Как BBU и RRU эффективно взаимодействуют в базовых станциях?

Функции и обязанности блока базовой полосы (BBU) при обработке сигналов

В основе современных базовых станций находится блок базовой полосы (BBU), который выполняет всевозможные критически важные задачи по обработке сигналов. Сюда входят модуляция и демодуляция, коррекция ошибок, а также управление протоколами на различных уровнях, включая PDCP, RLC и RRC. Прежде чем что-либо будет передано по радиоканалу, этот блок обеспечивает соответствие всем стандартам 3GPP, регулирующим сети LTE и 5G NR. Что действительно выделяет BBU, так это разделение функций плоскости управления и фактического потока данных в системе. Когда такие процессы, как управление передачей соединения, отделены от обычного потока данных, появляются возможности для более эффективного распределения ресурсов. Сети могут оперативно адаптироваться при резких скачках или падении трафика, обеспечивая стабильную работу даже в периоды пиковой нагрузки.

Роль удаленного радиомодуля (RRU) в преобразовании РЧ-сигналов и взаимодействии с антеннами

Устройство удаленного радио (RRU) размещается прямо рядом с антеннами, где оно преобразует базовые сигналы в реальные радиоволны, такие как частоты 2,6 ГГц или 3,5 ГГц. Такое расположение помогает снизить потери сигнала, которые могут быть довольно значительными — около 4 дБ на каждые 100 метров при использовании обычных коаксиальных кабелей, особенно в этих более высоких диапазонах частот. Что делает RRU? Оно отвечает за преобразование цифровой информации в аналоговую форму для передачи данных по нисходящему каналу, усиливает слабые сигналы, поступающие от устройств по восходящему каналу, не добавляя при этом излишнего шума, и работает с несколькими полосами частот — от 700 МГц до 3,8 ГГц — с использованием технологии агрегации несущих. Размещение этих блоков вблизи антенн также повышает быстродействие сетей. Испытания показывают, что задержка снижается примерно на 25% по сравнению со старыми системами, в которых использовались длинные кабельные трассы между оборудованием.

Дополнительный рабочий процесс: как BBU и RRU обеспечивают сквозную передачу сигнала

BBU и RRU работают вместе по высокоскоростным оптоволоконным каналам с использованием протоколов CPRI или eCPRI, образуя бесшовную цепочку сигнала от цифровой обработки до передачи по воздуху.

Такая распределённая архитектура централизует BBU, размещая RRU на вершине вышки, что повышает спектральную эффективность на 32% в городских условиях. Разделение позволяет независимо обновлять компоненты и особенно выгодно при развитии экосистем O-RAN.

Оптоволоконное соединение фронтхола: соединение BBU и RRU с помощью CPRI и eCPRI

Высокоскоростные оптоволоконные линии связи в взаимодействии BBU-RRU

Оптоволоконные кабели образуют основу современных сетей fronthaul, обеспечивая высокую пропускную способность и минимальную задержку при подключении блоков BBU к блокам RRU. Эти кабели способны передавать данные со скоростью более 25 гигабит в секунду, что позволяет надежно передавать оцифрованные радиосигналы без помех от электромагнитных воздействий — фактора, имеющего большое значение в загруженных городских районах, где одновременно работает множество оборудования. Стандарт CPRI работает совместно с двунаправленным оптоволокном, обеспечивая синхронизацию между обработкой базовой полосы сигнала в блоке BBU и фактической ВЧ-работой, выполняемой блоком RRU. Эта синхронизация помогает поддерживать высокое качество сигнала на всем протяжении системы от начала до конца.

