BBUとRRUは基地局でどのように効率的に連携するのでしょうか？

信号処理におけるベースバンドユニット（BBU）の機能と役割

現代の基地局の中核には、ベースバンドユニット（BBU）があり、変調・復調や誤り訂正処理、PDCP、RLC、RRCなど複数のレイヤーにわたるプロトコル管理といった、さまざまな重要な信号処理を担当しています。無線で送信される前に、このユニットはLTEおよび5G NRネットワークを規定する3GPP規格にすべてが準拠していることを確認します。BBUの特徴的な点は、制御面の機能とシステム内を流れるデータ面の機能を分離していることです。ハンドオーバー管理などの処理が通常のデータフローとは別に処理されることで、より賢いリソース配分が可能になります。これにより、トラフィックが急増または急減した場合でもネットワークがリアルタイムで適応し、ピーク時においても円滑な運用を維持できます。

リモート無線ユニット（RRU）のRF変換およびアンテナインターフェースにおける役割

リモート無線ユニット（RRU）はアンテナのすぐ隣に設置され、ベースバンド信号を2.6GHzや3.5GHzといった実際の電波に変換します。この配置により、特に高周波帯域では同軸ケーブル100メートルあたり約4dBと非常に大きくなる信号損失を低減できます。RRUが実際に行っているのは、下りデータ送信のためデジタル情報をアナログ形式に戻す処理、端末から上ってくる微弱な信号を余分なノイズを加えることなく増幅する処理、そしてキャリアアグリゲーションと呼ばれる技術を通じて700MHzから3.8GHzまでの複数の周波数帯域を同時に扱うことです。これらのユニットをアンテナに近接して設置することでネットワークの応答速度も向上します。テストによると、機器間を長距離ケーブルで接続していた従来のシステムと比較して、遅延が約25%削減されることが示されています。

補完的なワークフロー：BBUとRRUがどのようにエンドツーエンドの信号伝送を実現するか

BBUとRRUはCPRIまたはeCPRIプロトコルを使用して高速ファイバー接続で連携し、デジタル処理から空中伝送までのシームレスな信号チェーンを構成します。

この分散型アーキテクチャは、都市部環境でスペクトル効率を32%向上させるためにBBUを集中化し、RRUを塔の頂上に配置しています。分離により個別のアップグレードが可能になり、O-RANエコシステムの進化において特にメリットがあります。

ファイバーによるフロントホール接続：CPRIおよびeCPRIを用いたBBUとRRUの接続

BBU-RRU通信における高速光ファイバーリンク

光ファイバー ケーブルは、今日のフロントホール ネットワークの基幹を成しており、BBU と RRU を接続する際に高帯域幅と極めて低い遅延を実現します。これらのケーブルは1秒あたり25ギガビットを超えるデータ速度を処理でき、電磁干渉の影響を受けずにデジタル化された無線信号を確実に伝送できます。これは、多くの機器が同時に動作する都市部のような混雑した環境において特に重要です。CPRI規格は双方向性光ファイバーと連携して動作し、BBU内のベースバンド処理とRRUが行う実際のRF処理との間で同期を保ちます。この同期により、システム全体を通じて一貫して良好な信号品質が維持されます。

CPRI 対 eCPRI：フロントホールの効率性と帯域幅管理のためのプロトコル

5Gネットワークへの移行に伴い、多くの事業者がeCPRI（enhanced CPRI）と呼ばれる技術の採用を始めています。eCPRIが注目される理由は、従来のCPRIバージョンと比較して、帯域幅の要件を最大で10分の1にまで削減できることにあります。一方、従来のCPRIは異なります。各アンテナに対して個別の光ファイバー接続が必要であり、いわゆるレイヤー1操作に限定されています。しかし問題は、最近一般的になりつつある大規模MIMO構成を扱う場合、従来のCPRIではスケーラビリティに限界があることです。ここでeCPRIの真価が発揮されます。イーサネットベースの伝送方式に切り替えることで、複数のリモート無線ユニットが統計的多重化と呼ばれる仕組みを通じてリソースを共有できるようになります。その結果、追加のインフラ投資を伴うことなく、フロントホール効率においてはるかに優れたパフォーマンスが実現します。

この進化により、フロントホールのコストが30%削減され、スケーラブルなミリ波帯の展開をサポートします。

フロントホール設計における遅延、容量、および同期に関する考慮事項

タイミングの正確さは非常に重要です。同期誤差が50ナノ秒を超えると、ビームフォーミングや5Gネットワークにおけるその他の時間ベースの機能に支障をきたします。そのため、現代のフロントホール構成では、IEEE 802.1CM TSN規格などの技術を用いて、制御信号がネットワーク内を適切に伝送されるようにしています。データ量の処理に関しては、現在ほとんどの人が25Gトランシーバーに移行しています。これは信号損失を約1.5dB/kmに抑えられ、従来の10Gシステムに比べて約3分の2も性能が上回っています。これらのアップグレードにより、基地局装置（BBU）と遠隔無線ユニット（RRU）の距離が中央アーキテクチャ構成で最大20km離れていても、依然として1ミリ秒未満の応答時間を実現できます。

