Hoe werken BBU en RRU efficiënt samen in basisstations?

Functies en verantwoordelijkheden van de Baseband Unit (BBU) in signaalverwerking

In het hart van moderne basisstations bevindt zich de Baseband Unit (BBU), die allerlei kritieke signaalverwerkingstaken uitvoert. Denk aan modulatie en demodulatie, foutcorrectie, en het beheren van protocollen op verschillende lagen, waaronder PDCP, RLC en RRC. Voordat iets wordt verzonden via de ether, zorgt deze eenheid ervoor dat alles voldoet aan de 3GPP-standaarden die zowel LTE- als 5G NR-netwerken regelen. Wat BBUs echter echt onderscheidt, is de scheiding tussen functies in het controlevlak en de daadwerkelijke gegevensstromen door het systeem. Wanneer zaken als handoverbeheer losstaan van de reguliere gegevensstroom, ontstaan er mogelijkheden voor slimmere bronallocatie. Netwerken kunnen dan dynamisch inspelen op pieken of dalingen in verkeersvolumes, en zo soepel blijven functioneren, zelfs tijdens piekmomenten.

Rol van de Remote Radio Unit (RRU) bij RF-conversie en antennekoppeling

De Remote Radio Unit (RRU) bevindt zich direct naast de antennes, waar het de basisbandsignalen omzet in echte radiogolven, zoals frequenties van 2,6 GHz of 3,5 GHz. Deze positie helpt signaalverlies te verminderen, wat vrij hoog kan zijn — ongeveer 4 dB per 100 meter bij gebruik van standaard coaxkabels, met name bij deze hogere frequentiebereiken. Wat doet een RRU eigenlijk? Nou, het zorgt voor het omzetten van digitale informatie terug naar analoge vorm om gegevens stroomafwaarts te verzenden, versterkt zwakke signalen die stroomopwaarts van apparaten terugkomen zonder al te veel ruis toe te voegen, en werkt met meerdere frequentiebanden van 700 MHz tot wel 3,8 GHz via een techniek die carrier aggregation wordt genoemd. Het plaatsen van deze units dicht bij de antennes zorgt er ook voor dat netwerken sneller reageren. Tests tonen aan dat de latentie daalt met ongeveer 25% vergeleken met oudere systemen die afhankelijk waren van lange kabels tussen apparatuurlocaties.

Aanvullende werkvloei: Hoe BBU en RRU end-to-end signaaltransmissie mogelijk maken

BBU en RRU werken samen via hoge-snelheids glasvezelverbindingen met behulp van CPRI- of eCPRI-protocollen om een naadloze signaalketen te vormen van digitale verwerking tot transmissie via de lucht.

Deze gedistribueerde architectuur centraliseert BBUs terwijl RRUs op de top van masten worden geplaatst, wat de spectraalefficiëntie met 32% verbetert in stedelijke omgevingen. De scheiding maakt onafhankelijke upgrades mogelijk en is bijzonder voordelig in evoluerende O-RAN-ecosystemen.

Glasvezelgebaseerde Fronthaul-verbinding: Koppeling van BBU en RRU met CPRI en eCPRI

Hoge-snelheids glasvezelverbindingen in BBU-RRU-communicatie

Glasvezelkabels vormen de ruggengraat van hedendaagse fronthaul-netwerken, waardoor hoge bandbreedte en minimale latentie mogelijk zijn bij het verbinden van BBUs met RRUs. Deze kabels kunnen datasnelheden boven de 25 gigabit per seconde aan, wat betekent dat ze die gedigitaliseerde radiosignalen betrouwbaar overbrengen zonder problemen door elektromagnetische interferentie, iets dat vooral belangrijk is in drukke stedelijke gebieden waar veel apparatuur tegelijkertijd actief is. De CPRI-standaard werkt samen met bidirectionele glasvezel om synchronisatie te behouden tussen de basebandverwerking in de BBU en de daadwerkelijke RF-werkzaamheden van de RRU. Deze synchronisatie helpt om gedurende het hele systeem, van begin tot eind, een goede signaalkwaliteit te behouden.