CPRI против eCPRI: протоколы для повышения эффективности fronthaul и управления полосой пропускания

По мере перехода к сетям 5G многие операторы начали внедрять так называемый улучшенный CPRI, или, сокращённо, eCPRI. Интересен eCPRI тем, что он сокращает требования к полосе пропускания до десяти раз по сравнению со старыми версиями CPRI. Традиционный CPRI работает иначе: он требует отдельных волоконных подключений для каждой антенны и ориентирован на так называемые операции уровня 1. Однако проблема в том, что при работе с крупными MIMO-конфигурациями, которые становятся всё более распространёнными в наши дни, обычный CPRI не может масштабироваться должным образом. Здесь и проявляет себя eCPRI. Переходя на транспортные методы на основе Ethernet, он позволяет нескольким удалённым радиоустройствам совместно использовать ресурсы посредством так называемого статистического мультиплексирования. Результат — значительно лучшая производительность с точки зрения эффективности фронтхола без дополнительных затрат на инфраструктуру.

Эта эволюция снижает затраты на fronthaul на 30% и поддерживает масштабируемые развертывания в миллиметровом диапазоне.

Соображения задержки, пропускной способности и синхронизации при проектировании fronthaul

Правильное соблюдение временных параметров имеет большое значение. Если ошибка синхронизации превышает 50 наносекунд, это нарушает формирование лучей и все другие функции, зависящие от времени, в сетях 5G. Именно поэтому современные конфигурации fronthaul используют такие стандарты, как IEEE 802.1CM TSN, чтобы обеспечить правильное перемещение управляющих сигналов по сети. Что касается обработки объема данных, большинство пользователей сегодня перешли на 25G-приемопередатчики. Они обеспечивают потери сигнала около 1,5 дБ на километр, что на две трети лучше старых 10G-систем. Все эти модернизации позволяют сохранять время отклика менее одного миллисекунды, даже если блоки базовой полосы должны быть размещены на расстоянии до 20 километров от удаленных радиоустройств в централизованных архитектурных решениях.

Эволюция сетевой архитектуры: от D-RAN к C-RAN и vRAN

D-RAN против C-RAN: влияние на развертывание BBU и распределение RRU

Традиционные распределенные сети радиодоступа (D-RAN) предполагают, что каждый блок базовой полосы частот (BBU) расположен непосредственно рядом с удаленным радиоблоком (RRU) на каждой вышке. Хотя это позволяет поддерживать задержку сигнала ниже 1 миллисекунды, такой подход приводит к большому количеству дублирующего оборудования, которое большую часть времени простаивает, и затрудняет совместное использование ресурсов между вышками. Более новый подход — централизованный RAN (C-RAN) — предполагает объединение всех BBU в центральных узлах, соединённых по оптоволоконным кабелям с RRU на различных объектах. Согласно отраслевым исследованиям Dell'Oro за 2023 год, такая архитектура может сократить эксплуатационные расходы примерно на 17% и, возможно, даже приблизиться к 25%. Кроме того, операторы связи получают возможность перераспределять вычислительные мощности туда, где они наиболее необходимы, в зависимости от изменения трафика в течение дня.

Централизованные пулы BBU в C-RAN для улучшения совместного использования ресурсов и повышения эффективности

Объединяя блоки базовой полосы (BBU) в централизованных объектах, операторы могут управлять сотнями удаленных радиоустройств (RRU) с одного местоположения. Преимущества включают:

• Консолидация оборудования : Развертывание 24 ячеек требует на 83% меньше шасси BBU по сравнению с эквивалентными конфигурациями D-RAN
• Оптимизация энергии : Балансировка нагрузки снижает энергопотребление базовой станции на 35% (исследование Ericsson, 2022 год)
• Расширенная координация : Позволяет применять такие методы, как координированная многоточечная передача (CoMP), для эффективного формирования лучей в 5G миллиметрового диапазона

Виртуализированная сеть доступа (vRAN): Эволюция функций BBU в облачную обработку

vRAN отделяет обработку базовой полосы от специализированного оборудования, запуская виртуализированные функции BBU (vBBU) на стандартных коммерческих облачных серверах. Этот переход обеспечивает:

1. Гибкое масштабирование : Ресурсы обработки динамически масштабируются в соответствии с трафиком
2. Интеграция Edge : 67% операторов развертывают vBBU совместно с узлами Multi-access Edge Computing (MEC) для минимизации задержки (Nokia 2023)
3. Проблемы совместимости : Достижение синхронизации менее чем за 700 мкс требует специализированного аппаратного ускорения, несмотря на разнообразие поставщиков

Эволюция от D-RAN к C-RAN и vRAN подчеркивает, как централизация и виртуализация повышают эффективность, масштабируемость и рентабельность сетей.

