EN
Funkcje i obowiązki jednostki bazowej (BBU) w przetwarzaniu sygnałów
W sercu współczesnych stacji bazowych znajduje się jednostka bazowa (BBU), która wykonuje różnorodne krytyczne zadania przetwarzania sygnałów. Chodzi o modulację i demodulację, korekcję błędów oraz zarządzanie protokołami na różnych warstwach, w tym PDCP, RLC i RRC. Zanim cokolwiek zostanie wysłane przez fale radiowe, jednostka ta zapewnia zgodność ze standardami 3GPP regulującymi sieci LTE i 5G NR. To właśnie oddzielenie funkcji płaszczyzny sterowania od przepływu danych czyni BBUs wyjątkowymi. Gdy takie operacje jak zarządzanie przejściem między stacjami bazowymi są wykonywane oddzielnie od zwykłego przepływu danych, pojawiają się nowe możliwości inteligentnego przydzielania zasobów. Sieci mogą wtedy dynamicznie dostosowywać się do nagłych wzrostów lub spadków ruchu, zapewniając płynne działanie nawet w okresach szczytowego obciążenia.
Rola jednostki zdalnego nadajnika (RRU) w konwersji RF i interfejsowaniu z anteną
Jednostka radiowa zdalna (RRU) znajduje się tuż obok anten, gdzie przekształca sygnały podstawowe na faktyczne fale radiowe, takie jak częstotliwości 2,6 GHz lub 3,5 GHz. Taka lokalizacja pomaga zmniejszyć straty sygnału, które mogą być dość duże – około 4 dB na każde 100 metrów przy użyciu zwykłych kabli koncentrycznych, szczególnie w wyższych zakresach częstotliwości. Co dokładnie robi RRU? Otóż zajmuje się konwersją informacji cyfrowej z powrotem na postać analogową w celu przesyłania danych w dół, wzmacnia słabych sygnałów docierających z urządzeń bez dodawania zbyt dużego szumu oraz współpracuje z wieloma pasmami częstotliwości od 700 MHz aż do 3,8 GHz poprzez tzw. agregację nośnych. Umieszczenie tych jednostek blisko anten skraca również opóźnienia sieci. Testy pokazują, że opóźnienie spada o około 25% w porównaniu ze starszymi systemami, które polegały na długich odcinkach kabla łączących miejsca wyposażenia.
Komplementarny proces: Jak BBU i RRU umożliwiają kompletną transmisję sygnału
BBU i RRU współpracują za pośrednictwem szybkich łączy światłowodowych przy użyciu protokołów CPRI lub eCPRI, tworząc ciągły łańcuch sygnałowy od przetwarzania cyfrowego do transmisji radiowej.
| Komponent | Obowiązki | Wymóg przepustowości |
|---|---|---|
| BBU | Przetwarzanie w paśmie podstawowym, alokacja zasobów | 10–20 Gbps na komórkę |
| RRU | Transmisja RF, ograniczanie interferencji | próg opóźnienia <1 ms |
Ta architektura rozproszona scentralizowuje BBU, umieszczając RRU na szczycie wieży, co poprawia efektywność widmową o 32% w środowiskach miejskich. Rozdzielenie umożliwia niezależne aktualizacje i jest szczególnie korzystne w rozwijających się ekosystemach O-RAN.
Łączność międzymaszynowa oparta na światłowodzie: Łączenie BBU i RRU za pomocą CPRI i eCPRI
Szybkie łącza światłowodowe w komunikacji BBU-RRU
Kable światłowodowe stanowią podstawę dzisiejszych sieci fronthaul, umożliwiając wysoką przepustowość i minimalne opóźnienia podczas łączenia jednostek BBU z RRU. Kable te potrafią obsłużyć prędkości transmisji danych powyżej 25 gigabitów na sekundę, co oznacza, że niezawodnie przesyłają cyfrowe sygnały radiowe bez zakłóceń wynikających z interferencji elektromagnetycznej – czynnik ten ma duże znaczenie w gęsto zabudowanych obszarach miejskich, gdzie jednocześnie pracuje wiele urządzeń. Standard CPRI współpracuje z dwukierunkowym światłowodem, aby zapewnić synchronizację pomiędzy przetwarzaniem sygnałów bazowych w jednostce BBU a rzeczywistą pracą RF wykonywaną przez RRU. Ta synchronizacja pomaga utrzymać wysoką jakość sygnału przez cały system, od początku do końca.