CPRI versus eCPRI: Protocollen voor efficiëntie en bandbreedtebeheer in fronthaul

Naarmate we overstappen op 5G-netwerken, zijn veel operators begonnen met het adopteren van iets dat enhanced CPRI of afgekort eCPRI wordt genoemd. Wat eCPRI interessant maakt, is hoe het de bandbreedte-eisen tot wel tien keer kan verlagen in vergelijking met oudere versies van CPRI. Traditionele CPRI werkt echter anders. Het vereist aparte glasvezelverbindingen voor elke antenne en houdt zich aan zogenaamde Layer 1-operaties. Maar hier ligt het probleem: bij grote MIMO-opstellingen, die tegenwoordig steeds gebruikelijker worden, kan reguliere CPRI niet goed worden geschaald. Daar komt eCPRI goed uit. Door over te stappen op op Ethernet gebaseerde transportmethoden, stelt het meerdere remote radio units in staat om middelen te delen via zogenaamd statistisch multiplexen. Het resultaat? Veel betere prestaties qua fronthaul-efficiëntie zonder al de extra infrastructuurkosten.

Deze evolutie verlaagt de fronthaul-kosten met 30% en ondersteunt schaalbare millimetergolfopstellingen.

Overwegingen rond latentie, capaciteit en synchronisatie in fronthaul-ontwerp

Het juist krijgen van de timing is erg belangrijk. Als er een synchronisatiefout groter dan 50 nanoseconden is, dan verstoort dit beamforming en alle andere tijdgebonden functies in 5G-netwerken. Daarom gebruiken moderne fronthaul-opstellingen dingen zoals de IEEE 802.1CM TSN-standaarden om controle signalen op de juiste manier door het netwerk te laten bewegen. Wat betreft het aanpakken van gegevensvolume, zijn de meeste mensen tegenwoordig overgestapt op 25G-transceivers. Deze verwerken signaalverlies van ongeveer 1,5 dB per kilometer, wat oude 10G-systemen zelfs met ongeveer twee derde overtreft. Al deze upgrades betekenen dat we nog steeds reactietijden onder één milliseconde kunnen behalen, zelfs als basebandeenheden tot wel 20 kilometer van afgelegen radio-eenheden geplaatst moeten worden in centrale architectuuroppstellingen.

Evolutie van netwerkarchitectuur: Van D-RAN naar C-RAN en vRAN

D-RAN versus C-RAN: invloed op BBU-deployment en RRU-distributie

Bij traditionele gedistribueerde RAN- of D-RAN-opstellingen bevindt elke Baseband Unit zich direct naast de Remote Radio Unit in dezelfde mast. Hoewel dit de signaalvertraging onder 1 milliseconde houdt, leidt het tot veel dubbele apparatuur die meestal ongebruikt blijft staan, en maakt het het delen van resources tussen masten erg moeilijk. De nieuwere Centralized RAN-aanpak brengt al deze BBUs samen op centrale locaties die via glasvezelkabels zijn verbonden met de RRUs op verschillende locaties. Volgens sectoronderzoek van Dell'Oro uit hun rapport van 2023 kan deze verandering de operationele kosten verminderen met tussen de 17% en mogelijk bijna 25%. Daarnaast krijgen netwerkaanbieders de mogelijkheid om rekenkracht te verplaatsen naar waar deze het meest nodig is, afhankelijk van veranderende verkeerspatronen gedurende de dag.

Gecentraliseerde BBU-pools in C-RAN voor beter resourcedelen en efficiëntie

Door BBUs samen te voegen in gecentraliseerde faciliteiten, kunnen operators honderden RRUs vanaf één locatie beheren. Voordelen zijn:

• Consolidatie van hardware : Een installatie met 24 cellen vereist 83% minder BBU-chassis dan vergelijkbare D-RAN-opstellingen
• Energieoptimalisatie : Loadbalancering verlaagt het stroomverbruik van basisstations met 35% (case study van Ericsson 2022)
• Geavanceerde coördinatie : Maakt technieken mogelijk zoals gecoördineerd multipunt (CoMP) voor efficiënte 5G millimetergolf beamforming

Virtualized RAN (vRAN): Evolutie van BBU-functies naar cloudgebaseerde verwerking

vRAN ontkoppelt basebandverwerking van proprietare hardware en draait gevirtualiseerde BBU-functies (vBBU) op standaard commerciële cloudservers. Deze verschuiving brengt het volgende met zich mee:

1. Flexibele schaalbaarheid : Verwerkingsresources schalen dynamisch mee met verkeerspatronen
2. Edge-integratie : 67% van de operators implementeert vBBU's naast Multi-access Edge Computing (MEC)-nodes om latentie te minimaliseren (Nokia 2023)
3. Interoperabiliteitsuitdagingen : Het behalen van een synchronisatie onder de 700 μs vereist gespecialiseerde acceleratiehardware, ondanks de diversiteit aan leveranciers

De evolutie van D-RAN naar C-RAN en vRAN benadrukt hoe centralisatie en virtualisatie de netwerkefficiëntie, schaalbaarheid en kosteneffectiviteit verbeteren.