O-RAN и функциональные разделения: переосмысление взаимодействия BBU-RRU

Стандарты O-RAN Alliance и требования к открытым интерфейсам для BBU и RRU

Альянс O-RAN продвигает более открытые и совместимые проекты радиодоступа, устанавливая стандартные способы взаимодействия между базовыми блоками (BBU) и удалёнными радиоблоками (RRU). Это означает, что операторы могут комбинировать оборудование от разных поставщиков, вместо того чтобы быть привязанными к экосистеме одного производителя. Альянс разработал различные варианты разделения функций между этими компонентами, например, опцию 7.2x. В такой конфигурации такие уровни, как RLC и MAC, обрабатываются в BBU, тогда как задачи нижнего уровня физического слоя и обработка РЧ-сигналов выполняются на стороне RRU. В прошлом году в журнале «Applied Sciences» была опубликована статья, в которой указано, что при такой конфигурации задержки во фронтхоле остаются ниже 250 микросекунд, что весьма впечатляет с учётом высокой чувствительности беспроводных сетей к временным задержкам. Конечно, здесь также существует компромисс. Хотя открытые стандарты расширяют возможности при закупке оборудования, они требуют более тесной координации всех различных компонентов, чтобы обеспечить бесперебойную работу всей системы без ущерба для общей производительности.

Варианты функционального разделения (например, разделение 7-2x) в архитектурах O-RAN

Стандарт Split 7.2x работает за счёт разделения задач обработки между различными компонентами с использованием двух основных подходов. В категории A большая часть работы выполняется на стороне BBU, что упрощает RRU, но увеличивает трафик на соединении передачи данных. С другой стороны, категория B переносит эти задачи обработки непосредственно в сам RRU. Такая конфигурация обеспечивает лучшую производительность при обработке сигналов, поступающих от пользователей, хотя и усложняет аппаратную часть. Согласно последним отраслевым отчётам, около двух третей операторов сетей выбрали категорию B для развёртывания массивных MIMO-систем, поскольку это даёт значительно лучший контроль над интерференцией сигналов. Технологии продолжают развиваться. Возьмём, к примеру, проект ULPI 2023 года. Эта новая разработка предполагает перераспределение определённых функций эквализации внутри архитектуры системы, чтобы дополнительно повысить общую производительность. Именно такие улучшения в последнее время подчёркиваются в документах рабочих групп O-RAN.

Сочетание совместимости и производительности в развертываниях открытой радиодоступности (Open RAN)

O-RAN действительно позволяет со временем сэкономить деньги и дает возможность работать с разными поставщиками, однако обеспечение его производительности на уровне традиционных интегрированных систем RAN по-прежнему является сложной задачей. Проблема сводится к различиям в возможностях аппаратного ускорения и степени зрелости программного обеспечения, предлагаемых различными производителями. Это создает серьезные трудности при попытке достичь ключевых показателей пропускной способности и энергопотребления. При создании централизованных пулов BBU также необходимы чрезвычайно надежные соединения на стороне передней панели, при этом уровень джиттера должен оставаться ниже примерно 100 наносекунд согласно отраслевым стандартам. Большинство экспертов рекомендуют изначально действовать осторожно, начав, возможно, с менее рискованных локаций в городах, где возможные проблемы не вызовут серьезных сбоев. Такой подход позволяет операторам проверить, корректно ли все компоненты работают вместе и соответствуют ли ожиданиям, прежде чем внедрять решение в более крупных масштабах.