior parte del lavoro avviene sul lato BBU, rendendo gli RRUs più semplici ma generando un traffico maggiore sulla connessione di fronthaul. Al contrario, la Categoria B sposta questi compiti di elaborazione direttamente all'interno dell'RRU stesso. Questa configurazione offre prestazioni migliori nel gestire i segnali in arrivo dagli utenti, anche se rende l'hardware più complesso. Secondo recenti rapporti del settore, circa i due terzi degli operatori di rete hanno optato per la Categoria B per i loro deployment massivi MIMO, poiché ottengono un controllo molto migliore sull'interferenza del segnale. Anche il mondo della tecnologia continua a evolversi. Si prenda ad esempio il progetto ULPI del 2023. Questo nuovo sviluppo ha ridisposto alcune funzioni di equalizzazione all'interno dell'architettura del sistema per ottenere ulteriori guadagni di prestazioni complessive. Proprio questo tipo di miglioramenti è ciò che i documenti dei gruppi di lavoro O-RAN stanno evidenziando ultimamente.

Bilanciare interoperabilità e prestazioni nei deployment Open RAN

O-RAN offre potenzialmente dei risparmi nel tempo e permette di lavorare con diversi fornitori, ma ottenere prestazioni paragonabili a quelle dei tradizionali sistemi RAN integrati è ancora un compito difficile. Il problema deriva dalle differenze tra quanto offerto da vari produttori in termini di capacità di accelerazione hardware e dal livello di maturità effettivo del loro software. Questo crea notevoli difficoltà quando si cerca di raggiungere parametri importanti come velocità di trasmissione dati e consumo energetico. Quando le aziende configurano pool centralizzati di BBU, hanno bisogno anche di connessioni estremamente affidabili sul front-end, qualcosa che richiede di mantenere il jitter al di sotto di circa 100 nanosecondi secondo gli standard del settore. La maggior parte degli esperti consiglia di procedere con cautela all'inizio, magari partendo da alcune località a basso rischio nelle città, dove eventuali problemi non causerebbero interruzioni significative. Questo approccio permette agli operatori di verificare se tutti i componenti funzionano correttamente insieme e soddisfano le aspettative prima di implementare la soluzione su aree più ampie.