ネットワークアーキテクチャの進化：D-RANからC-RAN、vRANへ

D-RAN 対 C-RAN：BBU 配置および RRU 分布への影響

従来の分散型RAN（D-RAN）では、各セルタワーにリモート無線ユニット（RRU）の隣に独自のベースバンドユニット（BBU）を設置しています。これにより信号遅延は1ミリ秒以下に抑えられますが、多くの重複設備が大部分の時間使用されないまま放置されることになり、タワー間でのリソース共有も非常に困難になります。新しい集中型RAN（C-RAN）方式では、これらのBBUをすべて集約し、光ファイバーで各地点のRRUと接続された中央の拠点に配置します。Dell'Oroの2023年レポートによる業界調査によると、この変更により運用コストを17％から最大でほぼ25％近くまで削減できる可能性があります。さらに、通信事業者はトラフィックの状況に応じて処理能力を必要な場所に動的に割り当てられるようになります。

C-RANにおける集中型BBUプールによるリソース共有と効率性の向上

集中型施設にBBUをプールすることで、事業者は単一の場所から数百のRRUを管理できるようになります。そのメリットは以下の通りです。

• ハードウェアの集約 ：24セルの展開では、同等のD-RAN構成と比較してBBUシャーシが83%削減されます
• エネルギー最適化 ：負荷分散により基地局の消費電力が35%削減されます（Ericsson、2022年のケーススタディ）
• 高度な協調制御 ：協調的マルチポイント（CoMP）などの技術を可能にし、5Gミリ波帯ビームフォーミングを効率化します

仮想化RAN（vRAN）：クラウドベースの処理へと進化するBBU機能

vRANは、基地帯域処理を専用ハードウェアから分離し、商用市販のクラウドサーバー上で仮想化されたBBU（vBBU）機能を実行します。この変化によってもたらされる利点は次の通りです。

1. 柔軟なスケーリング ：処理リソースはトラフィックのパターンに応じて動的に拡張・縮小できます
2. エッジ統合 ：67%の事業者がvBBUをマルチアクセスエッジコンピューティング（MEC）ノードと併設して導入し、遅延を最小限に抑えている（ノキア、2023年）
3. 相互運用性の課題 ：ベンダーの多様性がある中でも、700μs未満の同期を実現するには、特別なアクセラレーションハードウェアが必要となる

D-RANからC-RAN、vRANへの進化は、集中化と仮想化がネットワークの効率性、スケーラビリティ、コスト効率をいかに向上させるかを示している。

O-RANと機能分割：BBU-RRU連携の再定義

O-RANアライアンスの標準およびBBUとRRU向けオープンインターフェース要件

O-RANアライアンスは、基地局装置（BBU）とリモート無線ユニット（RRU）が互いに通信するための標準的な方法を定めることにより、よりオープンで互換性のある無線アクセスネットワーク設計を推進しています。これによって実現されるのは、事業者が特定のサプライヤーのエコシステムに縛られることなく、異なるベンダーの機器を組み合わせて使用できることです。このアライアンスは、これらの構成要素間での機能分割に関するさまざまな方式（例：Option 7.2x）を策定してきました。この構成では、RLCおよびMAC層の処理はBBU側で行われる一方、物理層の下位レベルのタスクやRF処理はRRU側で実行されます。昨年『Applied Sciences』に発表された論文によると、この特定の構成ではフロントホール遅延を250マイクロ秒以下に抑えることができ、ワイヤレスネットワークがタイミング問題に対して非常に敏感であることを考えれば、これは非常に優れた成果です。もちろん、ここにはトレードオフも存在します。オープンな規格により機器調達の選択肢が広がる一方で、全体のパフォーマンスを損なうことなく円滑に動作させるために、さまざまな部品間でのより緊密な調整が求められるようになります。

O-RANアーキテクチャにおける機能分割オプション（例：7-2x分割）

Split 7.2x標準は、2つの主要なアプローチを使用して、異なるコンポーネント間で処理タスクを分割することによって動作します。カテゴリAでは、大部分の処理がBBU側で行われるため、RRUはシンプルになりますが、フロントホール接続上のトラフィックが増加します。一方、カテゴリBでは、これらの処理タスクをRRU自体に押し下げます。この構成により、ユーザーから帰ってくる信号の処理性能が向上しますが、その分ハードウェアが複雑になります。最近の業界レポートによると、大規模MIMO展開において約3分の2のネットワーク事業者がカテゴリBを採用しているのは、信号干渉に対してはるかに優れた制御が可能になるためです。技術の進化は続いています。2023年のULPIプロジェクトを例に挙げてみましょう。この新しい開発では、システムアーキテクチャ内で特定の等化機能を再配置することで、全体的なパフォーマンス向上をさらに追求しています。このような改善こそが、O-RANワーキンググループの文書で最近強調されている内容です。

Open RAN展開における相互運用性とパフォーマンスのバランス調整

O-RANは長期的にコスト削減の可能性をもたらし、複数のベンダーと連携できる利点がありますが、従来の統合型RANシステムと同等の性能を実現するのは依然として困難です。問題は、さまざまなメーカーが提供するハードウェアアクセラレーション機能やソフトウェアの成熟度に差があることに起因します。これにより、データスループットや消費電力といった重要な指標を達成しようとする際に、実際に頭痛の種となっています。企業が集中型BBUプールを構築する際には、フロントエンドにも極めて信頼性の高い接続が必要であり、業界標準ではジッターを約100ナノ秒以下に抑えることが求められます。多くの専門家は、まずは都市部のリスクが比較的低いエリアから段階的に導入を始めるよう勧めています。このアプローチにより、事業者は大規模な展開を行う前に、すべての機器が正しく連携し、期待される性能を満たしているかどうかを検証できます。