O-RAN en functionele splitsingen: het opnieuw definiëren van BBU-RRU-samenwerking

O-RAN Alliance-standaarden en open interface-eisen voor BBU en RRU

Het O-RAN Alliance bevordert openere en compatibele ontwerpen voor radio-accessnetwerken door standaard manieren vast te stellen waardoor basebandunits (BBU's) en afstandse radiounits (RRU's) met elkaar kunnen communiceren. Dit betekent in de praktijk dat operators apparatuur van verschillende leveranciers kunnen combineren, in plaats van vast te zitten aan het ecosysteem van één leverancier. Het alliance heeft diverse manieren ontwikkeld om functies tussen deze componenten te verdelen, zoals Optie 7.2x. In deze opstelling worden lagen als RLC en MAC verwerkt in de BBU, terwijl lagere fysieke laagtaken en RF-verwerking plaatsvinden aan de kant van de RRU. Een recent artikel dat vorig jaar werd gepubliceerd in Applied Sciences concludeerde dat deze configuratie fronthaul-vertragingen onder de 250 microseconden behoudt, wat indrukwekkend is gezien de gevoeligheid van draadloze netwerken voor tijdsproblemen. Uiteraard is er ook een afweging. Hoewel open standaarden meer keuzemogelijkheden bieden bij de aanschaf van apparatuur, vereisen ze ook nauwere coördinatie tussen alle verschillende onderdelen om te garanderen dat alles soepel samenwerkt zonder de algehele prestaties te beïnvloeden.

Functionele Splitsmogelijkheden (bijv. Splitsing 7-2x) in O-RAN-architecturen

De Split 7.2x-standaard werkt door verwerkingstaken te verdelen over verschillende componenten, gebruikmakend van twee hoofdaanpakken. Bij Categorie A vindt het grootste deel van de verwerking plaats aan de BBU-zijde, wat de RRUs eenvoudiger maakt, maar wel meer verkeer op de front-haulverbinding veroorzaakt. Daarentegen worden bij Categorie B deze verwerkingstaken naar de RRU zelf verplaatst. Deze opzet levert betere prestaties op bij het verwerken van signalen die van gebruikers terugkomen, hoewel dit de hardware complexer maakt. Uit recente sectorrapporten blijkt dat ongeveer twee derde van de netwerkoperatoren heeft gekozen voor Categorie B bij hun massive MIMO-deployments, omdat ze hiermee veel betere controle krijgen over signaalinterferentie. De technologiewereld blijft ook evolueren. Neem bijvoorbeeld het ULPI-project uit 2023. Deze nieuwe ontwikkeling verschuift bepaalde equalisatiefuncties binnen de systeemarchitectuur om nog hogere prestatiegains over de gehele linie te realiseren. Dit soort verbeteringen wordt juist benadrukt in documenten van de O-RAN-werkgroepen.

Balanceren van interoperabiliteit en prestaties bij Open RAN-deployments

O-RAN biedt op termijn weliswaar potentieel voor kostenbesparing en maakt het mogelijk met verschillende leveranciers te werken, maar ervoor zorgen dat het presteert zoals traditionele geïntegreerde RAN-systemen, is nog steeds een uitdaging. Het probleem ligt in de verschillen tussen wat diverse fabrikanten aanbieden op het gebied van hardwareversnelling en hoe rijp hun software daadwerkelijk is. Dit leidt tot serieuze problemen bij het behalen van belangrijke prestatie-indicatoren voor gegevensthroughput en stroomverbruik. Wanneer bedrijven gecentraliseerde BBU-pools opzetten, hebben ze ook uiterst betrouwbare verbindingen nodig aan de front-endzijde, wat inhoudt dat jitter onder de circa 100 nanoseconden moet blijven volgens sectornormen. De meeste experts raden aan om in eerste instantie voorzichtig te beginnen, misschien met enkele locaties met lagere risico's in stedelijke gebieden waar problemen geen grote verstoringen veroorzaken. Deze aanpak stelt exploitanten in staat te testen of alles goed samenwerkt en aan de verwachtingen voldoet, voordat ze grootschalig implementeren.