CPRI kontra eCPRI: protokoły dla efektywności fronthaul i zarządzania przepustowością
W miarę jak przechodzimy do sieci 5G, wielu operatorów zaczęło przyjmować tzw. ulepszony interfejs CPRI, znany również jako eCPRI. Co czyni eCPRI interesującym, to sposób, w jaki zmniejsza wymagania dotyczące przepustowości nawet dziesięciokrotnie w porównaniu ze starszymi wersjami CPRI. Tradycyjny CPRI działa inaczej – wymaga osobnych połączeń światłowodowych dla każdej anteny i opiera się na tzw. operacjach warstwy 1. Problem jednak pojawia się przy dużych konfiguracjach MIMO, które stają się obecnie powszechne – standardowy CPRI nie radzi sobie z ich skalowaniem. Tutaj właśnie błyszczy eCPRI. Przełączając się na transmisję opartą na Ethernetie, umożliwia wielu zdalnym jednostkom radiowym współdzielenie zasobów poprzez tzw. multipleksowanie statystyczne. Wynik? Znacznie lepsza wydajność pod względem efektywności fronthaulu bez dodatkowych kosztów infrastruktury.
| Metryczny | CPRI (skupienie na 4G) | eCPRI (zoptymalizowane pod kątem 5G) |
|---|---|---|
| Efektywność pasma | 10 Gbps na łącze | pula współdzielona 25 Gbps |
| Tolerancja opóźnień | < 100 μs | < 250 μs |
| Podział funkcjonalny | Ścisła warstwa 1 | Opcje podziału 7-2x |
Ta ewolucja zmniejsza koszty fronthaul o 30% i wspiera skalowalne wdrożenia fal milimetrowych.
Rozważania dotyczące opóźnień, pojemności i synchronizacji w projektowaniu fronthaul
Dokładne ustawienie czasowania ma duże znaczenie. Jeśli błąd synchronizacji przekracza 50 nanosekund, zakłóca to beamforming oraz wszystkie inne funkcje zależne od czasu w sieciach 5G. Dlatego nowoczesne konfiguracje fronthaul wykorzystują takie rozwiązania jak standardy IEEE 802.1CM TSN, aby zapewnić prawidłowe przesyłanie sygnałów sterujących przez sieć. Jeżeli chodzi o obsługę objętości danych, większość użytkowników przeszła obecnie na nadajniki/odbiorniki 25G. Odporność na tłumienie sygnału wynosi około 1,5 dB na kilometr, co daje lepsze wyniki niż stare systemy 10G o około dwie trzecie. Wszystkie te ulepszenia pozwalają uzyskać czasy reakcji poniżej milisekundy, nawet gdy jednostki baseband muszą być umieszczone aż 20 kilometrów od jednostek radiowych zdalnych w architekturach centralnych.
Ewolucja architektury sieci: od D-RAN do C-RAN i vRAN
D-RAN kontra C-RAN: wpływ na wdrażanie jednostek BBU i rozmieszczenie jednostek RRU
Tradycyjne rozproszone sieci RAN, czyli D-RAN, charakteryzują się tym, że każda wieża komórkowa posiada własną Jednostkę Przetwarzania Sygnału (BBU) umieszczoną bezpośrednio obok Zdalnej Jednostki Radiowej (RRU). Choć takie rozwiązanie ogranicza opóźnienie sygnału poniżej 1 milisekundy, wiąże się z dużą liczbą nadmiarowego sprzętu, który przez większość czasu pozostaje niewykorzystany, co dodatkowo utrudnia współdzielenie zasobów między wieżami. Nowocześniejsze podejście Centralized RAN polega na konsolidacji wszystkich jednostek BBU w centralnych lokalizacjach, połączonych za pomocą kabli światłowodowych z jednostkami RRU na różnych stanowiskach. Zgodnie z badaniami branżowymi firmy Dell'Oro z raportu z 2023 roku, taka zmiana może skrócić koszty eksploatacyjne o od 17% a nawet prawie do 25%. Ponadto operatorzy sieci uzyskują możliwość przekierowywania mocy obliczeniowej tam, gdzie jest ona najbardziej potrzebna, w miarę zmiany wzorców ruchu w ciągu dnia.
Centralne pulsy BBU w sieci C-RAN dla lepszego współdzielenia zasobów i wydajności
Poprzez konsolidację jednostek BBU w scentralizowanych obiektach operatorzy mogą zarządzać setkami jednostek RRU z jednego miejsca. Korzyści obejmują:
- Konsolidacja sprzętu : Wdrożenie o pojemności 24 komórek wymaga o 83% mniej chassisów BBU niż odpowiednie konfiguracje D-RAN
- Optymalizacja energii : Balansowanie obciążenia zmniejsza zużycie energii stacji bazowych o 35% (studium przypadku Ericsson, 2022 r.)
- Zaawansowana koordynacja : Umożliwia techniki takie jak skoordynowane wielopunktowe przesyłanie (CoMP) dla efektywnego formowania wiązek fal milimetrowych w sieci 5G
Wirtualizowana sieć dostępową (vRAN): Ewolucja funkcji BBU w przetwarzanie oparte na chmurze
vRAN oddziela przetwarzanie warstwy podstawowej od dedykowanego sprzętu, uruchamiając wirtualizowane funkcje BBU (vBBU) na standardowych serwerach chmurowych. Ten przejaz prowadzi do:
- Elastyczne skalowanie : Zasoby przetwarzania skalują się dynamicznie wraz ze wzorcami ruchu
- Integracja brzegowa : 67% operatorów wdraża wirtualne jednostki bazowe (vBBU) obok węzłów wielodostępnego przetwarzania na krawędzi sieci (MEC), aby zminimalizować opóźnienia (Nokia 2023)
- Wyzwania związane z interoperacyjnością : Uzyskanie synchronizacji poniżej 700 μs wymaga specjalistycznego sprzętu akcelerującego, mimo różnorodności dostawców
Ewolucja od D-RAN do C-RAN i vRAN podkreśla, w jaki sposób scentralizowanie i wirtualizacja poprawiają efektywność, skalowalność i opłacalność sieci.
O-RAN i podziały funkcjonalne: Od nowa definiowanie współpracy BBU-RRU
Standardy Aliansu O-RAN oraz wymagania dotyczące otwartych interfejsów dla BBU i RRU
Alliancja O-RAN dąży do większej otwartości i kompatybilności projektów radiowych sieci dostępowych, ustalając standardowe sposoby komunikacji między jednostkami bazowymi (BBU) a zdalnymi jednostkami radiowymi (RRU). Oznacza to w praktyce, że operatorzy mogą łączyć sprzęt od różnych dostawców zamiast być uwięzionymi w ekosystemie jednego producenta. Alliancja opracowała różne metody podziału funkcji pomiędzy te komponenty, takie jak opcja 7.2x. W tym rozwiązaniu warstwy takie jak RLC i MAC realizują swoje zadania w BBU, podczas gdy niższe zadania związane z warstwą fizyczną oraz przetwarzanie sygnału RF odbywa się po stronie RRU. W ostatnim roku opublikowano w czasopiśmie Applied Sciences artykuł, z którego wynika, że ta konfiguracja ogranicza opóźnienia fronthaul do mniej niż 250 mikrosekund, co jest imponujące, biorąc pod uwagę dużą wrażliwość sieci bezprzewodowych na problemy związane z synchronizacją. Oczywiście istnieje tu również pewien kompromis. Choć otwarte standardy zapewniają większy wybór podczas zakupu sprzętu, wymagają one również bardziej ścisłej koordynacji pomiędzy różnymi elementami, aby zagwarantować płynne działanie całego systemu bez pogorszenia ogólnej wydajności.
Opcje podziału funkcjonalnego (np. Podział 7-2x) w architekturach O-RAN
Standard Split 7.2x działa poprzez podział zadań przetwarzania między różne komponenty, wykorzystując dwa główne podejścia. W kategorii A większość pracy odbywa się po stronie BBU, co upraszcza jednostki RRUs, ale generuje większy ruch na połączeniu przednim. Z drugiej strony, kategoria B przenosi te zadania przetwarzania bezpośrednio do samej jednostki RRU. Taka konfiguracja zapewnia lepszą wydajność przy przetwarzaniu sygnałów powracających od użytkowników, choć komplikuje nieco budowę sprzętu. Zgodnie z najnowszymi raportami branżowymi, około dwóch trzecich operatorów sieci wybrało kategorię B dla swoich wdrożeń masowych MIMO, ponieważ uzyskują dzięki temu znacznie lepszą kontrolę nad interferencją sygnałów. Technologia ciągle ewoluuje. Weźmy na przykład projekt ULPI z 2023 roku. Ten nowy rozwój polega na przesuwaniu niektórych funkcji ekwalizacji w obrębie architektury systemu, aby osiągnąć jeszcze większe zyski wydajnościowe w całym zakresie działania. Dokładnie takie ulepszenia są ostatnio podkreślone w dokumentach grup roboczych O-RAN.
Balansowanie między interoperacyjnością a wydajnością w wdrożeniach Open RAN
O-RAN rzeczywiście niesie ze sobą potencjalne oszczędności w dłuższej perspektywie czasu oraz umożliwia współpracę z różnymi dostawcami, jednak osiągnięcie jego wydajności na poziomie tradycyjnych, zintegrowanych systemów RAN nadal stanowi duże wyzwanie. Problem sprowadza się do różnic między tym, co oferują poszczególni producenci pod względem możliwości akceleracji sprzętowej oraz dojrzałości ich oprogramowania. Powoduje to poważne trudności przy próbie osiągnięcia kluczowych wskaźników dotyczących przepustowości danych i zużycia energii. Gdy firmy konfigurują scentralizowane pule BBU, wymagane są również niezwykle niezawodne połączenia na fronthaul, co oznacza zachowanie drgań (jitter) poniżej około 100 nanosekund, zgodnie ze standardami branżowymi. Większość ekspertów sugeruje rozpoczęcie ostrożnie, być może od lokalizacji o niższym ryzyku w miastach, gdzie ewentualne problemy nie spowodują dużych zakłóceń. Takie podejście pozwala operatorom sprawdzić, czy wszystkie elementy poprawnie współpracują ze sobą i spełniają oczekiwania, zanim przejdą do pełnej wdrożenia na większych obszarach.
